СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ В ШЛАКОВОМ РАСПЛАВЕ
METHOD OF PROCESSING SOLID WASTES IN MOLTEN SLAG

Изобретение относится к области металлургического производства, в частности к печам для переработки в жидкой ванне твердых бытовых и промышленных отходов, содержащих галогены в связанном виде.
Известен способ переработки твердых бытовых отходов (ТБО) в шлаковом расплаве Патент RU №2064506; C1 [1], принятый в качестве прототипа, включающий: подсушку отходов перед подачей в печь, сжигание и плавку шихты в барботируемом расплаве, термическое разложение и промывку продуктов сгорания в многозонной печи с жидкой ванной, а дымовые газы охлаждаются в два этапа: сначала в котле-утилизаторе и экономайзере с 1400 до 750°C, а затем в роторном устройстве с 750 до 250°C, путем смешения дымового газа с воздухом за время 0,1-0,5 сек.
Существенными недостатками прототипа является следующее.
1. «Определенная последовательность подачи питателями 16 шихты» (см. прототип, колонка №6, первый абзац) не раскрывает сути и величины дозы отходов, поступающих в печь, что не позволяет стабилизировать газовую среду над расплавом из-за микровзрывов, хлопков, приводящих к настылеоброзованиям в зоне загрузки, с которыми очень трудно бороться на практике.
Падение тяжелых фракций отходов с откосов щелевых бункеров, расположенных над сводом, т.е. с высоты более 8 м, приводит к преждевременному разрушению пода, ибо при этой высоте скорость падения увеличивается в 13 раз, а кинетическая энергия разрушения возрастает в ~170 раз.
2. Промывка печных газов под обтекателем в виде короба 9 неэффективна:
- малая протяженность охлаждаемого короба в печи;
- промывка печного газа в печи осуществляется путем просасывания газа через завесу из брызг и всплесков расплава (см. патент, колонку 5, абзац 2, 3) между двумя поверхностями, омываемыми шлаком. В результате активного настылеобразования изменяется проходное сечение и, в конечном итоге, к прекращению тяги в печи,
- невозможно подвести тепло к технологическим зонам печи.
3. Отсутствие стабильных условий над и в барботируемой ванне не позволяет применить испарительное охлаждение в кессонах, с целью получения энергетического пара высоких параметров.
x
4. Отсутствуют процессы дожигания CO и подавления NO в печи.
5. Двухстадийная система охлаждения дымового газа, принятая в прототипе, не отвечает существующей практике и требованиям экологической безопасности. Недопустимо подавать в котел-утилизатор газ с температурой 140°C, ибо первый пучок труб быстро сгорит. Широкий диапазон температур охлаждения газов 1400-25°C принят ошибочно. Необходимо указать, что существующие котлы-утилизаторы, для охлаждения газов ТБО являются самыми ненадежными агрегатами в экологическом и экономическом аспектах, ибо в диапазоне температур 1400-25°C в котле зарождаются канцерогенные вещества и, особенно, вторичные высокотоксичные диоксины и фураны. Поэтому необходимо сократить время пребывания печного газа в котле, а на выходе смеси газов из дымососа-смесителя установить температуру 20°C.
6. Способ раздельного вывода продуктов плавки: непрерывного слива шлака через сифон 5 с порогом, а также удаление чугуна с помощью устройства для получения слитков, - не отвечает требованиями унификации, сложен по конструкции и условиям эксплуатации.
Отсутствие аварийной летки, а также летки для понижения уровня шлака ниже уровня сопел топок не отвечает требованиями безопасности и ремонтопригодности печи.
7. Параметры способа турбинного охлаждения дымового газа подлежат уточнению. Шведские ученые установили, что время зарождения токсичных диоксинов в газах при температуре 500°C должно быть не более 0,3 сек (см. материалы Симпозиума, г.Хельсинки, 1993 г.).
Целью изобретения является повышение эффективности процесса переработки хлорсодержащих твердых бытовых и промышленных отходов, а также получение продуктов переработки, обладающих новыми полезными свойствами.
С этой целью предлагается комплексный технологический режим. Мусоровозы поступают на завод, проходят радиационный контроль, поднимаются на участок разгрузки мусоровозов и подают отходы на пластинчатый питатель, который подает равномерным слоем отходы на наклонный ленточный транспортер. Последний подает отходы на колошниковую площадку и перегружает ТБО на поперечный ленточный транспортер-весоизмеритель. Последний подает отходы в воронку с затвором, который расположен над приемным щелевым бункером печи.
ТБО, содержащие хлор в связанном виде до 0,6% от масс отходов, подсушиваются на откосе и столе щелевого бункера и подают в печь минимальными порциями в разные места ванны, сжигают и плавят, термически разлагают продукты сгорания до атомарно-молекулярного состояния; промывают печные газы под газовым обтекателем газожидкостной средой, выходящей из барботируемого расплава, при разрежении в печи 10-30 мм вод. столба.
Разрежение в печи поддерживается затвором из шихты, которое обеспечивается столбом отходов высотой в 1 м, который располагается выше щелевого окна в приемном бункере. Контроль уровня шихты в бункере обеспечивается фотоэлементом и датчиком разрежения в печи.
2
Барботируемый расплав имеет температуру 1350-1450°C. Такой режим промывки печных газов позволяет полностью связать исходный и диссоциированный хлор в печи с помощью избыточного водорода, паров воды, возгонов металла и брызгоуноса, СИНТЕЗИРУЯ в технологических зонах новые вещества. Избыток H и CO регулируется по зонам расходом воздуха в циклонных топках в пределах α=0,7-1,1.
x
Вначале пылеосадительной камеры печи дожигается CO, а перед газоходом в поток газа подают с помощью пара водный раствор карбомида для нейтрализации NO. В водоохлаждаемом газоходе охлаждают и очищают газ в инерционных пылеуловителях.
В технологической лини МСЗнп-15 охлаждают газ в три этапа:
на первом этапе охлаждают газ с 1350 до 950°C в водоохлаждаемом газоходе с инерционными пылеуловителями, в которых перегородки кессонированы;
на втором - ускоренно охлаждают газ с 950 до 500°С в котле-утилизаторе за счет максимальной тяги дымососа-смесителя, установленного за котлом;
на третьем - турбинное охлаждение газа с 500 до 200°C в дымососе-смесителе; время охлаждения смеси газов до 0,3 с [7].
2
Далее газовая смесь с температурой 200°C подается в распылительный абсорбер для химической очистки газа от SO, HCl, Hg, HF, а затем твердые вещества собираются в реакторе сухой очистки в виде хлоридов, фторидов, сульфата кальция и периодически удаляются из абсорбера. Окончательная очистка газа от пыли производится в электрофильтре, далее газ поступает в дымосос и дымовую трубу.
Существенные отличия предлагаемого способа
1. Создание стабильных условий в газовой среде и в барботируемом расплаве достигается за счет подачи шихты минимальными порциями в разные места ванны, что исключает залповые выбросы паров воды в газовый тракт технологической линии.
Для предотвращения разрушения пода печи дно щелевого бункера расположено выше уровня расплава в пределах 2 метров.
С целью поддержания стабильных условий в пристенных областях ванны сопла циклонных топок вынесены внутрь ванны на 300 мм, с тем чтобы факел газожидкостной струи не соприкасался с вертикальными стенками кессонов.
Стабилизация процессов в жидкой ванне печи за счет получения горячего дутья в топках дает возможность поддерживать постоянную температуру в ванне в пределах 1350-1450°C в объеме от пода печи до окна для непрерывного слива шлака. В этом объеме кессонированной шахты нет зон перегрева шлака, поэтому применяется эффективное испарительное охлаждение стенок шахты печи [2].
2
В качестве материала нижних кессонов используется малоуглеродистая и малостареющая сталь 20, которая имеет температуру ковки 800-1280°C и температуру плавления 1530°C ([3] т.3, карта 5, стр.321, 512-513). Этот кессон практически - БЕЗОПАСЕН, т.к. температура стенок со стороны расплава будет в пределах <1000°C, а со стороны канала для испарительного охлаждения 250-300°C, при температуре насыщенного пара и воды 212°C и давлении в системе охлаждения кессона 16 кг/см. Такое решение позволяет получать энергетический пар высоких параметров вне котла-утилизатора.
Каждая пара топок, расположенных друг против друга на боковых стенках шахты печи, образует единый восходящий ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЬ, суммирующий потоки от 2 топок, направленных в сторону горловины печи. Средний состав топочных газов регулируется технологически по зонам в печи. Средний состав и температура продуктов сгорания на выходе из топки представлены в таблице 1 ([4] стр.69, табл.4).
Табл. 1
Расход воздуха, м<sup>3</sup>/ч
Коэффициент расхода воздуха, α
Состав газа на выходе из топки, %
Температура газа на оси потока, °C
H<sub>2</sub>
CO
CH<sub>4</sub>
CO<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
3395
1,0
1,5
1,5
0
9,8
0,5
1340
3055
0,9
1,6
2,3
0,01
9,2
0,8
1325
2715
0,8
4,15
4,5
0,05
8,0
0,5
1220
2375
0,7
4,7
4,9
0,06
7,1
0,7
1215
5100
1,5
-
-
-
8,7
5,0
-
Газожидкостная среда каждого ГАЗОПРОМЫВАТЕЛЯ технологической зоны состоит из каплеуноса от разрыва газовых пузырей, несущих топочные газы и частично возгоны летучих металлов, образовавшихся в газовом пузыре. Эта восходящая новая среда из шлаковой ванны является дополнительным средством промывки печных газов в перекрестных потоках.
Создание УПРАВЛЯЮЩЕГО СИНТЕЗА новых веществ, при промывке печных газов, обеспечивается коэффициентом расхода воздуха α, подаваемого в топку. Последний поддерживается в пределах α=0,7-1,1 и является НОУ-ХАУ способа обезвреживания продуктов сгорания по зонам печи. Для получения температуры по оси газового потока 1500°C необходимо подавать в топку подогретый воздух до 200°C.
2
абс
Восходящая газожидкостная среда из каждого газопромывателя пересекает поток печного газа, несущий ХЛОР и ФТОР вдоль технологических зон печи. Водород топочных газов является самым активным реагентом, ибо средние квадратичные скорости молекул H при Т=1273°C составляет 3958 м/с, что в 4-6 раз больше остальных газов ([3] стр.432, табл.1).
Каждая зона печи является прямоточным реактором открытого типа малого объема, который ограничен боковыми кессонами и расположен между газовыми обтекателями и барботируемым расплавом при температуре 1350°C. Эта зона эффективного обезвреживания токсикантов в перекрестных потоках печного газа с газопромывателем. Регулируя расход воздуха в топках газопромывателя в пределах α=0,7-1,1, мы создаем УПРАВЛЯЕМЫЙ СИНТЕЗ новых веществ в многозонной печи.
Печь является открытой системой обезвреживания ТБО, где концентрации активных реагентов изменяются вследствие непрерывного поступления их в реактор каждой новой зоны, а также химических реакций, протекающих в реакторах.
В печи между сводом и поверхностью расплава расположен газовый обтекатель, который содержит щелевые горелки на боковых стенках шатра. Горелки создают сплошную газовую завесу, препятствующую возникновению настылей на своде и компенсируют тепловые потери в зонах печи.
В зоне загрузки шихты перед газопромывателем №1 испаряется влага и частично, сжигаются легкие фракции ТБО при температуре 800-1000°C. Между газопромывателями №1 и 2 сжигается сера и образуются сернистые соединения, а в жидкой ванне плавится минеральная часть шихты. Указанные процессы завершаются у газопромывателя №2 при температуре 1350°C.
В следующей зоне происходит деструкция пленок и пластмасс. Полное термическое разложение продуктов сгорания до атомарно-молекулярного состояния завершается у газопромывателя №3, при температуре печного газа 1350°C.
2
В газопромывателях №4, 5 при температурах 1350-1400°C промываются печные газы, восходящей 2-фазной средой - топочными газами заданного состава. Процессы активной промывки печных газов, несущих свободный ХЛОР и другие галогены, с помощью топочных газов, способствуют созданию управляемого синтеза новых веществ не только в печи, но и по тракту до турбинного охлаждения газов за счет подачи избыточного H в систему для нейтрализации диссоциированного ХЛОРА.
2. Газовые струи от 2 циклонных топок с соплами диаметром 150 мм, расположенных друг против друга на одной геометрической оси создают в жидкой ванне восходящий факел газожидкостного промывателя (ГП), который интенсивно барботирует расплав и создает на поверхности ванны восходящую поперечную волну, которая возвышается над уровнем шлаковой пены и увлекается потоком печного газа к горловине печи с возможностью собрать шлаковую пену у задней перегородки, а основную массу шлака направить по задней перегородке копильника вниз и, с помощью закрученных потоков от дутья, возвратить поток шлака в передний копильник над уровнем жидкого чугуна на подине печи, а также одновременно провести гравитационное обеднение шлака от тяжелых металлов и чугуна, а затем непрерывно слить шлак из переднего копильника в поворотный желоб с возможностью распределить шлак по ширине аварийной грануляционной ямы и безопасно удалить охлажденный шлак со стороны ямы, свободной от жидкой струи шлака. Удаление шлака из аварийной ванны производится ковшевым погрузчиком.
ванны
копильника
На подине печи располагается жидкий чугун, а выше шлаковый расплав. Для непрерывного слива чугуна с дебетом более 1 т/ч необходимо накопить его выше нижней кромки задней перегородки. В этом случае шлак прекратит поступать в копильник чугуна. По мере дальнейшего накопления чугуна в ванне печи уровень чугуна в копильнике будет подниматься по принципу «дифманометра», т.е. по соотношению поверхностей F/F. Таким образом после слива шлака из копильника начнется непрерывный слив чугуна.
Создание главного замкнутого циркуляционного потока шлака в печи позволяет осуществить непрерывный, раздельный выпуск продуктов плавки: шлака, чугуна и шлаковой пены, а также сохранить постоянный уровень расплава в кессонированной шахте печи при условии минимальной порционной подачи шихты.
3. Существенными отличиями и новизной предлагаемого способа по п.3 формулы является следующее:
-7
-9
- существующие способы термического обезвреживания отходов методами сжигания на колосниковых решетках или в кипящем слое приводят к образованию большого количества летучей золы. Диапазон частиц летучей золы по размерам - широк. Так, содержание твердых частиц золы размерами менее 5 мкм составляет (по весу) 9-22% от твердых примесей в газе ([5] стр.253). В этот диапазон входят опасные высокодисперсные частицы размерами 10-10 (мкм), образующие опасные аэрозоли в атмосфере. Эти частицы (молекулярного уровня) очень плохо улавливаются промышленными газоочистительными устройствами.
-7
-9
В соответствии с поставленной целью, предлагается способ очистки печных газов и расплава от высокодисперсных частиц размерами 10-10 мкм в барботируемой шлаковой ванне.
Из коллоидной химии ([6] стр.609, 1105) известно, что высокодисперсные частицы на границе раздела фаз газ - жидкость (гетерогенные системы) образуют коллоидные растворы - коллоиды, в которых возникает сильное броуновское движение. В радиоактивных высокодисперсных системах возникают радиоколлоиды ([6] стр.1105).
В печи с жидкой шлаковой ванной, которая барботируется топочными газами, возникает огромное количество газовых пузырей, образующих шлаковую пену на поверхности расплава. Диапазон зарождающихся газовых пузырей при боковой продувки расплава широк. Крупные пузыри при подъеме в ванне деформируются (сплющиваются), приобретая сфероидальную форму, которые на поверхности расплава разрываются, образуя брызги и всплески, в виде микроволн, которые увеличивают массобмен в технологических зонах печи.
Однако мелкие газовые пузыри, образующиеся при дроблении газовой струи, слабо деформируются и сохраняют сферическую форму при подъеме в ванне. Эти пузыри на поверхности расплава образуют шлаковую пену с сверхтонкими прослойками, в которых находятся коллоидные растворы. В барботируемой шлаковой ванне при α≤1 в газовых пузырях создается восстановительная атмосфера и образуются возгоны тугоплавких металлов. Последние концентрируются в коллоидных растворах - коллоидах.
3
3
В предлагаемой печи установлено 12 циклонных топок (6 газопромывателей). Расход природного газа на топку 290-350 нм/ч. Суммарный расход дутья - 36000 м/ч при температуре ~1500°C.
3
После разрыва крупных газовых пузырей на поверхности расплава, выход шлаковой пены составит около 5 м/с (по объему газа).
Процессы абсорбции и коагуляции над шлаковой пеной способствуют образованию коллоидов, содержащих оксиды металлов, образующих летучую золу ([5] стр.253, табл.6.13).
2
3
Шлаковая пена стекает по уклону в пристенные зоны печи и скапливается у задней перегородки. Под действием главного циркуляционного потока шлака и бегущей продольной волны газовые пузыри, содержащие коллоиды, за счет удара о волнолом разрушаются, увеличивая концентрацию коллоидов в лунке, которая направляет и отсекает концентрированную часть расплава в центральное окно с подоконником щелевого коллектора, в котором создается разрежение до 300 мм водяного столба, способствующее выводу расплава в стояки грануляторов, расположенные по обе стороны от печи. На грануляторах шлаковой пены установлены водокольцевые насосы, которые создают указанное разрежение для дегазации шлаковой пены в стояках и последующей грануляции и дробления шлаковой пены с целью создания мутьевого потока в водяной ванне. В последнем отсеке гранулятора мутьевой поток флотируется воздухом с выводом пустой породы в сгуститель, а тяжелые фракции возгонов металлов, а также Fe, FeO и FeO и карбиды металлов, содержащиеся в мутьевом потоке, направляются в отстойники для получения сырья в виде суспензии для наноиндустрии.
Таким образом предлагаемый способ вывода шлаковой пены, содержащей коллоиды, позволяет:
- снизить уровень радиоактивного фона в продуктах плавки за счет образования радиоколлоидов;
- получить экологически чистые продукты, обогащенные коллоидами, которые обладают новыми свойствами, например чугун;
- создать сырьевую базу для наноиндустрии.
x
4. Предлагаемый способ по п.4 существенно отличается тем, что охлаждение печного газа происходит в основном водоохлаждаемом газоходе одновременно с нейтрализацией NO, а также с очисткой дымового газа от каплеуноса и возгонов, которые высаживаются на кессонированной перегородке инерционного пылеуловителя. Последняя периодически встряхивается с возможностью очистки перегородки и последующего измельчения твердого крупного уноса, в виде «чулка» в бункере уноса, с помощью ножевого устройства ударного действия. Указанные операции понижают температуру дымового газа на входе в котел и снижают запыленность газа. Для очистки основного газохода от настылей предусмотрены люки. Очистка газохода производится по регламенту и продолжается не более 3 часов в режиме «холостого хода печи».
5. Существующие котлы-утилизаторы не эффективны по экологическим и экономическим показателям, ибо в широком диапазоне температур 1000-200°C в них зарождаются канцерогенные вещества и вторичные токсичные диоксины и фураны. Широкий диапазон температур и малые скорости охлаждения запыленных газов являются препятствием создания эффективных средств теплоиспользования и газоочистки.
Барботирование шлаковой ванны производится топочными газами с температурой 1450°C. Как показала практика, можно поднять температуру дутья до 170°C за счет обогащения воздуха на 5% кислородом, однако такой режим значительно снизит стойкость футеровки камеры сгорания циклонной топки.
Температура печных газов на выходе из пылеосадительной камеры печи 1250-1350°C при температуре размягчения шлака 1110°C для ТБО Московского региона.
Энергетический комплекс МСЗнп существенно отличается тем, что в диапазоне температур 1350-200°С охлаждение дымового газа производится в 3 этапа:
x
на первом - охлаждают газ с 1350 до 950°C в основном охлаждаемом газоходе с одновременной нейтрализации NO, а также очищают газ в инерционных пылеуловителях с кессонированной перегородкой, которая периодически встряхивается для очистки;
на втором - ускоренно охлаждают газ с 950 до 500°C в котле, с меньшим количеством рабочих секций, за счет максимальной тяги дымососа-смесителя, который установлен за котлом [7];
на третьем - турбиной смешивают дымовой газ с атмосферным воздухом в дымососе-смесителе и интенсивно охлаждают газовую смесь с 500 до 200°C за время до 0,3 с, а также подают по оси ротора водовоздушную смесь, охлаждая вал турбины, а затем дымовые газы поступают в распылительный абсорбер с реактором сухой очистки газов и далее - в электрофильтр, дымосос и дымовую трубу.
Предлагаемый комплексный способ переработки отходов в барботируемой ванне и система теплогазоочистки в 3 этапа позволяют:
3
- получить энергетический пар высоких параметров в кессонированной шахте печи при испарительном охлаждении стальных кессонов, которые непрерывно омываются постоянными по температуре циркуляционными потоками. На поверхности расплава в пристенных областях кессонов в лунках концентрируются шлаковая пена, которая демпфирует пульсирующие волновые возмущения, которые воспринимаются постоянным гарнисажем на стенках кессонов. Уровень шлаковой ванны объемом 63 м практически не изменяется, при подаче шихты минимальными порциями и при непрерывном сливе продуктов плавки: шлака, чугуна и шлаковой пены;
- снизить диапазон охлаждения дымовых газов в котле-утилизаторе, что позволило уменьшить возникновение канцерогенных веществ;
- минимизировать появление токсичных вторичных диоксинов и фуранов в газе, которое достигается применением турбинного охлаждения дымовых газов после котла.
Прогнозируемое расчетом время турбинного охлаждения смеси газов составляет 0,16 с. Допустимое время зарождения вторичных токсичных диокинсов и фуранов, по данным шведских специалистов, должно быть менее 0,3 с, при температуре газа 500°С. Таким образом, турбинный способ охлаждения смеси газов позволяет избавиться от вторичных токсичных диоксинов, а также снизить запыленность газов перед распылительным абсорбером.
6. Технологическая линия МСЗнп содержит 3 участка, расположенных последовательно:
•
-
1 подачи шихты от мусоровозов к щелевому бункеру печи;
•
2 - многозонной печи с жидкой барботируемой шлаковой ванной с копильниками для вывода продуктов плавки;
•
3 - теплогазоочистки печного газа, содержащего два газохода: основной и обводной, расположенные параллельно, с целью повышения коэффициента надежности энергетического комплекса.
2
Линия МСЗнп может работать непрерывно длительными кампаниями в основном режиме - Термического обезвреживания отходов, содержащем операции: подачи шихты в ванну, сжигания, плавки, термического разложения продуктов сгорания, промывки печных газов с помощью топочных газов с возгонами, содержащих избыточный H и CO при α<1,0, с целью предварительного фьюмингования шлака и получения возгонов цветных металлов, а также коллоидов. Печные газы из пылеосадительной камеры выводятся только по основному газоходу, а обводной канал перекрыт поворотными задвижками. Продукты плавки выводятся раздельно: обедненный шлак, чугун, обогащенный коллоидами, а также шлаковая пена, содержащая коллоиды из возгонов и карбидов металлов.
•
•
В основном режиме используется оборудование 3 участков. Если на участке 1 или 2 возникает необходимость проведения ремонтных работ, а многозонная печь сохраняет работоспособность, то технологическая линия МСЗнп переводится в режим «холостого хода печи», при котором прекращается подача шихты и подогретого воздуха в ванну; перекрывается основной газоход - опускается шиберный затвор и одновременно открываются поворотные заслонки на обводном газоходе.
3
В режиме «холостого хода печи» производится фьюмингование шлаковой ванны (объемом 63 м) топочными газами при температуре 1450°C и α<1,0 во всех газопромывателях печи с целью получения экологически чистых возгонов, а также коллоидов в процессах коагуляции и абсорбции высокодисперсных частиц шлаковой пеной, с последующим выводом ее в гранулятор. Продолжительность фьюмингования шлака не более 3 часов.
2
3
Газообразные продукты фьюмингования шлака эвакуируются из пылеосадительной камеры печи по обводному водоохлаждаемому каналу, в котором газ охлаждается дополнительно подсосом воздуха до температуры 250°C, а затем очищается от следов SO и SO с помощью известкового молока и поступает в батарею мультициклона, а затем отсасывается дымососом в дымовую трубу.
2
3
Для непрерывного вывода чугуна, обогащенного коллоидами, производится подшихтовка расплава чугунной стружкой с тем, чтобы увеличить выход высокодисперсных частиц FeO, FeO и чистого железа, обладающего магнитными свойствами, а также высокотемпературных карбидов металлов.
•
•
Совмещение процессов фьюмингования шлака с восстановительным текущим ремонтом оборудования на участках 1 или 2 технологической линии МСЗнп позволяет наиболее полно использовать работоспособность печи и энергетического комплекса, сократить количество теплосмен печи, а также получить экологически чистые продукты для наноиндустрии.
Технологическая линия МСЗнп включает комплекс оборудования для термического обезвреживания твердых бытовых и промышленных отходов.
Аппаратурно-технологическая схема линии, представленная на фиг.1, содержит:
•
1. Участок разгрузки мусоровозов и подачи шихты к приемному щелевому бункеру печи, который содержит:
•
1.1. Пластинчатый питатель типа ПП2-24-120 ([5] стр.169, табл.5.5),
•
1.2. Наклонный ленточный транспортер, расположенный на закрытой эстакаде подающий отходы на колошниковую площадку,
•
1.3. Поперечный транспортер-весоизмеритель, подающий отходы в воронку с затвором, расположенный над приемным щелевым бункером печи;
•
2. Многозонную печь с пылеосадительной камерой;
•
3. Основной газоход печи;
•
4. Ванну грануляции чугунной дроби;
•
5. Котел-утилизатор для охлаждения газов с 950 до 500°C;
•
6. Дымосос-смеситель - для турбинного охлаждения смеси газов от 500 до 200°C;
•
7. Распылитель абсорбер с реактором сухой очистки газов;
•
8. Электрофильтр;
•
9. Дымосос;
•
10. Батарея мультициклона;
•
11. Дымовая труба;
•
12. Поворотная заслонка;
•
13. Обводной газоход для режима «холостого хода печи»;
•
14. Устройство для вывода шлаковой пены из печи;
•
15. Аварийная ванна для грануляции шлака.
Главным агрегатом технологической линии МСЗнп является многозонная печь с пылеосадительной камерой представленной на фиг.2, где показан продольный разрез по оси симметрии печи. На фиг.3 показан поперечный разрез А-А на фиг.2 печи, где дано расположение печи в технологическом пролете комплекса МСЗнп.
На фиг.4 показан вид по стрелке «Л» на фиг.3, где показана барьерная гряда с опорными балками, в виде гребенки, которая предназначена для размещения упорных винтов и проводки боковых кессонов ванны через барьерную гряду.
На фиг.5 показан разрез Б-Б на фиг.2, где дан вид сверху на кессонированную ванну печи с копильниками, а также показаны устройства для удаления шлаковой пены и расположение поворотных желобов с ямами грануляции продуктов плавки.
На фиг.6 - вид по стрелке В на фиг.2, где показано расположение сливных устройств на переднем торце печи.
На фиг.7 - сечение Д-Д на фиг.2, где показаны уплотнительные устройства герметизации стыков кессонов и перегородок.
На фиг.8 - сечение Г-Г на фиг.2, где показаны уплотнение между кессонированной шахтой и обечайкой шатра, а также часть центрального окна с шиберным затвором-волноломом.
На фиг.9 - сечение К-К на фиг.5, где показаны:
- стрелками движение шлаковой пены, содержащей коллоиды;
- расположение пристенной лунки, где концентрируются коллоидные растворы и разрушаются газовые пузыри о шиберную задвижку;
- устройство для вывода шлаковой пены в щелевой коллектор.
На фиг.10 - разрез по И-И на фиг.9, где показано устройство для дегазации и грануляции шлака, обогащенного коллоидами и флотации мутьевого потока для отделения пустой породы от тяжелых фракций.
На фиг.11 - сечение Е-Е на фиг.3, где показана схема газовых потоков обтекателя, над барботируемой ванной в печи.
Многозонная печь с пылеосадительной камерой, представленная на фиг.2, содержит:
ванну 1; подину 2, футерованную огнеупорами; нижний прямоточный кессон 3 - шахты; нижний фурменный кессон 4 - шахты; кессонированная часть подины 5; циклонная топка 6 - с соплом; передняя наклонная перегородка 7 - водоохлаждаемая; колонны фундамента 8; подовые кессоны 9; стенка переднего отсека 10; передний копильник 11 - для шлака; аварийная летка 12; аварийная ванна 13 - для грануляции шлака; поворотный желоб 14; окно 15 - для непрерывного слива шлака; гидроцилиндр 16 - для возвратно-поступательного перемещения толкателя; стол 17 - днище бункера; толкатель 18; щелевые горелки 19 - отдувки шихты; щелевой бункер 20 - для ТБО; воронка с затвором 21; поперечный ленточный транспортер 22, расположенный на колошниковой площадке печи; коллектор подогретого воздуха 23 - для печи и топок; бункер 24 - со шнековым приводом для подачи подшихтовки печи чугунной стружкой и вторичными отходами; соединительная камера 25 - футерованная огнеупорами; свод шатра 26; боковой кессон шатра 27; щелевая горелка обтекателя 28; форсунка 29 - подачи карбамида с паром; обводной газоход 30 - печи; поворотная заслонка 31; пылеосадительная камера 32 - с шиберным затвором; горловина 33 - основного газохода печи; трубка 34 - подачи воздуха для дожигания CO; ферма моста 35 - для подвески обечайки шатра в технологическом пролете печи; уплотнительный уголок 36 - с набивкой из огнеупорной массы; шиберный затвор 37 - волнолом, который регулирует проходное сечение центрального окна - для отсоса шлаковой пены, обогащенный коллоидами; горелка 38 обогрева копильника чугуна; окно с трубкой 39 - для непрерывного слива чугуна; поворотный желоб 40; ванна 41 - грануляции чугуна; копильник чугуна 42; щелевой коллектор 43 - для вывода в стояки шлаковой пены, обогащенной коллоидами; стенка заднего отсека 44; соединительный канал 45; задняя перегородка 46 - водооохлаждаемая с направляющими для шиберного затвора; закрученный поток газожидкостной среды 47 - выходящий из топки; главный циркуляционный поток шлака 48 - в ванне печи.
На фиг.3, 4 показан разрез А-А технологического пролета, в котором дан поперечный разрез печи, состоящей из кессонированной шахты и шатра, содержащих сварной короб 49 - для подины; балка монорельса - 50; подвижная каретка с грузоподъемной талью 51 - для транспортировки и монтажа кессонов и топок; опорная лапа 52 - бокового кессона шатра; площадка 53 - обслуживания бункеров и пылеосадительной камеры; упорный винт 54; магистраль подогретого воздуха 55 - с компенсатором и краном; опорная балка 56 - с гайкой; гряда 57 - железобетонная; шлаковый расплав 58 - в кессонированной ванне; подводная опора 59;
На фиг.5, 6, 7 (лист 3) показано: промежуточная летка 60; гранулятор шлаковой пены 61, обогащенной коллоидами; водокольцевой насос 62; стояк 63 - гранулятора; уплотнительная балка 64; винт нажимной 65; опорная планка 66; канал 67 - водяного охлаждения; пробка 68 - из шлака; прокладка медная 69.
На фиг.8, 9, 10, 11 показано: рым-болт 70 - для транспортировки нижнего кессона; шип 71 - кессона шатра; верхняя кромка окна 72 - в задней перегородке; подоконник 73 - криволинейный; поперечная волна 74 - расплава; пристенная лунка 75, обогащенная коллоидами; винт 76 - подъема шиберного затвора; сопло 77 - гранулятора; трубка 78 - подачи воздуха во флотатор; мутьевой поток 79.
Предлагается следующий технологический режим.
•
•
•
Отходы из мусоровозов выгружают на пластинчатый питатель 1.1, который подает отходы равномерным слоем на наклонной ленточный транспортер 1.2. Последний подает ТБО на колошниковую площадку и перегружает отходы на поперечный ленточный транспортер-весоизмеритель 1.3. Последний подает отходы в воронку с затвором 21, который расположен над приемным щелевым бункером 20 печи (см. фиг.1 и 2). Отходы на откосе и столе 17 щелевого бункера 20 подсушиваются и периодически сдвигают и подают минимальными порциями в зону загрузки (см. фиг.2). Под столом 17 расположены щелевые горелки 19, которые отдувают легкие фракции отходов в направлении к расплаву. Отходы на поверхности расплава подхватываются главным циркуляционным потоком и попадают в разные места зоны загрузки, тяжелая минеральная часть шихты попадает на наклонную переднюю перегородку 7, где они постепенно сползают по гарнисажу и попадают на кессонированную часть стальной подины 5. На поверхности стальной подины имеется слой гарнисажа из чугуна, который воспринимает ударные нагрузки и предохраняет ее от разрушения. Подина печи имеет корытообразную форму с бортами, что позволяет сохранить часть объема жидкой ванны при замене циклонных топок, а также нижнего бокового кессона.
2
2
Отходы в печи непрерывно сжигают и плавят под газовыми горелками 28 обтекателя, а затем продукты сгорания термически разлагают до атомарно-молекулярного состояния и промывают топочными газами, выходящими из барботируемого расплава, который содержит избыточный H, CO, пары HO, возгоны металлов и брызгоунос. В каждой зоне печи синтезируются новые вещества в зависимости от коэффициента расхода воздуха, подаваемого в циклонные топки 6, в пределах α=0,7-1,1.
В газовой фазе печи создается восстановительно-окислительная среда при температуре 1350-1450°C с разрежением 10-30 мм водяного столба.
3
3
Расход природного газа на топку 290-350 м/ч. Расход природного газа на печь составляет 5000 м/ч.
•
За счет эффективной промывки печных газов в двух последних газопромывателях удается полностью связать исходный и диссоциированный хлор водородом по тракту до дымососа-смесителя 6 (см. фиг.1).
Для создания хороших условий барботирования шлака, т.е. вязкости расплава в 5-8 Пуазов, в расплав подают CaO, а также вторичные, токсичные отходы собственного производства.
Для организации непрерывного выхода чугуна из заднего копильника с дебетом более 1,0 т/ч производится подшихтовка расплава чугунной стружкой и мелким ломом литейного производства в количестве ~0,5 т/ч. Чугунная стружка подается из бункера 24, снабженного шнековым приводом (см. фиг.2).
Газовые струи от 2 топок, расположенных по одной геометрической оси, создают в ванне 1 общий факел, который барботирует расплав и создает мощный газопромыватель в технологической зоне, который создает поперечную волну, которая увлекается потоком печного газа к горловине печи, образуя бегущую поверхностную продольную волну 74. В результате создается главный замкнутый циркуляционный поток, который доставляет шлаковую пену к задней перегородке 46. Ударной волной о шиберный затвор 37, выполненный в виде волнолома, разрушаются газовые пузыри шлаковой пены, увеличивая концентрацию коллоидов в лунке 75 перед центральным окном 72, расположенным между подоконником 73 и волноломом шиберного затвора 37 (см. фиг.2 и фиг.9).
Расплав, обогащенный коллоидами, сливается по подоконнику 73 (см. фиг.9, сечение К-К) в щелевой коллектор 43.
Под действием скоростного напора продольной волны 74 и разрежения до 300 мм водяного столба, создаваемого водокольцевым насосом 62 (сечение И-И, фиг.10), расплав поступает в щелевой коллектор 43, который раздает расплав в стояки, расположенные по обе стороны печи. В стояке 63 расплав дегазируется в полете, а отсасываемые газы охлаждаются в водокольцевой среде насоса 62, а затем сливаются в ванну грануляторов (см. фиг.9, 10).
В грануляторе шлаковая пена, обогащенная коллоидами, дробится и охлаждается струями воды, образуя мутьевой поток, который поступает в отсек 78 флотации, где поток очищается от пустой породы: силикатов, фосфатов, карбонатов и алюмосиликатов, которые затем поступают в сгуститель, а тяжелые фракции мутьевого потока направляются в отстойники, где они оседают и в виде суспензии являются сырьем наноиндустрии.
Шлак, стекающий вдоль задней перегородки 46, частично обогащается коллоидами и с помощью закрученных потоков 47, выходящих из сопел циклонных топок 6, изменяет направление движения шлака на 90° и возвращает его в передний копильник 11 (см. фиг.2). За счет центробежных сил вращающейся 2-фазной среды тяжелые фракции металлов и коллоиды будут ускоренно опускаться в придонную часть ванны, где концентрируется жидкий чугун.
Таким образом, происходит обогащение чугуна коллоидами, а также завершается полный оборот главного циркуляционного потока шлака в печи, который продолжается примерно 15 минут.
Из переднего копильника 11 шлак непрерывно сливается через открытое окно 15 в поворотный желоб 14 с возможностью распределить шлак по ширине аварийной ванны 13 для грануляции шлака. Охлажденный шлак удаляется ковшевым погрузчиком, который располагается со стороны аварийной ямы, свободной от жидкой струи шлака. Удаление шлака из ямы производится с соблюдением мер безопасности. В режиме термического обезвреживания отходов, охлаждение газа после печи производится в 3 этапа.
x
На первом этапе - в водоохлаждаемом основном газоходе, содержащем кессонированные перегородки инерционных пылеуловителей, которые периодически встряхиваются для очистки рабочих поверхностей. В основном газоходе нейтрализуется NO, а также удаляются в бункера твердые частицы и брызгоунос за счет центробежных сил, возникающих при повороте газовой струи в зоне перегородок.
Очистка основного газохода и водоохлаждаемых перегородок производится в режиме «холостого хода печи», когда основной газоход закрыт шиберным затвором, а все люки газохода открыты. Очистка газохода производится аварийной бригадой с помощью сжатого воздуха и с соблюдением мер безопасности. Твердые уносы основного газохода собираются в бункере с возможностью дробления крупного уноса ножевыми устройствами ударного действия. Уносы газохода в зависимости от токсичности возвращаются в печь или гранулируются.
На втором этапе охлаждают газ в укороченном котле-утилизаторе - с меньшим количеством рабочих, трубчатых секций котла, которые периодически встряхиваются для очистки труб. Замена секции котла производится в режиме «холостого хода печи». Продолжительность замены секции не более 3 часов.
3
На третьем этапе турбиной смешивают дымовой газ с атмосферным воздухом в соотношении 1:1,8 и охлаждают газовую смесь за время 0,16 с. Промывка печных газов и режим охлаждения газов в дымососе-смесителе [7] гарантируют снижение в 800 раз суммарных выбросов токсичных диоксинов и фуранов в трубе завода по сравнению с Европейской и Российской нормой ПДК, равной 0,1 нг/м, ибо скорость охлаждения смеси газов в дымососе-смесителе почти в 2 раза больше, чем скорость возникновения токсичных диоксинов при температуре газа 500°C. Такие уникальные результаты позволяют ликвидировать полигонное захоронение токсичных отходов и приступить к ликвидации диоксиновой агрессии в регионах.
Попытки затаривания токсичных отходов в бетон, глину и даже в стекло и последующее их захоронение в почву являются опасными технологиями, ибо процессы фрагментации токсичных диоксинов продолжаются в замкнутом объеме, о чем свидетельствует вскрытие бетонных захоронений в Швеции. Последствия подобных технологий невозможно предвидеть и проконтролировать, а поэтому эти технологии не отвечают требованиям безопасности окружающей среды.
•
•
•
Из дымососа-смесителя 6 газовая смесь выходит с температурой 200°C и поступает в распылительный абсорбер 7, где известковое молоко подается на быстро вращающийся диск и разбрызгивается в объеме реактора сухой очистки газа 7. В результате вредные газы и пары связываются в нетоксичные соединения, образуя хлориды, фториды, сульфаты кальция и другие твердые вещества.
•
•
•
Окончательная очистка газа от пыли производится в электрофильтре 8, далее газ поступает в дымосос 9 и дымовую трубу 11 (см. фиг.1).
Таким образом, энергетический комплекс МСЗнп в режиме термического обезвреживания хлорсодержащих отходов может непрерывно работать с длительными кампаниями и кратковременными остановками печи на текущие ремонтные работы, связанные с заменой циклонных топок или боковых кессонов ванны печи.
Термическая стойкость футерованной камеры сгорания циклонной топки зависит от качества огнеупоров - колец, выполненных из периклазошпинелида, также от температуры и скорости дутья.
3
На заводе «Рязцветмет» при периодическом фьюминговании шлаков [2] в табл. стр.36 указаны параметры циклонных топок сжигающих природный газ с объемным расходом 350 м/ч с температурой газового потока 1500-1600°C и скоростью дутья 240 м/с. В предлагаемом способе «МСЗнп» в условиях непрерывного процесса приняты более щадящие параметры: температура 1450°C дутья и скорость по оси газового потока 170 м/с, поэтому прогнозируемая стойкость циклонных топок на «МСЗнп» может составить 240-400 часов непрерывной работы. Время замены топки на печи составит 0,65 часа и выполняется двумя рабочими.
х
3
Новая топка обязательно заранее прогревается на стенде до температуры 500°C (внутри камеры сгорания), чтобы исключить растрескивания футеровки. Состояние циклонной топки в работе контролируется по температуре слива воды из камеры охлаждения, а также по величине противодавления (сопротивления) в системе подачи воздуха в топку. Контроль работы циклонных топок осуществляет оператор. Замену 12 топок или возможную очистку сопл от настылей производит аварийная бригада в составе 4 рабочих. Для замены или очистки сопл необходимо опустить уровень шлака с помощью промежуточной летки, а затем выключить питание (природный газ, воздух) для 2 топок, образующих газопромыватель. Отделить камеру сгорания от сопла и с помощью грузоподъемной тали поднять камеру и освободить место для очистки сопла от настылей. Время очистки всех сопл на печи составляет 1,5 часа. Время подъема уровня расплава в шахте печи до номинального положения при максимальном расходе природного газа на топку 350 м/ч составляет 12 часов (2 смены), при производительности толкателя по шихте около 20 т/ч.
Прогнозируемая стойкость стального кессона испарительного охлаждения составляет 2 года - время капитального ремонта печи. Замена бокового кессона производится на горячем поде с сохранением остаточного объема жидкой ванны в корытообразной подине, которая расположена в стальном коробе 49 с футеровкой из хромомагнезита. Снятие кессона производится с помощью монорельсовой тележки с грузоподъемной талью, с возможностью транспортировки и поворота кессона на крюке на 90° для проводки его через барьерную гряду и установки на монтажный стеллаж. Новый кессон устанавливается в обратном порядке. Время замены кессона составляет не более 3 часов по регламенту, при этом остальные газопромыватели печи обогревают зеркало расплава топочными газами.
Степень сортировки ТБО - любая. Желательно не сортировать ТБО, а горючие фракции сохранить в шихте, что позволит уменьшить расход топлива, а также устранит миграцию токсичных диоксинов в товарах из отходов. В этом случае можно приступить к ликвидации диоксиновой агрессии в регионах [8].
Вторичные твердые отходы газоходов и котла в зависимости от токсичности могут возвращаться в жидкую ванну или гранулироваться. Отходы абсорбера используются для подшихтовки исходных отходов или отсыпки дорог в зимнее время. Отходы электрофильтра используются в металлургии.
Выход товарной продукции на МСЗнп-15:
- Гранулированных шлаков 3,6 т/ч (получение шлаковых блоков);
- Чугунной дроби 1,0 т/ч (с учетом подшихтовки);
2
- Энергетического пара с температурой 305°C и давлением 16 кг/см;
- Горячей воды с температурой 50°C;
- Пыль электрофильтра (для металлургии);
-7
-9
2
3
- Суспензии, содержащей высокодисперсные частицы размерами от 10 до 10 мкм из экологически чистых возгонов металлов, а также Fe, FeO, FeO и высокотемпературных карбидов металлов с суммарным выходом твердых частиц от 3 до 10 кг/ч (для наноиндустрии).
На основе модуля МСЗнп-15 производительностью сжигания отходов 15 т/ч могут создаваться более мощные заводы, например, МСЗнп-30: с общей печью производительностью 30 т/ч и с двумя технологическими линиями теплогазоочистки с производительностью по 15 т/ч, которые расположены параллельно печи.
Технология МСЗнп-15 позволяет реконструировать старые заводы.
Предлагаемый комплексный режим непрерывного обезвреживания хлорсодержащих отходов решает следующие глобальные проблемы:
- Экологической безопасности окружающей среды;
- Снижения выбросов в атмосферу опасных высокодисперсных частиц, образующих аэрозоли;
- Ликвидации полигонного захоронения отходов;
- Обезвреживания особо опасных биологических отходов;
- Постепенной ликвидации диоксиновой агрессии в регионах;
- Создание сырьевой базы для наноиндустрии, а также снижения радиоактивного фона в продуктах плавки.
3
Прогнозируемые расчетом выбросы вредных веществ и компьютерный расчет полей концентраций их в атмосфере показали, что для 22 основных контролируемых загрязняющих веществ и их суммации выбросы будут значительно ниже ПДК России. Неконтролируемые выбросы токсичных диоксинов и фуранов в трубе МСЗнп-15 будут в 800 раз меньше Европейской и Российской нормы, равной 0.1 нг/м. Данные расчета позволяют ликвидировать полигонное захоронение отходов и приступить к уничтожению диоксиновой агрессии в регионах.
По экспертным оценкам возможный ущерб от диоксиновой агрессии в России составит не менее нескольких десятков ТРИЛЛИОНОВ РУБЛЕЙ [8] (см. паспорт, лист 5, п.2, последний абзац).
Себестоимость переработки хлорсодержащих ТБО по технологии МСЗнп-15 составит 30 долларов на тонну отходов для региона Москвы (по данным на 01.01.2008 г.).
Годовая прибыль МСЗнп-15 составит 8,5 миллионов долларов США для Москвы, где стоимость ТБО будет >1300 руб/т.
Для бедных регионов России годовая прибыль МСЗнп-15 составит 4,5 миллионов долларов, при стоимости ТБО 600 руб/т.
Бездотационная технология МСЗнп-15 может использоваться при сжигании ТБО в отраслях: медицины, обороны, металлургии, коммунальных служб регионов.
Предлагаемый способ подается одновременно с печью для непрерывной плавки материалов в шлаковом расплаве.
Литература
1. Патент RU №2064506 C1, способ переработки твердых отходов в шлаковом расплаве.
2. Гречко А.В. Испарительное охлаждение агрегатов автогенной плавки сырья цветной Металлургии. М.: Промышленная энергетика, №6, 1997 г., стр.34, 35.
3. Энциклопедический справочник «Машиностроение». М.: 1947г.,
т.1, книга 1, стр.432, табл.1, том 6, стр.166, табл.171, т.3 стр.321, 512-513.
4. Чижов Д.И., Гречко А.В. Отопительно-дутьевые устройства на природном газе в пирометаллургии. М.: Металлургия, 1968 г., стр.35, 69, табл.4.
5. Справочник «Санитарная очистка и уборка населенных мест». М.: Стройиздат, 1990 г., стр.253, табл.6.13, 254, 260, табл.6.16, стр.169, табл.5.5.
6. Советский энциклопедический словарь. М., 1981 г., стр.609, 1105.
7. Патент RU 2059888 - дымосос.
8. Постановление Правительства Российской Федерации от 5 ноября 1995 г., №1102, Федеральная целевая программа «Защиты окружающей природной среды и населения от диоксинов и диоксиноподобных токсикантов» на 1996-1997 гг., Паспорт, лист 5, п.2, последний абзац.