.
В настоящее время в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО). Наиболее распространенными среди них являются термические способы. Анализ этих технологий показал, что они обладают рядом недостатков, основным из которых является неудовлетворительная экологическая чистота. Она связывается в последние годы главным образом с отходами, содержащими хлорорганические вещества и (или) выделяющие другие высокотоксичные органические соединения (фураны, диоксины и тп.). Диоксинообразующими компонентами ТБПО являются такие материалы как картон, газеты, пластмассы, изделия из поливинилхлорида и т.п.
Самой распространённой среди них является технология сжигания в слоевой топке на колосниковых решётках (Приложение 1).
Сжигание отходов в топках с псевдосжиженным слоем широко распространено в Японии. В США работает технология по сжиганию отходов в циркулирующем псевдосжиженном слое.
Получает распространение технология предварительного пиролиза и последующего высокотемпературного сжигания.
Все эти технологии обладают одним общим недостатком - повышенной экологической опасностью при бункерном хранении ТБПО, связанной с гниением отходов, с неравномерностью загрузки печей и, как следствие, с наличием вторичных отходов
По технологиям сжигания ТБПО на колосниковых решётках при температуре 600-900°С остаётся 25-30% вторичных твёрдых отходов, заражённых высокотоксичными веществами и требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме этого, при сжигании отходов при указанной температуре и медленном нагреве идет интенсивное образование диоксинов и ПАУ как в процессе сжигания отходов, так и в процессе охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по переработке ТБПО закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или переводятся на дорогостоящую систему очистки газов с помощью угольных фильтров и специальных катализаторов окисления окислов азота, ПАУ и диоксинов.
Технологии по сжиганию отходов в топках с псевдосжиженным слоем и в циркулирующем псевдоожиженном слое не решают проблему утилизации и обезвреживания твёрдых остатков - шлака, и особенно летучей золы.
Сжигание ТБПО по технологии "Пиролиз и высокотемпературное сжигание" сложно аппаратурно как на стадий пиролиза и сжигания отходов, так и на стадии газоочистки.
Технология переработки отходов в печи Ванюкова при всей сложности системы газоочистки малоэффективна в смысле осаждения аэрозолей, а, следовательно, и образования диоксинов, т.е. не гарантирует необходимую экологическую обработку. Плавильная печь капиталоемкая и сложна в эксплуатации.
Из сказанного видно, что основополагающим при переработке ТБПО является проблема образования диоксидов.
Есть основание предполагать, что при обычном способе сжигания мусора в газовом тракте снова образуются токсичные соединения (диоксины, полиароматические углеводороды (ПАУ) и т.д.), где главную функцию синтеза и транспортировки выполняют аэрозоли сажи:
а) образование синтезгаза С + Н2О = СО + Н2;
б) гетерогенный каталитический синтез органических соединений на поверхности аэрозолей сажи;
в) сорбция продуктов синтеза на поверхности сажи.
СО + Н2 + НС1 = ПАУ, диоксины и т.д.
На 1см2 сажистой аэрозоли могут разместиться приблизительно 1014 молекул ПАУ и диоксинов. В 1 м3 отходящих газов могу находиться десятки миллионов частиц сажи с общей поверхностью больше 100м2. На такой поверхности может разместиться больше 1020 молекул ПАУ и диоксинов. Улавливание сажистых аэрозолей крайне сложная и дорогостоящая задача.
Именно поэтому, вокруг даже самых лучших сжигателей, полностью удовлетворяющих требованиям НЕС, создаётся отравленная загрязненная зона. Она очень ярко выражена в радиусе до 1,5 км вокруг трубы сжигателя, а при его многолетней работе эта зона охватывает до 30 км. В ближней зоне выпадают наиболее крупные аэрозольные частицы, а более мелкие распространяются на десятки километров.
Согласно Нормативам Европейского Союза (НЕС) геометрия горячей зоны сжигателя должна обеспечить пребываете газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не менее 2 секунд (правило 2 секунд) при концентрации кислорода не менее 6%.
Следует отметить, что это очень жесткое требование и выдержать его непросто. Особенно трудно добиться высокого содержания кислорода в зоне горения. При этом следует иметь в виду, что требование 2 секунд подразумевает, что концентрация диоксинов в отходящих газах должна быть приемлемой для их очистки до регламентируемых 0,1 нг/м3 (при 11% кислорода в газах). При этом предполагается, что степень очистки будет не ниже "шести девяток", т.е. 99, 9999%. Однако при этом не учитывается особое свойство диоксинов - способность к повторному синтезу в холодной зоне.
Реально снижают содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели, объединённые с дожиганием НОХ. Именно в силу трудностей их улавливания очистные сооружения современных заводов стоят очень дорого.
Опыт переработки ТБПО термическими методами и многочисленные публикации позволяют сделать следующие выводы:
- медленный нагрев ТБПО и осуществление процесса сжигания на уровне 600-900°С при недостатке кислорода благоприятствуют интенсивному образованию сажистых аэрозолей и органических соединений;
- температуры порядка 1400°С, окислительная среда (> 11 об.% 02) и высокая степень пиролиза (до пирофорного состояния) обеспечивают высокую скорость горения продуктов пиролиза, что исключает образование сажистых частиц и, следовательно, диоксинов и ПАУ.
Выполнение таких условий реализуется в разработанной НИИЦ технологии сжигания отходов в циркулирующем шлаковом расплаве (Приложение 2) на воздушном дутье в газлифтном режиме. Попадая в объем циркулирующего расплава при кратности 1:100, материал подвергается быстрому пиролизу за счет теплового удара и полностью сжигается при избытке кислорода при температуре 1500-1600°С в газлифтной зоне. Зона термической обработки материала в объеме расплава достигает 5 и более метров.
Технологическая схема сжигания ТБПО (Приложение 3) обеспечивает эффективность разложения диоксинов на всех стадиях переработки отходов, что решается следующим образом:
повышение содержания кислорода в отходящих газах до 10%;
принятием экологически чистого способа хранения отходов в барабанах - дозаторах;
сжиганием отходов на воздушном дутье при а > 1.1 с дожигом продуктов разложения в верхних слоях газлифтного слоя с помощью вертикальной кислородной фурмы;
сжиганием предварительно подсушенных и измельчённых отходов под слоем расплава при следовании ТБО в
объеме расплава на расстоянии 5м (2м в нисходящей зоне и 3м в газлифтном);
замена экологически ненадежной громоздкой системы очистки отходящих газов после сжигания отходов, фильтрацией их через взвешенный слой отходов в процессе измельчения и сушки;
экологически чистой, высокоэффективной очистки отходящих газов после сушки и измельчения в циркулирующем кипящем слое и на ротоклоне;
снижение объема отходящих газов за счет конденсации из них 60% воды.
При данной технологии легколетучие металлы (например, ртуть и т.п.) при избытке кислорода улавливаются в виде окислов перед подачей на сушку или в процессе сушки. Цинк и другие тугоплавкие металлы аккумулируются и удаляются со шлаком в виде окислов.
Транспортировка, приемка и хранение отходов
Вместо традиционного бункерного хранения неподготовленного сырья предусматривается хранение предварительно отсортированных от металлолома и высушенного ТБПО (до 10% влаги) во вращающихся вентилируемых барабанах с объемом, обеспечивающим их 1 - 2-х суточный запас. Сушка отходов в процессе измельчения на роторных молотковых мельницах облегчает процесс их последующего сжигания. В табл.1 приведены показатели технологии утилизации ТБПО в условиях газлифтного вспененного расплава шлака.
Сжигание подготовленных отходов
Согласно теоретическим и практическим предпосылкам, накопленным мировой практикой, основными условиями, обеспечивающими экологически эффективное (без образования ПАУ и диоксинов) сжигание ТБПО, являются два условия:
предварительная газификация ТБПО;
сжигание газов без образования аэрозолей сажи.
Газификация топлива эффективнее всего проходит под шлаком, когда нагревание сырья до высоких температур (около 1500°С) происходит практически мгновенно (~0,1 с).
Сжигание газов наиболее эффективно происходит при высоких температурах (свыше 1000°С) и избытке кислорода (1.1).
Все эти требования в наших условиях выполняются за счёт сжигания подготовленных ТБПО в шлаковом вспененном расплаве на обогащенном кислородном дутье в особом газлифтном режиме.
Таблица 1 Показатели технологии утилизации ТБПО
| №№ п. п. | Наименование показателей | Единица измерения | Значение показателя |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. | Количество перерабатываемых отходов(W=40%) | т/годт/час | 140.017. 7 |
| 2. | Расход технического кислорода | нм3/ч | 442.5 |
| 3. | Состав образующегося шлака: | % | |
| - оксид железа | - | 15.38 | |
| - оксид кремния | - | 50.72 | |
| - оксид алюминия | - | 15.56 | |
| - оксид кальция | - | 7.81 | |
| - оксид магния | - | 3.93 | |
| - оксид магния | - | 0.81 | |
| - цинк | - | 0.17 | |
| - свинец | - | 0.06 | |
| - медь | - | 0.83 | |
| - сера | - | 0.12 | |
| - прочие | - | 4.51 | |
| 4. | Количество отходящих газов поступающих на конденсацию | нм3/ч | 29736.0 |
| Температура газов | °С | 1600 | |
| 5. | Количество газов (после сушки) | нм3/ч | 22700.0 |
| Температура газов после сушки | °С | 200 | |
| 6. | Количество отходящих газов на печь кипящего слоя | нм3/ч | 22700.0 |
| 7. | Состав отходящих на выброс газов: - оксид углерода (СО2) | % | 17.76 |
| - вода | - | 25.0 | |
| - диоксид серы | - | 0.08 | |
| - азот | - | 48.4 | |
| - кислород | - | 10.0 | |
| 8. | Площадь газлифтной установки | м2 | 5.0 |
| 9. | Площадь печи с циркулирующим кипящим слоем | м2 | 5.0 |
| 10. | Расход условного топлива на дожит отходящих газов в кипящем слое | кг/ч | 600.0 |
Соотношение жидкого шлака поддерживается на уровне 100 т на 1 т загружаемого материала. В этой же зоне за счёт подачи в нисходящий поток шлака кислородного дутья идут одновременный пиролиз, и конверсия органической части ТБПО и частичное окисление продуктов конверсии и пиролиза. Реакции пиролиза и конверсии завершаются в подфурменной и фурменной зонах. Над вторым рядом фурм, или с помощью вертикальной кислородной фурмы, начиная с глубины 2,5 м, во вспененном слое шлака, происходит окисление продуктов конверсии при избытке кислорода. Для усиления эффекта вспененного слоя в газлифтную зону одновременно с дутьем через боковые фурмы подаётся дутьё через верхнюю фурму.