ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Беспламенные термические способы утилизации Отходов

Метод жидкофазного окисления ("мокрое" сжигание) исполь­зуют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть метода состоит в окислении кислородом воздуха органиче­ских и элементоорганических примесей сточной воды при темпера­туре 150 - 350 °С и давлении 2-28 МПа.

Эффективность метода оценивается полнотой окисления орга­нической части осадка, которая зависит в основном от температу­ры обработки. Окисление осадка сопровождается выделением теп­ла. При влажности около 96% этого тепла достаточно для поддер­жания температурного режима, а энергия затрачивается в основном на подачу сжатою воздуха. Интенсивное окисление орга­ническою вещества осадка кислородом воздуха происходит в тече­ние 30 - 40 мин.

Технологическая схема процесса жидкофазного окисления представлена на рис. 7.1. Смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила поступает по трубе 1 в приемный ре­зервуар 2, где предварительно нагревается до 40 - 50 °С. Нагретый осадок питательным насосом 3 подается в насос высокого давления 4, который перекачивает его через последовательно установленные теплообменники 5 и 6 в реактор 7. В напорный трубопровод насоса подается сжатый воздух от компрессора 10. На входе в реактор температура паровоздушной смеси составляет около 240 °С.

Для окисления на 50% необходима температура около 200 °С, на 70% и более - 250 - 300 °С. Две трети действующих установок работают при температуре 300 °С и давлении 21 МПа, одна треть - при 100 - 200 °С и давлении 1,8 - 2,4 МПа.

Основное преимущество метода жидкофазного окисления состо­ит в небольших затратах энергии на процесс, так как сточная вода подвергается лишь незначительному испарению. Однако у этого способа есть и серьезные недостатки: высокая стоимость и сильная коррозия оборудования, образование накипи на поверхности тепло­обменников, неполное окисление отходов и др. Из-за этих недо­статков способ жидкофазного окисления применяется весьма огра­ниченно.

Метод гетерогенного катализа применяют для обезврежива­ния газообразных и жидких отходов с низкой концентрацией горю­чих примесей, когда применение других методов связано с боль­шим расходом топлива. Процесс окисления на катализаторах осу­ществляют при температуре 200 - 300 °С, что значительно ниже температуры сжигания в печах (950 - 1100 °С). Наиболее эффек­тивными катализаторами являются металлы платиновой группы, менее эффективны катализаторы, изготовленные из оксидов ме­таллов (алюминия, меди, хрома, кобальта, марганца и др.). Ис­пользование платины, родия и других металлов платиновой груп­пы позволяет снизить температуру начала процесса окисления. Термокаталитические реакторы применяют для окисления оксида углерода, водорода, углеводородов, аммиака, фенолов, альдегидов, кетонов и других соединений. При этих реакциях образуются угле­кислый газ, азот и вода. Степень окисления достигает 99,9%. Для увеличения удельной поверхности катализаторов применяют кера-

Современные промышленные катализаторы глубокого окисле­ния (алюмооксидномедные, алюмомеднохромовые, алюмомедноок - сидные) устойчивы при температурах до 600 - 800 °С. При более высоких температурах катализаторы дезактивируются и механиче­ски разрушаются. Поэтому применение термокаталитического ме­тода для обезвреживания отходов с высокой концентрацией горю­чих компонентов нецелесообразно. Разбавление газообразных от­ходов воздухом или дымовыми газами с целью снижения адиабати­ческого разогрева приводит к увеличению расхода катализаторов и других затрат на обезвреживание, а отвод избыточного тепла из слоя катализатора существенно усложняет конструкцию и эксплу­атацию термокаталитических реакторов.

Термокаталитические реакторы не следует применять при большом содержании пыли и водяных паров в газообразных отхо­дах ввиду их дезактивации. Каталитическое окисление непримени­мо также для обезвреживания отходов, содержащих высококипя - щие или высокомолекулярные соединения, вследствие неполного их окисления и забивания поверхности катализатора. Многие хи­мические элементы (фосфор, свинец, мышьяк, ртуть, сера, галоге­ны и их соединения и др.) даже в очень малых концентрациях мо­гут вызывать отравление катализаторов, поэтому каталитическое окисление нельзя применять при обезвреживании отходов, в кото­рых они содержатся.

Разновидностью термокаталитического окисления является па - рофазное каталитическое окисление, которое состоит из двух про­цессов: перевода органических отходов в парогазовую фазу и по­следующего каталитического окисления их в реакторе. Для перево­да летучих органических веществ в парогазовую фазу применяют выпарные аппараты, скрубберы-испарители, работающие на подо­гретом воздухе или топочных газах. Метод парофазного каталити­ческого окисления характеризуется высокой полнотой окисления летучих органических отходов (99,8%) и большой производитель­ностью оборудования.

Метод газификации применяется для переработки отходов с получением горючего газа, смолы и шлака. Газификация является термохимическим высокотемпературным процессом взаимодейст­вия органической массы с газифицирующими агентами, в резуль­тате чего органические продукты превращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов используют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.

Газификация осуществляется в механизированных шахтных га­зогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и паро - кислородного дутья. По сравнению с сжиганием метод газифика­ции отходов имеет следующие преимущества:

* получаемые горючие газы могут быть использованы в каче­стве топлива;

* получаемая смола может быть использована как топливо или химическое сырье;

* уменьшаются выбросы золы и сернистых соединений в ат­мосферу.

При газификации с использованием воздушного и паровоздуш­ного дутья получают генераторный газ с низкой теплотой сгорания 3,5 - 6 МДж/м. Такой газ непригоден для транспортировки и мо­жет быть использован только на месте получения. При парокисло - родной газификации получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м, который можно транспортировать на значительные расстояния.

Процесс газификации пригоден для переработки дробленых сы­пучих газопроницаемых отходов. Пастообразные и крупногабарит­ные отходы не могут перерабатываться этим способом.

Пиролиз отходов заключается в термическом разложении отхо­дов без доступа воздуха. Однако реальные пиролитические процес­сы, используемые при утилизации отходов, представляют собой термическое разложение при ограниченном поступлении воздуха, поэтому их правильнее было бы назвать частичным пиролизом. В результате пиролиза образуются пиролизный газ с высокой тепло­той сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток.

При пиролизе органического вещества происходит не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса вза­имосвязаны и протекают одновременно. Материально-энергетиче­скую схему пиролиза можно представить следующим образом:

Твердые отходы + Q -* Твердый остаток + Жидкие продукты +

+ Газы + Qi,

Где Q и Q — подводимое и выделяемое тепло.

Пиролизом перерабатываются твердые отходы, в том числе от­ходы пластмасс, резины и др. Нагрузка на окружающую среду при пиролизе меньше, чем при сжигании отходов.

В основу классификации пиролизных установок положена тем­пература процесса, так как она определяет количество и качество образующихся продуктов. В зависимости от температуры различа­ют три вида пиролиза:

* низкотемпературный пиролиз, который проводят при 450 - 550 °С с образованием максимальных количеств жидкого продукта и твердого остатка и минимальным выходом пи - ролизного газа. Газ, образующийся при низкотемператур­ном пиролизе, обладает максимальной теплотой сгорания;

* среднетемпературный пиролиз, который проводят при тем­пературе до 800 °С. При этих условиях увеличивается вы­ход газа, но снижается его теплота сгорания, одновременно снижается выход жидкого и твердого продуктов;

* высокотемпературный пиролиз, который проводят при 900 - 1050 °С. При этой температуре выход жидкого и твердого продуктов минимален, а выход пиролизного газа максима­лен, но такой газ имеет самую низкую теплоту сгорания. Высокотемпературный пиролиз позволяет более интенсивно и глубоко преобразовать исходный продукт, так как при увеличении температуры скорость реакции возрастает быс­трее, чем растут теплопотери, происходит более полное вы­деление летучих продуктов, а количество твердого остатка сокращается.

Как правило, пиролиз проводят в вертикальной шахтной печи, в которую отходы подаются сверху. Однако ряд фирм разработали и эксплуатируют пиролизные установки, в которых используют барабанные вращающиеся печи, а также печи с псевдоожиженным слоем. В частности, барабанная вращающаяся печь использована в схеме "Ландгарт", разработанной фирмой "Монсанто" (США) для термической обработки мусора (рис.7.3). Пиролиз осуществляется при ограниченном доступе кислорода. Эксплуатируемая по такой схеме установка имеет производительность 35 т/сут.

Отходы из бункера 1 по двум виброжелобам направляются в дробилку 2, а затем - в бункер для дробленых отходов 3, откуда их непрерывно подают во вращающуюся печь 4. Печь изнутри фу­терована огнестойким материалом и установлена с небольшим на-

Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по от­ношению к обогревающим газам. Однако теплоты, образующейся при их сгорании, недостаточно, так как процесс эндотермичен и для его осуществления подводится дополнительное тепло, выделяе­мое при сгорании топлива.

Остаток твердых отходов после пиролиза попадает в находящу­юся в конце печи шлаковую ванну 5, питаемую водой, поступаю­щей из скруббера 9, служащего для очистки отходящих газов. Шлак направляется на магнитный сепаратор 6. Освобожденный от железа остаток представляет собой стеклоподобное темное вещест­во. Пиролизный газ полностью сгорает в камере с огнеупорной фу­теровкой 7, в которую подается воздух. Тепло используется для производства пара с помощью парогенератора 8. Отходящий газ, пройдя скруббер, с помощью дымососа 10 через дымовую трубу 11 выбрасывается в атмосферу. Вода, используемая в скруббере и шлаковой ванне, очищается на установке 12.

Важнейшей частью пиролитической установки является реак­тор, один из типов которого напоминает шахтную печь (рис. 7.4). Реактор высотой 15 м и внутренним диаметром 3 м имеет произво­дительность 300 т/сут.

Отходы периодически загружаются в верхнюю часть реактора и проходят вниз через три зоны: сушки, пиролиза, сгорания и плав­ления. Горячие газы из зоны сгорания проходят вверх сквозь слой отходов в зонах сушки и пиролиза. В зоне сушки под воздействием этого тепла происходит испарение влаги, содержащейся в отходах. Поступающие сверху отходы ограничивают подсос воздуха через загрузочное отверстие. Под зоной сушки расположена зона пиро­лиза, где высушенные отходы при крайне ограниченном доступе воздуха разлагаются с образованием горючего газа, углерода и шлака. Горючие газы поднимаются вверх и попадают в кольцеоб-

Разный канал, откуда они вместе с паром (образовавшимся в зоне сушки) отсасы­ваются вентилятором.

Основными компонентами пиролиз - ного газа являются водород, оксид угле­рода, метан. Теплота сгорания этой сме­си в зависимости от состава отходов и организации процесса составляет 6680 — 10450 кДж/м[1]. Часть энергии получае­мого газа используется для подогрева воздуха, подаваемого в зону сгорания ре­актора. Остальная энергия передается потребителю в виде газообразного топли­ва или в виде теплоносителей.

Пиролизный газ имеет преимущество перед природным, так как не содержит соединений серы и азота. Однако в связи с низкой теплотой сгорания, трудностя­ми аккумуляции и хранения пиролизного газа его невозможно собирать и транс­портировать на значительное расстояние, вследствие чего потребитель газа должен находиться не далее 3 км от пиролизной установки.

Кокс, получаемый при пиролизе от­ходов, можно использовать в различных целях в зависимости от его состава и фи­зических свойств. При пиролизе твердых отходов нефтеперерабатывающих произ­водств кокс с зольностью до 50% после небольшой дополнительной обработки может быть применен в качестве замени­теля природных и синтетических угле-

Родсодержащих материалов. Коксовый остаток, образующийся при пиролизе осадков сточных вод, можно использсжать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенных автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую в производстве резиновых технических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Возможны и другие направления использования твердо­го углеродистого остатка.

Пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах в виде вертикальных реторт или во вращающихся барабанных реак-

Торах. В этих аппаратах пиролизные газы не подвергаются како­му-либо разбавлению газовыми теплоносителями, поэтому харак­теризуются высокой теплотой сгорания. Кроме того, газ, получае­мый в реакторах с внешним обогревом, содержит минимальное ко­личество пыли, так как не перемешивается с газовым теплоносите­лем, обычно пропускаемым через слой отходов, содержащих мел­кодисперсные частицы.

В реакторах с внутренним обогревом (вертикальные шахтные, с псевдоожиженным слоем, вращающиеся барабанные) в качестве теплоносителя используют инертные и горючие газы, не содержа­щие кислорода, нагретые до 600 - 900 °С. Наиболее целесообразно в качестве теплоносителя использовать образующийся пиролизный газ.

В реакторах с внутренним обогревом повышается запыленность пиролизного газа, но такая схема позволяет существенно интенси­фицировать процесс пиролиза и сократить габариты реакторов по сравнению с установками с внешним обогревом.