Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов. Часть 1. Образование и проблемы переработки твердых бытовых отходов. Учебное пособ

В настоящее время в мире продолжают работать около 2000 мусо- росжигательных установок различной мощности. Большинство из них не удовлетворяют современным жестким экологическим требованиям.

Однако самые современные установки представляют собой высо- комеханизированные и автоматизированные предприятия, практиче- ски не загрязняющие окружающую среду. В Германии предусматри- вается строительство ряда теплоэлектростанций, работающих на бы- товых отходах. Приведем описание одной из них, построенной вбли- зи г. Брауншвейга и введенной в эксплуатацию в 2001 г. Установка состоит из следующих основных элементов: системы подачи, бунке- ра отходов, котельной, турбинного цеха, газоочистки с дымовой тру- бой и системы переработки шлаков. ТБО поступают в виде прессо- ванных кип объемом до трех кубометров или в контейнерах. Бункер емкостью 20 м3 является накопителем, где также производится из- мельчение и смешение отходов. Из бункера отходы подаются на ли- нию сжигания, где сначала сушатся при 80 ºС, а затем сжигаются на колосниковой решетке котлов при температуре около 200 ºС. Шлаки подаются в водяную ванну, в которой происходит растворение солей, далее удаляются металлы и грубые примеси. После дробления и трехмесячного хранения шлаки используются в дорожном строи- тельстве. В турбинном зале установлена турбина мощностью 30 МВт, в которую в час поступает 71 т пара, имеющего температуру 400 ºС под давлением 40 бар. Для очистки дымовых газов преду- смотрена распыливающая сушилка, рукавные фильтры, кислая и ще- лочная промывка газов с отсосом и выбросом в трубу высотой 120 м. Для снижения выбросов оксидов азота используется некаталитиче- ский способ редуцирования с впрыском аммиачной воды в первый газоход котла. После влажной промывки в отходящие газы вдувается пылевидный кокс, который вместе с солями, пылью, тяжелыми ме- таллами, диоксинами и фуранами осаждается в рукавных фильтрах.

При температурах 1200…1400 ºС, характерных для современных установок, галоидированные диоксины и фураны практически пол- ностью распадаются, а неразложившаяся часть поглощается в адсор- бирующих фильтрах. Если на старых мусоросжигающих станциях выбросы диоксинов достигают 300 мкг/т топлива, то на наиболее со- временных – всего 0,6 мкг/т. Для сравнения следует отметить, что при сжигании тонны каменного угля выделяется до 10 мкг диоксина,

апри сжигании тонны бензина – от 10 до 2000 мкг.

ВШвейцарии, Франции, Нидерландах и странах Северной Европы с получением тепла и электроэнергии сжигается 50…80 % отходов.

71

Например, в настоящее время в Германии вывозится на свалки только 10 % отходов; 53 крупные установки уничтожают в год 14,5 млн т от- ходов, вырабатывая при этом 2,1 трлн Вт·ч электроэнергии.

3.6.2. Жидкофазное сжигание ТБО

Технология переработки ТБО в печи Ванюкова

Технология высокотемпературной переработки ТБО разработана научной группой «Алгон» на базе разработанного в МИСиС и НИИ «Стальпроект» металлургического агрегата жидкофазного вос- становления железа ROMELT. Эта технология в 1991 г. была апроби- рована на Рязанском экспериментальном металлургическом заводе.

Печь выполнена в виде кессонированной шахты с отопительно- дутьевыми устройствами (циклонными топками), расположенными над подиной.

Печь имеет загрузочное устройство с толкателем для отходов. Стены печи выполнены из водоохлаждаемых панелей (кессонов). В боковых стенах установлено два ряда фурм: нижние – для барботирования шла- кового расплава воздухом, обогащенным кислородом (до 50…70 %), и верхние – для подачи кислорода и (или) воздуха для дожигания печных газов до продуктов полного окисления. Нижняя часть печи предназна- чена для приема жидких продуктов сжигания – шлакового и металличе- ского расплава. С торцевой стороны к печи примыкают шлаковый и металлический сифоны, сообщающиеся с рабочим пространством сис- темой перетоков. Они обеспечивают безнапорный выпуск металла и шлака и поддержание постоянного уровня расплава в печи.

Нижняя часть печи, сифоны и перетоки выполнены из огнеупор- ных материалов. На водоохлаждаемом своде печи установлен дымо- отводящий патрубок, через который печные газы отводятся в котел- утилизатор.

Комплекс по утилизации отходов позволяет перерабатывать ших- ту (отходы) без предварительной сортировки и сушки со значитель- ными колебаниями по химическому и морфологическому составу.

При подаче отходов в печь сверху часть их сгорает в брызгах и всплесках барботируемого расплава, остальная часть захватывается расплавом, имеющим температуру 1450…1550 ºС, и быстро погру- жается в ванну печи. Минеральные составляющие ТБО и промыш- ленных отходов переводятся в жидкий шлаковый расплав, состав которого регулируется присадкой флюсов. Образующийся шлак не- прерывно удаляется из печи и может быть использован для произ-

72

водства строительных материалов, минеральных волокон и наполни- теля для дорожных покрытий. Металлическая часть отходов расплав- ляется. Жидкий металл как более тяжелый опускается на подину.

Газы на выходе из ванны имеют температуру 1600 ºС, что обеспе- чивает полное разложение углеводородов и их сжигание до СО2 и Н2О. Выходя из агрегата, дымовые газы проходят котел-утилизатор, где окончательно дожигаются воздухом. Котел производит пар, кото- рый направляется в паровую турбину для получения электроэнергии.

Вырабатываемая электроэнергия частично используется для про- изводства кислорода, идущего на процесс сжигания.

Вариантом печи Ванюкова, специально оптимизированным для переработки ТБО, является печь конструкции В. Мечева. На рис. 3.6 приведён комплекс по переработке ТБО, имеющий в своём составе такой агрегат.

Рис. 3.6. Схема переработки бытовых и промышленных отходов: 1 – приемные бункеры; 2 – загрузочное устройство; 3 – печь конструкции В. Мечева; 4, 5 – ковши; 6 – термохимический реактор; 7 – цех получения «сухого льда»; 8 – дымососы; 9, 10 – осушители; 11 – газоочистные установки; 12 – парогенератор; 13 – энергоцех; 14 – устройство для очистки воды; 15 – кислородная станция;

16 – газоход конверсионного газа

При использовании данной технологии появляется возможность получить метанол и водород более дешевым способом, использовать теплотворную способность отходов, получать низкосортный сплав

73

металлов, строительные материалы из шлаков, а ценные продукты – из газов. С помощью этой технологии можно перерабатывать несор- тированные отходы, а также промышленные отходы как совместно с бытовыми отходами, так и отдельно. Теплотворная способность при переработке сравнительно «чистых» отходов, содержащих, напри- мер, много бумаги, солому, другие сельскохозяйственные отходы, может быть использована еще полнее и с меньшими затратами при проведении конверсии природного газа непосредственно в печи.

В основе технологии лежат следующие технические решения:

1)использование в качестве дутья технического кислорода;

2)изменение конструкции печи, что позволяет загружать отходы под расплав, а также довести время пребывания отходов в слое рас- плава до 5 с и более;

3)тонкая очистка газов от пыли и примесей путем глубокой кон- денсации влаги и последующего криогенного сжижения диоксида углерода;

4)смешивание части диоксида углерода с равной по объему ча- стью природного газа, нагрев смеси в теплообменниках за счет теп- лоты отходящих газов от сжигания отходов до 850 °С в присутствии никелевого катализатора и направление горячей смеси на газовые турбины ТЭС или для производства метанола;

Применение технического кислорода позволяет сжигать отходы при температурах 1400…1700 °С, что приводит к полному разруше- нию всех вредных составляющих отходов и полностью исключает оксиды азота. Газы от сжигания отходов на 93…94 % состоят из па- ров воды и углекислого газа.

Изменение конструкции печи заключается в создании герметич- ной (без возможности выброса газов из печи) загрузки отходов под расплав и пребывание их в контакте с расплавом в течении 5 с и бо- лее, причем влажность отходов при этом не лимитирована, так как учтена возможность бурного газовыделения.

Особое расположение кислородных фурм и профиль печи позво- ляют работать в режиме частичной газификации, а при добавлении значительных количеств торфа, угля и содержащих органику про- мышленных и сельскохозяйственных отходов получать горючие газы высокой калорийности.

В предложенной технологии выброс газов через трубу не преду- сматривается, поэтому нет необходимости иметь их конечную тем- пературу 150…250 °С. В процессе предварительной очистки газов в электрофильтре и скруббере происходит конденсация влаги, содер- жащейся в газах, что дает возможность очистить газы даже от паров ртути. Упругость паров ртути, свинца, талия, кадмия, олова, ванадия

74

и тяжелых металлов при температурах конденсации влаги очень низ- кая, и эти металлы, а также их соединения будут находиться в кон- денсированном состоянии и осаждаться вместе с каплями воды.

«Пироксэл» – технология обезвреживания и переработки отходов ОАО «ВНИИЭТО»

В 1993 г. ОАО «ВНИИ электротермического оборудования» (г. Москва) разработана технология термической переработки отхо- дов, которая включает следующие основные стадии их обработки: сушку, пиролиз (сжигание) отходов, обработку твердого остатка го- рения в шлаковом расплаве, химико-термическое обезвреживание дымовых газов, утилизацию избыточного тепла газовой фазы, её окончательную очистку. Твердый остаток сжигания, расплавляясь в шлаковой ванне и подвергаясь корректировке путем введения мине- ральных добавок, образует нетоксичный продукт, который может быть использован в строительной промышленности.

Аппаратно-технологическая схема установки приведена на рис. 3.7. Многостадийность термохимической обработки позволяет достигнуть полноты обезвреживания токсичных составляющих лю- бых ТБО, включая медицинские отходы.

Рисунок 3.7. Аппаратно-технологическая схема установки ТПО-2,5.02: 1 – загрузочный бункер; 2 – сушильный барабан;

3 – топка; 4 – печь электрическая; 5 – камера дожигания; 6 – камера нейтрализации; 7 – камера охладительная; 8 – воздухонагреватель; 9 – воздуходувка; 10 – скруббер; 11 – фильтр; 12 – дымосос;

13 – труба дымовая; 14 – задвижка; 15 – бункер; 16 – форсунка; 17 – реагентное хозяйство; 18 – байпас фильтра; 19 – электроды; 20 – гранулятор; 21 – пылевой мешок

75

На переработку поступают несортированные высоковлажные от- ходы (35…50 % (масс.)) без предварительной подготовки.

Сушка отходов осуществляется в барабане частью потока газов из топочного устройства с температурой более 1100 ºС. В массе отхо- дов, кроме процесса сушки, происходит низкотемпературный пиро- лиз, т.е. выход летучих из компонентов некоторых составляющих, имеющих низкую (до 160…300 ºС) температуру разложения. В ре- зультате поток отводимого газа содержит значительное количество паров воды, а также углеводороды CnHm. Этот поток газов направля- ется на термохимическую обработку.

Для интенсификации процесса сжигания органической части от- ходов в топочное устройство подается нагретый воздух, температура которого достигает 400 ºС.

Несгоревшая минеральная часть отходов пересыпается из топоч- ного устройства по наклонному поду в ванну жидкого шлака.

Нагрев шлакового расплава осуществляется за счет протекания по нему электрического тока, подводимого одним, двумя или тремя графи- товыми электродами. Температура жидкой шлаковой ванны поддержи- вается на уровне 1400…1450 ºС (в зависимости от состава шлака).

В процессе плавления зольный остаток расслаивается на шлак и металл, периодически выпускаемые из соответствующих леток.

Плавление зольного остатка протекает в объеме шлаковой ванны с постепенным изменением ее первоначального состава. Перед вы- пуском товарного шлакопродукта его состав корректируется до пре- дусмотренного технологическим регламентом за счет присадок. Температура шлаковой ванны регулируется изменением мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке.

Плавление металла, содержащегося в поступающих на перера- ботку отходах, осуществляется за счет тепла, выделяющегося в шлаковой ванне. В результате на подине формируется жидкометал- лическая ванна сложного многокомпонентного состава. Образую- щийся сплав имеет характеристики, позволяющие отнести его к не- которым видам чугуна.

Термохимическое обезвреживание дымовых газов в трехступен- чатом реакторе осуществляется по принципу реагентной очистки га- зовой фазы. В разработанной технологии в ступени дожигания СО и остаточного углерода поддерживается температурный уровень 1200 ºС. В камеру дожигания подается воздушное дутье, а в случае переработки низкокалорийных отходов – природный газ. Кислые со-

76

ставляющие нейтрализуются путем впрыскивания в реакционный объем содового раствора. Избыток соды составляет 20 %, что обес- печивает практически 100 %-ю нейтрализацию кислых газов и со- держание вредных веществ в удаляемом дымовом газе на уровне требований, например, законодательства Германии: SO2 < 50 мг/мЗ, HCl < 10 мг/мЗ, HF < 1 мг/мЗ в расчете на сухие газы.

При сжигании органической части отходов в потоке воздуха обра- зуются оксиды азота NOx и оксид углерода СО. Оксиды азота устра- няются в камере восстановления NOx в присутствии карбамида.

При поддержании температуры 820…1050 ºС и соблюдение усло- вий перемешивания на практике достигается восстановление оксидов азота до 85 %. Контроль температуры потока газов осуществляется в камерах реагентной очистки постоянно.

Диоксины и фураны, содержащиеся в исходных отходах или синтезированные в технологическом агрегате, практически полно- стью уничтожаются (до концентраций менее 0,1 нг/м3) в камере до- жигания при обеспечении в ней температурного уровня 1200 ºС, содержании кислорода более 3 % и времени пребывания дымовых газов не менее 2 с.

Образование вторичных диоксинов по тракту охлаждения дымо- вых газов практически полностью исключено за счет быстрой закал- ки газов в испарительном скруббере до 200…250 ºС.

Часть золы, образующейся при сжигании отходов, уносится с ды- мовыми газами. Максимально возможный вынос золы составляет

9кг/т отходов.

Всистеме утилизации тепла и пылегазоочистки предусмотрены операции подогрева технологического воздуха, охлаждение дыма перед подачей на фильтр с утилизацией тепла, очистка от пыли.

77

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Гарин В.М., Кленова И.А., Колесников В.И. Экология для техниче-

ских вузов / Под ред. В.И. Колесникова. Ростов н/Д: Феникс, 2001. Инженерная защита окружающей среды / Под общ. ред.

Ю.А. Бирмана, Н.Г. Вурдовой. М.: Изд-во АСВ, 2002.

Матросов А.С. Управление отходами: Учебник. М. Гардари-

ки, 1999.

Федоров Л.Г. Управление отходами в крупных городах и агломе- рационных системах поселений. М.: Прима-пресс-М, 1999.

Юсфин Ю.С., Леонтьев Л.И., Доронина О.Д. Экологически чистое производство: содержание и основные требования // Экология и промышленность России. 2000. № 3.

Юсфин Ю.С., Леонтьев Л.И., Черноусов П.И. Промышленность и окружающая среда. М.: ИКЦ «Академкнига», 2002.

78

ГОЛУБЕВ Олег Валентинович ЧЕРНОУСОВ Павел Иванович ТРАВЯНОВ Андрей Яковлевич

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Часть 1. Образование и проблемы переработки твердых бытовых отходов

Учебное пособие

Редактор Г.С. Петренко

Компьютерная верстка И.В. Одина

Московский государственный институт стали и сплавов, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4

Издательство «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9

Тел.: 954-73-94, 954-19-22

Отпечатано в типографии издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9

ЛР №01151 от 11.07.01

79