Сжигание твердых отходов.Классификация.
Метод сжигания (или в общем виде термические методы обезвреживания ТБО) имеет как несомненные достоинства (можно использовать теплоту сгорания ТБО для получения электроэнергии и отопления зданий, надёжное обезвреживание отходов), так и существенные недостатки. Необходима хорошая система очистки топочных газов, так как при сжигании ТБО в атмосферу выделяются хлористый и фтористый водород, сернистый газ, оксиды азота, а также металлы и их соединения (Zn, Cd, Pb, Hg и т. д. в основном в виде аэрозолей) и, что особенно важно, в процессе горения отходов образуются диоксины, дифенилы, присутствие которых в отходящих газах значительно осложняет их очистку из-за малой концентРазновидностью процесса сжигания является пиролиз – термическое разложение ТБО без доступа воздуха. Применение пиролиза позволяет уменьшить воздействие ТБО на окружающую среду и получать такие полезные продукты, как горючий газ, масло, смолы и твёрдый остаток (пирокарбон).
Широко рекламируется процесс высокотемпературной переработки бытовых и промышленных отходов в барботируемом шлаковом расплаве (рис.1). Основным агрегатом технологической схемы является барботажная печь, конструкция которой разработана в содружестве со специалистами института Стальпроекта (Москва).
Печь проста и имеет небольшие габариты, высокую производительность и высокую эксплуатационную надёжность.
Процесс осуществляется следующим образом. Бытовые отходы подают в загрузочное устройство периодически. Толкатель сбрасывает их в шлаковую ванну, продуваемую воздухом, обогащенным кислородом. В ванне отходы быстро погружаются в интенсивно перешиваемый вспененный расплав. Температура шлака составляет 1400 – 1500 °С. За счёт интенсивной теплопередачи отходы подвергаются скоростному пиролизу и газифицируются. Минеральная их часть растворяется в шлаке, а металлические предметы расплавляются, и жидкий металл опускается на подину. При низкой калорийности отходов для стабилизации теплового режима в качестве дополнительного топлива в печь подают в небольших количествах энергетический уголь. Вместо угля может быть использован природный газ. Для получения шлака заданного состава загружают флюс.
Шлак выпускается из печи через сифон непрерывно или периодически и подаётся на переработку. Химический состав шлака можно регулировать в широких пределах, получая композиции, подходящие для производства различных строительных материалов – каменного литья, щебня, наполнителей для бетонов, минерального волокна, цемента.
Металл через переток поступает в сифон и непрерывно или порциями сливается в ковш и далее передаётся на переработку или непосредственно у печи разливается в чушки, либо гранулируется. Горючие газы – продукты пиролиза и газификации отходов и угля, выделяющиеся из ванны, – дожигают над ванной путём подачи воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода.
Печные высокотемпературные (1400 – 1600 °С) газы отсасываются дымососом в паровой котёл для охлаждения и полезного использования их энергии. В котле осуществляется полное дожигание газов. Затем охлаждённые газы направляются в систему очистки. Перед сбросом их в атмосферу производится их очистка от пыли и вредных примесей. Высокие температуры процесса, рациональная схема сжигания, заключающиеся в сочетании окислительно-восстановительного потенциала газовой фазы и температурного режима, обуславливают низкое содержание оксидов азота (NOx) и других примесей в дымовых газах.
Дымовые газы благодаря высокотемпературному сжиганию содержат значительно меньше органических соединений, в частности диоксинов.
Перевод в условиях процесса щелочных и щелочноземельных металлов в парогазовую фазу способствует связыванию хлора, фтора и оксидов серы в безопасные соединения, улавливаемые при газоочистке в виде твёрдых частиц пыли. Замена воздуха кислородом позволяет в 2 – 4 раза снизить объём дымовых газов, облегчить их очистку и уменьшить сброс токсичных веществ в атмосферу. Вместо большого количества зольного остатка (до 25 % при обычном сжигании), содержащего тяжёлые цветные металлы и диоксины, образуется инертный шлак, являющийся сырьём для производства строительных материалов. Пыль, выносимая из печи с дымовыми газами, селективно улавливается на разных ступенях очистки. Количество пыли в 2 – 4 раза меньше, чем при использовании традиционных печей. Крупная пыль (до 60 %) возвращается в печь, мелкая, представляющая собой концентрат тяжёлых цветных металлов (Zn, PbCd, Sn и др.), пригодна для дальнейшего использования.
рации этих высокотоксичных соединений.
Современные методы термической переработки твёрдых бытовых отходов
Институтом «Гинцветмет» совместно с другими российскими организациями разработана технология термической переработки ТБО в барботируемом расплаве шлака. Основным её достоинством является решение актуальной общемировой диоксиновой проблемы: уже на выходе из барботажного агрегата практически отсутствуют высокотоксичные соединения (диоксины, фураны, полиароматические углеводороды). Вместе с тем сейчас имеется ряд отечественных и зарубежных методов термической переработки ТБО, находящихся на разных стадиях освоения. В таблице приведены основные показатели термических методов переработки ТБО, наиболее известных экологам и специалистам по утилизации таких отходов. Эти методы или уже получили промышленное распространение или прошли крупномасштабную апробацию. Суть используемых процессов:
процесс КР – сжигание ТБО в печи с колосниковыми решетками (КР) или котлоагрегате на колосниковых решётках разных конструкций;
процесс КС – сжигание отходов в кипящем слое (КС) инертного материала (обычно песок определённой крупности);
процесс «Пироксэл» – электрометаллургический, включающий сушку, пиролиз (сжигание) отходов, обработку минерального остатка сжигания в шлаковом расплаве, а также пылегазоочистку дымовых газов;
процесс в агрегате типа печи Ванюкова (ПВ) – плавка в барботируемом расплаве;
процесс, разработанный в Институте химической физики РАН - сжигание – газификация отходов в плотном слое кускового материала без его принудительного перемешивания и перемещения;
процесс «Thermoselect» – комбинированный, включающий стадии уплотнения отходов, пиролиз и высокотемпературную газификацию (с получением синтез-газа, инертных и некоторых минеральных продуктов и металлов);
процесс «Siemens» - пиролиз – сжигание пирогаза и отсепарированного углеродистого остатка с использованием необогащённого кислородом дутья.
Сжигание ТБО в печах-котлоагрегатах (процесс КР) ввиду сравнительно низких температур (600 – 900 °С) практически не решает диоксиновой проблемы. Кроме того, при этом образуются вторичные (твёрдые несгоревшие) шлаки и пыли, которые требуют отдельной переработки или направляются на захоронение с последующими негативными последствиями для окружающей среды. Эти недостатки в определённой мере присущи и процессу КС. Здесь добавляется необходимость подготовки сырья к переработке с целью соблюдения гранулометрического состава.
К недостаткам процесса, разработанного Институтом химической физики РАН, относятся:
необходимость сортировки и дробления отходов до определённых размеров; добавка и последующая сепарация теплоносителя заданного гранулометрического состава;
потребность в разработке дорогостоящей системы очистки дымовых газов – синтез-газа, представляющего собой смесь моноокиси углерода и водорода.
МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД
Мусоросжигательный завод - это предприятие для сжигания мусора (твердых бытовых и промышленных отходов) в котлах или в специальных печах. Мусоросжигание проводится при температуре 900— 10000С, при которой разрушаются практически все органические соединения. Мусоросжигательные котлы или печи располагают на расстоянии не менее 300 м от жилых кварталов. Главное энергетическое преимущество мусоросжигального завода — получение теплоты, которая в дальнейшем может быть использована. Мусоросжигальные заводы работают без выделения пыли при максимальной механизации всех рабочих процессов. Конструктивные узлы мусоросжигальных заводов обладают герметичностью, не допускающей утечки вредных или ядовитых продуктов сгорания. В остатках, образующихся после сжигания мусора, содержится большое количество легкорастворимых соединений. К их складированию предъявляют такие же строгие требования, как и к организованным свалкам. По опыту многих стран капитальные вложения на мусоросжигальные заводы в зависимости от технологии и мощности достигают 50— 250 долларов на 1 тонну сырого мусора, обрабатываемого в год. Эксплуатационные расходы равны 5—20 долларов на 1 тонну сырого мусора, не считая расходов на капитальный ремонт.
Ежегодно в городах накапливается около 40 млн тонн твердых бытовых отходов (ТБО). При их сжигании на мусоросжигальном заводе горючие компоненты окисляются, образуются диоксид углерода СО2, пары воды и различные газообразные примеси, в том числе токсичные. Несгоревшие компоненты выносятся из топки уходящими газами в виде твердых примесей золы-уноса и сажи, составляющих в среднем 3—6% сухой массы сжигаемых отходов. Уходящие дымовые газы, как правило, перед выбросом в атмосферу очищают с помощью газоочистительных устройств. Большинство ТБО представляет собой материал с удельной теплотой сгорания 3350—10500 кДж/кг. Теплота сгорания достигает максимума зимой и минимума летом. При максимальной влажности ТБО наблюдается минимальная теплота сгорания.
Для сжигания мусора разработаны различные конструкции мусоросжигальныз заводов. Независимо от конструкции их топка должна обеспечивать: перемешивание частей мусора для усреднения состава и выравнивания горения; перемещение составляющих мусора и его отдельных порций для обеспечения процесса воспламенения и доступа воздуха в слой; поддержание достаточно высоких температур, гарантирующих воспламенение и устойчивое горение мусора; дожигание газообразных и твердых продуктов неполного сгорания мусора. Мусоросжигальный завод состоит из топочного устройства, котла-утилизатора, механизмов шлакоудаления у воздухоподогреваеля, системы очистки дымовых газов. Топочное устройство включает приспособление для загрузки, колосниковую решетку, систему шлакоудаления и другие вспомогательные узлы. Приспособление для загрузки предназначено для механизированной подачи отходов в топку и включает в себя: загрузочную воронку, течку, неподвижный стол и подвижный механический толкатель (питатель). Более полное выгорание составляющих твердых бытовых отходов обеспечивается подачей вторичного дутьевого воздуха на боковых стенках топки или на входе в камеру. Т.к. температуpa газов, поступающих на сухое обеспыливание, должна быть не выше 300—350°С, то с целью снижения температуры уходящих газов перед их поступлением на очистку устанавливают котел-утилизатор. Аккумулированная в нем теплота уходящих газов может быть использована для получения пара или горячей воды. Система шлакоудаления предназначена для механизированного удаления шлака и охлаждения выходящих из топки остатков. Охлаждающим устройством служит шлаковая ванна, заполненная водой из расчета 3,5—6 метров на 1 тонну шлака. Очистка дымовых газов от твердых примесей осуществляется электростатическими фильтрами.
Кроме твердых бытовых отходов возможно сжигание осадка сточных вод, которое является наиболее глубоким способом обработки осадка, при этом все содержащиеся в нем вещества окисляются до полностью инертных конечных продуктов, не имеющих запаха. Осадок сточных вод сжигают при температуре 900—10000С. Тепловая энергия при сжигании расходуется на испарение воды из осадка, подогрев инертных веществ до 900—10000С, полное окисление органических и окисляемых неорганических сухих веществ осадка, подогрев подаваемого воздуха до 900—10000С и возмещение потерь тепла. Большая часть энергии покрывается теплотой сгорания самого осадка, а ее недостающая часть — теплотой сгорания топлива (нефть, газ и др.). Количество потребляемого топлива зависит от вида и состава осадка, степени его обезвоживания. Теплота сгорания осадков понижается с увеличением их зольности и составляет 18—12 МДж/кг сухих веществ. При сжигании сырых остатков городских сточных вод влажностью 60% и ниже не требуется дополнительного топлива, однако при этом возрастают затраты на обезвоживание осадка до требуемой влажности.