Способ переработки твердых коммунальных и промышленных отходов
METHOD OF PROCESSING SOLID MUNICIPAL AND INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к области термических методов обезвреживания твердых коммунальных и промышленных отходов, для обеспечения их утилизации и получения при этом пригодных для реализации продуктов.
В настоящее время в мировой практике применяется более десятка технологий сжигания твердых коммунальных отходов (ТКО). Самой распространенной является технология сжигания в слоевой топке на колосниковых решетках. Сжигание отходов в топках в псевдоожиженном слоем широко распространено в Японии. В США работает технология по сжиганию отходов в циркулирующем псевдоожиженном слое.
Главным недостатком вышеперечисленных технологий ввиду низкой температуры горения является образование в отходящих газах полиароматических углеводородов (ПАУ) и диоксинов.
Технология переработки отходов в расплавленном шлаке (ПОРШ) при всей сложности системы газоочистки малоэффективна в смысле осаждения образующихся аэрозолей на сажистых образованиях, следовательно, и очистки от диоксинов, не гарантирует необходимую экологическую обработку.
Известна печь Ванюкова и ее использование для решения проблемы переработки твердых бытовых отходов [Институт «ГИНЦветМет» Гречко А.В., Калнин Е.И., Денисов В.Ф. Печь Ванюкова и ее использование для решения проблемы твердых бытовых отходов // Металлы. - 1998. - №6, с. 3-11]. На ее основе совместно с другими организациями разработана экологически чистая технология переработки ТКО и промышленных отходов. Она базируется на плавке в расплаве шлака, продуваемом (барботируемом) газовыми струями. Сущность технологии заключается в плавке отходов при условиях, обеспечивающих отсутствие высокотоксичных соединений (диоксинов, фуранов и др.) уже на выходе газопылевого потока из печи. По сравнению с существующими способами переработки ТКО (например, в печах-котлоагрегатах с колосниковыми решетками) имеет высокие температуры 1250-1400°С, окислительную среду (коэффициент избытка окислителя α=1,05-1,2), определенную длительность пребывания газов (2-4 с и более), «термическую мгновенность» в процессе плавки. Последнее условие обеспечивается в печи Ванюкова (ПВ) благодаря специфической гидроаэродинамической обстановке в рабочем пространстве («барботажный эффект»).
Эта технология прошла крупномасштабные испытания на специально переоборудованной под этот вид перерабатываемого сырья (ТКО) установке ПВ на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе ГИНЦветМет.
Переработка ТКО и промышленных отходов в печах Ванюкова, однако, имеет ограничения по скоростям протекающих процессов вследствие использования сравнительно малоэффективных барботажных процессов. Устройство печей не позволяет получать шлак, свободный от тяжелых металлов, пригодный для использования, например, в производстве строительных материалов, так как эти печи предусматривают проведение только одного вида технологических процессов, в данном конкретном случае окислительных. При этом отсутствуют восстановительные процессы. Кроме того, при создании большого количества кислорода в отходящих окислительных газах при переработке низкокалорийного сырья для создания высокотемпературного процесса потребуется использование чисто кислородного дутьевого газа, что потребует дополнительных как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Учитывая непостоянство состава ТКО, необходимо включение специальных подготовительных операций по подготовке сырья к переработке из-за отсутствия в указанных способах оперативных систем терморегулирования.
Известен способ переработки твердых коммунальных и промышленных отходов [патент RU 2563374, МПК В09В 3/00, опуб. 20.09.2015 г., бюл. 26 (прототип)], включающий плавку в расплаве шлака, продуваемого газовыми струями, в котором плавку осуществляют по газлифтной технологии в циркулирующем расплаве шлака. Отходы дозируются в нисходящий канал газлифта окислительной зоны, где под действием перегретого циркулирующего шлака проходит деструкция отходов, и переход минеральной части отходов в шлак. Твердые, жидкие и газообразные продукты деструкции органического происхождения поступают под действием дутьевых газов совместно с циркулирующим шлаком в газлифт, где под действием кислорода воздуха с α≥1,05 окисляются до элементарных соединений без образования сажистых продуктов и сложных полиароматических соединений и соединений диоксинового ряда.
Образующийся в процессе переработки ТКО в первом циркуляционном контуре шлак поступает на обработку восстановительными реагентами, например, углем, во второй циркуляционный контур. Вывод тяжелых металлов из шлака при обработке его восстановительными реагентами делает пригодным шлак для производства из него строительных материалов. Таким образом, переработка ТКО по предлагаемой схеме делает безотходную экологически безопасную технологию более экономичной при одновременном увеличении производительности основного технологического агрегата. Введение электродов стабилизирует работу плавильного агрегата при колебаниях состава твердых бытовых и промышленных отходов
Но в этом способе отсутствует технология подготовки отходов к плавке, что приводит к увеличению энергетических затрат, а в качестве дутьевого газа используется воздух, что также приводит к увеличению объема отходящих газов и большому выносу тепла с отходящими окислительными газами, низкой скорости химической реакции вследствие низкой концентрации окислителя, увеличению габаритов печного агрегата и последующего оборудования для утилизации тепла и газоочистки. При этом в окислительной зоне проводится окисление всех продуктов отходов (в том числе и легко летучих). Большой объем окислительных газов при малых концентрациях кислорода в них практически малоэффективен для теплового баланса печи при объединении отходящих газовых потоков окислительной и восстановительной зон. Кроме того, введение угля в восстановительную зону не исключает образования сажистых образований, как катализатора, и возможности образования на них полиароматических углеводородов. Полное окисление, которых не гарантируется при объединении газов в отстойной камере. Для переработки отходов при такой технологии потребуется высокий расход дорогостоящей электроэнергии и трудный режим регулирования теплового баланса в связи с неоднородностью состава отходов. Кроме того, большой объем отработанных газов усложняет процесс газоочистки и используемого для этих целей оборудования.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности переработки твердых коммунальных и промышленных отходов, за счет включения операций подготовки отходов к плавке.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки твердых коммунальных и промышленных отходов, включающем плавку в расплаве шлака по газлифтной технологии в циркулирующем расплаве шлака, в котором обработку отходов проводят в специально выгороженных камерах газлифтной печи с двумя зонами при регулировании температуры процесса, новым является то, что перед плавкой отходы, измельчают до крупности менее 100 мм, сушат при использовании циркулирующего теплоносителя до остаточной влажности 5-10% с конденсацией влаги и утилизацией тепла, твердую фазу с повышенной калорийностью подвергают низкотемпературному пиролизу при температуре 500-650°С, продукты пиролиза пироуголь и восстановительные газы отправляют в плавильную печь.
А также тем, что обработку дутьевыми газами в первой зоне проводят при массовом соотношении дозируемого твердого остатка и циркулирующего шлака 1:(100-200).
А также тем, что дутьевые газы, обеспечивающие необходимую циркуляцию в первой зоне, имеют концентрацию кислорода из расчета полного окисления компонентов пироугля с избытком в отходящих газах не менее 5%.
А также тем, что в качестве дутьевых газов во второй зоне используют пиролизные (восстановительные) газы от низкотемпературного пиролиза в смеси с частью отходящих из печи газов и природного газа.
А также тем, что объемы пиролизных газов из печи и природного газа определяют, из расчета создания устойчивой циркуляции шлака, полноты восстановления и теплового баланса печи.
Отличия заявляемого способа от наиболее близкого аналога заключаются в том, что перед плавкой отходы, измельченные до крупности менее 100 мм, сушат с конденсацией влаги и утилизацией при этом тепла, при использовании циркулирующего теплоносителя до остаточной влажности 5-10%, твердую фазу с повышенной калорийностью подвергают низкотемпературному пиролизу при температуре 500-650°С, продукты пиролиза пироуголь и восстановительные газы отправляют в плавильную печь.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Способ переработки твердых коммунальных и промышленных отходов осуществляется следующим образом.
Отходы с влажностью до 60% и калорийностью 1500 ккал/кг (6300 кДж/кг) измельчают до крупности меньше 100 мм и далее направляют на сушку до содержания остаточной влаги на уровне 5-10%, при этом удельная калорийность сухого остатка повышается до 3500 ккал/кг (14670 кДж/кг). Высушенную массу направляют на низкотемпературный пиролиз (температура 500-650°С).
Сушку осуществляют в циркулирующем потоке воздуха или газа при температуре 100-130°С, с охлаждением отходящего воздуха до температуры 95°С, с конденсацией влаги с утилизацией при этом тепла для догрева высушенного воздуха и подачи его в повторный цикл. Отходящие от пиролиза восстановительные газы с калорийностью 2900 ккал/кг (12150 кДж/кг) направляют в газлифт восстановительной зоны, а твердый остаток (пироуголь) с калорийностью 6500 ккал/кг (27240 кДж/кг) дозируют в нисходящий канал газлифта окислительной зоны, где под действием перегретого циркулирующего шлака (температура 1250-1500°С) при массовом соотношении твердого остатка и циркулирующего шлака 1:(100-200) проходит деструкция отходов и переход минеральной части отходов в расплав шлака. Жидкие и газообразные продукты деструкции пироугля поступают под действием дутьевых газов совместно с циркулирующим шлаком в газлифт, где под действием кислорода воздуха с α≥1,05 окисляются до элементарных соединений без образования сажистых продуктов и сложных полиароматических соединений и соединений диоксинового ряда. Концентрация кислорода в дутьевых газах определяется из достаточности полного окисления всех продуктов, подлежащих окислению при создании избытка кислорода в отходящих газах (с α≥1,05). Образующийся в процессе переработки твердых коммунальных и промышленных отходов в первом циркуляционном контуре шлак самотеком поступает на обработку восстановительными реагентами. Для устойчивой циркуляции шлака в восстановительной зоне к восстановительным газам от пиролиза добавляют часть отработанных газов печи. Для терморегулирования в печи в восстановительную зону добавляют углеродсодержащие газы (например, природный газ), что повышает восстановительный потенциал системы, который повышает полноту выделения тяжелых металлов и делает пригодным обработанный шлак для производства из него строительных материалов, например, плавленого клинкера и получение металлофазы, например, чугуна. Отходящие из восстановительной зоны газы, свободные от сажистых образований, объединяют с окислительным газом в отстойной камере, причем получают в смеси стехиометрическое соотношение кислорода и восстановителей и получение необходимого тепла для стабильной работы печи.
Таким образом, переработка твердых коммунальных и промышленных отходов по предлагаемой схеме делает безотходную экологически безопасную технологию более экономичной при одновременном увеличении производительности основного технологического агрегата, т.к. в процессе сушки сокращается объем отходов, подлежащих низкотемпературному пиролизу, повышается калорийность образующегося пироугля, что способствует стабильной работе печи. Кроме того, уменьшаются объем и теплопотери с высокотемпературными отходящими газами, что также способствует стабильной работе печи. В процессе сушки не образуются дополнительных токсичных газовых выбросов, вследствие использования циркулирующего газа-носителя. Использование пиролизных газов совместно с частью отработанных газов печи и добавки природного газа оптимизирует процесс переработки отходов при сокращении (или исключении) вторичных отходов, экономичность и экологичность процесса. Использование дутьевых газов с повышенным содержанием кислорода в окислительной зоне способствует повышению скорости химических реакций, а также полноте окисления всех высокомолекулярных органических производных и, как следствие, исключения наличия в отходящем газовом потоке окислительной зоны высокотоксичных полиароматических соединений. При использовании кислорода достигается сравнительно высокая концентрация кислорода в отходящих газах окислительной зоны, которая в последующем используется для окисления компонентов газового потока из восстановительной зоны печи, стабилизируя при этом температурный режим работы печи. Кроме того повышенное содержание в дутьевых газах кислорода способствует уменьшению объемов дутьевых газов с одновременным уменьшением теплопотерь в печи и снижением объема отходящих газов для последующей газоочистки, что благоприятствует как экологической безопасности, так и экономической эффективности процесса. Использование восстановительных газов от низкотемпературного пиролиза и природного газа позволяет исключить использование угля и, как следствие, исключение возможного образования сажистых образований, содержащих полиароматические соединения.
Предварительная сушка отходов в циркулирующем потоке воздуха значительно снижает энергетические затраты всего технологического цикла, а предварительный пиролиз отходов позволяет увеличить калорийность твердой фазы, что позволяет вести процесс автогенно без добавления энергетического сырья, а пиролизные газы позволяют создать условия для восстановительных процессов в плавильном агрегате.