В настоящее время в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО). Наиболее распространенными среди них являются термические способы. Анализ этих технологий показал, что они обладают рядом недостатков, основным из которых является неудовлетворительная экологическая чистота. Она связывается в последние годы главным образом с отходами, содержащими хлорорганические вещества и (или) выделяющие другие высокотоксичные органические соединения (фураны, диоксины и тп.). Диоксинообразующими компонентами ТБПО являются такие материалы как картон, газеты, пластмассы, изделия из поливинилхлорида и т.п.
Самой распространённой среди них является технология сжигания в слоевой топке на колосниковых решётках (Приложение 1).
Сжигание отходов в топках с псевдосжиженным слоем широко распространено в Японии. В США работает технология по сжиганию отходов в циркулирующем псевдосжиженном слое.
Получает распространение технология предварительного пиролиза и последующего высокотемпературного сжигания.
Все эти технологии обладают одним общим недостатком - повышенной экологической опасностью при бункерном хранении ТБПО, связанной с гниением отходов, с неравномерностью загрузки печей и, как следствие, с наличием вторичных отходов
По технологиям сжигания ТБПО на колосниковых решётках при температуре 600-900°С остаётся 25-30% вторичных твёрдых отходов, заражённых высокотоксичными веществами и требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме этого, при сжигании отходов при указанной температуре и медленном нагреве идет интенсивное образование диоксинов и ПАУ как в процессе сжигания отходов, так и в процессе охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по переработке ТБПО закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или переводятся на дорогостоящую систему очистки газов с помощью угольных фильтров и специальных катализаторов окисления окислов азота, ПАУ и диоксинов.
Технологии по сжиганию отходов в топках с псевдосжиженным слоем и в циркулирующем псевдоожиженном слое не решают проблему утилизации и обезвреживания твёрдых остатков - шлака, и особенно летучей золы.
Сжигание ТБПО по технологии "Пиролиз и высокотемпературное сжигание" сложно аппаратурно как на стадий пиролиза и сжигания отходов, так и на стадии газоочистки.
Технология переработки отходов в печи Ванюкова при всей сложности системы газоочистки малоэффективна в смысле осаждения аэрозолей, а, следовательно, и образования диоксинов, т.е. не гарантирует необходимую экологическую обработку. Плавильная печь капиталоемкая и сложна в эксплуатации.
Из сказанного видно, что основополагающим при переработке ТБПО является проблема образования диоксидов.
Есть основание предполагать, что при обычном способе сжигания мусора в газовом тракте снова образуются токсичные соединения (диоксины, полиароматические углеводороды (ПАУ) и т.д.), где главную функцию синтеза и транспортировки выполняют аэрозоли сажи:
а) образование синтезгаза С + Н2О = СО + Н2;
б) гетерогенный каталитический синтез органических соединений на поверхности аэрозолей сажи;
в) сорбция продуктов синтеза на поверхности сажи.
СО + Н2 + НС1 = ПАУ, диоксины и т.д.
На 1см2 сажистой аэрозоли могут разместиться приблизительно 1014 молекул ПАУ и диоксинов. В 1 м3 отходящих газов могу находиться десятки миллионов частиц сажи с общей поверхностью больше 100м2. На такой поверхности может разместиться больше 1020 молекул ПАУ и диоксинов. Улавливание сажистых аэрозолей крайне сложная и дорогостоящая задача.
Именно поэтому, вокруг даже самых лучших сжигателей, полностью удовлетворяющих требованиям НЕС, создаётся отравленная загрязненная зона. Она очень ярко выражена в радиусе до 1,5 км вокруг трубы сжигателя, а при его многолетней работе эта зона охватывает до 30 км. В ближней зоне выпадают наиболее крупные аэрозольные частицы, а более мелкие распространяются на десятки километров.
Согласно Нормативам Европейского Союза (НЕС) геометрия горячей зоны сжигателя должна обеспечить пребываете газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд (правило 2 секунд) при концентрации кислорода не менее 6%.
Следует отметить, что это очень жесткое требование и выдержать его непросто. Особенно трудно добиться высокого содержания кислорода в зоне горения. При этом следует иметь в виду, что требование 2 секунд подразумевает, что концентрация диоксинов в отходящих газах должна быть приемлемой для их очистки до регламентируемых 0,1 нг/м3 (при 11% кислорода в газах). При этом предполагается, что степень очистки будет не ниже "шести девяток", т.е. 99, 9999%. Однако при этом не учитывается особое свойство диоксинов - способность к повторному синтезу в холодной зоне.
Реально снижают содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели, объединённые с дожиганием НОХ. Именно в силу трудностей их улавливания очистные сооружения современных заводов стоят очень дорого.
Опыт переработки ТБПО термическими методами и многочисленные публикации позволяют сделать следующие выводы:
- медленный нагрев ТБПО и осуществление процесса сжигания на уровне 600-900°С при недостатке кислорода благоприятствуют интенсивному образованию сажистых аэрозолей и органических соединений;
- температуры порядка 1400°С, окислительная среда (> 11 об.% 02) и высокая степень пиролиза (до пирофорного состояния) обеспечивают высокую скорость горения продуктов пиролиза, что исключает образование сажистых частиц и, следовательно, диоксинов и ПАУ.
Выполнение таких условий реализуется в разработанной НИИЦ технологии сжигания отходов в циркулирующем шлаковом расплаве (Приложение 2) на воздушном дутье в газлифтном режиме. Попадая в объем циркулирующего расплава при кратности 1:100, материал подвергается быстрому пиролизу за счет теплового удара и полностью сжигается при избытке кислорода при температуре 1500-1600°С в газлифтной зоне. Зона термической обработки материала в объеме расплава достигает 5 и более метров.
Технологическая схема сжигания ТБПО (Приложение 3) обеспечивает эффективность разложения диоксинов на всех стадиях переработки отходов, что решается следующим образом:
повышение содержания кислорода в отходящих газах до 10%;
принятием экологически чистого способа хранения отходов в барабанах - дозаторах;
сжиганием отходов на воздушном дутье при а > 1.1 с дожигом продуктов разложения в верхних слоях газлифтного слоя с помощью вертикальной кислородной фурмы;
сжиганием предварительно подсушенных и измельчённых отходов под слоем расплава при следовании ТБО в
объеме расплава на расстоянии 5м (2м в нисходящей зоне и 3м в газлифтном);
замена экологически ненадежной громоздкой системы очистки отходящих газов после сжигания отходов, фильтрацией их через взвешенный слой отходов в процессе измельчения и сушки;
экологически чистой, высокоэффективной очистки отходящих газов после сушки и измельчения в циркулирующем кипящем слое и на ротоклоне;
снижение объема отходящих газов за счет конденсации из них 60% воды.
При данной технологии легколетучие металлы (например, ртуть и т.п.) при избытке кислорода улавливаются в виде окислов перед подачей на сушку или в процессе сушки. Цинк и другие тугоплавкие металлы аккумулируются и удаляются со шлаком в виде окислов.
Вместо традиционного бункерного хранения неподготовленного сырья предусматривается хранение предварительно отсортированных от металлолома и высушенного ТБПО (до 10% влаги) во вращающихся вентилируемых барабанах с объемом, обеспечивающим их 1 - 2-х суточный запас. Сушка отходов в процессе измельчения на роторных молотковых мельницах облегчает процесс их последующего сжигания. В табл.1 приведены показатели технологии утилизации ТБПО в условиях газлифтного вспененного расплава шлака.
Согласно теоретическим и практическим предпосылкам, накопленным мировой практикой, основными условиями, обеспечивающими экологически эффективное (без образования ПАУ и диоксинов) сжигание ТБПО, являются два условия:
предварительная газификация ТБПО;
сжигание газов без образования аэрозолей сажи.
Газификация топлива эффективнее всего проходит под шлаком, когда нагревание сырья до высоких температур (около 1500°С) происходит практически мгновенно (~0,1 с).
Сжигание газов наиболее эффективно происходит при высоких температурах (свыше 1000°С) и избытке кислорода (1.1).
Все эти требования в наших условиях выполняются за счёт сжигания подготовленных ТБПО в шлаковом вспененном расплаве на обогащенном кислородном дутье в особом газлифтном режиме.
Таблица 1 Показатели технологии утилизации ТБПО
|
№№ п. п. |
Наименование показателей |
Единица измерения |
Значение показателя |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1. |
Количество перерабатываемых отходов(W=40%) |
т/год т/час |
140.0 17. 7 |
|
2. |
Расход технического кислорода |
нм3/ч |
442.5 |
|
3. |
Состав образующегося шлака: |
% |
|
|
- оксид железа |
- |
15.38 |
|
|
- оксид кремния |
- |
50.72 |
|
|
- оксид алюминия |
- |
15.56 |
|
|
- оксид кальция |
- |
7.81 |
|
|
- оксид магния |
- |
3.93 |
|
|
- оксид магния |
- |
0.81 |
|
|
- цинк |
- |
0.17 |
|
|
- свинец |
- |
0.06 |
|
|
- медь |
- |
0.83 |
|
|
- сера |
- |
0.12 |
|
|
- прочие |
- |
4.51 |
|
|
4. |
Количество отходящих газов поступающих на конденсацию |
нм3/ч |
29736.0 |
|
Температура газов |
°С |
1600 |
|
|
5. |
Количество газов (после сушки) |
нм3/ч |
22700.0 |
|
Температура газов после сушки |
°С |
200 |
|
|
6. |
Количество отходящих газов на печь кипящего слоя |
нм3/ч |
22700.0 |
|
7. |
Состав отходящих на выброс газов: - оксид углерода (СО2) |
% |
17.76 |
|
- вода |
- |
25.0 |
|
|
- диоксид серы |
- |
0.08 |
|
|
- азот |
- |
48.4 |
|
|
- кислород |
- |
10.0 |
|
|
8. |
Площадь газлифтной установки |
м2 |
5.0 |
|
9. |
Площадь печи с циркулирующим кипящим слоем |
м2 |
5.0 |
|
10. |
Расход условного топлива на дожит отходящих газов в кипящем слое |
кг/ч |
600.0 |
Соотношение жидкого шлака поддерживается на уровне 100 т на 1 т загружаемого материала. В этой же зоне за счёт подачи в нисходящий поток шлака кислородного дутья идут одновременный пиролиз, и конверсия органической части ТБПО и частичное окисление продуктов конверсии и пиролиза. Реакции пиролиза и конверсии завершаются в подфурменной и фурменной зонах. Над вторым рядом фурм, или с помощью вертикальной кислородной фурмы, начиная с глубины 2,5 м, во вспененном слое шлака, происходит окисление продуктов конверсии при избытке кислорода. Для усиления эффекта вспененного слоя в газлифтную зону одновременно с дутьем через боковые фурмы подаётся дутьё через верхнюю фурму.
Стократный избыток шлака обеспечивает интенсивное разрушение органической части мусора за счёт теплового удара.
Горючие продукты подвергаются термическому разложению (пиролизу):
СnНm = nС + m/2Н2;
и конверсии:
СnHm + Н2О = СО + СО2 + Н2;
Термический пиролиз и конверсия идут с поглощением тепла. С поглощением тепла идут и вторичные реакции:
3С + 4Н2О = 2СО + СО2 + 4Н2;
Для поддержания теплового баланса в зоне загрузки и ускорения приведенных выше реакций, в эту зону подается кислород для обеспечения окислительного пиролиза:
СnНm + O2 = СО + Н2;
Все эти реакции ускоряются раскалённой поверхностью шлака, которая обладает каталитической активностью. В качестве катализатора выступает и высокоразвитая поверхность сажи, выделяемая при разложении углеводородов, образующихся в процессе пиролиза органической части отходов по реакции:
СnНm = nС + m/2Н2;
В присутствии сажистых частиц в газовом пузыре (до десятков миллионов частиц на 1см), например, самый устойчивый метан полностью разлагается за 1,5 секунды.
В связи с вышесказанным, наиболее медленная стадия процесса сжигания отходов - стадия газификации органической части ТБПО, с высокой эффективностью протекает в объеме циркулирующего шлака при условии:
реализации окислительного пиролиза;
продолжительности пребывания отходов в объеме шлака более 4 секунд за счет транспортировки материала на расстояние 5 и более метров;
С целью повышения эффективности процесса газоочистки, при одновременном и значительном упрощении его аппаратурного оформления, за основу был принят способ очистки отходящих газов исходным сырьем (Приложение 3).
Предлагаемый к реализации проект “ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ” защищен патентами Российской Федерации:
Патент РФ №2087820 от 17.11.87г.;
Патент РФ № 2111275 от 16.07.96г.;
Патент РФ №1819434АЗ от 17.11.87г.;
Патент РФ №21009215 от 11.01.95г.;
Патент РФ №2122155 от 25.06.97г.
Выполнен рабочий проект опытно-промышленного завода по переработке ТБПО для города Зеленогорск Красноярского края производительностью 100 тыс. тонн в год.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.promeco.h1.ru/l