§ 3. Эколого-экономические

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ

Благодаря высокой температуре в реакционной зоне происходит необхо­димое глубокое разложение отходов с образованием простых соединений, что значительно упрощает их очистку от вредных примесей. Использование в качестве окислителя водяного пара существенно (в 3...5 раз) сокращает объ­ем получаемых газов по сравнению с технологией сжигания отходов, обеспе­чивает их эффективную очистку и тем самым исключает выброс токсичных веществ в атмосферу. Применение вихревого скруббера со слабым щелоч­ным раствором обеспечивает очистку газов от пыли на 99,6%, от вредных соединений (HCl, HF, Cl₂, NО₂, SО₂) - до 80 %.

Термическое разложение диоксинов начинается при 750 °С и до 1200 °С носит обратимый характер. Плазменная газификация ТБО позволяет выдержи­вать синтез-газ при t > 1300 °С в течение 2–3 с и дает необратимое разложение высокомолекулярных органических соединений углерода.

С помощью шлакообразующих добавок (например, СаО, СаСОз, Са(ОН)₂) сера, хлор, тяжелые металлы переводятся в твердые соединения, тем самым предотвращается их выброс в атмосферу. Вспененный или гранулиро­ванный расплав шлака имеет инертные свойства, не размывается водой и мо­жет использоваться как строительный материал.

Экономические перспективы реализации технологии подтверждаются следующим:

• компенсацией энергозатрат и получением прибыли за счет производст­ва и реализации тепловой энергии от сжигания синтез-газа в теплоэнергетиче­ских агрегатах. Установлено, что на каждый затраченный на переработку от­ходов киловатт-час электрической энергии можно получать от 4 кВт-ч (ТБО) до 7 кВт-ч (сельскохозяйственные отходы) тепловой энергии, которая исполь­зуется на производство электроэнергии и теплоснабжение;

• получением прибыли от реализации товарной продукции, выполненной из экологически безопасного остеклованного шлака;

• возможностью использования синтез-газа в качестве ценного сырья для химической промышленности;

• модульной комплектацией оборудования, позволяющей поэтапно на­ращивать производительность предприятия за счет установки дополнительно­го оборудования;

• возможностью серийного производства промышленного оборудования на отечественных предприятиях;

сроком окупаемости капиталовложений от 2,5 до 5 лет в зависимости от производительности электропечей.

§ 4. Промышленные плазменные электропечи для уничтожения токсичных отходов

Плазмотермическая установка для уничтожения медицинских отхо­дов. Наиболее типичным видом токсичных отходов являются медицинские отходы, которые характеризуются прежде всего наличием токсинов (ядовитых белковых веществ, продуктов обмена микроорганизмов) и общей инфициро-ванностью, они способны вызывать заболевания и гибель людей и животных. Таким образом, при переработке отходов этой категории необходимо решать проблему уничтожения токсичности, что возможно сделать плазменными ме­тодами с полным окислением углеродсодержащих составляющих, разложени­ем и окислением химических веществ, содержащихся в отходах, с одновре­менной длительной выдержкой при высокой температуре инфицированной части исходного продукта. Следовательно, основной задачей такой технологии является экологическая проблема уничтожения отходов с минимизацией мате­риальных затрат.

Плазмотермическая установка для переработки медицинских отходов, в которой происходит полное сжигание отходов с одновременным плавлением их неорганической части, приведена на рис. В.25, а ее схема - на рис. 8.8.

Техническая характеристика установки по переработке медицинских отходов

Производительность по отходам, кг/ч 250

Установленная мощность плазмотрона, кВт 150

Расход воздуха, нм³/ч:

дутьевого........ 2400

сжатого........ — 100

Объемный расход дымовых газов, нм³/ч 2900

Температура газов, °С:

в камере плавления 1350... 1500

в камере газификации 1050... 1300

после дожигания 1000... 1100

Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/кг.......... 0,6...0,7

Площадь, занимаемая установкой, м² ,.

УЗ - узел подачи отходов; П - питатель; КГ - камера газификации; КПл - плавильная камера; Пт - плазмотрон; ИП — источник питания; ШВ - шлаковыгружатель; ДГ - дожигатель газов; ТО - теплообменник; ЦПА1, ЦПА2 - аппараты очистки и охлаждения дымовых газов; В - дутьевой вентилятор; Д - дымосос; Н - насос

Основным технологическим агрегатом является плазменная электропечь (патент 2183794 РФ). Для уменьшения материалоемкости и габаритов она вы­полнена в едином корпусе и включает узлы подачи отходов и воздуха, камеру газификации, дожигатель и плавильную камеру с плазмотроном и летку, через которую удаляется расплавленный шлак.

Отходы вместе с упаковкой поступают в бункер загрузочного устройства печи и по вертикальной шахте подаются в камеру газификации питателем пе­реталкивающего типа с гидроприводом. Возвратно-поступательные движения толкателя обеспечивают перемещение отходов по наклонному поду камеры газификации и выгрузку коксозольного остатка в камеру плавления. По мере повышения температуры идет разложение и частичное окисление органиче­ской массы с образованием твердого остатка и газообразных продуктов. Твер­дый остаток представляет собой смесь неорганических соединений, металлов и коксового остатка, а газообразная фаза - смесь, состоящую из сажи, окиси и двуокиси углерода, водорода, паров воды, азота, метана и других, более слож­ных, органических продуктов. Сажа в газовой фазе образуется за счет разло­жения метана и других органических веществ. Кроме воздуха, подаваемого через сопла, в зону газификации поступают газообразные продукты из пла­вильной камеры. Подача воздуха через четыре сопла в движущийся слой отхо­дов обеспечивает продувку и газификацию отходов.

Получаемые коксовый и зольный остатки продвигаются в расположен­ную ниже плавильную камеру с образованием естественного откоса, на по­верхности которого они непрерывно сгорают и плавятся под воздействием воздушной плазмы, генерируемой плазмотроном, и горячих газов, отходящих из плавильной камеры. Расплав из плавильной камеры стекает в заполненную водой ванну шлаковыгружателя, охлаждается, гранулируется и выгружается с помощью гидравлического толкателя. Охлаждают расплав в основном за счет испарения воды. Водяные пары, образующиеся при охлаждении шлака, выво­дятся из шлаковыгружателя и смешиваются с дымовыми газами, отводимыми из печи.

Газы из плавильной камеры поступают в камеру газификации и вместе с образующимися там газами направляются в вихревой дожигатель, где завер­шается процесс окисления продуктов неполного сгорания. Дожигатель пред­ставляет собой цилиндрическую камеру с пережимом, имеющую тангенциаль­ные каналы для ввода дымовых газов и воздуха. После дожигателя дымовые газы проходят по каналу, расположенному под подом камеры газификации, направляются в межтрубное пространство теплообменника и далее поступают в охладитель (на схеме не показан), где охлаждаются в результате разбавления их холодным воздухом до 700 °С.

После охладителя газы последовательно проходят две стадии мокрой очистки и охлаждения в циклонно-пенных аппаратах ЦПА1 и ЦПА2. Газы в аппарат вводятся тангенциально, что приводит к образованию активного газо­жидкостного слоя, обеспечивающего их интенсивное охлаждение, обеспыли­вание и нейтрализации). Охлаждение газов в ЦПА1 до температуры примерно 100 °С осуществляется в основном за счет испарения воды. Влажные дымовые газы поступают в ЦПА2, где происходит их охлаждение до 35...60 °С и кон­денсация паров воды. Конденсат и орошающая жидкость собираются в нижней части аппарата и сливаются в промежуточную емкость, откуда насосом пода­ются в аппараты ЦПА1 и ЦПА2. Для охлаждения жидкости в системе цирку­ляции аппарата ЦПА2 предусмотрен теплообменник. Добавка в циркуляцион­ную жидкость раствора щелочи (соды и других реагентов в химически эквивалентных количествах) обеспечивает связывание оксидов серы, хлори­стого водорода и других кислых компонентов. Из ЦПА1 в канализацию слива­ется шлам, содержащий раствор солей (NaCl, Na₂SO₄, Na₂CO₃), а также твер­дые частицы нерастворимых и труднорастворимых компонентов (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂Оз, сажи и др.). Двухстадийная очистка отходящих газов позволяет обеспе­чить в них допустимый уровень содержания экологически нормируемых ком­понентов при обезвреживании отходов с большим содержанием галогенов и серы.

С целью исключения конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе газы с температурой 35...60 °С после очистки направляются в теплооб­менник, где подогреваются до 150. ..200 °С и затем сбрасываются в атмосферу. Транспортировка дымовых газов по газовому тракту осуществляется с помо­щью дымососа, установленного между аппаратом ЦПА2 и теплообменником. При этом в плавильной камере печи обеспечивается разрежение 30...70 Па.

Используемый в установке плазмотрон (рис. 8.9) имеет две вихревые ка­меры - G\ и G2. Рабочий газ - воздух. Вверху по потоку воздуха расположен трубчатый медный электрод-анод 7, т.е. полярность подключения к источнику

питания обратная. Выходное медное сопло 2 является катодом при работе плазмотрона в струйном режиме или служит стабилизирую­щим соплом при работе плазмотрона на подо­вый электрод 3 в режиме с выносной дугой.

/ - анод; 2 - катод-сопло; 3 - по­довый электрод; 4 - слой шлака; 5 - слой металла; 6 - футеровка пода; 7 - контактор

Мощность плазмотрона может изменять­ся от 80 до 150 кВт. Вначале плазмотрон рабо­тает в струйном режиме, затем, после расплав­ления шлака, в основном режиме - с выносной дугой. Ресурс работы плазмотрона в этом слу­чае определяется сроком службы медного трубчатого анода. Уровень эрозии анода нахо­дится в пределах (5...9)10^-11 кг/Кл, срок служ­бы 1000 ч, расход воздуха в каждой вихревой камере 10... 15 нм³/ч. Параметры плазмотрона в струйном режиме: сила тока дуги I=290.. .330 А, напряжение U = 380...420 В; а в режиме с вы­носной дугой I= 250...300 А, напряжение U=350...450 В.

Из-за высокой температуры воздушной плазмы, истекающей из плазмотрона, в ней содержатся оксиды азота NO. Решать эту проблему можно различными спосо­бами, а в данной установке - путем соответствующей организации процесса сжигания. Особенно трудно эта задача решается, когда в отходящих газах ок­сиды азота представлены в основном в виде NO из-за его крайне низкой реак­ционной способности как окислителя. Восстановление NO по реакциям

NO + СО → N₂ + СO₂ и NO + Н₂ → N₂ + Н₂O

происходит с невысокой эффективностью даже при температурах 1000... 1200 °С. Существенно лучше идет восстановление NO на твердом углероде. Установ­лено, что при t > 1050 °С реакция протекает по стехиометрическому уравне­нию

2C + 2NO = 2CO + N₂.

Общие рекомендации по обезвреживанию NO путем соответствующей органи­зации термических процессов в реакционном объеме следующие: температура процесса не менее 1100... 1200 °С; коэффициент избытка воздуха а = 0,6.. .0,7 и ниже; хорошее перемешивание газовых компонентов и достаточно большое (0,5...0,6 с) время их нахождения в печи. На рис. 8.10 представлен экспери­ментальный график изменения концентраций СО и NO в газах, поступающих на дожигание, при единичной загрузке отходов массой 4 кг. При содержании СО в отходящих газах выше 1 % обеспечивается подавление NO. Но уже через 2 мин после загрузки содержание СО резко падает ив отходящих газах вновь возрастает содержание NO.

Упаковка с отходами, попадая в область с высокой температурой, быстро прогревается, происходит выделение летучих органической части отходов и их газификация с образованием значительного количества сажи (черный дым). Это и приводит к эффективному подавлению NO, которое образуется в воз­душном плазмотроне. Наличие СО в газе служит в данном случае индикато­ром того, что среда обладает высоким восстановительным потенциалом. Эф­фективность подавления NO зависит, конечно, от аэродинамики топочного пространства, состава отходов и других факторов.

При периодической подаче упаковок с отходами время между их загруз­ками должно быть меньше времени газификации одной упаковки, а коэффици­ент избытка воздуха α ≤ 0,7. Это позволяет обеспечить низкое содержание NO в отходящих газах.

Уменьшение эмиссии NO внутри плазменного реактора при плавке золы мусоросжигания в работе проводили путем создания восстановительной среды добавлением в золу кокса. Оксиды азота снижались до допустимых концен­траций при содержании СО в печи не менее 10. ..12 об. %.

При запуске установки переносными горелками на жидком или газовом топливе футеровку печи разогревают до 600...700 °С, затем включают плазмо­трон и печь разогревается до 900...950 °С. Одновременно производится рас­плавление шлака в плавильной камере. В этот период для подавления оксидов азота в плавильную камеру можно подавать дополнительно жидкие или газо­образные углеводороды. После нагрева печи до 900...950 °С в камеру газифи­кации периодически подают упаковки с отходами и продолжают нагревать печь. После достижения температуры в камере газификации ≈1100 °С отклю­чают горелки и печь, за исключением плавильной камеры, работает далее в автотермическом режиме. Требуемый уровень температуры (1000... 1200 °С в камере газификации и показана 1000... 1100 °С в дожигателе) обеспечивается регулировкой расхода воздуха. На рис. 8.11 приведена концентрация сухих от­ходящих газов в дымовой трубе после выхода установки на стационарный ре­жим работы.

Рис. 8.11. Зависимость концентрации сухих отходящих газов

от времени

Плазмотермическая установка для плавления золы от действующих установок мусоросжигания. При сжигании твердых бытовых отходов обра­зуется зола двух видов: подовая и летучая (пыль), которая выделяется при очистке дымовых газов. В подовой золе может содержаться более 10 % несго-ревшего углерода, в том числе в форме углеводородов с включением бенз(а)пирена и прочих нормируемых углеводородов-канцерогенов. В летучей золе находятся сажа и легколетучие соединения тяжелых металлов — оксиды, хлориды, сульфаты. На саже возможно осаждение и накопление полихлориро-ванных диоксинов и фуранов. Для стран, в которых почти 100 % твердых быто­вых отходов сжигается, объемы обоих видов золы достигают миллионов тонн и их захоронение вызывает новые экологические проблемы. Одним из путей их решения является плавление золы в плазменной печи с получением химически инертного шлака, нетоксичных газовых выбросов и небольшой доли (8... 15 % по массе) вторичной пыли с высоким содержанием вредных примесей. Работы в данном направлении наиболее интенсивно развиваются в Японии.

В ходе проведенных работ были созданы и испытаны опытная (.§ 2, гл. 8) и опытно-промышленная установки с мощностью плазмотрона соответственно 500 кВт и 1 МВт. Блок-схема опытно-промышленной установки показана на рис. 8.12.

Установка включает в себя систему дозирования исходной золы, ее сме­шения и подачи в плазменную печь плавления, соединенную с устройством непрерывного отвода расплава и грануляции шлака, дожигателем отходящих газов и системой их охлаждения и очистки.

Плазменная печь имеет металлический кожух, внутри которого распола­гается футерованная огнеупором камера плавления, плазмотрон с системой его

перемещения, газовую или жидкостную форсунку, смотровые окна, бункер золы, механизм ввода золы в печь, систему вывода и грануляции расплава.

Рис. 8.12. Блок-схема установки для плавления золы

Дожигание выходящего из камеры плавления газа осуществляется в до­жигателе вихревого типа с тангенциальным вводом дымовых газов. Газ на вы-ходе из дожигателя содержит СО < 150 мг/нм и N0 «200...300 мг/нм (при содержании в отходящих дымовых газах 0₂ «5...10 об. %). Система очистки дымовых газов включает в себя скруббер-охладитель отходящих газов (впрыск воды через пневматические форсунки), рукавный фильтр для очистки от твер­дых примесей и мокрый скруббер для очистки дымовых газов от кислых ком­понентов путем их промывки щелочным раствором. Производительность ус­тановки по золе составляет до 600 кг/ч при удельных энергозатратах 0,8...1 кВт-ч/кг.

Для плавления золы разработаны два типа плазмотронов мощностью до 500 кВт, работающих на воздухе. Один плазмотрон струйный, а другой рабо­тает как в струйном режиме, так и в режиме с выносной дугой, причем и при прямой и при обратной полярности. Плазмотроны оснащены электродом тор­цевого типа. Если этот электрод является катодом, он имеет термоэмиссион­ную вставку из вольфрама; если анодом - то выполняется из меди. В обоих случаях электрод защищается путем вдува инертного газа (Ar, N₂), который подается в вихревую камеру, расположенную между электродом и пусковой секцией. Рабочий газ - воздух, он подается в следующую вихревую камеру, образованную пусковой секцией и выходным медным цилиндрическим элек­тродом. Для струйного плазмотрона этот электрод - анод и дуга горит внутри него. Для комбинированного плазмотрона, работающего как в струйном ре­жиме, так и в режиме с выносной дугой, выходной электрод является электро­дом-соплом при любой полярности подключения плазмотрона.

На рис. 8.13. представлены вольт-амперные характеристики дуги плазмо­тронов, где кривая 1 соответствует струйному плазмотрону, кривые 2 и 3 -комбинированному плазмотрону, причем 2 - работающему в струйном режи­ме, а 3 - в режиме с выносной дугой.

Рис. 8.13. Вольт-амперные характеристики дуги

Следует отметить, что кривая 1 имеет слабо возрастающий характер и соответствует типичной ВАХ дуги плазмотрона с уступом, а кривая 3 (возрас­тающая ВАХ для плазмотронах выносной дугой) в зависимости от электро­проводности шлака может иметь наклон до 1 В/А.

Измерение тепловых потоков показало, что плазмотрон с выносной дугой имеет больший КПД, чем чисто струйный. Так, при мощности 335 кВт КПД плазмотрона с выносной дугой, несмотря на то что он введен в печь на 12 см глубже, составляет 80%, в то время как КПД струйного плазмотрона - 70 %.

Плазмотрон с выносной дугой имеет большую эффективность передачи теплоты в шлак. Например, при равной мощности диаметр ванны расплава во время ее разогрева для плазмотрона с вынесенной дугой в 1,5-2 раза больше диаметра ванны при использовании струйного плазмотрона. Смена полярности для плазмотрона с вынесенной дугой существенно не влияет на эффективность нагрева шлака. Однако имеются некоторые особенности, связанные с электро­лизом, происходящим в ванне расплава при протекании через него тока. При этом в случае положительной полярности подового электрода на границе раз­дела металл-шлак происходит окисление металла, а при отрицательной поляр­ности - его восстановление.

В плазмотронах прямой полярности ресурс работы определяется сроком службы катода. Для катода из вольфрама расход защитного газа Аг или N2 -3.. .5 нм³/ч. Как показали испытания установки, ресурс работы катода зависит от чистоты защитного газа и составляет 200...300 ч. В плазмотронах обратной полярности ресурс работы определяется стойкостью медного анода. Расход защитного газа аргона 2...3 нм³/ч, ресурс работы равен примерно 1000 ч. Для установки мощностью 1 МВт использовался плазмотрон с прямой полярно­стью подключения электродов.

При разогреве установки, для подавления оксидов азота, в плавильную камеру подается метан в таком количестве, чтобы на выходе из печи была сла­бовосстановительная среда. При плавке золы восстановительная среда в печи обеспечивается как за счет сгорания углерода золы, так и в результате подачи метана (в случае малого содержания углерода в золе).

При пуске электропечи было переработано около 100 т золы с различным соотношением подовой и летучей составляющих. Мощность плазмотрона из­менялась в диапазоне 400.. .600 кВт, сила тока была 450.. .750 А, напряжение -600...800 В, температура газа в плавильной камере достигала 1400... 1450 °С, разрежение составляло примерно 30 мм вод. ст. Общий расход воздуха был равен примерно 150 нм³/ч, расход метана - 3... 12 нм³/ч.

Из табл. 8.1 видно, что из золы в систему газоочистки уходят легколе­тучие компоненты (К, Na, Zn, Cd, CI, S). В системе газоочистки вновь улав­ливается вторичная пыль с повышенным содержанием тяжелых и цветных металлов. Получаемую пыль, видимо, следует захоранивать в специальных хранилищах. Возможно, следует рассмотреть экономическую целесообраз­ность извлечения из нее ценных компонентов, таких как Си, Zn, Ag и т.д.

Накопление железа в виде металла в ванне расплава может происходить по двум независимым причинам: в результате плавления металла, поступающе­го вместе с исходной золой, и вследствие восстановления FeO углеродом золы.

Подаваемая на переработку масса исходной золы и газов распределяется в продуктах переработки следующим образом, %: шлак - 60; металл - 2; вто­ричная пыль за счет механического уноса - 0,8; вторичная пыль за счет испа­рения легколетучих веществ - 8,2; дымовые газы - 29.

Частицы шлака темного цвета имеют размеры до нескольких миллимет­ров, высокую устойчивость к растворению в воде и слабых кислотах. По всем нормам такой шлак пригоден для строительства дорог, производства бетонов и т.д.

Установка мощностью до 1 МВт показана на рис. В.26.

Технические характеристики установки для плавления золы

Производительность по отходам, кг/ч .....600

Установленная мощность плазмотронов, МВт Л

Температура газов, °С:

в камере плавления 1400... 1450

в дожигателе .. . .1000... 1100

Объем отходящих газов, нм³/ч.. 1700

Удельные затраты электроэнергии, кВт-ч/кг.... 0,8... 1

Площадь, занимаемая установкой, м² ..200

В плазмотермической установке для плавления золы от действующих за­водов мусоросжигания, в зависимости от соотношения подовой и летучей со­ставляющих золы, в экологически безопасные продукты перерабатывается от 84 до 90 % подаваемой массы. Установка может использоваться на действую­щих заводах мусоросжигания, а также для плавления других материалов, как пылевидных, так и кусковых.