СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЯДОХИМИКАТОВ
TOXIC CHEMICAL THERMAL DEACTIVATION METHOD

Заявляемое изобретение относится к обезвреживанию твердых специфических отходов и может быть использовано для обезвреживания непригодных к использованию ядохимикатов и подобных им химических веществ.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ обезвреживания пестицидов, ядохимикатов и подобных им химических веществ. Известный способ включает измельчение ядохимикатов, подачу ядохимикатов в печь, сжигание органической части ядохимикатов в печи с кипящим псевдоожиженым слоем, дожигание дымовых газов в камере дожигания, предварительную очистку дымовых газов от крупных частиц пыли в вихревом аппарате, очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе, подачу дымовых газов в рекуператор для нагрева воздуха горения, охлаждение дымовых газов в газоохладителе, тонкую очистку дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре и подачу дымовых газов в дымовую трубу (Декларационный патент Украины на полезную модель № 12783 U, МПК (2006) В09В 3/00, F23G 7/00, опубл. 15.02.2006, бюл. № 2).
В заявляемом способе и прототипе совпадают такие существенные признаки. Оба способа включают подачу ядохимикатов в печь, сжигание органической части ядохимикатов в печи, дожигание дымовых газов в камере дожигания, предварительную очистку дымовых газов от крупных частиц пыли в вихревом аппарате, очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе, подачу дымовых газов в рекуператор для нагрева воздуха горения, охлаждение дымовых газов в газоохладителе, тонкую очистку дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре и подачу дымовых газов в дымовую трубу.
Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что достижению ожидаемого технического результата при его использовании препятствуют такие причины.
Известный способ не позволяет обеспечить высокую эффективность разложения и обезвреживания продуктов разложения, образующихся при сжигании непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, что, в частности, обуславливается тем, что после сжигания органической части ядохимикатов в печи с кипящим псевдоожиженым слоем в твердой фазе остаются необезвреженные остатки ядохимикатов, а это требует их дополнительной утилизации. Также способ по прототипу не обеспечивает глубокую нейтрализацию галогенов и кислых неорганических соединений, не обеспечивает улавливания паров ртути, кадмия и других летучих соединений тяжелых металлов.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача создать такой способ термического обезвреживания ядохимикатов, в котором усовершенствование путем введения новой совокупности действий позволило бы при использовании изобретения обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности разложения сложных органических соединений, улавливания и обезвреживания продуктов разложения, образующихся при сжигании непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ.
Заявляемый в качестве изобретения способ термического обезвреживания ядохимикатов включает подачу ядохимикатов в печь, сжигание органической части ядохимикатов в печи, дожигание дымовых газов в камере дожигания, предварительную очистку дымовых газов от крупных частиц пыли в вихревом аппарате, очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе, подачу дымовых газов в рекуператор для нагрева воздуха горения, охлаждение дымовых газов в газоохладителе, тонкую очистку дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре и подачу дымовых газов в дымовую трубу. Отличительной особенностью способа является то, что сжигание органической части ядохимикатов осуществляют в печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов (например, каустической соды) с последующим сливанием шлака в шлаковню. При этом из печи дымовые газы через газопровод подают в верхнюю часть камеры дожигания, в которой дымовые газы смешивают с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива и дополнительно подаваемым воздухом, а также обрабатывают аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды). На выходе из нижней части камеры дожигания дымовые газы направляют в рекуператор с газоохладителем, после чего осуществляют предварительную очистку дымовых газов в вихревом аппарате и очистку дымовых газов в каталитическом реакторе. Затем дымовые газы дополнительно охлаждают в газоохладителе, направляют в рукавный фильтр и далее подают дымососом через фильтр-адсорбер в дымовую трубу. Перед входом в каталитический реактор и после выхода из него дымовые газы обрабатывают аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды). Перед рукавным фильтром дымовые газы разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до температуры эксплуатации рукавов фильтра. После рукавного фильтра дымовые газы разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до температуры конденсации паров ртути и других тяжелых металлов.
В отдельных случаях использования заявляемое изобретение характеризуется тем, что:
- температуру жидкой ванны в процессе сжигания органической части ядохимикатов поддерживают на уровне 800-1000°С, при этом воздух в печь подают нагретым до температуры 350-400°С;
- в печь подают ядохимикаты и щелочные реагенты (например, каустическую соду) при массовом соотношении от 1:0,3 до 1:1;
- в процессе сжигания органической части ядохимикатов жидкую ванну перемешивают сжатым воздухом;
- дожигание дымовых газов осуществляют при температуре 1000-1200°С в течение 2-3 секунд при коэффициенте избытка воздуха 1,4-1,5 и концентрации щелочи в дымовых газах 0,02-0,04 мас.%;
- дымовые газы перед входом в каталитический реактор и после выхода из него обрабатывают аэрозолем водного раствора щелочных реагентов при концентрации щелочи в дымовых газах 0,01-0,03 мас.%;
- дымовые газы перед каталитическим реактором в рекуператоре с газоохладителем охлаждают до температуры 550-600°С, перед рукавным фильтром дымовые газы охлаждают в газоохладителе и разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до температуры 120-125°С, а после рукавного фильтра дымовые газы разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до температуры не выше 45°С.
При использовании изобретения обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности разложения сложных органических соединений, улавливания и обезвреживания продуктов разложения, образующихся при сжигании непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.
При попадании ядохимикатов в печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов (например, каустической соды) органические соединения ядохимикатов разлагаются и, в основном, сгорают. За счет того, что сжигание органической части ядохимикатов осуществляют в печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов обеспечивается существенное повышение эффективности разложения и сжигания продуктов разложения, образующихся в печи.
4
2
4
2
2
3
3
4
2
2
3
2
При этом значительная часть неорганических и кислых неорганических соединений, содержащих хлор, фосфор, серу, оказывается связанной со щелочью в инертные соединения типа NaCl, NaPO, NaSO, NaS и остается в шлаке, который после выдержки в печи не содержит неразложившихся ядохимикатов и растворимых соединений тяжелых металлов. При этом после сжигания осуществляют сливание шлака в жидком виде из печи в шлаковню, где происходит его охлаждение и кристаллизация. Средний расчетный состав шлака такой: NaO - 25%, NaCl - 4%, NaSO - 1,5%, NaSO - 1,5%, SiO - 45%, AlO - 12%, KO - 3%, CaO - 5%, MgO - 3%. Такой шлак относится к веществам четвертой категории вредности, что позволяет вывозить его на близлежащие полигоны для захоронения или использовать для строительных целей, например, как заполнитель для бетона.
Отходящие из печи дымовые газы для дальнейшего обеззараживания, охлаждения и очистки проходят через ряд аппаратов.
x
2
Смешивание выходящих из печи и подаваемых по газопроводу в верхнюю часть камеры дожигания дымовых газов в верхней части камеры дожигания с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива и дополнительно подаваемым нагретым воздухом горения обеспечивает стабильно высокую температуру обезвреживания дымовых газов на уровне 1000-1200°С в течение 2-3 секунд при увеличении содержания кислорода до 8-10%. Обработка при этом дымовых газов аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды) обеспечивает связывание SO, HCl и Cl.
После дожигания дымовые газы направляют в рекуператор с газоохладителем, где осуществляют охлаждение дымовых газов с одновременным нагреванием воздуха горения.
Очистка дымовых газов в каталитическом реакторе позволяет обеспечить разложение и дожигание остатков тяжелых углеводородов и оксида углерода в дымовых газах.
Обработка дымовых газов аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды) перед входом в каталитический реактор и после выхода из него обеспечивает наиболее полное связывание соединений серы и хлора, а при разложении углеводородов на катализаторе происходит восстановление части окислов азота до молекулярного азота.
Дополнительное охлаждение дымовых газов в газоохладителе перед рукавным фильтром, а также разбавление дымовых газов подсасываемым атмосферным воздухом до температуры эксплуатации рукавов фильтра позволяют повысить эффективность очистки дымовых газов в рукавном фильтре.
Разбавление дымовых газов после рукавного фильтра подсасываемым атмосферным воздухом до температуры конденсации паров ртути и других тяжелых металлов обеспечивает конденсацию ртути и других тяжелых металлов в фильтре-адсорбере (например, из углеродной ткани), через который дымовые газы подают дымососом в дымовую трубу.
Осуществление заявляемого способа обеспечивает полное разложение сложных органических соединений до простых безвредных веществ, повышение степени улавливания кислых неорганических соединений, а также предотвращает выброс тяжелых металлов в атмосферу.
Поддержание температуры жидкой ванны в процессе сжигания органической части ядохимикатов ниже 800°С и подача в печь воздуха, нагретого до температуры ниже 350°С, не позволяют обеспечить необходимую текучесть шлака, кроме того, со снижением температуры подаваемого в печь воздуха существенно увеличивается расход топлива на нагревание ванны.
Поддержание температуры жидкой ванны в процессе сжигания органической части ядохимикатов выше 1000°С обуславливает увеличение температурных нагрузок на футеровку печи со снижением ее стойкости, а также обуславливает повышение расхода топлива без существенного улучшения надлежащих условий для нормального протекания реакций в жидкой ванне, кроме того, подача в печь воздуха, нагретого до температуры, которая превышает 400°С, обуславливает увеличение объема выбросов в атмосферу окислов азота.
2
Подача в печь ядохимикатов и щелочных реагентов, в частности использование в качестве щелочного реагента каустической соды, при массовом соотношении, меньшем чем 1:0,3, приводит к увеличению объемов выноса с дымовыми газами кислых веществ (типа Cl, HCl), что, в частности, усложняет дальнейшее обезвреживание и очистку дымовых газов.
Подача в печь ядохимикатов и щелочных реагентов, в частности использование в качестве щелочного реагента каустической соды, при массовом соотношении, большем чем 1:1, обуславливает неоправданный расход щелочного реагента без существенного влияния на улучшение технологических условий процесса обезвреживания в целом.
Дожигание дымовых газов при температуре ниже 1000°С в течение менее чем 2 секунд при коэффициенте избытка воздуха, меньшем чем 1,4, и концентрации щелочи в дымовых газах менее 0,02 мас.% обуславливает значительное увеличение доли сложных органических соединений, которые неполностью дожигаются в камере дожигания.
Дожигание дымовых газов при температуре выше 1200°С в течение более чем 3 секунд при коэффициенте избытка воздуха, большем чем 1,5, и концентрации щелочи в дымовых газах более 0,04 мас.% приводит к неоправданно высокому расходу щелочных реагентов на обеспечение такого содержания щелочи в дымовых газах и к снижению стойкости огнеупорной кладки камеры дожигания вследствие повышения температурных нагрузок.
Обработка дымовых газов перед входом в каталитический реактор и после выхода из него аэрозолем водного раствора щелочных реагентов (например, каустической соды) при концентрации щелочи в дымовых газах менее 0,01 мас.% не позволяет обеспечить полное связывание кислых веществ, оставшихся в дымовых газах, в нейтральные соединения.
Обработка дымовых газов перед входом в каталитический реактор и после выхода из него аэрозолем водного раствора щелочных реагентов (например, каустической соды) при концентрации щелочи в дымовых газах выше 0,03 мас.% приводит к неоправданному перерасходу щелочных реагентов без существенного влияния на процесс обезвреживания в целом.
Охлаждение дымовых газов в рекуператоре с газоохладителем до температуры ниже чем 550°С приводит к снижению эффективности очистки дымовых газов в каталитическом реакторе, расположенном за рекуператором с газоохладителем.
Охлаждение дымовых газов в рекуператоре с газоохладителем до температуры, которая превышает 600°С, не позволяет использовать для очистки дымовых газов каталитический реактор, так как превышение температуры дымовых газов выше 600°С приводит к выходу из строя катализатора в каталитическом реакторе, который расположен за рекуператором с газоохладителем.
Разбавление дымовых газов перед рукавным фильтром подсасываемым атмосферным воздухом с охлаждением дымовых газов до температуры ниже 120°С нецелесообразно из-за того, что такое охлаждение будет обеспечиваться за счет дополнительного подсасывания повышенного объема атмосферного воздуха, что, в свою очередь, приведет к увеличению общего объема дымовых газов, подаваемых в рукавный фильтр на очистку, с одновременным повышением нагрузки на фильтровальные рукава. В частности, для эффективной очистки такого увеличенного общего объема дымовых газов, подаваемых в рукавный фильтр, необходимо увеличение фильтровальной поверхности рукавов рукавного фильтра и использование сверхмощного дымососа с соответствующими капитальными и эксплуатационными затратами, что в целом существенно увеличит себестоимость способа обезвреживания ядохимикатов.
Разбавление дымовых газов перед рукавным фильтром подсасываемым атмосферным воздухом до температуры, которая будет превышает 125°С, обуславливает необходимость использования высокотемпературной фильтровальной ткани для рукавов фильтра, что, в свою очередь, существенно увеличит себестоимость способа обезвреживания ядохимикатов в целом.
Разбавление дымовых газов после рукавного фильтра подсасываемым атмосферным воздухом до температуры, которая будет превышать 45°С, не позволяет обеспечить гарантированную конденсацию паров ртути и соединений некоторых тяжелых металлов в фильтре-адсорбере (например, из углеродной ткани).
В конкретном примере заявляемый способ термического обезвреживания ядохимикатов осуществляется так.
4
2
4
2
Непригодные ядохимикаты в герметичных мешках массой 20-30 кг и пакеты с каустической содой массой 10-15 кг (при обеспечении условия массового соотношения 1:0,5) подают в печь с жидкой ванной из расплава каустической соды, температуру которой поддерживают с помощью горелки на уровне 850°С. Воздух горения подогревают в рекуператоре и подают в печь с температурой 400°С. В ванне из расплава каустической соды органические соединения ядохимикатов разлагаются и сгорают. В процессе сжигания органической части ядохимикатов жидкую ванну с расплавом каустической соды и наполнителем из ядохимикатов перемешивают сжатым воздухом. Значительная часть неорганических и кислых неорганических соединений, содержащих хлор, фосфор, серу, образует со щелочью инертные соединения типа NaCl, NaPO, NaSO, NaS и остается в шлаке, который после выдержки в печи в течение 8 часов не содержит неразложившихся ядохимикатов и растворимых соединений тяжелых металлов. Шлак из печи в жидком состоянии сливают в шлаковню, где происходит его кристаллизация и охлаждение. Выход шлака составляет 110-130% от массы ядохимикатов.
Выходящие из печи дымовые газы подают на вход камеры дожигания с температурой 850-1000°С. Дымовые газы подают через газопровод в верхнюю часть камеры дожигания, в которой дымовые газы смешивают с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого топлива и дополнительно подаваемым воздухом и обрабатывают аэрозолем раствора каустической соды. Дожигание дымовых газов осуществляют при температуре 1100°С в течение 2 секунд при коэффициенте избытка воздуха 1,4 и концентрации щелочи в дымовых газах 0,03 мас.%.
На выходе из нижней части камеры дожигания дымовые газы направляют в рекуператор с газоохладителем, где дымовые газы охлаждаются до температуры 600°С с одновременным нагреванием в рекуператоре воздуха горения до температуры 400°С.
После этого осуществляют предварительную очистку дымовых газов от пыли в вихревом аппарате и очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе с импульсной регенерацией. Перед входом в каталитический реактор и после выхода из него дымовые газы обрабатывают аэрозолем раствора каустической соды при концентрации щелочи в дымовых газах 0,03 мас.%.
Затем перед рукавным фильтром дымовые газы дополнительно охлаждают в газоохладителе до температуры 130°С и разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до температуры 120°С (температуры нормальной эксплуатации рукавов фильтра). После чего дымовые газы направляют в рукавный фильтр для очистки от пыли. После рукавного фильтра дымовые газы также разбавляют подсасываемым атмосферным воздухом до достижения их температуры 45°С. Далее очищенные и охлажденные дымовые газы подают дымососом через фильтр-адсорбер и дымовую трубу в атмосферу. В фильтре-адсорбере, например, из углеродной ткани, расположенном в расширении дымовой трубы, обеспечивается конденсация паров ртути и других тяжелых металлов.
Пыль, которая накапливается после предварительной очистки дымовых газов от крупных частиц пыли в вихревом аппарате, а также после очистки дымовых газов от недогоревших органических токсинов в каталитическом реакторе и после тонкой очистки дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре, направляют на частичное заполнение шлаковни (частичное заполнение осуществляют перед началом процесса сливания шлака в шлаковню).
3
3
3
3
3
-4
3
2
3
3
4
2
2
3
2
После очистки в дымовых газах содержится: пыли - до 10 мг/м, окиси серы - до 50 мг/м, хлористого водорода - до 10 мг/м, окиси азота - до 100 мг/м, диоксина и фурана - до 0,3 нг/м, ртути - до 2·10 мг/м. Такие соединения как NaO, NaCl, NaSO, NaPO, Si, AlО, KО, СаО, MgO остаются в шлаке.
В результате использования заявляемого способа достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности разложения сложных органических соединений, улавливания и обезвреживания продуктов разложения, образующихся при сжигании непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ.