ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Сжигание отходов

Сжиганием называется контролируемый процесс окисления твердых, жидких или газообразных горючих отходов. При горении в основном образуются диоксид углерода, вода и зола. Сера и азот, содержащиеся в отходах, образуют при сжигании различные окси­ды, а хлор восстанавливается до НС1. Помимо газообразных про­дуктов при сжигании отходов образуются и твердые частицы - ме­таллы, стекло, шлаки и др., которые требуют дальнейшей утилиза­ции или захоронения.

За последние годы технология сжигания отходов претерпела значительные изменения, суть которых состоит в создании много­ступенчатых систем очистки продуктов сгорания, а также в утили­зации выделяющегося тепла и полезных продуктов. Это позволило существенно снизить нагрузку от сжигающих установок на окру­жающую среду, но в то же время потребовало значительных капи­тальных затрат. Тем не менее с учетом капитальных и текущих затрат технология обезвреживания отходов путем сжигания, по мнению многих специалистов, экономически более эффективна по сравнению с захоронением, требующим также значительных капи­тальных затрат на обустройство полигонов в соответствии с совре­менными инженерными требованиями, а также с учетом стоимости земель, отчужденных под полигоны, и их инфраструктуры.

Огневой способ обезвреживания и переработки отходов являет­ся наиболее универсальным, надежным и эффективным по сравне­нию с другими. Во многих случаях он является единственно воз­можным способом обезвреживания промышленных и бытовых от­ходов. Способ применяется для утилизации жидких, твердых, газо­образных и пастообразных отходов. Огневую обработку используют и для утилизации негорючих отходов. В этом случае отходы под­вергают воздействию высокотемпературных (более 1000 °С) про­дуктов сгорания топлива.

Область применения огневого способа и номенклатура отходов, подлежащих огневому обезвреживанию, постоянно расширяются. Этим способом утилизируют отходы хлорорганических произ­водств, основного органического синтеза, производства пластиче­ских масс, резины и синтетических волокон, нефтеперерабатываю­щей промышленности, лесохимии, химико-фармацевтической и микробиологической промышленности, машиностроения, радиотех­нической и приборостроительной промышленности, целлюлозно - бумажного производства и многих других отраслей промышленно­сти.

Сжиганием можно обезвредить и такие сложные с точки зре­ния утилизации отходы, как смесь органических и неорганических продуктов, а также галогенорганические отходы. Смесь органиче­ских и неорганических солей - наиболее трудный материал для сжигания, так как, как правило, содержит воду. При их сжигании молекулы органических соединений разрушаются, а неорганиче­ские соединения превращаются в оксиды и карбонаты, которые вы­водятся вместе со шлаками и золой. Мелкодисперсные частицы оксидов и карбонатов, содержащихся в топочных газах, улавлива­ются в мокрых скрубберах.

Одними из наиболее опасных отходов, основным методом пере­работки которых служит сжигание, являются галогенорганические отходы. Хлорированные органические материалы могут содержать воду и имеют низкую теплоту сгорания.

На характер процесса сжигания влияют следующие технологи­ческие параметры: температура в огневом реакторе, удельная на­грузка, рабочий объем реактора, дисперсность распыления, аэроди­намическая структура и степень турбулентности газового потока в реакторе и др.

Сжигание твердых отходов осуществляется в печах различной конструкции, основным элементом которых является колосниковая решетка, на которой, собственно, и протекает процесс. Простран­ство внутри печи разделено на несколько зон, где последовательно протекают процессы, в результате которых происходит сжигание отходов.

Процесс сжигания можно условно разделить на пять стадий, которые протекают последовательно, но могут проходить и одно­временно: сушка, газификация, воспламенение, горение и дожига­ние.

В зоне сушки влага, содержащаяся в отходах, превращается в пар. Общая потребность в энергии на этой стадии состоит из двух составляющих: энергии, необходимой для повышения температуры до 100 °С при атмосферном давлении (для подъема температуры воды с 20 до 100 °С необходимо 334 кДж/кг), и энергии, необходи­мой для превращения воды в пар (2260 кДж/кг). Температура других компонентов отходов не может превышать 100 °С до тех пор, пока вода не превратится в пар.

На следующей стадии в зоне газификации происходит превра­щение горючих веществ в летучие компоненты. Газы, проходя по топке, попадают в зону воспламенения и загораются при 250 °С. Распространение горения интенсифицируется при росте плотности и объема газового потока. После воспламенения газов дополни­тельный подвод тепла не требуется. Важно, чтобы слой сжигаемого материала был равномерным и имел нужную высоту. Обычно от­ходы засыпают в печь слоями высотой 100 - 120 см, обеспечивая равномерную плотность слоя.

В зоне сгорания температура отходов повышается. Для полного их сгорания и охлаждения колосников в этой зоне необходим под­вод достаточного количества воздуха, причем важно, чтобы отходы долго находились в зоне высоких температур. Если утилизируются сырые необработанные отходы, то период их полного сгорания со­ставляет не менее 3 ч.

В зоне дожигания происходит догорание горючих газов и ох­лаждение раскаленного шлака воздухом или водой до 250 - 350 °С. В процессе сгорания 1 т твердых отходов в среднем образуется до 4000 м3 газообразных продуктов (в пересчете на 0 °С), в которых содержится от 20 до 100 кг летучей золы.

Свойства твердых промышленных отходов, предназначенных для сжигания, сильно отличаются от свойств бытовых отходов сво­им составом. Последние представляют собой смесь различных ма­териалов в том виде, в каком они накапливаются в мусоросборни­ках. Промышленные отходы, как правило, представляют собой од­нородный материал, состав которого зависит от вида промышленного производства. Как правило, на сжигание должны поступать только те промышленные отходы, которые не могут быть утилизированы другими способами. Свойства и состав про­мышленных отходов могут колебаться в широких пределах:

В общем виде, когда неизвестна природа промышленных от­ходов, можно считать, что они состоят из твердых, полутвердых и жидких веществ со средней теплотой сгорания 10800; 14600; 25000 кДж/кг соответственно.

Промышленные отходы перед сжиганием должны пройти ряд подготовительных операций: дробление, гомогенизацию, дегидрата­цию и др.

Разработаны разнообразные установки для сжигания отходов. Типичная технологическая схема мусоросжигательного завода представлена на рис. 7.5.

Отходы из приемного бункера 1 грейферным захватом 2 пода­ются в загрузочный бункер 3. Сжигание в печи 6 происходит на подвижной колосниковой решетке 4. Необходимый для горения от­ходов воздух подается воздуходувкой 5 под решетку. Конструкция печи предусматривает сжигание как твердых, так и жидких отхо­дов. Для этого в печи имеются форсунки 7 для впрыскивания жид­ких отходов. Котел 8 позволяет утилизировать тепло, выделяемое при горении отходов, и получать перегретый пар. Дымовые газы проходят очистку от золы-уноса в электрофильтре 10, а затем ды­мососом 11 выбрасываются через трубу 12, высота которой рассчи­тывается с учетом снижения предельных концентраций выбрасыва­емых веществ ниже норм ПДК. Шлак, образующийся при горении отходов, после охлаждения водой удаляется транспортером 9 на склад.

Ниже приведены параметры процесса сжигания отходов в неко­торых печах:

Температура, °С Время пребывания отходов в печи

760 - 980 0,25 - 1,5 ч

Печь с топкой кипящего слоя.... 760 - 980 Печь для сжигания жидких отходов 650 — 1650

Факельная печь...........................

Каталитическая камера сгорания

Вращающаяся печь....................

Печь сжигания в расплаве солей Многокамерная печь

538- 815

Фс — время определяется фазовым состоянием.

Установки для сжигания отходов могут быть систематизирова­ны по производительности, конструкции решетки, характеру ис­пользования продуктов сгорания, типу применяемого топлива, ви­ду сжигаемых отходов.

Конструкция колосниковой решетки играет очень важную роль, поскольку она должна обеспечивать: транспортировку отхо­дов; равномерное горение и максимальное использование всей по­верхности решетки; подвод воздуха для горения; поддержку и пе­ремещение горящих отходов.

Решетки для сжигания различаются по способу перемещения твердых отходов и бывают с неподвижным слоем (неподвижные решетки), с непрерывно двигающимся слоем (цепные решетки) и с прерывистым перемещением слоя (обратно-переталкивающие ре­шетки) .

Существуют также ротационные топки, которые пригодны для сжигания не только твердых, но и жидких отходов, ярусные топ­ки - топки цилиндрической формы, разделенные на ряд этажей и загружаемые сверху, и топки кипящего слоя.

Любая топка должна быть оснащена устройством для стабили­зации горения, которая достигается сжиганием стабилизационного топлива для прогрева топки, воспламенения отходов и при необхо­димости компенсации недостаточной теплоты сгорания отходов. Оптимально применение для этих целей газообразного топлива (природного газа или пропан-бутановой смеси), поскольку газ меньше других топлив загрязняет атмосферу и позволяет легко ре­гулировать процесс горения.

Температура в топке должна быть в интервале 800 - 1000 °С. Нижняя граница определяется необходимостью наиболее полного сгорания отходов, а верхняя - температурой плавления шлаков (850 - 1450 °С). При повышении температуры в печи до этих зна­чений происходит плавление шлака и зашлаковывание колоснико­вой решетки.

Перед очисткой топочные газы подвергаются охлаждению. Это производится одним из следующих способов: подмешиванием хо­лодного воздуха, впрыском воды, теплообменом с получением го­рячего воздуха, воды или пара.

Одной из наиболее важных проблем при сжигании отходов яв­ляется очистка дымовых газов до санитарных норм. Требования к санитарной очистке газов определяются необходимостью получе­ния в приземном слое воздуха содержания загрязняющих веществ ниже ПДК.

При сгорании твердых отходов образуется помимо летучей зо­лы значительное количество весьма токсичных веществ, таких, на­пример, как диоксины. Диоксины разрушают гормональную систе­му человека, ослабляя его иммунитет и нанося непоправимый вред репродуктивной способности. Отличительной особенностью диокси­нов является их высокая устойчивость, что приводит к накоплению этих ядов в окружающей среде. Основная масса образующихся при сжигании отходов диоксинов адсорбируется на поверхности частиц пыли. Требования к содержанию диоксинов в продуктах сгорания отходов постоянно повышаются, что стимулирует использование все более совершенных способов борьбы с их образованием и раз­работку новых приемов их поглощения.

Снизить содержание диоксинов в дымовых газах можно путем создания многоступенчатой их очистки. В частности, современные мусоросжигательные заводы используют до 10 ступеней очистки дымовых газов от токсичных газов и пыли, в том числе каталити­ческое дожигание газов, угольные адсорберы, электрические и ру­кавные фильтры, скрубберы, очистку воды после скрубберов и др.

Однако такая многоступенчатая и дорогостоящая очистка ды­мовых газов не всегда требуется. Выбор того или иного способа производится исходя из состава отходов и продуктов сгорания, производительности установки для сжигания, температуры продук­тов сгорания и других факторов.

Существующие способы очистки дымовых газов делят на сухие И мокрые. В основе сухих способов очистки лежат гравитацион­ный, центробежный, инерционный и электрический механизмы выделения твердых частиц из газового потока.

Сравнительная эффективность работы различных аппаратов сухой очистки газов от твердых частиц показана в табл. 7.1.

При мокрых способах очистки газов от пыли запыленный воз­дух или дымовые газы приводятся в контакт с жидкостью, как правило, с водой, которая захватывает твердые частицы и выносит их из аппарата очистки. Мокрые способы высокоэффективны, ис­пользуются при необходимости очистки от очень мелких частиц (в ряде аппаратов - с размерами менее 1 мкм). Они позволяют соче­тать очистку газов с их охлаждением. При мокрых способах проис­ходит очистка дымовых газов не только от пыли, но и от раство­ренных в воде газов и жидкостей. Как правило, при мокрых спосо­бах очистки газов используют замкнутую систему водоснабжения. Мокрые способы очистки газов реализуются в скрубберах. Наибо­лее простая конструкция аппарата мокрой очистки газов приведена на рис. 6.52.

Завершая очень краткий анализ существующих способов очист­ки дымовых газов, следует отметить, что промышленность выпу­скает достаточно большой ассортимент аппаратов как сухой, так и мокрой очистки, сравнительные характеристики которых приведе­ны в табл. 7.2.

Эти аппараты в рамках одной марки отличаются большим ко­личеством типоразмеров, позволяющих учесть производительность, запыленность, температуру, состав газов и другие характеристики процесса. Выбор и расчет установок для очистки газов достаточно подробно описан в специальной литературе.

Следует отметить, что установки обезвреживания дымовых га­зов до современных санитарных норм довольно дороги. Учитывая это, появились предложения по совместному сжиганию брикетиро­ванных твердых бытовых отходов совместно с природным топливом в котлоагрегатах ТЭЦ, что позволяет стабилизировать условия го­рения и повысить температуру в топке. Это, по мнению авторов, даст возможность снизить содержание диоксинов и фуранов в ды­мовых газах и избежать больших затрат на газоочистку.