Технологии переработки твёрдых бытовых отходов

Технологии переработки твёрдых бытовых отходов.

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/год

т/час

140.0

17. 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.

Стократный избыток шлака обеспечивает интенсивное разрушение органической части мусора за счёт теплового удара.

Горючие продукты подвергаются термическому разложению (пиролизу):

СnНm = nС + m/2Н2;

и конверсии:

СnHm + Н2О = СО + СО2 + Н2; 

Термический пиролиз и конверсия идут с поглощением тепла. С поглощением тепла идут и вторичные реакции:

3С + 4Н2О = 2СО + СО2 + 4Н2; 

Для поддержания теплового баланса в зоне загрузки и ускорения приведенных выше реакций, в эту зону подается кислород для обеспечения окислительного пиролиза:

СnНm + O2 = СО + Н2; 

Все эти реакции ускоряются раскалённой поверхностью шлака, которая обладает каталитической активностью. В качестве катализатора выступает и высокоразвитая поверхность сажи, выделяемая при разложении углеводородов, образующихся в процессе пиролиза органической части отходов по реакции:

СnНm = nС + m/2Н2;

В присутствии сажистых частиц в газовом пузыре (до десятков миллионов частиц на 1см), например, самый устойчивый метан полностью разлагается за 1,5 секунды.

В связи с вышесказанным, наиболее медленная стадия процесса сжигания отходов - стадия газификации органической части ТБПО, с высокой эффективностью протекает в объеме циркулирующего шлака при условии:

реализации окислительного пиролиза; 

продолжительности пребывания отходов в объеме шлака более 4 секунд за счет транспортировки материала на расстояние 5 и более метров; 

Газоочистка отходящих газов

С целью повышения эффективности процесса газоочистки, при одновременном и значительном упрощении его аппаратурного оформления, за основу был принят способ очистки отходящих газов исходным сырьем (Приложение 3).

Уровень правовой охраны

Предлагаемый к реализации проект “ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ” защищен патентами Российской Федерации:

Патент РФ №2087820 от 17.11.87г.; 

Патент РФ № 2111275 от 16.07.96г.; 

Патент РФ №1819434АЗ от 17.11.87г.; 

Патент РФ №21009215 от 11.01.95г.; 

Патент РФ №2122155 от 25.06.97г. 

Степень готовности

Выполнен рабочий проект опытно-промышленного завода по переработке ТБПО для города Зеленогорск Красноярского края производительностью 100 тыс. тонн в год.