Переработка промышленных отходов

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 глубиной окисления органической части осадка. Эта величина 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 сжатого воздуха. Интенсивное окисление органического вещества осадка кислородом воздуха происходит в течение 30—40 мин.

Технологическая схема процесса жидкофазного окисления представлена на рис. 5.1. 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 ~ 200 °С, на 70 % и более — около 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 пода 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 осуществляю! при температуре ниже температуры самовоспламенения горючих составляющих отходов. Процесс протекает при температуре 200— 300 °С, что значительно ниже температуры, требуемой для полного обезвреживания газообразных отходов при прямом сжигании 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 максимально снизить температуру начала процесса окисления. В термокаталитических реакторах успешно окисляются оксид углерода, водород, углеводороды, аммиак, фенолы, альдегиды, кетоны и другие соединения. При этих реакциях образуются С02, Н20, ТЧ2. Степень окисления достигает 99,9 %. Для увеличения удельной поверхности катализаторов и экономии дорогостоящих металлов применяют керамические пористые носители. На рис. 5.2 представлены схемы термокаталитических реакторов.

Современные промышленные катализаторы глубокого окис­ления (алюмооксидномедные, алюмомеднохромовые, алюмомед - нооксидные) устойчивы при температурах до 600—800 °С. При более высоких температурах катализаторы дезактивируются и механически разрушаются. Поэтому применение термокаталитического метода для обезвреживания газообразных 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. 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 дезактивации катализаторов. Каталитическое окисление неприменимо также для обезвреживания отходов, содержащих высококипящие или высокомолекулярные соединения, вследствие неполного их окисления и забивания поверхности катализатора. Многие химические элементы (Р, РЬ, Ав, Н§, 8, галогены и их

Соединения и др.) даже в очень малых концентрациях могут вызывать отравление катализаторов, поэтому каталитическое окисление нельзя применять при обезвреживании газообразных отходов, в которых они содержатся.

Разновидностью термокаталитического окисления является нарофазное каталитическое окисление, которое состоит из двух процессов: перевода органических отходов, содержащихся в сточной воде, в парогазовую фазу и последующего каталитического окисления их в каталитическом реакторе. Для перевода летучих органических веществ, содержащихся в сточной воде, 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 гермохимическим высокотемпературным процессом взаимодействия органической массы с газифицирующими агентами, в результате чего органические продукты превращаются в горючие газы. В качестве
газифицирующих агентов могут быть использованы воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.

Газификация осуществляется в механизированных шахтных газогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и парокислородного 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/м3. Такой газ непригоден для транспор­тировки и может быть использован только на месте производства. При парокислородной газификации получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м3. Его можно транспортировать на значительные расстояния.

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

Пиролиз отходов (или сухая перегонка) заключается в терми­ческом разложении отходов без доступа воздуха. 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 с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температур. Общую схему пиролиза можно представить следующим образом:

Тв. отходы + (2 -> тв. остаток + жид к. продукты + газы + 0,,

Где б и 0, — дополнительное и вторичное 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, или полукоксование. Процесс проводят при 450—550 °С с образованием максимальных количеств жидкого продукта и твердого остатка (полукокса) и минимальным выходом пиролизного газа. Газ, образующийся при низкотемпературном пиролизе, обладает максимальной теплотой сгорания;

Среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное кок­сование. Процесс 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, или коксование. Процесс проводят при 900—1050 °С. При этой температуре выход жидкого и твердого продукта минимален, а выход пиролизного газа максимален, но такой газ имеет самую низкую теплоту сгорания.

Примером низкотемпературного пиролиза может служить разработанный фирмой “Монсанто” (США) метод термической обработки мусора “Ландгард” (рис. 5.3). Метод осуществляется но вращающейся печи при недостаточном доступе кислорода.

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

ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

------- ГАЗ

- ■ — ВОДА

Y^f I

«ЧІ1Г7

Рис. 5.3. Технологическая схема "Ландгарт"

Футерована огнестойким материалом и установлена с небольшим наклоном, благодаря чему измельченные отходы в ней легко перемещаются, при этом часть горючих составляющих сгорает.

Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по отношению к обогревающим газам. Процесс эндотермичен, и для его осуществления подводится дополнительное топливо.

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 стеклосо­держащее 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.

Установка производительностью 35 т/сут, работающая по этой технологии, построена в Балтиморе (США).

Высокотемпературный пиролиз имеет ряд преимуществ. В частности, он 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.

Важнейшей частью пиролитической установки является реактор, один из типов которого напоминает шахтную печь (рис. 5.4). Высота такого реактора составляет 15 м, внутренний диаметр 3 м. Реактор способен переработать в течение суток 300 т отходов. Отходы периодически загружаются в верхнюю часть реактора и под собственным весом проходят вниз через три зоны: сушки, пиролиза, сгорания и плавления. Горючие газы из зоны сгорания проходят вверх сквозь слой отходов и отдают тепло в зонах сушки и пиролиза. В зоне сушки происходит испарение влаги, со­держащейся в отходах. Поступающие сверху отходы препятствуют подсосу воздуха через загрузочное отверстие. Под зоной сушки расположена зона пиролиза, где высушенные отходы без доступа воздуха разлагаются с образованием горючего газа, углерода и
инертного материала. Горючие газы поднимаются вверх и попадают в кольцеобразный канал, откуда они имеете с паром (образовавшимся в зоне сушки) отсасываются вентилятором.

Основными компонентами пи­ролизного газа являются водород, оксид углерода, метан. Теплота сго­рания этой смеси в зависимости от состава отходов и организации про­цесса составляет 6680—10450 кДж/м3.

Часть энергии получаемого газа используется для подогрева воздуха, подаваемого в зону сгорания реактора.

Остальная энергия передается

Рис. 5.4. Реактор высокотемпературного пиролиза:

I — загрузка отходов; 2 — кольцеоб­разный канал; 3 — удаление и охлаж­дение шлака; 4 — зона сжигания и плав­ления; 5— подача горячего воздуха в зону горения; 6 — зона пиролиза; 7 — зона сушки; 8— отходы

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 теплотворной способностью, трудностями аккумуляции и хранения пиролизного газа он не может собираться и транспортироваться 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 углеродсодержащих материалов. Коксовый остаток, образовавшийся при пиролизе осадков
сточных вод, можно использовать в качестве сорбента на станциян водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенны* автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую п производстве резиновых технических изделий, пластмасс, ти пографских красок, пигментов. Возможны и другие направлении использования твердого углеродистого остатка.

Пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах и виде вертикальных реторт или во вращающихся барабанных реакторах 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 газы, нагретые до 600—900 °С и хими­чески не реагирующие с отходами (инертные и горючие газы, не содержащие кислорода). Наиболее целесообразно в качестве теплоносителя использовать рециркулирующий пиролизный газ. При этом исключается разбавление продуктов пиролизного газа и ухудшение его качества.

В реакторах с внутренним обогревом в связи с применением газообразных теплоносителей повышается запыленность пи­ролизного газа. В то же время внутренний обогрев конвекцией позволяет существенно интенсифицировать процесс пиролиза и сократить габариты реакторов по сравнению с установками с внешним обогревом.