Проблема энергетического использования твердых бытовых отходов как одна из актуальных современных задач

Э.Р. Алтынбаева, Н.А. Юдина

ПРОБЛЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ КАК ОДНА ИЗ АКТУАЛЬНЫХ СОВРЕМЕННЫХ ЗАДАЧ

В статье рассматриваются различные подходы к решению проблемы энергетического использования твердых бытовых отходов. Изучены стадии термохимического обезвреживания газов, образующихся в процессе переработки отходов. Дано описание технологии работы современной установки для обезвреживания и уничтожения твердых бытовых отходов.

Ключевые слова: твердые бытовые отходы, термическая переработка, обезвоживание, дымовые газы, утилизация, керамзит.

Проблема обезвреживания и уничтожения твердых бытовых, больничных, промышленных и других видов отходов - одна из актуальных современных задач, которая решается во всем мире различными путями. Учитывая возможность наличия в этих отходах токсичных, бактериальных и других составляющих повсеместно возрастают масштабы их радикального термического уничтожения. Широкое распространение в настоящее время получили электростанции (США, Дания), на которых сжигаются твердые бытовые отходы (ТБО) городов, а также электростанции, работающие на биогазе свалок ТБО (Италия). Наиболее рациональным, в первую очередь для крупных многонаселенных городов, является создание централизованной системы обезвреживания отходов, включающих технологические линии их термической переработки и обеспечивающих потребности территорий с большой численностью населения.

Пилотный образец установки производительностью до 1000 т в год изготовлен и эксплуатируется с 1992 г. Его основное назначение - испытание и отладка основных узлов и агрегатов, а также отработка технологических процессов применительно к различным видам отходов. Установка производительностью 10000 т в год спроектирована, изготовлена и поставлена в г. Челябинск. Ее основным назначением является переработка твердых бытовых отходов в смеси с низкотоксичными отходами других типов. Установка размещена на городском полигоне захоронения твердых отходов. Установка производительностью 25000 т в год для переработки твердых бытовых отходов спроектирована, изготовлена и смонтирована в г. Москва.

Фирмой «Термоэкология» (АО «ВНИИЭТО») разработана серия установок термической переработки отходов (таблица 1, рис. 1), которые

включают устройства, позволяющие осуществить следующие основные

87

стадии обработки отходов: сушку и частичный низкотемпературный пиролиз, горение отходов, обработку твердого остатка горения газовой фазы в барботируемой шлаковой ванне, химико-термическое обезвреживание дымовых газов, утилизацию избыточной теплоты газовой фазы, ее окончательную очистку. Твердый осадок сжигания, расплавляясь в шлаковой ванне и подвергаясь корректировке путем введения минеральных добавок, образует нетоксичный продукт, который может быть использован в строительной промышленности [1]. Многостадийность термохимической обработки позволяет достигнуть полноты обезвреживания токсичных составляющих, содержащихся в отходах.

Таблица 1. Технические характеристики размерного ряда установок для термической переработки, обезвреживания и уничтожения твердых бытовых отходов с получением шлака

Характеристика установки Тип установки

ТПО- 2,5 ТПО- 10 ТПО- 25 ТПО- 100 ТПО- 250

Годовой объем переработки отходов, тыс. т 2,5 10,0 25,0 100,0 250,0

Мощность источника питания, кВА 250,0 1000,0 1800,0 8000,0 16000,0

Диаметр графитированных электродов, мм 150,0 200,0 250,0 350,0 500,0

Объем дутьевого воздуха, нм3/ч 500,0 3000,0 9000,0 15000,0 30000,0

Расход Место для электроэнергии, кВтч/т 210,0 170,0 130,0 100,0 80,0

Расход подпиточной воды на охлаждение, м3/ч 3,0 4,0 6,0 15,0 30,0

Требуемая численность персонала, чел. 10 25 44 65 136

Количество утилизированной теплоты, используемой на собственные нужды, Гкал/год 500,0 2000,0 5000,0 20000,0 40000,0

Рис. 1. Общий вид установки ТПО-25.01: масса установки - 760 т; занимаемая площадь - 865 м

Установка для обезвреживания и уничтожения твердых бытовых отходов производительностью 25000 т в год наиболее подготовлена к серийному производству, поэтому описание технологии и оборудования дано на примере этой установки. Сводные экономические показатели оборудования для термической переработки отходов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сводные экономические показатели оборудования для термической переработки отходов

Характеристика установки Тип установки

ТПО-25 ТП0-100 ТП0-250

Годовой объем переработки отходов, тыс. т 25,0 100,0 250,0

Стоимость оборудования, тыс. долл. 1000,0 3520,0 8000,0

Ежегодное возмещение затрат на переработку отходов (при цене приема отходов 40 долл. за 1 т), тыс. долл. в год 1100,0 4300,0 11000,0

Объем производимой продукции, в том числе, т/г. гранулированного металла гранулированного шлака 750.0 4000.0 3000.0 16000.0 7500.0 40000.0

Аппаратурно-технологическая схема процесса термической переработки отходов представлена на рис. 2. Установка содержит следующие устройства: подачи и загрузки отходов 1; предварительной сушки (обезвоживания) отходов 2; 3; сжигания органической части отходов 4; элек-трошлаковую печь для обработки твердого остатка сжигания 5; реактор термохимического обезвреживания газовой фазы 6-8; систему утилизации тепла дымовых газов 10; систему пылегазоочистки 11; установку для получения товарного шлакопродукта.

1

Рис. 2. Принципиальная схема установки ТП0-25.01: 1 - устройство загрузочное; 2 - барабан сушильный; 3 - камера промежуточная; 4 - барабан сжигания; 5 - электропечь плавильная; 6 - камера дожигания; 7 - камера нейтрализации; 8 - камера восстановления; 9 - станция реагентного хозяйства; 10 - котел-утилизатор; 11 - фильтр рукавный; 12 - труба; 13 - воздуходувка; 14 - дымосос.

Устройство подачи и загрузки отходов конструктивно представляет собой приемную воронку. Для отходов, поступающих в контейнерах, пре-

89

дусмотрено устройство подъема и опрокидывания контейнеров в жерло загрузочной воронки. Нижнее основание соединяется со шлюзовой камерой. Верхняя крышка и днище камеры имеют возможность перемещаться вокруг горизонтальной оси под действием массы отходов, что обеспечивает ритмичность загрузки. Основная задача, выполняемая загрузочным устройством - обеспечение непрерывной регулируемой подачи отходов в установку. При этом конструктивное исполнение устройства исключает возможность выброса в атмосферу вредных веществ и пыли.

Устройство предварительной сушки отходов представляет собой вращающийся барабан, состоящий из обечайки, упорных колец для роликов, привода и рамы. Барабан размещен под углом 3 градуса к горизонту К верхнему торцевому фланцу подводится выход загрузочной воронки, нижний конец входит в промежуточную камеру. Поступающие в барабан отходы за счет наклонного его расположения и вращения перемещаются от одного его конца к другому. В барабан поступают влажные отходы (до 50%), что сильно снижает калорийность отходов и возможность эффективного протекания последующих стадий технологической обработки.

Сушка осуществляется попутным потоком дымовых газов (7д.г=400°С), подаваемых из рециркуляционного контура технологической линии. Дымовые газы являются высокоэффективным сушильным агентом. В массе отходов кроме процесса сушки протекает низкотемпературный пиролиз, т. е. выход летучих из некоторых составляющих, имеющих низкую (до 100-200°С) температуру разложения. В результате поток отводимого сушильного агента кроме исходных составляющих (СО, N2, Н2О пар) содержит значительное количество паров воды, а также углеводороды СпНт. Этот поток газовой фазы отводится из промежуточной камеры непосредственно в реактор термохимической обработки, где при дожигании может повысить теплосодержание дожигаемого потока.

Промежуточная камера конструктивно состоит из опоры, корпуса и переходного лотка. Последний обеспечивает подачу подсушенных отходов в барабан сжигания. Корпус представляет собой металлический кожух, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Камера герметизирована и снабжена двумя отверстиями - для отвода продуктов сушки и для подачи дутьевого воздуха в барабан сжигания отходов.

Конструктивные параметры барабана сушки выбраны из расчета наиболее полного протекания процесса сушки (с 40% до 15-18% массового содержания влаги в отходах). Это позволяет повысить теплоту сгорания

отходов с 1800 ккал/кг до 3000-4000 ккал/кг, что дает возможность эффективно осуществлять последующее сжигание.

Барабан для сжигания подсушенных отходов представляет собой вращающуюся печь, установленную под углом 4-5 градусов к горизонту, скорость вращения 1-3 об/мин. Это обеспечивает равномерное перемещение сжигаемой массы и эффективный доступ окислителя (нагретый воздух) ко всем частям загрузки. Очаговое горение подсушенных отходов приводит к разложению органической части и элементарных составляющих в дымовые газы. Твердый остаток сжигания представляет собой минеральную часть с небольшой долей не сгоревшего кокса (не более 3-5%). Твердый шлак поступает в электрошлаковую печь.

Электрошлаковая плавильная печь конструктивно выполнена в виде кожуха, футерованного изнутри теплоизоляционным и огнеупорным кирпичом. Ее нижняя часть является одновременно реакционным объемом и накопителем жидкого шлака и металла. Температура жидкой шлаковой ванны поддерживается на уровне 1400-1500°С (в зависимости от состава шлака). В печи предусмотрены фурмы для подачи дутья и организации эффективного перемешивания шлака.

При поступлении твердого остатка сжигания в жидкую шлаковую ванну в ней параллельно протекают два основных процесса: дожигание остаточного углерода и расплавление минеральной части. Дожигание остаточного углерода осуществляется только при правильной организации поступления реагентов к поверхности реакции кокс-кислород, т. е. полнота протекания реакции определяется правильно организованным гидродинамическим режимом плавильной ванны. Кислые составляющие дымовых газов, проходящие над вспененным шлаком и через него, вступают в соединение с основными окислами, образуя такие соединения как CaF2, CaQ2, CaSО4 или аналогичные соли магния, и частично ассимилируются шлаком. Плавление минерального остатка протекает в объеме ванны с постепенным изменением начального ее состава. Перед выпуском товарного шлакопродукта состав должен быть усреднен до предусмотренного технологическим регламентом за счет присадок. Температура шлаковой ванны регулируется изменением мощности, выделяемой в межэлектродном промежутке.

Система термохимического обезвреживания дымовых газов, образующихся в процессе переработки отходов, осуществляется в две стадии: в электрошлаковой плавильной электропечи в процессе контакта дымовых газов с расплавом жидкого шлака; в реакторе термохимического

обезвреживания, состоящем из камеры дожигания, камеры нейтрализации и восстановительной камеры.

В ванне расплава кислые газы контактируют с СаСОз с образованием CaSО4, CaCl2, CaF2 по следующим реакциям:

1/2 О2 + SО2 + СаСО3 ^ CaSО4 + СО2 2На + СаСО3 ^ СаСЬ + СО2 + Н2О 2HF + СаСО3 ^ CaF2 + СО2 + Н2О

Непрореагировавшие кислые газы в камере нейтрализации контактируют с содой по следующим реакциям:

1/2 О 2 + SО2 + ШТО3 ^ Na2SО4 + ТО2 2НС1 + Ш2ТО3 ^ 1NaСl + СО 2 + ^О 2HF + Ш2Ш3 ^ 2NaF + ТО2 +H2О

Избыток соды в камере нейтрализации составляет 20%, что обеспечивает на практике 100%-ную нейтрализацию кислых газов и содержание вредных веществ на уровне требований, например, 17BlmSchV:

SO2 + НС1 < 10 мг/м3;

ОТ < 1 мг/м3

в расчете на сухие газы.

При сжигании отходов в потоке воздуха образуются оксиды азота NOx и оксиды углерода СО. Оксид углерода устраняется в камере дожигания при подаче острого дутья и температуре свыше 950°С. В разработанной установке в камере дожигания поддерживается температура 1000-1135°С. Время пребывания газов в камере составляет 0,6 с. После камеры дожигания ожидаемый теоретический выход СО должен быть менее 50 мг/м (в расчете на сухие газы).

Оксиды азота устраняются в камере восстановления NOx в присутствии карбамида. Теоретический выход NOx при горении отходов с учетом содержания паров воды и рециркуляции дымовых газов 300-400 г/м . Восстановление NOx карбамидом осуществляется в диапазоне температур 1050-960°С по следующей реакции:

2NOx + CO(NH2)2 ^ 2^ + СО2 + Н2О

При поддержании температурного уровня и условий перемешивания на практике достигается восстановление оксидов до 85%. Таким образом, ожидаемая концентрация NOx после камеры восстановления составит менее 80 мг/м сухих газов.

Диоксины и фураны, содержащиеся в исходных отходах или образующиеся при сжигании, устраняются при обеспечении температурного уровня 1200°С, наличии кислорода 3% и времени пребывания газов в этих условиях 2 с. Суммарное время пребывания газов в электропечи, камерах дожигания, нейтрализации и восстановления составляет 3,6-3,8 с. Образование вторичных диоксинов в тракте охлаждения дымовых газов исключено за счет полной нейтрализации кислых газов и отсутствия свободного хлора.

Система утилизации тепловой энергии состоит из воздухо- и водонагревателей. Воздухонагреватель служит для нагрева воздуха, подаваемого в барабан сжигания отходов. Он представляет собой два коаксиальных вертикальных цилиндра, в средней части которых проходит дым, а в периферийной кольцевой - воздух. Цилиндры соединяются внизу горизонтальной футерованной перемычкой, а подвод и отвод воздуха и дыма осуществляется сверху. Нагрев воздуха до температуры 400°С повышает интенсивность процесса окисления, что наряду с предварительной сушкой позволяет реализовать процесс сжигания в автотермическом режиме.

Отвод дымовых газов в сушильный барабан осуществляется из камеры, соединяющий воздухоподогреватель и котел-утилизатор. В соединительной камере для эффективной сушки в дым вводится вода. Котел-утилизатор снимает избыточную теплоту дымовых газов, охлаждая их до 250°С. Теплота используется на нагрев воды для собственных нужд. Система пылегазоочи-стки предусматривает окончательную очистку потока дымовых газов от вредных веществ и состоит из рукавного фильтра, рассчитанного на работу при температуре 250°С. Теоретически возможна очистка газов от пыли до

3 3

остаточной запыленности 10 мг/м . Содержание вредных веществ (мг/нм ) в дымовых газах после системы очистки приведено в таблице 3:

Таблица 3. Содержание вредных веществ (мг/нм3) в дымовых газах после системы очистки

СО Менее 50

То же 80

SО2 + НС1 « 10

от « 1

Диоксины « 100

Пыль « 10

(что соответствует стандарту Германии 17BlmSchV).

Система очистки дымовых газов включает в себя рукавный фильтр, дымосос, продувочный вентилятор, устройство для выгрузки пыли, уловленной в фильтре, средства контрольно-измерительных приборов и автоматики. Рукавный фильтр состоит из двух блоков, каждый из которых включает четыре раздельные секции. Каждая секция имеет прямоугольный корпус, в котором располагаются фильтровальные рукава. В нижней части каждой секции предусмотрен бункер пирамидальной формы. Со стороны одной из торцевых стенок каждого бункера расположен участок газохода диаметром 350 мм для подвода запыленного газа, на котором расположен шибер, дающий возможность отключения входного газохода секции. С противоположной стенки бункера смонтирован люк обслуживания. На верхней крышке каждой секции предусмотрена установка выпускного и продувочного клапанов. Выпускной клапан сообщается с коллектором очищенного газа, а продувочный клапан - с коллектором продувочного газа. Общее количество пыли, осаждающейся на рукавах составляет 100-200 кг/ч, поэтому необходимы периодические встряхивания посредством подачи встречного потока воздуха и разгрузки через предусмотренный шлюзовой затвор в специальные емкости-контейнеры.

После фильтра дымовые газы поступают в дымовую трубу. Между фильтром и трубой находится дымосос, обеспечивающий по всему тракту давление меньше атмосферного, что наряду с герметизацией неплотностей исключает выбросы дымовых газов в окружающую среду.

При расплавлении минерального остатка сжигания отходов решаются следующие задачи [2]: получение шлаков, кристаллизирующихся с преобладанием стекловидной фазы; достижение соответствия полученного состава требованиям, предъявленным к продукции промышленных строительных материалов. Решение первой из них позволяет получить устойчивую упаковку вредных соединений, содержащихся в шлаке фторидов, хлоридов и солей тяжелых металлов. При переходе шлака в стекло-фазу вымывание солей при любой степени измельчения шлакопродукта исключается. Соответствие состава шлакопродукта требованиям санитарных и технических норм позволяет полностью утилизировать минеральную часть отходов и вернуть ее в хозяйственный оборот.

Результаты санитарно-гигиенической экспертизы, выполненной лабораторией Государственного комитета санитарно-эпидемиологического надзора Российской Федерации, свидетельствуют, что шлак не содержит солей тяжелых металлов (медь, цинк, кадмий, свинец, хром) и не токсичен.

Исследования шлака показали возможность получения из него путем

регулирования состава шихты (смесь молотого шлака с добавками) тепло-

94

изоляционного засыпного утеплителя (с насыпной плотностью от 180 до 250 кг/м ) либо пористого заполнителя конструкционных бетонов плотностью до 900 кг/м . В этом случае насыпная плотность пористого заполнителя составляет 250-300 кг/м . Возможно получение пирозита для конструкционных легких бетонов, прочностью 20-30 МПа, а также пирозитового песка. Сравнительные характеристики пирозита и керамзита в строительных материалов на их основе приведены в таблице 4 [3]:

Таблица 4. Сравнительные характеристики строительных материалов на основе пирозита и керамзита

Свойства Керамзит Пирозит

Пористые заполнители

Насыпная плотность, кг/м3 580 275

Прочность, МПа 2,3 1,4

Теплопроводность, Вт/(м °С) 0,20 0,12

Водопоглощение, % 12 13

Морозостойкость, циклы 15 15

Легкий бетон

Плотность, кг/м3 1200 800

Прочность, МПа 10,0 10,0

Теплопроводность, Вт/(м °С) 0,45 0,18

Морозостойкость, циклы 25 25

Водопоглощение, % 13 12

Технология производства пирозита основывается на грануляции существующего шлакового порошка с добавками и последующим обжигом гранул во вращающейся обжиговой печи. Стеновые ограждения из бетонов на пирозите обладают более высоким термическим сопротивлением, а использование такого рода бетона позволяет снизить расход тепловой энергии на поддержание комфортных условий в зданиях в отопительный сезон.

Источники

1. Дьяков А.Ф. Перспективы развития энергетики // Вестник электроэнергетики, 2009, № 4.

2. Закиров Д.Г. Энергосбережение: Учебное пособие. Пермь: МНИИЭКО, 2009.

3. Пчелин М.М., Лютенко А.Ф. Перспективы энергосбережения России // Вестник электроэнергетики, 2010, № 1.

Зарегистрирована 27.10.2010 г.