СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
METHOD OF WASTE RECYCLING

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при переработке отходов промышленных объектов химической, сельскохозяйственной, пищевой и других отраслях промышленности.
В настоящее время наличие значительного количества разнообразных отходов и их обработка являются серьезной экологической проблемой.
Известен способ высокотермического обезвреживания жидких, пастообразных, их смесей и твердых отходов, включающий загрузку и сжигание отходов, дожигание газообразных продуктов при подаче воздуха, активировн6анного коронным разрядом и выброс отходящих газов, в котором после дожигания осуществляют закалку газов с последующей абсорбцией (RU 2614999, 2018).
При этом активацию воздуха коронным разрядом на этапе дожигания осуществляют с режимом 350-450 разрядов в секунду при напряженности электрического поля до 8 кВ/см и дополнительно подачу воздуха, активированного коронным разрядом, осуществляют при загрузке отходов с режимом воздействия коронного разряда 500-650 разрядов в секунду при напряженности электрического поля до 11 кВ/см, при закалке с режимом воздействия коронного разряда 350-450 разрядов в секунду при напряженности электрического поля до 8 кВ/см, при абсорбции с режимом воздействия коронного, разряда 350-450 разрядов в секунду при напряженности электрического поля до 8 кВ/см, при выбросе отходящих газов с режимом воздействия коронного разряда 250-350 разрядов в секунду при напряженности электрического поля до 6 кВ/см. Недостатки данного способа заключаются в использовании сложной технологической схемы и высоком потреблении энергии.
Более близким к изобретению является способ сжигания твердых бытовых отходов и прочих органических отходов и устройство для его осуществления (RU 2249766, 2005).
2
2
Известный способ включает сжигание отходов при подаче предварительно нагретого воздуха, дожигание газообразных продуктов сжигания, последующую обработку для связывания HCl, Cl, HF, пропускание через теплообменник-котел, газоочистку. При этом 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 проводят в камере каталитического дожигания при температурах 1300-1500°С, обработку для связывания HCl, Cl, 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 дополнительных затрат по измельчению отходов, нагреванию воздуха до высокой температуры, в использовании катализаторов на высокотемпературной стадии дожигания. При этом, при температурах 1320-1350°С и линейной скорости воздушных потоков не ниже 28 м/с в циклонной печи происходит быстрая выработка стенок печи, что приводит к высоким затратам при эксплуатации. Полученная вышеприведенным способом негашеная известь СаО будет иметь высокое содержание тяжелых металлов в своем составе, что значительно снижает круг ее применения в промышленности. Исходя из описания известного способа степень очистки дымовых газов не превышает 75%. Таким образом, известный способ недостаточно эффективен.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение заключается в повышении эффективности способа переработки и степени очистки дымовых газов.
2
Указанная проблема достигается описываемым способом переработки отходов, заключающимся в том, что исходные отходы подвергают сжиганию в барабанной печи при температуре 900-1000°С в присутствии смеси воздуха и восстановителя - водных растворов карбамида или аммиака, которую направляют на сжигание в барабанную печь с линейной скоростью от 6 до 25 м/с в двух направлениях - по ходу дымовых газов в турбулентном режиме и перпендикулярно их направлению сверху вниз, образующийся при сжигании продукт, состоящий из шлаков и дымовых газов, подвергают дожиганию при температуре 1300-1500°С, времени не более 2 сек с одновременной рекуперацией с коэффициентом теплоотдачи 30-60 Вт/мK с получением золошлаковых отходов и первого потока дымовых газов, который направляют в скруббер на очистку путем взаимодействия в течение не более 2 сек первоначально с кальцийсодержащим щелочным реагентом в виде водной взвеси и сорбентом в виде водной взвеси, а затем при температуре 180-200°С с катализатором очистки газов, образующийся при этом второй поток дымовых газов подвергают циклонной очистке с образованием отходов циклонной очистки и третьего потока дымовых газов, который подают на стадию смешения с порошкообразным сорбентом с получением четвертого потока дымовых газов, который направляют на очистку в рукавный фильтр, полученные очищенные дымовые газы сбрасывают в атмосферу, а образующиеся при очистке отходы рециркулируют на стадию смешения с порошкообразным сорбентом.
При этом в качестве кальцийсодержащего щелочного реагента в виде водной взвеси используют известь, доломитовую муку, известняковую муку, в качестве сорбента в виде водной взвеси используют сланцевую золу, цеолит, активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия или их смесь, а в качестве порошкообразного сорбента используют негашеную известь, гашеную известь, известняк, сланцевую золу, цеолит, доломит, активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, гидроксид железа (II), оксид магния, оксид цинка, оксид кобальта, оксид кальция, хлорид железа (III), оксид меди, сульфат меди, фосфат меди, сульфат свинца, фосфат свинца, сульфат кадмия, фосфат кадмия, активированный оксид алюминия или их смесь.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высокой степени контактирования как исходных отходов, воздуха и восстановителя в барабанной печи, так и дымовых газов с сорбентами при очистке указанных газов от загрязняющих веществ.
Сущность изобретения заключается в следующем.
20
12
x
2
2
3
3
4
10
2
5
3
4
2
3
2
2
3
2
4
2
Известно, что при сжигании отходов образуются дымовые газы, содержащие, в частности, продукты недожога, в частности СО, СН., соединения азота: NO (NO+NO,), HNO, HNO, NH, HCN, соединения фосфора: РО, РО (выше 1100°С), НРО, соединения серы: SO, SO, HS, HSO, HSO, соединения хлора: HCl, Cl, соединения фтора: HF, полихлорированные дибензо-n-диоксины (ПХДД) и полихлорированные дибензофураны (ПХДФ), тяжелые металлы, частности, ртуть (Hg), свинец (Pb), кадмий (Cd), таллий (Tl), сурьма (Sb), мышьяк (As), свинец (Pb), хром (Cr), кобальт (Со), медь (Cu), марганец (Mn), никель (Ni), ванадий (V).
При проведении описываемого способа возможно использовать различные виды отходов производства и потребления (твердые, жидкие и пастообразные), в частности, такие как, в том числе, медицинские отходы классов А, Б, В, Г, нефтесодержащие отходы, бытовые отходы.
При этом твердые отходы загружают в приемный бункер при помощи ленточного конвейера. Пастообразные и жидкие отходы направляют в приемный бункер отдельно, при помощи шнекового транспортера.
Из приемного бункера отходы толкателем направляют в барабанную вращающуюся печь. Для воспламенения отходов и поддержания необходимого температурного режима используют горелки. При этом возможно использовать различные виды топлива, например, дизельное топливо по ГОСТ 305/ ГОСТ Р 52368, природный газ по ГОСТ 5542, сжиженный газ по ГОСТ 20448, ГОСТ 27578, ГОСТ 21443, моторное топливо ГОСТ 1667, мазут ГОСТ 10585, нефть ГОСТ 10585, нефть 51858, ГОСТ 9965.
x
2
2
3
3
Исходные отходы подвергают сжиганию при температуре 900-1000°С в присутствии смеси воздуха и восстановителя - водных растворов карбамида (содержание карбамида 20-40%) или аммиака (содержание аммиака 5-10%). При этом происходит нейтрализация, в частности, соединений азота NO (NO+NO,), HNO, HNO, NH, HCN. Расход карбамида составляет 2-8 г/кг отхода, расход аммиака 1-10 г/кг отхода.
Смесь воздуха и восстановителя - водных растворов карбамида или аммиака направляют в барабанную печь с линейной скоростью от 6 до 25 м/с в двух направлениях - по ходу дымовых газов в турбулентном режиме и перпендикулярно их направлению сверху вниз.
Указанную смесь подают по каналам подачи, которые выполнены в верхней части печи. При этом смесь воздуха и восстановителя, направляемую в печь по ходу дымовых газов, подают через каналы с установленными внутри них турбулизаторами.
В результате во вращающейся барабанной печи обеспечивается разнонаправленное, в том числе, турбулентное перемешивание перерабатываемых отходов и смеси воздуха с восстановителем, приводящее к повышению степени контакта смешиваемых компонентов.
2
Образованный в результате сжигания продукт, состоящий из шлаков и дымовых газов, подвергают дожиганию в дожигателе при температуре 1300-1500°С, времени не более 2 сек с одновременной рекуперацией при коэффициенте теплоотдачи 30-60 Вт/мK с получением отводимых золошлаковых отходов и первого потока дымовых газов.
В дожигателе происходит, в том числе, термическая деструкция полихлорированных дибензо-n-диоксинов (ПХДД) и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ).
Дожигатель снабжен рекуператором. Используемый рекуператор предназначен для снятия излишнего тепла дымовых газов и стабилизации температурных процессов горения в дожигателе и барабанной печи. Внутрь рекуператора подают теплоноситель, в частности, воду и осуществляют теплообмен между теплоносителем и дымовыми газами через разделяющую теплопередающую поверхность. Нагретый теплоноситель направляют потребителям.
2
2
При этом при коэффициенте теплоотдачи выше 60 Вт/мK эффективность теплообмена снижается, что приводит к неэффективности процессов сжигания. При коэффициенте теплоотдачи ниже 30 Вт/мK происходит забивание элементов рекуператора сажей и образование комков, что нарушает газообмен и приводит к частичному или полному выходу из строя дожигателя.
Первый поток дымовых газов направляют в скруббер на очистку путем взаимодействия в течение не более 2 сек. первоначально с кальцийсодержащим щелочным реагентом виде водной взвеси и сорбентом в виде водной взвеси, а затем при температуре 180-200°С с катализатором очистки газов.
Кальцийсодержащий щелочной реагент виде водной взвеси и сорбент в виде водной взвеси подают в верхнюю часть скруббера через форсунки, установленные в его верхней части.
При этом в качестве сорбента в виде водной взвеси используют сланцевую золу, цеолит, активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия или их смесь.
В качестве катализатора очистки газов возможно использовать, в частности, такие, как FCR-71, FCR-91, Filtra DS-90E, Cu/ZSM-5, Cu/SAPO-34.
20
12
4
10
2
5
3
4
x
2
2
3
2
2
3
В скруббере дымовые газы подвергаются очистке от широкого спектра загрязняющих веществ, в частности, таких, как продукты недожога (СО, CaH), соединения фосфора (РО, РО, НРО), соединения азота (NO (NO+NO,) и другие, соединения серы (SO, SO, HS, HSO), тяжелые металлы: Cu, Zn, Hg, Cd, Pb, Sn, Fe, Mn, Ag, Cr, Co, Ni, As, Al, Ga, Ge, Mo, Sb, Те, W, Tl, Bi.
При этом вследствие испарения воды, содержащейся в водных взвесях, продукты реакции находятся в виде сухой пыли (летучая зола).
Образующийся при этом второй поток дымовых газов подвергают циклонной очистке с образованием отводимых отходов циклонной очистки и третьего потока дымовых газов. Циклонную очистку проводят при температуре 180-200°С в течение не более 2 сек. Отходы циклонной очистки представляют собой летучую золу с размерами частиц 5-25 мкм.
Третий поток дымовых газов подают на стадию смешения с порошкообразным сорбентом с получением отходов и четвертого потока дымовых газов. Процесс контактирования на стадии смешения проводят при температуре 180-200°С. Стадию смешения возможно осуществлять, например, в смесителе.
В качестве порошкообразного сорбента используют негашеную известь, гашеную известь, известняк, сланцевую золу, цеолит, доломит, активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, гидроксид железа (II), оксид магния, оксид цинка, оксид кобальта, оксид кальция, хлорид железа (III), оксид меди, сульфат меди, фосфат меди, сульфат свинца, фосфат свинца, сульфат кадмия, фосфат кадмия, активированный оксид алюминия или их смесь.
4
10
2
5
3
4
2
3
2
2
3
2
При этом происходит дополнительная нейтрализация таких загрязняющих веществ, как, в частности, соединения фосфора (РО, РО, НРО), соединения серы (SO, SO, HS, HSO), соединения хлора (HCl, Cl,) соединения фтора: HF, тяжелые металлы: Hg, Pb, Cd, Tl, а также ПХДД, ПХДФ.
Образовавшийся четвертый поток направляют на очистку в рукавный фильтр. Очистку проводят при температуре 180-200°С.
Полученные очищенные дымовые газы сбрасывают в атмосферу, а образующиеся при очистке отходы, которые состоят как из отработавших, так и частично отработавших порошкообразных сорбентов, рециркулируют на стадию смешения с порошкообразным сорбентом. Выбор типа кальцийсодержащего щелочного реагента в виде водной взвеси, сорбентов в виде водной взвеси, порошкообразных сорбентов и их количеств зависит от вида исходных отходов.
Пример 1.
Смесь медицинских отходов классов А, Б, В, Г (класс А - 10%, класс Б - 40%, класс В - 25%, класс Г - 25%) подвергают сжиганию в присутствии смеси воздуха и восстановителя - водного раствора карбамида.
Смесь воздуха и восстановителя направляют на сжигание во вращающуюся барабанную печь с линейной скоростью 6 м/с в двух направлениях - по ходу дымовых газов в турбулентном режиме и перпендикулярно их направлению сверху вниз.
Указанную смесь подают по каналам подачи, которые выполнены в верхней части печи. При этом смесь воздуха и восстановителя, направляемую в печь по ходу дымовых газов, подают через каналы с установленными внутри них турбулизаторами.
Сжигание проводят при температуре 900°С. Содержание карбамида в растворе составляет 30%. Расход карбамида составляет 7, 5 г/кг отхода.
Образованный в результате сжигания продукт, состоящий из шлаков и дымовых газов, подвергают дожиганию в дожигателе при температуре 1300°С, времени не более 2 сек с одновременной рекуперацией с получением отводимых золошлаковых отходов и первого потока дымовых газов.
2
В рекуператор, установленный в дожигателе, подают воду и осуществляют теплообмен между теплоносителем и дымовыми газами через разделяющую теплопередающую поверхность. Коэффициент теплоотдачи составляет 30 Вт/мK. Нагретый теплоноситель направляют потребителям.
Первый поток дымовых газов направляют в скруббер, где подвергают взаимодействию в течение не более 2 сек первоначально с гашеной известью в виде водной взвеси и сорбентом в виде водной взвеси - цеолитом NaA при массовом соотношении вода : известь : цеолит NaA, равным 1,0 : 0,20 : 0,7 (учтено общее количество воды, содержащейся в водных взвесях извести и сорбента), а затем при температуре 180°С с катализатором очистки газов, расположенным в нижней части скруббера.
Известь в виде водной взвеси и сорбент в виде водной взвеси подают в скруббер через форсунки, установленные в его верхней части.
В качестве катализатора используют катализатор очистки газов FCR-71 на основе глинозема.
Образующийся после прохождения скруббера второй поток дымовых газов подвергают циклонной очистке, в течение менее 2 сек при температуре 180°С с образованием отводимых отходов циклонной очистки (летучей золы) и третьего потока дымовых газов.
Указанный третий поток дымовых газов направляют на стадию смешения, где подвергают контактированию в смесителе с порошкообразным сорбентом. В качестве порошкообразного сорбента используют смесь порошкообразных извести, активированного угля и гидроксида железа (II) при массовом соотношении порошкообразные известь : активированный уголь : гидроксид железа (II), равном 1,0 : 0,35 : 0,11.
При этом получают четвертый поток дымовых газов и отходы. Четвертый поток дымовых газов направляют на очистку в рукавный фильтр при температуре 180°С.
Очищенные в рукавном фильтре дымовые газы сбрасывают в атмосферу, а образующиеся при очистке отходы рециркулируют на стадию смешения, в смеситель.
Пример 2.
В качестве отходов используют нефтезагрязненный буровой шлам с содержанием нефтепродуктов в количестве 20% мас. Указанный шлам подвергают сжиганию при температуре 970°С в присутствии смеси воздуха и восстановителя - водного раствора аммиака.
Смесь воздуха и восстановителя направляют во вращающуюся барабанную печь с линейной скоростью 13 м/с в двух направлениях - по ходу дымовых газов в турбулентном режиме и перпендикулярно их направлению сверху вниз.
Указанную смесь подают по каналам подачи, которые выполнены в верхней части печи. При этом смесь воздуха и восстановителя, направляемую в печь по ходу дымовых газов, подают через каналы с установленными внутри них турбулизаторами.
Содержание аммиака в растворе составляет 10%. Расход аммиака составляет 3 г/кг отхода.
2
Образованный в результате сжигания продукт, состоящий из шлаков и дымовых газов, подвергают дожиганию в дожигателе при температуре 1380°С, времени не более 2 сек с одновременной рекуперацией с коэффициентом теплоотдачи, составляющем 45 Вт/мK с получением отводимых золошлаковых отходов и первого потока дымовых газов
В рекуператор, установленный в дожигателе, подают воду и осуществляют теплообмен между теплоносителем и дымовыми газами через разделяющую теплопередающую поверхность. Нагретый теплоноситель направляют потребителям.
Первый поток дымовых газов направляют в скруббер, где подвергают взаимодействию в течение не более 2 сек первоначально с доломитовой мукой в виде водной взвеси и сорбентом в виде водной взвеси и затем при температуре 185°С с катализатором очистки газов, расположенным в нижней части скруббера. В качестве сорбента в виде водной взвеси используют смесь в виде водной взвеси активированного глинозема, силикагеля и цеолита NaX при массовом соотношении вода : доломитовая мука : активированный глинозем : силикагель : цеолит NaX, равным 1 : 0,17 : 0,3 : 0,3 : 0,9, соответственно (учтено общее количество воды, содержащейся в водных взвесях доломитовой муки и сорбента).
Доломитовую муку в виде водной взвеси и сорбент в виде водной взвеси подают в скруббер через форсунки, установленные в его верхней части.
В качестве катализатора используют катализатор очистки газов Filtra DS-90E на основе цинка (содержание оксида цинка 90%).
Образующийся после прохождения скруббера второй поток дымовых газов подвергают циклонной очистке при температуре 185°С с образованием отходов циклонной очистки и третьего потока дымовых газов.
Указанный третий поток дымовых газов направляют на стадию смешения, где подвергают контактированию в смесителе с порошкообразным сорбентом. В качестве порошкообразного сорбента используют смесь порошкообразных извести, сланцевой золы, активированного оксида алюминия при массовом соотношении порошкообразные известь : сланцевая зола : активированный оксид алюминия, равном 1 : 0,25 : 0,18. Процесс проводят при температуре 185°С.
При этом получают отходы стадии смешения и четвертый поток дымовых газов, который направляют на очистку в рукавный фильтр при температуре 185°С.
Очищенные в рукавном фильтре дымовые газы сбрасывают в атмосферу, а образующиеся при очистке отходы рециркулируют на стадию смешения, в смеситель.
Пример 3.
Используют твердые бытовые отходы морфологического состава, приведенного в таблице 1.
Твердые бытовые отходы подвергают сжиганию. Сжигание проводят при температуре 1000°С в присутствии смеси воздуха и восстановителя - водного раствора карбамида. Содержание карбамида в растворе составляет 23%, расход карбамида составляет 2,5 г/кг отхода.
Смесь воздуха и восстановителя направляют на сжигание в барабанную печь с линейной скоростью 25 м/с в двух направлениях - по ходу дымовых газов в турбулентном режиме и перпендикулярно их направлению сверху вниз.
Указанную смесь подают по каналам подачи, которые выполнены в верхней части печи. При этом смесь воздуха и восстановителя, направляемую в печь по ходу дымовых газов, подают через каналы с установленными внутри них турбулизаторами.
2
Образованный в результате сжигания продукт, состоящий из шлаков и дымовых газов, подвергают дожиганию в дожигателе при температуре 1200°С, времени не более 2 сек с одновременной рекуперацией с коэффициентом теплоотдачи, равным 60 Вт/мK и получают отводимые золошлаковые отходы и первый поток дымовых газов.
В рекуператор, установленный в дожигателе, подают воду и осуществляют теплообмен между теплоносителем и дымовыми газами через разделяющую теплопередающую поверхность. Нагретый теплоноситель направляют потребителям.
Первый поток направляют в скруббер, где подвергают взаимодействию в течение не более 2 сек. первоначально с известняковой мукой в виде водной взвеси и сорбентом в виде водной взвеси, в качестве которого используют смесь силикагеля и цеолита ZSM-5 в виде водной взвеси, при массовом соотношении вода : известняковая мука : силикагель : цеолит ZSM-5, равном 1 : 0,11 : 0,7 : 0,15 (учтено общее количество воды, содержащейся в водных взвесях известняковой муки и сорбента) и далее при температуре 200°С с катализатором очистки газов, расположенным в нижней части скруббера.
4
2
В качестве катализатора используют катализатор очистки газов FCR-91 (химический состав оксид алюминия и модификаторы 92-95%, SO/Cl/NO - менее 0,01%, другие металлы - менее 0,01%).
Известняковую муку в виде водной взвеси и сорбент в виде водной взвеси подают в скруббер через форсунки, установленные в его верхней части.
Образующийся после прохождения скруббера второй поток дымовых газов подвергают циклонной очистке при температуре 200°С с образованием отводимых отходов циклонной очистки и третьего потока дымовых газов.
Указанный третий поток дымовых газов направляют на стадию смешения, где подвергают контактированию в смесителе с порошкообразным сорбентом - смесью порошкообразных извести, активированного угля, активированного оксида алюминия, хлорид железа (III), железа и фосфата меди при массовом соотношении порошкообразные известь : активированный уголь : активированный оксид алюминия : хлороксид железа : фосфат меди, равном 1 : 0,12 : 0,8 : 0,11 : 0,2. При этом получают отходы контактирования и четвертый поток дымовых газов. Четвертый поток дымовых газов направляют на очистку в рукавной фильтр, осуществляемую при температуре 200°С. Очищенные в рукавном фильтре дымовые газы сбрасывают в атмосферу, а образующиеся при очистке отходы рециркулируют на стадию смешения, в смеситель.
В представленной ниже таблице 2 приведены данные по концентрации загрязняющих веществ в выбросах дымовых газов в атмосферу, образованных при переработке отходов и подвергнутых очистке описываемым способом (примеры 1-3) в сравнении с аналогичными данными по содержанию загрязняющих веществ в выбросах дымовых газов, не подвергающихся очистке.
Из данных таблицы следует, что заявленный способ переработки отходов позволяет при переработке разнообразных отходов, в том числе, с многократным превышением содержания вредных веществ в образующихся дымовых газах, образующихся при сжигании нефтесодержащих отходов, получать стабильно высокие результаты при переработке отходов и очистке дымовых газов, образующихся в результате указанной переработки.
Проведение описываемого способа, в условиях, оговоренных в заявленных интервалах, приводит к аналогичным результатам, проведение данного способа в условиях, выходящих за заявленные пределы, не приводят к желаемым результатам. Проведение заявленного способа с использованием вышеоговоренных типов кальцийсодержащего щелочного реагента в виде водной взвеси, сорбента в виде водной взвеси и порошкообразного сорбента, выбор которых зависит от вида исходных отходов, приводит к высокой степени очистки.
Преимущества используемого в описываемом способе сочетания полусухой технологии очистки газов с одновременной подачей в горячие дымовые газы сорбентов в виде водных взвесей заключаются в более низких инвестиционных затратах, связанных с высокой степенью очистки, пониженной энергоемкостью, отсутствием стоков, значительно более высокой надежностью работ.
Заявленный способ позволяет снизить температуру на стадиях сжигания отходов в печи и стадии дожигания, что приводит к снижению энергозатрат в среднем на 20,0-23,0% отн., а также позволяет повысить степень очистки дымовых газов на 23,0-25,0% отн.