Комплексный метод очистки топочных газов образующихся при сжигании твердых бытовых отходов

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

Т 51 (12) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2008

УДК 66.074.32

Н.Ф. Тимербаев, Д.Ф. Зиатдинова, А.Р. Садртдинов

КОМПЛЕКСНЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

(Казанский государственный технологический университет) E-mail: tnail@rambler.ru

Определено, что для улучшения эффективности процесса очистки топочных газов необходимо применение высокотемпературных режимов сжигания твердых бытовых отходов (ТБО), обеспечивающих полную деструкцию высокотоксичных органических веществ. Установлено, что процесс восстановления оксидов азота можно интенсифицировать за счет повышения давления в зоне протекания реакций восстановления.

В настоящее время вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. Уже сейчас темпы и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы, из-за чего происходят необратимые процессы в природе. Существенным источником загрязнения окружающей среды является постоянно растущее количество твердых бытовых отходов (ТБО). Одним из направлений решения данной проблемы является мусоросжигание. Однако из-за несовершенства топочных процессов, в результате сжигания ТБО образуются большие количества токсичных газов, выбрасываемых в атмосферу, таких как: диоксины, фураны, бензо-пирены и т. д.

Определенную роль в снижении выбросов токсичных газов в атмосферу играют режимно-технологические способы, направленные на подавление образования токсичных веществ в топке котла и включающие в себя различные мероприятия по оптимизации процесса сгорания топлива в топке. Однако использование данных способов не дает желаемых результатов при снижении концентрации токсичных веществ в отходящих топочных газах, так как возможности этих методов ограничены эффективностью не более 60%.

В соответствии с вышесказанным, более актуальным является разработка комплексных систем очистки отходящих топочных газов, сочетающих в себе различные традиционные физико-химические способы очистки газов.

В связи с этим, в данной статье разработана комплексная система очистки отходящих топочных газов, образующихся при сжигании ТБО, направленная на усовершенствование и повышение эф-

фективности традиционных способов очистки отходящих хвостовых газов путем оптимизации.

Схема установки комплексной системы очистки топочных газов, образующихся при сжигании ТБО, приведена на рис. 1.

Проведенные авторами исследования выявили, что наиболее эффективными для максимального снижения концентраций токсичных веществ в топочных газах являются высокотемпературные режимы сжигания ТБО (при температурах 1800-2000°С).

На рис. 2 представлена зависимость изменения концентрации основных токсичных веществ в топочных газах от температуры в зоне горения. Анализ зависимостей показывает, что при увеличении температуры происходит резкое снижение концентраций таких веществ как: фура-нов, бензопиренов, угарного газа, окислов азота, то есть именно тех веществ которые наиболее токсичны. В связи с этим, в разработанной установке первый этап очистки топочных газов осуществляется в камере дожига синтез-газа при температуре свыше 2000°С. Данный процесс обеспечивает полную термическую деструкцию токсичных органических соединений. Из камеры высокотемпературного дожига продукты сгорания попадают в пароперегреватель, в котором происходит снижение их температуры до 1000-900°С и первичная рекуперация тепловой энергии.

Однако высокая температура в зоне горения приводит к увеличению концентрации оксидов азота (КОх) в топочных газах [1-4], что обусловливает необходимость наличия в комплексной системе очистки топочных газов, стадии восстановления оксидов азота.

Г I ;h 111 KH.41i.ib

L"l j_.U...V.I__JLL

I

Рис. 1. Схема установки комплексной системы очистки топочных газов. 1-камера дожига; 2-пароперегреватель; 3-камера восстановления NOx; 4-теплообменник; 5-электрофильтр; 6-скруббер; 7-адсорбер; 8-труба; 9-паровая турбина; 10-генератор; 11-камера подготовки раствора карбамида; 12-бункер сбора шлама; 13-резервуар для известкового молока; 14-дымосос Fig. 1. Set up scheme of complex purification of fuel gases. 1 - afterburning camera, 2 - steam super heater, 3 - camera of NOx reduction, 4 - heat exchanger, 5 - electric filter, 6 - scrubber, 7 - absorber, 8 - tube, 9 - steam turbine, 10 - generator, 11 - camera of carbamide solution preparation, 12 - slim collection bunker , 13 - volume for lime white, 14 - smoke exhauster

С, мг/м

800 900 1000 1100 12QG 1300 1400 1500 1600 1700 1000 19DQ 20QQ 2100 2200

Т, °С

Рис.2. Зависимость концентрации токсичных веществ от температуры в зоне горения Fig. 2. Toxic substances concentration vs temperature in burning zone

Традиционно для восстановления оксидов азота используется раствор аммиака, однако аммиак сам по себе высокотоксичен, что приводит к определенным трудностям при его использовании и хранении на мусоросжигающих предприятиях [5]. Более эффективным для восстановления оксидов азота в молекулярный азот является использование продуктов термического разложения нетоксичного водного раствора карбамида. На рис. 3 изображена зависимость степени восстановления

оксидов азота от температуры в зоне реакции при восстановлении.

Из графика видно, что наиболее эффективно процесс восстановления протекает в диапазоне температур от 900 до 1000°С [5]. В связи с этим, в разработанной установке топочный газ после пароперегревателя направляется в камеру восстановления КОх, где происходит восстановление оксидов азота до молекулярного азота продуктами термической деструкции водного раство-

ра карбамида.

90 80 70 60 50 40 30 20

О

10

750 800 850 900 950 1000 1050 Температура в зоне восстановления, °С

Рис.3. Зависимость степени восстановления NOx карбамидом (кривая 1) и аммиаком (кривая 2) в некаталитической стадии

от температуры в зоне восстановления Fig. 3. The NOx reduction degree with carbamide (1) and ammonia (2) in non-catalytic step vs temperature in burning zone

Процесс некаталитического восстановления NOx протекает при высоких температурах, в результате чего карбамид распадается с образованием аммиака и изоциановой кислоты в соответствии с реакцией:

CO(NH2)2 ^ NH3 + HNCO Дальнейшее превращение аммиака в NH2 с последующим восстановлением NO протекает в соответствии с механизмом:

NH3 + OH ^ NH2 + H2O NH3 + O ^ NH2 + OH NH3 + H ^ NH2 + H2 NH2 + NO ^ N2H + OH N2H + NO ^ N2 + HNO

Взаимодействие HNCO с основными радикалами цепного процесса Н и ОН приводит к образованию дополнительного количества радикала NH2, а также радикалов СО и NCO, главным образом по реакциям:

HNCO + H ^ CO + NH2 HNCO + OH ^ NCO + H2O Влияние NCO на протекание процесса сводится, в основном, к образованию оксида азота при взаимодействии с NO и последующему образованию N2:

NCO + NO ^ N2O + CO N2O + H ^ N2 + OH Таким образом, при протекании процесса с использованием карбамида открывается дополнительный канал восстановления NO, обусловленный образованием изоциановой кислоты, который может быть представлен в виде последовательности [6, 7]:

ео(ки2)2 ^ шсо ^ N00 ^ N20 ^ N2.

Данный восстановительный механизм эффективен только при температурах среды порядка 900-1000°С, то есть в относительно узком температурном интервале, что обусловливает возможность так называемого «проскока» не восстановившихся молекул оксидов азота [5]. Также это приводит к технологическим трудностям, связанным с поддержанием необходимой температуры в зоне восстановления. Рассмотренный процесс некаталитического восстановления N0,^ протекает при атмосферном давлении. Исследования показали, что процесс восстановления оксидов азота можно интенсифицировать за счет повышения давления в зоне протекания реакций восстановления. График, отображающий зависимость степени конверсии оксидов азота в молекулярный азот, приведен на рис. 4. Анализ данного графика позволяет сделать вывод, что повышение давления в зоне восстановления позволяет расширить температурный интервал, в котором происходит эффективное восстановление оксидов азота, что, в свою очередь, уменьшает вероятность проскока не восстановившихся молекул оксида азота.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

-Р = Р

-Р =

640 700 760 820 880

1060

Температура гомогенной зоны, °С

Рис.4. График конверсии NO в зависимости от температуры в

зоне протекания процесса при различных давлениях Fig. 4. The NO conversion as a function of temperature in burning zone at various pressures

Далее, после восстановления оксидов азота, происходит процесс закалки топочных газов, путем резкого его охлаждения до температуры 250-200°С, что способствует предотвращению повторного восстановления диоксинов и фуранов после их термического распада [7].

Процесс проходит в теплообменнике, который имеет развитую поверхность теплообмена, позволяющую интенсивно снизить энтальпию топочного газа таким образом, что для вторичного восстановления диоксинов не хватает энергии активации.

После закалки осуществляется механическая очистка газа от мелкодисперсных и крупных частиц золы, которые являются наиболее токсичными, так как они сорбируют на своей поверхности многие токсиканты и тяжелые металлы, образующиеся в процессе сжигания. Улавливание частиц пыли осуществляется в электрофильтре.

Затем топочные газы подвергаются мокрой очистке в скруббере 6, где происходит нейтрализация кислотных соединений, под воздействием известкового молока.

В завершение топочный газ очищается в адсорбере 7, где происходит практически полная его очистка вследствие улавливания тяжелых металлов и прочих не уловленных ранее веществ.

Таким образом, с помощью описанного выше технологического процесса происходит эффективная очистка хвостовых газов, образующихся в процессе высокотемпературного сжигания твердых бытовых отходов. Общая эффективность комплексной системы очистки топочных газов достигает 99%, а содержание токсичных веществ в отходящих газах не превышает значений ПДК. Это особенно существенно для использования на

мусоросжигающих заводах, так как позволяет размещать их в черте города, недалеко от жилых массивов, что позволяет существенно снизить транспортные расходы и повысить экономическую эффективность мусоросжигания при соблюдении действующих экологических норм.

ЛИTEPATУPA

1. Кужеватов С.А. и др. // Промышленная энергетика. 2002. № 10. С. S4-S9.

2. Куценко Е.В. // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2003. № 2. С. 19-22.

3. Кулиш О.Н. // Экология и промышленная безопасность. ООО ВГОШ^З. 2003. С. 339-34S.

4. Федоров Л.Г. и др. Pезультаты внедрения автоматизированной системы некаталитической очистки дымовых газов от оксидов азота на Московском мусоросжигательном заводе №2. Тез. докл. 3-го Международного конгресса по управлению отходами. «ВэйстТэк-2003». М.,2003. С. 1S2-1SS.

5. Караваев M.M., Яшан Р.Я. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 198б. Т. 29. Вып. 1. С. ll-l3.

6. Lyon R.K. // Environ. Sci. and Technol. l98l. V. 21. N 3. P. 231-23б.

l. Blanco J., Alvarez E., Knapp C. // Chem. Eng. 1999. N 10. P. 149-151.

Кафедра переработки древесных материалов

УДК 544.723: (547.551+543.393)-414.

Г.О. Торосян1, Г.Ф. Галстян1, А.Р. Алексанян1, В.А. Давтян1, В.Г.Мартиросян2,

Ю.С. Саркизова2, А.А. Казинян2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕЛЬXОЗОТXОДОВ В КАЧЕСТВЕ СОРБЕНТА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

(1 Государственный инженерный университет Армении 2 Институт общей неорганической химии НАН РА) E-mail: gtorosyan@seua.am

Изучено поглощение анилина и малатиона из водных растворов. В качестве сорбентов были использованы активированные угли, полученные из сельхозотходов и измельченная скорлупа сельхозотходов. Найдены и охарактеризованы наиболее активные сорбенты. Выведены изотермы адсорбции и расчитана адсорбция по уравнению Фрейндлиха.

Содержание в водах загрязняющих веществ органического характера, в частности из ряда ароматических аминов и пестицидов, наиболее опасно для флоры и фауны рек, а также для здоровья населения. Многие из них являются ме-тагемоглобинообразователями, судорожными ядами, вызывающие гемолиз, поражающие нервную

систему, печень, селезенку и, кроме того, обладающие канцерогенными свойствами.

В настоящей работе представлены результаты исследований по удалению из водных растворов анилина (ПДК - 0,0001 мг/л в воде рыбохо-зяйственных водоемов) и малатиона ( в той же среде не допускается) сорбционным методом. Из-