20.2. Термические методы переработки тбо при температурах ниже температуры плавления шлака

Термические методы переработки ТБО при температурах ниже температуры плавления шлака, то есть при температурах менее 1300°С, применяют наиболее часто. Наиболее распространенные в практике процессы — слоевое сжигание и сжигание в кипящем слое — требуют принудительного перемешивания и перемещения материа­ла. Находящийся в стадии разработки весьма перспективный про­цесс сжигания-газификации отходов в плотном слое реализуется без принудительного перемешивания и перемещения материала.

Слоевое сжигание неподготовленных ТБО в топках мусоро­сжигательных котлоагрегатов. При таком способе обезвреживания сжиганию подвергают все поступающие на завод отходы без какой-либо их предварительной подготовки или обработки.

Метод слоевого сжигания является наиболее распространенным и изученным. Он позволяет значительно экономить земельные пло­щади по сравнению с таковыми, отводимыми под полигоны. При этом методе помимо целей обезвреживания отходов возможно полу­чение тепловой и электрической энергии, сокращение до минимума расстояния между местом сбора ТБО и мусоросжигательным заво­дом (МСЗ). Однако наряду с этими положительными показателями, сжигание отходов сопровождается образованием дымов, содержащих различные загрязняющие атмосферу вещества. В этой связи все современные МСЗ оборудованы высокоэффективными устройствами для очистки отходящих газов (дымов) от твердых и газообразных загрязняющих веществ со стоимостью, достигающей 30% общих капзатрат на строительство МСЗ. За рубежом в ряде стран, где ли­мит земельных площадей представляет особо острую проблему, мусоросжигание нашло самое широкое распространение.

Изучение процесса горения ТБО в мусоросжигательных котлоагрегатах показало, что он протекает в две стадии: в твердой фазе (на колосниковой решетке) и в объеме топочного пространства. Колос­никовая решетка является одним из важнейших элементов мусоросжигающей камеры (МСК). Наряду с механизацией процесса сжи­гания большое значение имеет шурующая способность колоснико­вой решетки, которая обеспечивает расшлаковку спекающихся час­тей слоя горящих отходов и их аэрацию. К колосниковым решеткам МСК предъявляются требования надежной работы при загрузке не­подготовленными отходами с постоянно меняющимся морфологи­ческим и фракционным составами; возможности эксплуатации при температуре в топочном объеме выше 800°С, приводящей к тепло­вой деструкции наиболее трудно разлагаемых и горящих компонен­тов отходов, минимального содержания органических составляющих (недожога) в остатках сжигания и стерильности их после сжигания; обеспечения максимально возможного КПД топки, чтобы требуемая температура в ней достигалась без сжигания дополнительного топ­лива и обеспечивалась высокая эффективности всего агрегата (если на установке тепло уходящих газов утилизируется); поступления минимального количества летучей золы в уходящие дымовые газы; нечувствительности к легкоплавким металлическим составляющим (олово консервных банок, отходы из алюминия и т.п.); эффективно­сти сушки отходов в первой зоне решетки; разделения топочного процесса на отдельные зоны (сушки, воспламенения, горения и до­жигания) при необязательном конструктивном разделении колосни­ковой решетки на эти функциональные участки; исключения ручно­го труда (подача отходов в топку, шуровка, золоудаление и т.п.).

Для реализации перечисленных требований имеется несколько видов колосниковых решеток. Конкурентоспособными являются три типа решеток: поступательно переталкивающие, обратно переталки­вающие и решетки валкового типа.

Все колосниковые решетки устанавливают в топках, представля­ющих собой камеры сгорания, куда подают отходы и дутьевой воз­дух в качестве окислителя органических веществ. Эффективность сжигания отходов во многом зависит от комбинационных конструк­тивных решений топки и колосниковой решетки. Можно отметить три принципиальных варианта конструктивного решения системы топка-решетка (рис. IV-11):

система с прямым потоком газов в топочном пространстве, опти­мальная для сжигания сухих отходов с высокой теплотворной спо­собностью — 2800-3000 ккал/кг; наиболее горячая зона характерна для нижней части решетки, поэтому⁷ влажные отходы в начале ре­шетки плохо подсушиваются (рис. IV-11 а);

система с обратным по отношению к перемещаемому материалу потоком газов, оптимальная для сжигания влажных отходов с низ­кой теплотворной способностью — около 1700 ккал/кг (рис. IV-11 б);

система со средним потоком газов (компромиссный вариант), оптимальная для сжигания отходов переменных состава и влажнос­ти (рис. IV-11 в).

Переталкивающие решетки как с прямой, так и с обратной пода­чей материала представляют собой системы, состоящие из подвиж­ных и неподвижных колосников для перемещения и перемешивания отходов. Колосниковые решетки с прямой подачей (поступательно-переталкивающие решетки) имеют малый угол наклона (6-12,5°) и переталкивают материал в сторону выгрузки шлака (в направлении перемещения материала).

Экспериментально подобранный угол наклона решетки, равный 12,5°, обеспечивает как хорошее рыхление материала, так и надеж­ное управление движением потока. Для перевала отходов с целью их рыхления предусматривается одна или две ступени по длине колосниковой решетки (в зависимости от числа секций). Высота рыхля­щих перепадов небольшая и не приводит к повышенному выбросу пыли. Торцовые поверхности перепадов решетки охлаждаются.

Рис. IV-11. Устройство топочной ка­меры: а — прямоточная система; б — противоточная система; е — комбиниро­ванная система

Преимуществами колосниковой решетки являются простота кон­струкции; возможность регулирования движения каждой секции ре­шетки независимо от других секций (как следствие - оптимальное регулирование толщины слоя отходов и времени их пребывания на решетке); позонное регулирование подачи первичного воздуха в каж­дой секции решетки (каждая секция решетки имеет свою собствен­ную зону ввода дутья, что весьма важно для сжигания ТБО перемен­ного состава); равномерная стабильная подача первичного воздуха через щели между колосниками по площади решетки, что обеспечи­вает спокойное сжигание с незначительным пылевыносом (подача воздуха не зависит от положения колосника и его движения); отно­сительно невысокие эксплуатационные расходы и простота обслу­живания (замена отдельных колосников производится одним чело­веком без специального инструмента); минимальный провал мате­риала между колосниками (зазор 1,5 мм). В последнее время нашли применение водоохлаждаемые колосниковые элементы, использование которых значительно уменьшает износ покрытия решетки в зоне основного горения и повышает срок ее эксплуатации.

Колосниковые решетки с обратной подачей (обратно-переталкивающие решетки) имеют большой угол наклона (обычно 21-25°) и переталкивают материал (нижний слой отходов) в сторону, противо­положную выгрузке шлака и перемещению отходов. При этом часть горящего слоя отходов возвращается к началу решетки, что интенси­фицирует процесс горения.

Принципиальные схемы колосниковых решеток приведены на рис. IV-12.

Переталкивающие колосниковые решетки обеспечивают движе­ние ТБО вдоль решеток. На этой системе удается получить хороший эффект шуровки при интенсивном переворачивании отдельных час­тиц отходов, что предотвращает кратерное горение, несмотря на неоднородность отдельных фракций (различная интенсивность го­рения отдельных фракций). В результате перемешивания быстро и медленно горящих частей отходов достигается сравнительно равно­мерное их выгорание. Этот эффект еще больше повышается путем установки последовательно нескольких ступеней наклонно перетал­кивающих решеток - каскада (рис. IV-12 a). Однако наряду с интен­сификацией процесса сжигания отходов при их падении с одной ре­шетки на другую возрастает вынос твердых частиц, что приводит к увеличению уноса из топки, следовательно, требует более эффектив­ной системы газоочистки.

Другим примером конструкции топки с шурующим эффектом является обратно переталкивающая колосниковая решетка (рис. IV-12 г), на которой сжигание происходит более интенсивно, чем на обыч­ной переталкивающей решетке. Большая эффективность достигает­ся за счет нижнего воспламенения отходов. Полотно колосниковой решетки имеет наклон в сторону выгрузки шлака, и отходы под дей­ствием силы тяжести сползают по ней вниз. Решетка состоит из по­очередно расположенных неподвижных и подвижных ступеней ко­лосников. Движение подвижных ступеней происходит навстречу сползающему слою отходов, и горящие части отходов, попадая под слой отходов, создают очаги нижнего зажигания.

На установках малой и средней производительности применяют системы с опрокидывающими колосниками (рис. IV-12 б). Выпол­ненные в виде сегментов колосники решетки объединены в группы, каждый второй ряд периодически опрокидывает горящие отходы, что создает весьма эффективную шуровку. Использование этой системы особенно оправдано при сжигании целлюлозосодержащих отходов (бумага, древесина и т. д.). Подобная система создана в США (систе­ма Никольс), где содержание целлюлозосодержащих отходов в ТБО особенно велико.

К недостаткам перечисленных конструкций (переталкивающих, обратно переталкивающих, с опрокидывающими колосниками) от­носят сложность их кинематических схем, а также работу колосни­ков в условиях высоких температур, что требует изготовления их из высоколегированных сталей или чугуна.

К колосниковым решеткам с шурующим эффектом относятся так­же несколько последовательно включенных ступеней решеток, рас­положенных в виде каскада. Успешная шуровка обеспечивается при падении материала с одной ступени на другую или при перемеще­нии с одного валка на другой.

Рис. IV—12. Принципиальные схемы колосниковых решеток: а — каскад на­клонно переталкивающих решеток; б — опрокидывающая; в — валковая; г — обратно переталкивающая; д — каскад цепных решеток; е — наклонно перетал­кивающая решетка с дожигающим барабаном

Одним из вариантов каскадных колосниковых решеток является система цепных механических колосниковых решеток (рис. IV-12 д). Слой материала, находящийся на полотне решетки, с постоянной скоростью перемещается через топочное пространство. Отходы, име­ющие разные свойства, сгорают неравномерно, создавая кратерное горение. Дутьевой воздух проходит через такие кратеры в больших количествах, в связи с чем на других участках полотна решетки, по­крытых несгоревшими отходами, не хватает окислителя. Это являет­ся основным недостатком системы из двух цепных решеток (наклон­ной и горизонтальной), а в странах Западной Европы — из 3-4 ре­шеток (каскад). При пересыпании отходов с решетки на решетку слой отходов выравнивается. Однако каскадное расположение решеток при падении отходов с решетки на решетку приводит к повышенному пылению сжигаемых материалов, что увеличивает содержание твер­дых частиц (золы, недожога) в дымовых газах.

На валковых колосниковых решетках отходы перемещаются за счет вращения отдельных валков, и в момент перехода их с одного валка на другой происходит шуровка отходов (рис. IV-12 в).

Колосниковые решетки устанавливают в топках, стенки которых экранированы испарительными поверхностями - вертикальными рядами труб, по которым циркулируют вода и пар (вода в трубах закипает, когда их обтекают восходящие горячие газы). Ряды труб в определенной степени являются дополнительным изоляционным слоем (наряду с шамотом), что оптимизирует рекуперацию тепла и несколько упрощает запуск оборудования после остановки. Камеру сжигания и нижнюю часть первого хода котла обмуровывают набив­ной массой.

Сопла подачи вторичного воздуха располагают у выхода из ка­меры сжигания. Интенсивной подачей через них воздуха обеспечи­вают качественное его перемешивание с топочными (дымовыми) га­зами и тем самым хорошее выгорание вредных газообразных веществ.

В газоходах котлоагрегата последовательно устанавливают состо­ящий из стальных труб пароперегреватель (элемент парового котла, повышающий температуру пара сверх температуры насыщения) и экономайзер (теплообменник) для предварительного подогрева, пи­тающей котел воды за счет тепла выходящих газов. В зависимости от конкретных условий проектируют котлоагрегаты (бойлеры) гори­зонтального или вертикального типа. Последние более компактны и занимают меньшую площадь. Поверхности конвективного нагрева располагают либо в вертикальном ходе дымовых газов (в этом слу­чае для очистки горизонтально расположенных в нем пучков труб устанавливают обдувочные аппараты, что приводит к увеличению объема отходящих газов), либо в горизонтальном ходе (свободно ви­сящие пучки труб очищают с помощью ударного механизма).

На ряде МСЗ часть первичного дутьевого воздуха подают под колосниковую решетку, другую — сверху на слой ТБО. В зависимос­ти от теплоты сгорания и длины пламени производится перераспределение воздушных потоков: при низкой теплоте сгорания отходов пламя растягивается по длине колосниковой решетки и значительная часть первичного дутья подается в середине и конце последней. Расход воздуха на первичное дутье составляет 60-70% от его общего расхо­да. Вторичное дутье ведут, как указано выше, через сопла у входа в первую тягу котла. Взамен вторичного воздуха возможна подача очи­щенных от взвешенных и имеющих температуру около 200°С дымо­вых газов (особенно при сжигании высококалорийных отходов). Использование отработанных дымовых газов снижает содержание кислорода без превышения концентрации СО и уменьшает количе­ство отходящих газов, подлежащих очистке.

Гибкая система подачи дутьевого воздуха (и частичная рецирку­ляция дымовых газов) предохраняет стенки топки от перегрева и автоматически перестраивается под качество сжигаемого материа­ла. Автоматическая система регулирования обеспечивает поддержа­ние на заданном уровне количества производимого пара и высоты пламени по всему сечению колосниковой решетки (факел контроли­руют при помощи малоинерционных оптических датчиков).

В топках с обратно переталкивающими решетками (например, системы фирмы "Martin") по длине решетка разделяется на 3-6 сек­ций для подачи дутьевого воздуха. Первичный воздух подают в топ­ку через узкие щели в головной части колосников. Вторичное дутье осуществляют через переднюю и заднюю стенки топки, причем воз­дух подают в пространство над слоем горящих отходов. После ввода вторичного воздуха отходящие газы, сжигаемые при температуре 1000-1200°С, остаются в печи более 2 секунд при температуре 850°С, что достаточно для разрушения органических соединений (в том числе опасных) до безвредных и нейтральных.

Горение отходов начинается в начале решетки и стабилизируется при 1000°С во второй ее половине. В конце решетки расположен мед­ленно вращающийся вал, регулирующий высоту слоя сжигаемых отходов и транспортирующий шлак в шлаковую ванну.

Угол наклона обратно переталкивающей решетки является дос­таточно большим и составляет около 25° в сторону перемещения ма­териала и разгрузки шлака. Каждая секция решетки, приводимая в движение от одного гидроцилиндра, состоит из чередующихся слоев подвижных и неподвижных колосников, изготовленных из жаропроч­ной хромистой стали, состав которой разработан фирмой "Martin". Боковые поверхности колосников отшлифованы и с помощью спе­циального устройства прижимаются друг к другу, образуя монолит­ное полотно (узкие щели для подачи первичного воздуха предусмот­рены в головной части как подвижных, так и неподвижных колосни­ков). Подвижные колосники оказывают на перемещающийся в сто­рону разгрузки шлака материал обратно переталкивающее действие, что позволяет подавать 15-20% горящей массы отходов навстречу движущемуся слою, создавая очаги нижнего зажигания. Срок служ­бы колосников — 5-6 лет.

Слоевое сжигание ТБО в топке с наклонно переталкиваю­щей решеткой. На рис. IV-13 представлена принципиальная схема завода, на котором реализовано слоевое сжигание ТБО в топке с на­клонно переталкивающей решеткой.

Как видно из рисунка, исходные ТБО доставляют мусоровозами в приемное отделение и загружают в углубленный бункер прямоу­гольного сечения, обслуживаемый грейферным краном (обычно ус­танавливают два крана). Назначение грейферного крана — подача отходов из бункера на сжигание, удаление так называемых негаба­ритов (холодильники, матрацы и т. п.) и усреднение отходов (после­днее крайне неэффективно, так как исходные ТБО по своему составу и свойствам мало пригодны для усреднения).

Рис. IV-l 3. Слоевое сжигание ТБО в топке с наклонопереталкивающей решеткой: 1 — приемное отделение; 2 — бункер исходных ТБО; 3 — грейферный кран; 4 — загрузочная воронка; 5 — толкатель; 6 — наклоннопереталкивающая решетка; 7 — дутьевой вентилятор; 8 — система шлакоудаления; 9 — бункер шлака; 10 — грейферный кран; 11 — когел-утилизатор отходящего тепла; 12, 13 — система газоочистки; 14 — дымосос; 15 — труба; 16 — турбогенератор

Независимо от типа устанавливаемой в топке решетки ТБО из бункера подают в загрузочную воронку (рис. IV-14), которая отделя­ет камеру сгорания от окружающей среды (в этой воронке и ниже ее образуется своеобразный затвор из подпрессованных отходов, пре­пятствующий неорганизованному поступлению воздуха в топку). На нижней части приемной воронки фиксировано запорное устройство — заслонка (рис. IV-15), которая автоматически закрывается в случае аварии, выполняя функцию защитного приспособления. Из прием­ной воронки ТБО направляют в топку на колосниковую решетку обыч­но с помощью гидравлического толкателя.

Рис. IV-14. Общий вид устройства загрузки ТБО в топку: 1 — загрузоч­ная воронка; 2 — запорное устройство (клапан); 3 — зонд контроля уровня заг­рузки; 4 — шахта подачи мусора; 5 — устройство регулируемой подачи мусора

Рис. IV-15. Схема двухлепесткового клапана ( затвор типа "мигалка") ус­тройства загрузки ТБО в топку

Температура сжигания отходов составляет 850-1000°С. В конце колосниковой решетки шлак через охлаждаемую водой шахту попадает в гидрошлакоудалитель с толкательным устройством (рис. IV-16). Под колосниковой решеткой по всей ее длине установлено скребковое устройство для сбора просыпи между колосниками (рис. IV-17). Водяной затвор в золоудалителе предотвращает неор­ганизованное поступление возду­ха в топку и отделяет воронки для нижнего дутья друг от друга.

Рис. IV-16. Толкательное устрой­ство с гидроприводом системы шлако- золоудаления

При утилизации тепла отходя­щих газов на мусоросжигатель­ных заводах возможно получение как электрической, так и тепловой энергии. Паропроизводительность парогенераторов мусоро­сжигательных установок в 3-4 раза ниже по сравнению с энергети­ческими установками, работающими на ископаемом топливе (как следствие относительно низкой теплотворной способности отходов). На рис. IV-18 представлена типичная диаграмма сжигания ТБО в топке с колосниковой решеткой. Из рисунка видно, что вырабаты­ваемая тепловая мощность (Мвт) зависит от производительности печи по твердому топливу (т/час ТБО) и калорийного потенциала отходов (ккал/кг). При сжигании отходов с теплотворной способно­стью менее 2000 ккал/кг требует­ся подача дополнительного тепла (дополнительный расход при­родного газа). Области ста­бильной работы печи (автоген­ный процесс) соответствует теплотворная способность от­ходов в пределах 2000-3100 ккал/кг. При неизменной выра­батываемой тепловой мощности повышение теплотворной способности приводит к снижению про­изводительности установки по ТБО. Оптимальной представляется теплотворная способность отходов 2800 ккал/кг = 11800 кДж/кг (ве­личина, характерная для отсортированной горючей фракции ТБО): в этом случае максимально вырабатываемой тепловой мощности со­ответствует максимальная производительность по количеству сжи­гаемых отходов. В случае пониженной теплотворной способности сжигаемых отходов уменьшается производство пара (увеличение потока отходов обусловливает увеличение недожога).

Рис. IV-18. Диаграмма сжигания в топке с колосниковой решеткой

Слоевое сжигание ТБО на валковых решетках используют в про­мышленной практике достаточно широко: в 1995 г. в различных стра­нах эксплуатировалось более 250 топок с валковыми решетками.

При использовании топок с валковыми решетками, заимствован­ными из практики сжигания угля, материал перемещается с помо­щью вращающихся валков (барабанов). Наиболее часто используют шестивалковые решетки. В германской практике мусоросжигания встречаются семивалковые решетки. Угол наклона решетки — до 40°, диаметр валков — до 1,5 м, дли­на валков до 6 м. Температура сжигания — 900-1000°С. Вре­мя нахождения отходов в печи— около 30 минут.

Привод каждого валка уста­новлен вне топочной камеры; все части, подлежащие смазке, доступны во время эксплуата­ции печи.

На рис. IV-19 представлен общий вид завода, на котором ре­ализовано слоевое сжигание ТБО в топке с валковой решеткой. Основ­ными недостатками работы таких заводов являются низкая эффектив­ность и отрицательное экологическое влияние (процесс сжигания плохо стабилизируется, оптимальная температура зачастую не достигается, велик выход недожога, низкое качество шлака, значительные потери черных металлов, эксплуатационные осложнения при попадании в печь бордюрного камня и больших количеств металла, сложность организа­ции эффективной газоочистки при нестабильном горении отходов и др.). Эти недостатки особенно проявляются при отсутствии раздельного сбо­ра и рациональной технологии вывоза ТБО, что имеет место в нашей стране. Как видно из рис. IV-19, в традиционной топке с валковой решеткой реализован центральный отвод дымовых газов из топочного про­странства. При этом, по данным практики, температура над последним валком составляет всего 500-600°С, что предопределяет повышенное содержание в шлаке недожога.

В настоящее время создана топка с валковой решеткой второго поколения (рис. IV-20). Новая геометрия топочного пространства и дутьевой режим обеспечивают стабилизацию горения, увеличение времени пребывания газов в печи, турбулизацию газового потока и его интенсивное перемешивание с воздухом. Все это позволяет реа­лизовать сжигание ТБО в оптимальных условиях.

В новой конструкции печи под сводом топочного пространства образуются вихревые потоки, увеличивающие продолжительность пребывания газов в топке при высокой температуре и степень выгорания вредных газовых компонентов и твердых частиц. Первичное дутье (возможен подогрев первичного воздуха до 220°С) подают, как обычно, снизу. Вторичное дутье пода­ют сверху под свод топочно­го пространства в основную зону горения, что приводит к снижению образования оксидов азота на 50%; подача дутья для дожигания га­зов на выходе из топки не требуется. Геометрия печи обеспечивает также высокую температуру шлака до его выпуска (температура над последним валком решетки составляет 1000°С). Суммарный расход дутьевого воздуха заметно снижен. Оптимальное управление про­цессом, связанное с автоматическим регулированием воздухораспределения, скорости вращения валков и количества подаваемого мате­риала, позволяет достаточно эффективно сжигать отходы переменного состава.

Р ис. IV-19. Слоевое сжигание ТБО в топке с валковой решеткой: 1 — приемное отделение; 2 — бункер исходных ТБО; 3 — грейферный кран; 4 — загрузочная воронка; 5 — толкатель; 6 — валковая решетка; 7 — система шлакоудаления; 8 — бункер шлака; 9 — грейферный кран; 10 — котел-утилизатор отходящего тепла; 11 — электрофильтр; 12 — вытяжной вентилятор; 13 — система газоочистки; 14 — труба; 15 — турбогенератор; 16 — пульт управления; 17 — резервный котел

Рис. IV-20. Общий вид усовер­шенствованной топки с валко­выми решетками (конструкции фирмы "Deutsche Babcock"): 1 — загрузка отходов; 2 — валковая ре­шетка; 3 — топочная камера; 4 — подача первичного дутья; 5 — по­дача вторичного дутья; 6 — горел­ка; 7 — зона дожигания; 8 — сис­тема шлакоудаления

Представляет интерес технологическая оценка различных мето­дов слоевого сжигания ТБО в топках с переталкивающими решетка­ми, тенденций практического применения этих методов, а также оцен­ка возможностей реализации оптимальных технологий в российс­ких условиях. В этой связи следует отметить, что отечественные ТБО характеризуются повышенной влажностью, а для термической обра­ботки влажных отходов наиболее подходят топочные устройства фирмы «Martin».

Сжигание в барабанных вращающихся печах. Барабанные вра­щающиеся печи для сжигания исходных (неподготовленных) ТБО применяют очень редко, чаще эти печи используют для сжигания специфичных (например, больничных) отходов, а также жидких и пастообразных промышленных отходов, обладающих абразивным действием.

На рис. IV-21 представлен общий вид завода, на котором реали­зовано слоевое сжигание отходов в барабанной вращающейся печи.

Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в на­правлении движения отходов. Скорость вращения печи — от 0,05 до 2 об./мин. Со стороны загрузки подают отходы, воздух и топливо, шлак и золу выгружают с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушиваются (400°С), далее происходят их га­зификация и сжигание (обычно при 900-1000°С).

При сжигании отходов в барабанных печах в принципе можно достичь и более высоких температур горения, но высокотемператур­ное сжигание ТБО приводит к быстрому износу достаточно тонкой футеровки в печах этого типа (раз в полгода требуется замена внут­ренней футеровки печи — операция трудоемкая, сложная и дорогая, ее стоимость составляет около 10 % стоимости самой печи). Для по­вышения долговечности печи иногда вместо футеровки применяют водяное охлаждение стенки барабана или устраивают охлаждение футеровки печи. Производительность барабанных печей составляет до 10 т/час (чаще 1-5 т/час).

Рис. IV-21. Слоевое сжигание отходов во вращающейся барабанной печи: 1 — загрузочная воронка; 2 — толкатель; 3 — вращающаяся барабанная печь; 4 — дожигательная камера; 5 — система шлако- и золоудаления; 6 — конвейер летучей золы; 7 — котел-утилизатор отходящего тепла; 8 — электрофильтр; 9 — дымосос; 10— система газоочистки; 11 — труба

Барабанные печи используют в технологии «Пироксэл», реализующей трехстадийную термическую обработку отходов: сушку до содержания влаги 20%; сжигание (либо пиролиз+сжигание) при тем­пературе 900°С и электрошлаковую обработку остатков сжигания при 1400-1500°С. Данная технология, названная пиролизно-мегаллургической переработкой, прошла достаточно длительные испытания на крупномасштабной опытной установке. Согласно одному из вариан­тов этой технологии ее первые две стадии осуществляют во вращаю­щихся барабанах (рис. IV-22). В зону сушки подают горячие дымо­вые газы после их реагентной очистки, а в зону горения — подогре­тый до 400°С дутьевой воздух. Образующийся шлак и дымовые газы поступают в электроплавильную печь.

Рис. IV-22. Схема переработки отходов по технологии "Пироксэл": 1 —заг­рузочное устройство; 2,4 — барабанные печи; 3 — промежуточная камера; 5 — электропечь для плавки шлака; 6 — камера дожигания отходящих газов; 7, 8 — реагентная очистка газов; 9 — реагентная станция; 10 — котел-утилизатор; 11 — рукавный фильтр; 12 — труба ; 13 —дымосос; 14 — подача первичного дутья

Существенными недостатками данной технологии являются прак­тически полная потеря металлов (выделяемый в ванне электропечи в виде донной фазы металлосодержащий продукт неизвестного соста­ва получают после периодического слива струи расплава на поверх­ность вращающегося барабана в форме тонкого скрапа, не имеет сколь либо значительных рынков сбыта), повышенный переход в газовую фазу при 1500°С опасных металлов (цинка, кадмия, ртути, свинца, олова и других) вследствие поступления в электропечь всех метал­лов, содержащихся в не подвергнутых предварительной сортировке исходных ТБО, а также высокие эксплуатационные расходы.

В практике мусоросжигания барабанные печи ранее часто использовали с целью дожигания продуктов сжигания ТБО на колоснико­вых решетках. Такие барабаны используют более чем на 70 заводах по сжиганию ТБО. На этих заводах вращающиеся со скоростью 12 об/мин, барабанные печи установлены за каскадами наклонно пе­реталкивающих колосниковых решеток. Помимо дожигания несгоревшей части ТБО, в барабанных печах происходит дробление обра­зующегося при сжигании ТБО шлака, который с помощью системы шлакоудаления подают на пластинчатый конвейер и далее направля­ют в шлаковое отделение.

Сжигание в печах кипящего слоя. Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной сис­темы "твердое-газ" путем превращения слоя отходов в "псевдожид­кость" под действием динамического напора восходящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном со­стоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение под­чиняется законам гидростатики.

Технология сжигания ТБО в кипящем слое впервые реализована в начале 80-х годов в Японии. К середине 90-х годов этот метод по­лучил достаточно широкое распространение (например, в Японии на его долю приходится около 25% ТБО, подвергаемых термической переработке). Считают, что сжигание в кипящем слое по эколого-экономическим параметрам в ряде случаев превосходит традицион­ное слоевое сжигание. Развитие этого метода в Японии прогнозируют и в будущем, в том числе за счет модернизации устаревших заводов.

Печи для сжигания ТБО в кипящем слое обеспечивают наилуч­ший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого мате­риала и по этим характеристикам превосходят котлоагрегаты с переталкивающими решетками. Кроме того, аппараты кипящего слоя не имеют движущихся частей или механизмов. Однако необходимость обеспечения режима псевдоожижения обрабатываемого материала накладывает ограничение на его гранулометрический и морфологи­ческий состав, а также на теплотворную способность, в связи с чем в ряде случаев процесс сжигания в кипящем слое (особенно в цирку­лирующем кипящем слое) оказывается более дорогим, чем слоевое сжигание.

Производительность печей для сжигания ТБО в кипящем слое составляет от 3 до 25 т/час. Преобладающие температуры сжигания — 850-920°С.

В связи с более низкой (на 50-100°С) температурой сжигания ТБО в кипящем слое по сравнению со слоевым сжиганием заметно снижается возможность образования оксидов азота за счет окисле­ния азота воздуха, в результате чего снижаются выбросы NO_x с отхо­дящими газами. Кроме того, при сжигании в кипящем слое значи­тельно легче связать кислые соединения серы и хлора путем добавки в топочное пространство порошков соединений кальция (см. раздел I).

В зависимости от характера псевдоожижения различают три мо­дификации кипящего слоя: стационарный, вихревой и циркулирую­щий кипящий слой. Роль теплоносителя в системах кипящего слоя обычно выполняет тонкозернистый песок, частицы которого созда­ют большую по сравнению с традиционным колосниковым сжига­нием поверхность нагрева.

После разогревания песка с помощью запальной горелки до 750— 800°С начинают подачу в кипящий слой отходов, где последние смешиваются с песком и в процессе движения истираются. В резуль­тате хорошей теплопроводности песка отходы начинают быстро го­реть равномерно во всем объеме кипящего слоя. Выделяющееся при этом тепло обеспечивает поддержание песка в горячем состоянии, что позволяет работать в автогенном режиме без подвода дополни­тельного топлива для обеспечения режима горения.

Для сжигания ТБО в стационарном кипящем слое печи оснаща­ют цилиндрической или прямоугольной топкой, ограниченной сни­зу газораспределительной решеткой, конструкция которой обычно предусматривает возможность удаления шлака. Кипение слоя дроб­леных ТБО в камере сжигания обеспечивает поток подогретого пер­вичного воздуха. Вторичное дутье подают поверх кипящего слоя (для обеспечения дожигания). Шлак вместе с частью песка выгружают снизу и подвергают грохочению с целью регенерации песка.

На рис. IV-23 приведена схема завода, на котором реализовано сжигание ТБО в стационарном кипящем слое. Как видно из рисун­ка, проектно-компоновочные решения такого завода заметно отлича­ются от таковых заводов, на которых производят слоевое сжигание ТБО.

Различают одно- и двухвихревой кипящий слой. Роль направля­ющего устройства, определяющего характер кипящего слоя, выпол­няют пластины, фиксированные с наклоном по отношению к желобу системы шлакоудаления. Под действием потоков воздуха происхо­дит принудительное эллиптическое движение кипящего слоя. Пер­вичный воздух подают в топку через несколько воздуховодов, причем скорость потока воздуха возрастает по направлению к желобу шлакоудаления.

Эффективность процесса сжигания отходов в кипящем слое в значительной степени обеспечивают следующие особенности конст­руктивного выполнения камеры сжигания:

фурменное днище камеры состоит из нескольких секций, через которые вводится различное количество дутьевого воздуха, чтобы обеспечить ожижение и вихревое движение слоя загрузки. Скошен­ная форма фурменного днища облегчает выгрузку;

дефлекторы в верхней части топочной камеры обеспечивают на­правление вихревого движения, определяют степень расширения кипящего слоя и предотвращают вынос песка из слоя, благодаря чему удается удерживать точные геометрические размеры слоя;

два вращающихся в противоположных направлениях потока эл­липтической формы, соприкасающиеся в середине, обеспечивают оптимальное распределение и ворошение отходов, благодаря чему достигается более чем 99%-ное сгорание отходов и предотвращение подпора при загрузке новых отходов.

Рис. IV-23. Сжигание отходов в стационарном кипящем слое: 1 — питатель отходов; 2 — решетка с отверстиями; 3 — камера сжигания; 4 — горелка; 5 — дутьевой вентилятор; 6 — циклон; 7 — электрофильтр; 8 — дымосос; 9 — груба

Чтобы достичь полного сгорания летучих компонентов, в зону высокой турбулизации подают вторичный воздух, который интен­сивно перемешивается с горючими газами и способствует их полно­му дожиганию в выше расположенном реакционном пространстве, в котором поддерживается температура 850°С (время пребывания га­зов в этой зоне составляет 5 секунд).

Для регулирования температуры периодически осуществляется рециркуляция дымового газа.

На рис. IV-24 схематично представлена печь с циркулирующим кипящим слоем. Печь запроектирована для завода производитель­ностью 500 тыс. т/год, где установлены две печи производительностью 25 т/час каждая. Крупность загружаемого в печь материала — 100 мм, минимальная теплотворная способность — около 10000 кДж/кг (~2450 ккал/кг).

Рис. IV-24. Печь для сжигания отходов в циркулирующем кипящем слое

Эффективное сжигание в печи обеспечивают хорошим контак­том топлива из отходов с горячим песком (печь заполняют песком на 1/3 объема). Материал постоянно циркулирует в системе печь-цик­лон, и по всей высоте печи поддерживается равномерная температу­ра 830-920°С (относительно низкая температура способствует сни­жению выбросов оксидов азота на 25-40% по сравнению с исполь­зованием котлоагрегатов со стандартными решетками, снижению кор­розионного действия хлора). Отсортированную и дробленую фракцию ТБО (топливо из отходов) загружают в переднюю часть печи. Охлаждаемые водой (защитная рубашка из труб) стенки печи вы­полнены из высоконикелистой стали. Дутьевой воздух нагревают до 300-350°С и подают в печь в нескольких точках (на схеме показана одна). Отходящие газы из печи направляют в циклон, где осаждают шлак. Температура в циклоне составляет 750-800°С, т.е. циклон ча­стично выполняет функцию печи. Для рекуперации тепла в циклоне имеются трубы.

Время пребывания отходящих газов в печи составляет около 4 сек. Печь характеризуется пониженным выходом шлака и летучей золы и является экологически наиболее чистым агрегатом из термического оборудования данного профиля. Энергетическое использование от­ходов при ее эксплуатации характеризуется высокой эффективнос­тью (615 кВтч/т).

С жигание-газификация в плотном слое кускового материа­ла без его принудительных перемешивания и перемещения. Раз­работан процесс газификации, характеризующийся высокой степе­нью использования энергетического потенциала сырья, подвергае­мого термообработке (процесс назван сверхадиабатическим горени­ем). Его осуществляют в реакторе (рис. IV-25) типа вертикальной шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м (внешний диаметр 2,5 м) и высотой 7,3 м, куда сверху загружают в соотношении 1:0,4 отходы (преимущественная крупность — 200 мм) и инертный материал типа шамота (крупность от -120 до +70 мм), а снизу подают газифицирую­щий агент — паро-воздушную смесь с температурой 60-80°С). Ша­мот выполняет функцию тепло­носителя и создает оптимальные условия для реакции газифика­ции. Процесс проводят при отно­сительно малых линейных скоро­стях потока и осуществляют в виде двух стадии: газификации отходов (максимальная темпера­тура в реакторе составляет 1200°С — в зоне несколько ниже середины реактора) и сжигания полученного синтез-газа (смесь во­дорода, оксида и диоксида углерода, азота и водяного пара, в кото­рой присутствуют углеводороды и аэрозоли пиролизных смол) в па­ровом котле с топкой при избытке вторичного воздуха. Продукты газификации (газ и шлак) выводят из реактора при температуре ме­нее 150°С, что характеризует весьма высокий тепловой КПД реактора. Теплотворная способность синтез-газа при газификации обогащенной фракции ТБО составляет около 1200 ккал/м³. Перегретый пар из котла является питанием паровой машины с электрогенератором.

Рис. IV-25. Реактор газификации в плотном слое кускового материала без принудительного перемешива­ния и перемещения отходов

Поскольку процесс паро-воздушной газификации проводят в плот­ном слое кускового материала при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез-газе, который выводят из реактора сверху, практически отсутствует золоунос. Перемещение твердого материа­ла в реакторе происходит под действием силы тяжести. Перемеща­ясь сверху вниз, материал последовательно проходит зоны подогре­ва, сушки, пиролиза и газификации. Получаемый в результате про­цесса шлак практически не содержит недожога. После выгрузки из реактора его подвергают грохочению для отделения от инертного материала, используемого в качестве оборотного.

По массе исходных ТБО производительность одного реактора составляет 1,8 т/час, в случае газификации обогащенной фракции ТБО она возрастает до 2,7 т/час. В процессе газификации обогащен­ной фракции ТБО удельный расход дутьевого воздуха составляет около 5000 м³/т (в том числе первичное дутье — 1000 м³ /т, вторич­ное дутье — около 4000 м³/т), водяного пара — около 300 м³/т, электро­энергии — около 40 кВт ч/т. Объем отходящих газов — около 5000 м³/т. По расчетам, производство электроэнергии составляет 330 кВт.* ч/т газифицируемых отходов.

Крупность материала не более 200 мм (допускается крупность 250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки) и его теплотворная способность не менее 1500 ккал/кг представляют ос­новные требования к отходам, направляемым на газификацию. Эти требования обеспечивают на стадии обогащения ТБО введением в технологическую схему соответствующих операций, позволяющих также предотвратить попадание в процесс металлов, экологически опасных и некоторых других компонентов.

Усреднение состава горючих отходов и их равномерная подача в процесс термообработки являются необходимыми условиями обес­печения стабильности термического процесса, а также повышения его эффективности и таковой последующей газоочистки. Стабильность процесса обеспечивают автоматическим регулированием его четырех параметров: температуры (регулируют с помощью измене­ния подачи водяного пара), расположения фронта зоны газифика­ции по высоте реактора (регулируют изменением скорости выгрузки шлака при неизменном расходе дутьевого воздуха), расхода вторич­ного дутьевого воздуха (регулируют по остаточному содержанию кислорода в дымовых газах), уровня загружаемого материала.

Рассматриваемый процесс газификации по сравнению со слое­вым сжиганием ТБО имеет следующие экологические преимущества:

Поскольку процесс проводят в плотном слое кускового материа­ла при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез-газе, выводимом из реактора сверху, практически отсутствует, как отмечено выше, золоунос (газы по пути своего движения проходят своеобразный фильтр). Учитывая, что на частицах летучей золы осаж­дается большая часть вредных примесей, в том числе тяжелых ме­таллов (металлы в виде изделий в термический процесс после сорти­ровки не попадают, но в небольших количествах могут входить в состав макулатуры, синтетических и других материалов), предотв­ращение золоуноса с газами представляется важным преимуществом процесса газификации (по сравнению с охарактеризованными выше традиционными термическими технологиями);

Температура в зоне газификации составляет 1200°С, что обеспе­чивает полное разложение опасных органических соединений (в том числе диоксинов и фуранов) до безвредных и нейтральных. Необхо­димо отметить, что существует два основных пути образования дибензодиоксинов и дибензофуранов: первичное образование в терми­ческом процессе при температурах 300-600°С и вторичное образо­вание на стадии охлаждения дымовых газов при температурах от 250 до 450°С (реакции их образования происходят на поверхности частиц летучей золы в присутствии соединений хлора при катализе соединениями железа и меди). Чтобы свести к минимуму вторичное образование диоксинов, в процессе газификации и в некоторых ва­риантах охарактеризованных выше технологий реализуют закалку отходящих газов (их быстрое охлаждение до 150°С). Учитывая ма­лый золоунос, а также восстановительную атмосферу в реакторе (выше зоны газификации), можно констатировать, что вероятность повторного образования диоксинов на поверхности частиц летучей золы после закалки очень мала. Одновременно восстановительная атмосфера предотвращает образование оксидов азота.

Прямым следствием названных экологических преимуществ является возможность реализации значительно упрощенной (и менее дорогой) по сравнению с традиционным слоевым сжиганием ТБО газоочистки. Еще одна возможность упрощения и снижения стоимос­ти газоочистки состоит в очистке синтез-газа на выходе из реактора га­зификации (его объем составляет 1000 м³/т отходов, что в 4-5 раз меньше объема отходящих газов при традиционном слоевом сжигании).