СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С ПРОИЗВОДСТВОМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ENVIRONMENTALLY SAFE TREATMENT OF SOLID DOMESTIC WASTES WITH PRODUCTION OF THERMAL ENERGY AND BUILDING MATERIALS AND WASTE BURNING PLANT FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Способ экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательный завод (МСЗ) для его осуществления предназначены для переработки и утилизации твердых бытовых отходов, переработки и обезвреживания промышленного и бытового мусора с выработкой тепла, например, для подогрева воды и подачи ее в централизованную систему отопления или для обогрева теплиц и получения товарной продукции в виде строительных материалов.
Актуальность проблемы состоит в том, что одной из множества "болевых" точек современной экологии является проблема городских свалок бытового и промышленного мусора. Практически все города (большие и маленькие) в России и за рубежом окружены бесчисленным количеством официальных и неофициальных свалок. Свалки занимают десятки и сотни гектаров земли, чадят, дымят, загрязняют землю, воздух, воду. На свалках присутствуют и образуются ядовитые и вредные вещества - бензопирен, меркаптан, диоксин и др. В большинстве случаев эти ядовитые вещества возникают из сравнительно нейтральных отходов в результате самопроизвольного, неорганизованного горения и разложения мусора (последние исследования показывают, что диоксины могут образовываться и без процесса горения - под воздействием солнечной радиации). Поэтому во всем мире сегодня интенсивно разрабатываются пути переработки и обезвреживания промышленного и бытового мусора.
Существуют различные технологии переработки ТБО: био- и биохимические технологии, технологии прессования, создания цивилизованных полигонов захоронения, сортировки и последующей переработки.
Но все же в ряде стран до 80% мусора подвергается обезвреживанию термическим (огневым) методом. Сегодня этот способ является наиболее эффективным и универсальным.
Суть огневого метода обезвреживания отходов состоит в организации процесса горения таким образом, чтобы все сложные и вредные химические соединения разложились до простейших соединений, безвредных для человека и природы.
Твердые бытовые отходы (ТБО), составляющие основную массу городских отходов, исходно имеют 3 полезных качества: 1) содержат некоторые изделия и материалы, которые могут быть использованы (утилизированы) после сортировки и отбора без существенной переработки; 2) содержат вещества и материалы, которые могут быть утилизированы только после отбора и переработки; 3) имеют теплотворную способность, утилизация которой (теплоутилизация) фактически не требует сортировки и переработки за исключением изъятия крупногабаритных отходов. Использование теплотворной способности ТБО (и их остатков после любой утилизации материальных компонент) - это наиболее оптимальная технология утилизации полезных свойств ТБО.
Известна установка для сжигания мусора с утилизацией тепла отходящих газов, включающая бункер для мусора, печь для сжигания мусора с золоудалителем, воздухоподающим устройством для подогрева воды отходящими газами, блок очистки отходящих газов и систему электроснабжения (Авторское свидетельство СССР N 1716257, кл. F23G /00, 1992).
Недостатком установки является сложность термической переработки отходов, необходимость подачи в реактор кислорода из внешних источников для обеспечения активного горения, необходимость электрического подогрева воздуха, поступающего в реактор.
Известен способ термической переработки отходов (патент РФ 95113652/03, 31.07.1995), включающий их подготовку, загрузку в печь и нагрев в ней в окислительной среде энергопреобразующими устройствами, например плазмотронами, перевод отходов в металлическую, шлаковую и газовую составляющие, которые выпускают из печи, причем отходящие газы утилизируют, например, пропуская через теплообменник, а затем их очищают и выпускают в атмосферу, отличающийся тем, что в теплообменнике отходящими газами из печи нагревают природный газ, отобранный из магистрального газотрубопровода перед редуцирующим устройством на газораспределительной станции, после чего его подают в турбодетандер, снижая давление, и направляют в магистральный газотрубопровод за редуцирующим устройством, а энергию расширяющегося нагретого природного газа преобразуют в электрическую при помощи электрогенератора, соединенного с турбодетандером, затем часть ее превращают в тепловую энергию, запитывая энергопреобразующие устройства, другую часть превращают в механическую энергию, обеспечивая работу электрооборудования, приводящего в действие механизмы, задействованные в способе, а третью часть превращают в химическую энергию при помощи воздухораспределительной установки и получают кислород и аргон, причем газообразный кислород подают в печь и окисляют отходы, а газообразный аргон направляют в энергообразующие устройства, защищая их от разрушения в окислительной среде.
Недостатки способа: необходимость в энергопреобразующем устройстве требуемой мощности и надежности, турбодетандере, который отсутствует на рынке, необходимость деления энергии на несколько частей, причем способ деления не описан в патенте.
Известен способ переработки твердых бытовых и мелкодисперсных промышленных отходов (патент РФ 2208202, МПК 7 F23G 5/00, F23G 5/32).
Способ переработки твердых бытовых и мелкодисперсных промышленных отходов включает подачу твердых бытовых отходов в печь жидкой ванны и переработку мелкодисперсных промышленных отходов методом восстановительной циклонной плавки. Образующиеся при восстановительной циклонной плавке высокотемпературные отходящие газы подают на сушку бытовых отходов, а расплав шлака - в печь жидкой ванны, где осуществляют переработку твердых бытовых отходов в кальцийсодержащем шлаковом расплаве. Крупнодисперсную и мелкодисперсную пыль газоочистки отходящих газов печи жидкой ванны обогащают окислами тяжелых металлов за счет подачи ее совместно с мелкодисперсными промышленными отходами на восстановительную циклонную плавку. Технический результат: снижение энергетических затрат и безотходное ведение комплексной переработки твердых бытовых и мелкодисперсных промышленных отходов.
Недостатки способа: нет полной переработки ТБО, нужна сушка ТБО, требуются кальцийсодержащий шлаковый расплав и окислы тяжелых металлов для восстановительной циклонной плавки.
Известен способ сжигания твердых бытовых отходов и прочих органических отходов и устройство для его осуществления (патент РФ 2249766, МПК 7 F23G 5/00).
Способ сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов включает сжигание отходов при подаче предварительно нагретого воздуха, дожигание газообразных продуктов сжигания, последующую обработку для связывания НСl, Сl2, HF, пропускание через теплообменник-котел, газоочистку. Перед подачей в печь на сжигание отходы сепарируют, измельчают органическую часть отходов до размеров не более 100 мм, смешивают отходы с нагретым до температуры 300-400°С воздухом, подачу в циклонную печь осуществляют тангенциально с линейной скоростью не ниже 28 м/с, сжигание осуществляют при температурах 1320-1350°С, дожигание осуществляют в камере каталитического дожигания при температурах 1300-1500°С, обработку для связывания НСl, Сl2, HF ведут в камере декарбонизации известняковой муки с получением негашеной извести, перед подачей в котел обработанные продукты сжигания пропускают через воздухоподогреватель, а после котла - через систему мокрой газоочистки, причем тепловую энергию котла подают потребителям.
Недостатки способа состоят в необходимости в дополнительных затратах по измельчению отходов, нагреванию воздуха до высокой температуры, в использовании катализаторов в процессе дожигания.
Известен способ обработки твердых бытовых отходов (патент РФ 2254518, МПК 7 F23G5/24, F23G 5/027, F23G 5/16). Способ обработки твердых бытовых отходов включает загрузку ТБО и сыпучего инертного теплоносителя в вертикальную шахтную печь, инициацию процесса пиролиза путем подачи горячей пароводяной смеси, получение низконапорного пиролизного газа и его сжигание с утилизацией теплоты сгорания. К низконапорному пиролизному газу подводят дополнительную энергию путем смешения в эжекторе с потоком высоконапорного воздуха, температуру пароводяной смеси поддерживают на уровне 60-800°С, температура в зоне газификации ТБО составляет 150-2500°С, а температуру и давление газа после сгорания поддерживают на уровне, соответственно, 600-1000°С и 0,5-1,1 МПа. Технический результат: повышение кпд системы утилизации.
Недостатки способа: высокие энергозатраты для получения высокой температуры приготовления пароводяной смеси, нет утилизации остатков сгорания.
Известен способ термической переработки бытовых отходов и устройство для его осуществления (патент РФ 2293918, МПК F23G 5/00). Способ термической переработки бытовых отходов включает подготовку, загрузку в шахту, нагрев в плазменных струях в окислительной среде с циркуляцией газов в герметизированном реакционном пространстве с последующим выпуском образующихся расплавов шлака, металла и газов с очисткой и утилизацией последних, возврат части отходящих газов в реакционное пространство. Подготовленные отходы подвергают объемному сжатию, нейтрализуют выделенную жидкую фазу, а полученный твердый продукт направляют на подсушку, которую производят тепловым воздействием отходящего после утилизации газа. Подсушенный продукт периодически загружают в шахтную печь без теплового воздействия плазменных струй. После полной загрузки печи продукт уплотняют при одновременном нагреве продуктов плазменными струями, при этом в процессе уплотнения понижают исходный уровень столба продуктов в реакционном пространстве печи со скоростью, пропорциональной скорости газификации. Полученный пиролизный газ за счет давления в шахтной печи, которое создают плазмотронами, отводят из верхней части шахтной печи, перепускают через систему газоочистки, аккумулируют в ресивере и направляют на утилизацию тепловой и химической энергии. Рабочим телом плазмотронов служат очищенный сжатый в компрессоре газ, отходящий после подсушки, и вода, а оставшиеся в шахтной печи отходы уплотняют и плавят плазменной струей, после чего сливают металл и шлак из шахтной печи.
Технический результат: обеспечение высокой производительности при переработке мусора с повышенными экологическими параметрами.
Недостатки способа: использование дорогостоящей плазменной технологии, нет устройства переработки шлака и металла.
Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов (патент РФ 2383822). Способ переработки твердых отходов включает их подготовку и загрузку в шахтную печь совместно с карбонатным материалом, например известняком, а также подачу в печь топлива и воздуха на горение, удаление дымовых газов и вывод готового продукта из нижней части печи. В качестве шахтной печи используют двухшахтную печь для обжига известняка. В одну шахту печи, работающую в режиме прямотока, загружают подготовленные отходы совместно с карбонатным материалом и в верхнюю часть этой шахты подают топливо и воздух на горение. В другую шахту, работающую в режиме противотока, загружают карбонатный материал для получения извести и в нижнюю часть этой шахты подают топливо и воздух на горение. Дымовые газы из первой шахты по дымовому каналу просасывают во вторую шахту и с помощью дымососа удаляют из верхней части второй шахты.
Технический результат: повышение эффективности и экологической безопасности обезвреживания и утилизации твердых бытовых и промышленных отходов.
Недостатки: использование дополнительного карбонатного материала, не описан способ использования образующихся тепла и шлака.
Общие недостатки аналогов состоят в небольшой производительности, отсутствие полного цикла утилизации ТБО с получением товарной продукции, в низком кпд, сложности способов и устройств, в необходимости дополнительной термохимической обработки.
Наиболее близкий аналог способа экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательного завода для его осуществления описан в следующем источнике: В.М.Малахов, Г.Н.Багрянцев, Е.Н.Гришин, Б.И.Лунюшкин, С.В.Алексеенко, А.В.Попов. «Технологические решения в проекте Бердского опытного мусороперерабатывающего завода» в Сб.: «Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих отходы и мусор». - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 1999, 238 стр.
В этом проекте Бердский опытный мусороперерабатывающий завод (МПЗ) предназначен для переработки и обезвреживания промышленного и бытового мусора города (или района города) с населением в 100 тыс. чел. Производительность его - не менее 40 тыс. т/год, в том числе 30 тыс. т ТБО и 10 тыс. т производственных отходов.
На МПЗ подлежат переработке все виды городских ТБО: образующиеся в жилых и общественных зданиях; отходы от уборки улиц; от санитарной обрезки деревьев и кустарников и т.д., все виды промышленных нетоксичных и токсичных отходов всех классов опасности, за исключением радиоактивных и содержащих ртуть, свинец, мышьяк, селен. Система утилизации тепла на заводе позволяет использовать наряду с высокопотенциальным теплом дымовых газов и низкопотенциальное тепло, выделяющееся при конденсации влаги, содержащейся в дымовых газах, и снимаемое системой охлаждения газоочистного и технологического оборудования.
МПЗ состоит из следующих основных блоков: бункерный блок, блок сжигания ТБО, блок дымоочистки, блок водоподготовки и утилизации тепла.
В работе МПЗ используется дополнительное высококалорийное топливо, как и в любых других технологиях сжигания отходов, так как оно нужно при розжиге мусоросжигательных котлов и печей, для нагрева стен до высокой температуры, достаточной для предотвращения вредных выбросов.
В основу производственных процессов, применяемых на МПЗ, положены прогрессивные технологии и решения:
- отходы сжигаются в наклонной вращающейся печи барабанного типа, что позволяет полностью механизировать и автоматизировать все технологические операции;
- предусматривается дожигание дымовых газов в вихревом дожигателе ВД с образованием газообразных продуктов полного окисления;
- в составе каждой технологической линии предусмотрена специальная система очистки дымовых газов по "мокрому" методу;
- в составе завода предусмотрена установка теплоутилизационного оборудования (котла-утилизатора и теплового насоса), что позволяет обеспечить собственные потребности завода в тепле и выдать тепло сторонним потребителям.
Недостаток МПЗ заключается в том, что в нем не предусмотрена система обезвреживания золы, что не позволяет считать МПЗ замкнутым безотходным производством. В исходных ТБО могут содержаться тугоплавкие, негорючие материалы, которые переходят в золу. При сжигании ТБО на МПЗ в образующейся золе содержится некоторое количество несгоревшего углерода (мехнедожог), на ней осаждаются канцерогенные вещества, диоксины и фураны. Захоранивать такую золу нельзя, а системы экологически чистой утилизации золы в проекте МПЗ не предусмотрено. Эффективным путем решения экологической проблемы является дополнение завода блоком плавления золы в плазменном реакторе с получением инертного шлака и нетоксичных газовых выбросов.
Известна плазменная плавильная установка и способ плазменного переплава золы мусоросжигательных заводов (Х.С.Пак. Исследование состава и свойств шлака при плазменном переплаве золы мусоросжигательных заводов // Теплофизика и аэромеханика, 2011, т.18, №2, с.325-334). Плавильная установка состоит из плавильной камеры, плазмотрона, источника питания плазмотрона и системы его запуска, устройств для анализа, очистки и удаления газа, образующегося в процессе плавления. Плавильная камера имеет огнеупорную подовую футеровку стен, ее конструкция допускает поворот на 180° для слива расплавленного шлака. Для плавления золы используется плазмотрон струйного типа мощностью до 70 кВт. В результате плазменного переплава золы получается свободный от диоксинов, экологически безопасный шлак.
Недостатки данной установки и способа: небольшая производительность, переработка золы дискретным методом по 500 г, отсутствие водоохлаждаемого кожуха, что не позволяет поднять производительность установки и увеличить длительность непрерывной работы, система очистки установки не позволяет достичь экологических норм по вредным выбросам, отсутствуют необходимые параметры для масштабируемости технологии.
Задачей способа экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательного завода (МСЗ) для его осуществления является экологически чистое сжигание ТБО и других горючих отходов с выработкой тепловой энергии, с минимальным воздействием на окружающую среду, с максимальным кпд, минимальными трудозатратами и максимальным использованием негорючих твердых бытовых отходов и системой утилизации золы.
Проблема решается следующим образом: мусоросжигательный завод, состоящий из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, дополняется блоком утилизации золы, который содержит реактор для плавления золы, футерованный изнутри; плазмотрон; бункер золы с механизмом ввода золы; систему слива расплава и грануляции шлака, источник электропитания, систему очистки дымовых газов, согласно изобретению, в блоке утилизации золы плавильный реактор имеет металлический водоохлаждаемый кожух, блок утилизации золы содержит воздушный компрессор и водяной насос для охлаждения электродов плазмотрона и кожуха реактора, система очистки дымовых газов блока утилизации золы содержит дожигатель, вихревой скруббер (центробежно-барботажный аппарат) с щелочным раствором, рукавный фильтр для очистки от твердых примесей и приемник зольного остатка (вторичной золы).
В способе экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов поставленная задача решается тем, что твердые бытовые отходы изначально поступают в бункерный блок, где происходит отбор крупногабаритного мусора, жидкие отходы сливаются в отдельную емкость, затем ТБО поступают в блок сжигания ТБО, дымовые газы поступают в блок водоподготовки и утилизации тепла, а затем дымовые газы поступают в блок дымоочистки, а зола из блока сжигания и блока дымоочистки поступает в блок утилизации золы, сначала в бункер золы с механизмом ввода золы, затем в плавильный реактор, футерованный изнутри и снабженный плазмотроном; расплавленная зола поступает в систему слива расплава и грануляции шлака, оборудованную источником электропитания, системой очистки дымовых газов, согласно изобретению, зола плавится в плавильном реакторе с металлическим водоохлаждаемым кожухом, при этом дымовые газы проходят через систему очистки дымовых газов блока утилизации золы, снабженную дожигателем, вихревым скруббером (центробежно-барботажным аппаратом) с щелочным раствором, рукавным фильтром для очистки от твердых примесей, а вторичная зола (зольный остаток) поступает в приемник зольного остатка.
МПЗ с блоком утилизации золы содержит бункерный блок, блок сжигания ТБО, блок дымоочистки, блок водоподготовки и утилизации тепла, блок утилизации золы.
На чертеже представлена блок-схема блока утилизации золы. Блок утилизации золы содержит 1 - источник электропитания, 2 - воздушный компрессор, 3 - плазмотрон, 4 - водяной насос, 5 - бункер золы с системой подачи золы, 6 - плавильный реактор, 7 - систему слива расплава и грануляции шлака, 8 - дожигатель отходящих газов, 9 - приемник для зольного остатка, 10 - центробежно-барботажный аппарат, 11 - рукавный фильтр, 12 - дымосос, 13 - трубу.
Технические параметры блока утилизации золы: температура плавления золы и температура газа в плавильном пространстве - 1400±50°С, разрежение - 20-30 мм вод. ст., температура дымовых газов после дожигателя - 1100-1150°С, удельные затраты электроэнергии - 0,9-1,2 кВт·ч/кг.
Способ осуществляется следующим образом. В бункерном блоке твердые бытовые и промышленные отходы принимают без сортировки как из спецмашин, так и из грузового транспорта общего назначения. Крупногабаритные металлические включения отделяют из отходов на стадии приема, а мелочь - из золы после сжигания отходов. Жидкие горючие и жидкие обводненные отходы принимают в отдельные емкости. Затем отсортированные горючие ТБО равномерно подаются на сжигание в блок сжигания. Для обеспечения высокой эффективности обезвреживания процесс сжигания отходов осуществляют в две стадии:
- озоление в противоточной вращающейся печи;
- дожигание дымовых газов в вихревом дожигателе.
Дымовые газы охлаждают в котле-утилизаторе с получением перегретого пара. Вырабатываемый пар отдается городским предприятиям, используется для собственных нужд завода в качестве греющего источника для абсорбционных тепловых насосов и догрева сетевой теплофикационной воды города или обогрева теплиц.
Затем дымовые газы поступают в блок дымоочистки, где выполняется мокрая очистка дымовых газов от пыли и вредных примесей.
Концентрированные стоки из системы газоочистки и сточные воды от промывки технологического оборудования используются для охлаждения золы с отводом пара в огнетехнический агрегат. Золу и шлам из блока сжигания и блока дымоочистки используют в блоке утилизации золы для производства строительных материалов.
Из переплавляемой золы в систему газоочистки уходят легколетучие компоненты (K, Na, С, Cl, S) и тяжелые металлы (Zn, Cu, Cd, Pb). Здесь же происходит улавливание вторичной пыли с повышенным содержанием тяжелых и цветных металлов (в т.ч. в виде шлама в ЦБА). Масса исходной золы и газов после плавления распределяется в соотношениях: шлак - 60%, вторичная зола от испарения легколетучих веществ и за счет механического уноса - 9,0%, дымовые газы - 29%, металл - 2%.
Гранулированный шлак в виде частиц размером до нескольких мм имеет высокую устойчивость к растворению в воде и слабых кислотах. Такой шлак пригоден для строительства дорог и производства строительных материалов.
В целом блок утилизации золы в составе МСЗ обеспечивает переработку в экологически безопасные продукты до 90% исходной массы золы. Диоксины, содержащиеся в исходной золе, в полученном после плавления шлаке отсутствуют полностью.