ТЕРМІЧНА ОБРОБКА ВІДХОДІВ

До основних видів термообробки відносяться: спалювання, піроліз і високотемпературна агломерація. Спалювання і піроліз є деструктивні методи, так як призводять до зміни структури вихідних речовин. Спалювання горючих видів відходів є найбільш економічно доцільним з точки зору співвідношення витрат і отримання вигоди від продажу теплової або електричної енергії. Тому в багатьох розвинених країнах використовують цей метод в основному для утилізації побутових відходів. Що стосується утилізації промислових горючих відходів, то спалювання дозволяє не тільки знизити викиди в повітря (наприклад, в нафтохімічному виробництві застосовується смолоскипна спалювання), але також скоротити кількість що скидаються із стічними водами забруднюючих високотоксичних органічних речовин і тим самим зменшити витрати на водоочистку. Однак в процесі термічної обробки утворюються нові хімічні сполуки в різних агрегатних станах, які при попаданні в повітря завдають шкоди людині і навколишньому середовищу.[1]

Принципова схема знешкодження електроліту

Мал. 4.11. Принципова схема знешкодження електроліту

(по А. С. Гринина, В. Н. Новикову, 2002 1 )

Особливу небезпеку становлять стійкі органічні хлорсодержащие екотоксиканти, такі як діоксини, поліхлоровані дібензофурани і ін. (Див. Параграф 2.1). Як правило, процес спалювання супроводжується також утворенням побічних неорганічних продуктів: хлороводню, оксидів металів, оксидів сірки. Для запобігання утворенню токсичних викидів необхідне точне дотримання всіх технологічних параметрів спалювання: температури, вологості, ступеня дисперсності в разі твердих частинок, тимчасових рамок, режимів перемішування, співвідношення концентрацій повітря і відходів.

Для очищення газоповітряних викидів використовуються, як правило, комбіновані методи: для твердих суспендованих частинок (аерозолів) - камерне осадження, фільтрація, абсорбція; для газоподібних речовин - адсорбція твердим носієм і абсорбція в об'ємі рідини, каталітичне окислення (див. параграф 5.2).

Піроліз органічних відходів. Піроліз - це розкладання органічних речовин або біомаси (деревини, вугілля, нафтопродуктів, полімерів, гуми) в безкисневому режимі при відносно невисоких температурах (50 (Н800 ° С). В результаті піролізу молекули органічних речовин зазнають хімічні перетворення, при яких утворюються нові речовини з коротшою вуглеводневої ланцюгом, що представляють собою високоокісленние вуглеводні і твердий залишок у вигляді золи. Рідкі продукти піролізу - смоли або масла - використовуються в якості палива, так як вони мають високу нергетіческую щільність і теплоту згоряння (QHP = 2 (Н25 МДж / кг), або в якості вихідної сировини в хімічній промисловості (рис. 4.12).

Піроліз полімерних відходів

Мал. 4.12. Піроліз полімерних відходів

Піротопліво можна використовувати в якості замінника котельного або дизельного палива. Твердий залишок, що утворюється в результаті піролізу, являє собою суміш углеподобних речовин, гак званий вуглецевий залишок, вихід якого становить 30-35% по масі вихідної сировини. Ця суміш може використовуватися як активоване вугілля - в металургійній і фармацевтичної промисловості, в якості палива, а також в якості сорбенту в процесах водоочистки та водопідготовки.

До складу газоподібних продуктів піролізу входять газоподібні вуглеводні, в тому числі метан. Вихід газу становить до 70% маси сухої сировини, а його склад залежить від вихідного складу сировини і технологічних параметрів процесу, в першу чергу від температури і тимчасового режиму (табл. 4.5). Цей газ зазвичай використовується в самому процесі піролізу для підтримки температури процесу і сушки вихідної сировини.

В результаті процесів піролізу отримують цінні органічні речовини, наприклад поліфеноли, інші ароматичні сполуки, загалом понад 100 компонентів. Іноді саме піроліз є найбільш доцільним способом переробки та утилізації промислових відходів, наприклад нафтових шламів, полімерних відходів, автомобільних шин.

Технологія піролізу принципово не відрізняється від технології термічної переробки, за винятком використовуваних концентрацій повітря, тому в результаті піролізу утворюються аналогічні викиди токсичних газоподібних речовин. Очищення газів, що відходять також вимагає використання дорогого очисного обладнання, що значно підвищує витрати на використання піролізних установок.

Таблиця 4.5

Технологічні характеристики процесів піролізу 1

Характеристики

Швидкий піроліз при температурах

повільний

піроліз

низьких

ВИСОКИХ

час процесу

1 з

5-30 хв

Розмір сировини

малий

малий

середній

Вологість сировини

дуже низька

дуже низька

низька

Температура, ° С

450-600

650-900

500-700

Тиск, кПа

100

10-100

100

газ:

вихід, мас.% сухого сировини

до 30

до 70

до 40

теплота згоряння, МДж / нм 3

10-20

10-20

5-10

рідина:

вихід, мас.% сухого сировини 2

до 80

до 20

до 30

теплота згоряння, МДж / кг

23

23

23

  • 1 URL: http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/analit/an001.htm (дата звернення: 27.03.2014).
  • 2 Кількість рідини з урахуванням води реакції і вологи сировини.

Характеристики

Швидкий піроліз при температурах

повільний

піроліз

низьких

високих

Тверда речовина:

вихід, мас.% сухого сировини

до 15

до 20

20-30

теплота згоряння, МДж / кг

30

30

30

Існує безліч технологій термообробки, що дозволяють знешкоджувати токсичні відходи. Їх можна поділити на високотемпературні і низькотемпературні процеси. Робочі параметри деяких технологій термообробки наведені в табл. 4.6.

Таблиця 4.6

Робочі параметри технологій термічної обробки відходів

Тип печі

Діапазон температур, ° С

Діапазон часу обробки (рідини і гази: секунди, хвилини; тверді матеріали: годинник)

обертається

816-1650

хвилини

Для випалу клінкеру

1370

15 з

З подачею рідких відходів

980-1650

0,1-2 з

Судова

980-1650

0,1-2 з

З псевдозрідженим шаром

760-980

Від секунд до годин

Многотоіочная

760-980

0,25-1,5 год

Реактор з розплавом солей

816-980

0,75 з

З окисленням вологим повітрям

150-260

10-30 хв

Крім того, традиційно класифікація топкових пристроїв для спалювання відходів враховує аеродинамічні умови спалювання, так як саме спосіб подачі окислювача в зону реакції визначає питому теплопродуктивність і економічність топкового процесу [2] .

Відповідно до прийнятої класифікації розрізняють наступні види топок:

  • • шарові - для спалювання твердого неизмельченного палива, наприклад твердих побутових відходів (ТПВ);
  • • камерні - для спалювання газоподібних і рідких відходів або твердих відходів в дрібнодисперсному стані;
  • • барботажні (пальники) і турбобарботажние - для спалювання рідких відходів;
  • • смолоскипна-шарові - для забезпечення комбінованого способу спалювання.

Основними параметрами, що визначають тип топкового пристрою, є розміри частинок палива, що спалюється і швидкість подачі гарячого повітря. Їх можна умовно поділити на три типи (рис. 4.13):

  • • розміри і маса частинок такі, що слабкий потік рухається повітря не може підняти частки - характерний для шарових топок;
  • • розміри і маса частинок досить малі для того, щоб захоплюватися і переноситися швидким потоком повітря в режимі пневмотранспорту - здійснюється в камерних топках;
  • • розміри і маса частинок і швидкість потоку повітря забезпечують стан динамічної рівноваги, коли при проходженні через шар повітря піднімає і «розсовує» частинки, тобто збільшує товщину шару і знижує його щільність, але не виносить частку за межі шару - створюється в топках киплячого шару.
Типи топкових пристроїв

Мал. 4.13. Типи топкових пристроїв,

визначаються розмірами частинок палива і швидкістю подачі повітря (ЦКШ - циркулює киплячий шар)

Конструкції перерахованих типів топкових пристроїв будуть детально розглянуті нижче.

Високотемпературні процеси. Всі високотемпературні процеси (від 900 до 1600 ° С) проводяться в топках (печах) наступних конструкційних типів:

  • • барабанних або обертових печах;
  • • комбінованих печах з подачею твердих, рідких і газоподібних відходів;
  • • шарових топках.

Барабанні, або обертові, печі (рис. 4.14) використовуються для термічної обробки твердих і пастоподібних відходів з вологістю від 30 до 50%. Крім того, барабанні печі використовуються для різних операцій, пов'язаних з висушуванням і випалюванням, наприклад для сушки піску, випалу клінкеру, виробництва каталізатора (див. Підпункті 4.3.3).

Схема обертається (барабанної) печі

Мал. 4.14. Схема обертається (барабанної) печі:

  • 1 - металевий корпус; 2 - опорні ролики;
  • 3 - редуктор і левередж; 4 - головка печі;
  • 5 - пристрій для подачі шихти; 6, 7 - пальник (форсунка) для спалювання палива, вміщена в гарячу головку;
  • 8 - пристрій для очищення газів від пилу;
  • 9 - теплообмінні пристрої

Основним вузлом печі є горизонтальний циліндричний корпус, покритий зсередини вогнетривкої футеровкою. Барабан нахилений під невеликим кутом в бік вивантаження шламу. Обертання барабана забезпечує добре перемішування і рівномірний розподіл тепла. Завантаження шламу проводиться від холодного кінця печі за допомогою дозаторів. З протилежного боку в піч подаються паливо і повітря; в результаті згоряння виходять гарячі гази, потік яких спрямований назустріч рухається матеріалу. В якості палива можуть також використовуватися горючі рідкі відходи, наприклад розчинники, що подаються через форсунку. Температура в печі досягає 900 ° С. У міру просування по циліндру матеріал підсушується, частково газифіковане і переміщається в зону горіння, при цьому органічна частина шламу повністю вигорає. Незгорілі тверді домішки, вловлені в процесі газоочистки скрубберами або електрофільтрами, повертаються назад в піч або камеру допалювання.

Комбіновані печі з подачею твердих, рідких і газоподібних відходів - відносно нові технічні розробки. Така піч представляє собою сталевий циліндр з вогнетривкої оболонкою, укладений в кожух, оснащений трубопроводами для подачі спалюваних відходів і повітря [3] . Камера подачі повітря виконана у вигляді перфорованої труби між стінкою корпусу печі і кожухом. Перфорована поверхня переходить в більш коротку гофровану, при цьому співвідношення довжин гофрованої поверхні до перфорованої не менше 0,2. Температура в камері згоряння 1500-1600 ° С. Технологічними особливостями даної печі є певне розташування трубопроводів для подачі спалюваних відходів і повітря; використання радіальних пластин, рівномірно розташованих по колу, що забезпечують рівномірний розподіл тепла і палива, а також дроблення будь-яких рідких відходів для повного згоряння без застосування додаткових форсунок. Так, конструкція печі передбачає наявність спеціального трубопроводу для додаткової подачі повітря, який з'єднаний з камерою подачі повітря через конусоподібний клапан з регульованим зазором. Це забезпечує регульовану подачу повітря автономно на кожен введення, що необхідно для повного згоряння кожного виду знешкоджує відходів. В результаті така конструкція печі має підвищену ефективність спалювання будь-яких видів відходів, а також продовжує термін експлуатації.

Шарові топки. Тонкі такого типу найчастіше використовуються для спалювання твердих відходів, наприклад побутових. В цьому випадку відходи самі є паливом і можуть використовуватися для отримання енергії. Шарові печі можна класифікувати за такими ознаками: режимам подачі; видам теплової підготовки і способом займання відходів; способом підведення палива; способу видалення шлаку. Завантаження відходів може здійснюватися періодично або безперервно. Загорання та підпал відходів можуть проводитися на різних рівнях - у верхньому шарі, нижньому шарі або змішаним способом. При спалюванні відходів використовуються різні напрямки потоків для прискорення массобмена - протитечія, прямоток, перехресний струм або змішані потоки.

Повний процес згоряння можна поділити на три стадії: підготовка відходів до горіння, власне горіння, випалювання вуглецевого залишку. У зоні горіння відбуваються як окислювальні (окислення киснем повітря до оксидів вуглецю, сірки, азоту та ін.), Так і відновні (відновлення вуглецю та інших речовин) процеси.

Під час термічної підготовки відходів відбувається їх нагрівання, висушування і виділення летких речовин, що утворилися при досить низьких температурах. У зоні окислення виділяється основна кількість теплоти (екзотермічна реакція) і спостерігається максимальна концентрація оксиду вуглецю. У відновної зоні, навпаки, відбувається ендотермічна відновлення оксиду вуглецю. На останній стадії відновлений вуглець (знезолений кокс) вигорає і знову утворюється оксид вуглецю.

Для забезпечення пересування палаючого шару і збільшення швидкості процесу використовуються механічні ступінчасті колосникові решітки або ланцюгові решета, при цьому відходи переміщаються за рахунок руху ступенів похилій решітки за принципом ескалатора.

Низькотемпературні процеси. Процеси, які відбуваються при досить низьких температурах (70 (Н900 ° С), здійснюються в топкових пристроях, які можна умовно розділити на наступні типи: печі з псевдозрідженим (киплячим) шаром (рис. 4.15); многотопочние печі; реактори з розплавом солей і топки з окисленням вологим повітрям.

Топки киплячого шару по конструкционному типу можна віднести до шаровим, проте підготовка палива до спалювання передбачає подрібнення компонентів до певних розмірів частинок. Принцип киплячого шару означає, що спалюються частки повинні постійно перебувати в підвішеному стані в потоці висхідного гарячого повітря і не виноситися за межі зони горіння. В цьому випадку процес горіння протікає дуже

швидко, при досить низьких температурах (80 (Н 900 ° С), а габаритні розміри топки значно менше розмірів звичайних шарових топок. Для забезпечення рівномірного перемішування в киплячому шарі використовуються повітророзподільні колосникові решітки і вентилятори високої потужності. Основна проблема полягає в тому, що тверді частинки повинні мати приблизно однакові розміри і маси, щоб забезпечувався однорідний склад суміші. В іншому випадку частина частинок (до 20-30%) буде виноситися з потоком повітря, а частина - осідати н решітки та сопла, що призводить до зашлаковиваніе межсоплового простору і сопел колосникових решіток. Крім того, з-за високої швидкості руху частинок для таких топок характерний високий абразивний знос теплопередающих поверхонь.

Горіння в псевдозрідженому шарі

Рис . 4.15. Горіння в псевдозрідженому шарі

До переваг печі відноситься можливість ефективного придушення утворення оксидів азоту в даному температурному режимі, що є одним з найбільш токсичних компонентів викидів. Для регулювання температури шару і для запобігання утворення шлаку за рахунок спікання частинок в зону горіння можна подавати гарячу пару. Крім того, в зону горіння вводять інертні карбонати - доломіт, вапняк і ін., Які пов'язують до 90% оксидів сірки, що утворюються під час горіння, а в якості додаткового палива використовують вугілля, торф, деревні та інші горючі відходи.

До різновидів камерних топок з псевдозрідженим шаром відносяться: печі з циркулюючим киплячим шаром (ЦКШ), камерні, або факельні топки; вихрові, або циклонні топки.

Технологія циркулюючого киплячого шару використовується в основному за кордоном і є проміжну стадію між технологіями звичайного киплячого шару і камерного спалювання і забезпечується конструкцією топки. Основний обсяг паливних частинок знаходиться в підвішеному стані, але швидкість потоку повітря вища, що приводить до циркуляції частинок по всій висоті топки. При цьому частина палива виноситься із зони згоряння і потрапляє в гарячий циклон, з якого повертається назад в зону горіння. Освіта оксидів азоту також пригнічується за рахунок додавання карбонатів, тому не потрібно спеціального уловлювання. Вплив ерозії менше, ніж у звичайній топці киплячого шару, але витрата енергії на більш інтенсивний піддув більше.

У камерних факельних топках можна спалювати рідкі горючі і газоподібні відходи, а також тверді горючі відходи в пилоподібної формі (вугільна і деревний пил і ін.). Найчастіше факельні печі використовуються для спалювання відходів нафтопереробки (пряме смолоскипна спалювання), а також для знешкодження аварійних викидів, їх можна застосовувати для знешкодження стічних вод, що містять нафтопродукти. Такі топки можуть бути одно- і багатокамерні для вирівнювання тиску в сусідніх камерах. Більшу частину обсягу камери згоряння займає сам факел. Тверде паливо попередньо очищають, подрібнюють в разі потреби до пилоподібних стану і висушують. Для спалювання газоподібного палива не потрібно спеціальної підготовки, а рідкі горючі відходи розпорошуються форсунками.

Вихрова, або циклонная, топка також є різновидом камерної топки, в якій здійснюється спіральний рух частинок палива і шлаку і їх згоряння при температурах 850-І650 ° С, тому даний вид топок може бути віднесений до високотемпературних пристроїв. Печі випускаються промисловістю в двох варіантах організації горіння - вертикальному і горизонтальному. У горизонтальних конструкціях канал вентилятора встановлюється під кутом (тангенциально) до циліндричної камері печі, що сприяє утворенню вихрового потоку, одночасно з протилежного торця камери противотоком подаються спалюються відходи в Пиловидний формі. У вертикальному варіанті, як правило, спалюються рідкі або напіврідкі відходи, які подаються в диспергованому вигляді через пальник в нижню частину обсягу горіння, при цьому в якості додаткового палива використовується природний газ, змішаний з повітрям. Горіння відбувається у верхній частині обсягу. Найбільш ефективно циклонні топки використовуються для знешкодження рідких горючих відходів, крім того, вони використовуються для спалювання твердих пилоподібних відходів. Вихрова структура потоку забезпечує високу інтенсивність згоряння палива при мінімальних концентраціях повітря, що робить технологію високоекономічною. У вихрових печах можна спалювати тверді відходи, що містять частинки різних розмірів, в тому числі великі - розміром 5-10 мм і навіть до 100 мм, при цьому швидкість струменя повітря, що подається може досягати 30-150 м / с. Циклонні камерні печі відносяться до числа найбільш досконалих для спалювання рідких відходів.

Печі з псевдозрідженим шаром і реактори з розплавом солей є найбільш поширеними топковим низькотемпературними пристроями, використовуваними для термічної обробки відходів в подрібненому твердому стані. Розглянемо принцип роботи цих пристроїв.

Реактори з розплавом солей є установками для беспламенного спалювання твердих органічних відходів в розплаві солей і лугів, здійснюваного при температурі 400-900 ° С. Вдосконаленим різновидом цього методу є запатентована технологія (патент RU 2160300) яка передбачає подачу в реактор подрібнених твердих органічних відходів в розплав з інертним газом і одночасну регенерацію розплаву кисневмісних газом. Тверді органічні відходи попередньо обробляють розчином лугу для збільшення змочуваності поверхні частинок відходів розплавом. Подачу твердих органічних відходів і газів здійснюють нижче поверхні розплаву, температуру розплаву в процесі переробки відходів поступово підвищують. Установка для переробки твердих органічних відходів в розплаві включає деструкцію, дожігательную камеру, блок очищення від кислих газів і твердих частинок.

  • [1] Гринин А. С., Новіков В. II. Указ. соч.
  • [2] Піч для спалювання рідких, газоподібних і твердих відходів: пат. 2198348 РоссійскаяФедерація № 2000121110/03; заявл. 04.08.2000; опубл. 10.02.2003 [Електронний ресурс] // Бібліотека патентів. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2198348 (дата звернення: 20.02.2014).
  • [3] URL: http://msd.com.ua/pererabotka-promyshlennyx-otxodov/poligony-dlya-zaxoroneniya-otxodov-2 (дата звернення: 27.03.2014).
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >