СПОСОБ БЕЗОТХОДНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ И АГРЕГАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
NON-WASTE THERMAL PROCESSING METHOD OF SOLID PUBLIC WASTES, AND UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к металлургии и теплоэнергетике, и может быть использовано для переработки твердых коммунальных отходов (ГКО), медицинских отходов и некоторых твердых техногенных промышленных отходов.
Накопление твердых отходов жизнедеятельности человека требует создания эффективных способов переработки этих отходов, особенно коммунальных (бытовых) отходов.
Обычно известные способы переработки твердых коммунальных отходов применяют после сортировки отходов, с целью извлечения и повторного использования упаковочного картона, бумаги, стекла, пластмасс, металлического лома и уменьшения массы перерабатываемых отходов. Сортировка отходов является дорогой и затратной операцией.
Применяющиеся в мировой практике способы переработки ТКО имеют один существенный недостаток - необходимость захоронения довольно большого количества токсичных продуктов переработки.
Самым эффективным и высокопроизводительным способом переработки ТКО является их сжигание. При сжигании ТКО выделяется большое количество тепла, которое используется для получения электроэнергии, и образуется сравнительно небольшое количество токсичных продуктов переработки: золы и пыли. В то же время сжигание ТКО сильно осложняется из-за низкой средней калорийности влажных отходов и большого количества негорючих компонентов: стекла, костей, металла, строительного мусора и т.д.
Из-за этого и применения воздуха для окисления органических компонентов мусора горение мусора в известных процессах происходит при сравнительно низких температурах (850-1150°C). В результате усложняется, затрудняется или исключается возможность полного сжигания образующихся при подогреве и горении отходов крайне опасных для человека и окружающей среды веществ, включая диоксины и фураны.
Сжигание отходов при невысоких температурах приводит к получению из неорганических компонентов твердой золы, имеющей значительную удельную поверхность и содержащей большое количество вредностей, легко вымывающихся при хранении атмосферной и почвенной влагой. Такая зола хранится на специальных полигонах.
Уловленная в газоочистных сооружениях пыль («летучая зола») содержит много тяжелых металлов, диоксинов, фуранов и других вредностей. Такая пыль должна захораниваться в специализированных хранилищах.
Известны способы переработки отходов, позволяющие частично устранить описанные выше сложности, возникающие при сжигании отходов [1-5]. Предлагается сжигать ТКО в слое жидкого шлака или в шлаковом расплаве с температурой от 1400 до 1500°C с подачей их в расплав, продувая расплав для замешивания в него ТКО кислородсодержащим газом [1, 2].
Известны способы переработки ТКО, предусматривающие загрузку в шлаковый расплав с целью снижения температуры плавления получаемого шлака вещества с высоким содержанием оксида кальция [1, 4] или сульфида кальция вместе с соединениями цветных металлов [2].
Чтобы повысить температуру сжигания отходов предлагается сушить влажные ТКО технологическими газами процесса сжигания либо непосредственно в рабочем пространстве сжигающего агрегата [3], либо в загрузочном устройстве перед загрузкой ТКО в агрегат [4].
Известен способ [5], включающий сушку и нагрев ТКО на колосниковой решетке непосредственно в газовом пространстве над шлаковым расплавом при дополнительной подаче нагретого воздуха выше слоя отходов. При этом проекция площади слоя отходов на плоскость, находящуюся на уровне поверхности расплава, полностью или частично находится вне поверхности шлакового расплава. Для повышения температуры и эффективности процесса шлаковый расплав продувают горячими продуктами сжигания углеводородного топлива. Над поверхностью ванны шлакового расплава подается нагретый до 500-600°C воздух.
3
3
2
Известные способы [1-5] имеют недостатки, не позволяющие их реально осуществить. В слое расплавленного шлака очень трудно сжечь ТКО, так как отходы имеют плотность (около 1 кг/дм), меньшую, чем плотность расплавленного шлака (3-4,5 кг/дм), и стремятся всплыть на поверхность, несмотря на продувку шлака кислородсодержащим газом [1, 2] или горячими продуктами сжигания углеводородного топлива. Кроме того, из-за низкого окислительного потенциала расплавленного шлака окисление (сжигание) органических компонентов отходов протекает в нем медленно и не до конца (углерод окисляется только до СО). Требуется организовывать дожигание СО до СО. При сушке ТКО непосредственно в рабочем пространстве сжигающего устройства [3] увеличиваются расход энергии на испарение влаги и количество отходящих из устройства газов, что снижает температуру процесса сжигания, увеличивает эксплутационные и инвестиционные затраты на газоочистные сооружения. При этом не исключена возможность образования диоксинов и фуранов при медленном нагреве отходов в интервале температур 180-600°C. При организации сушки в загрузочных устройствах [4] также существует потенциальная опасность образования диоксинов и фуранов, соответственно неконтролируемых выбросов в атмосферу диоксинов и фуранов.
Добавки в шлак веществ, содержащих оксид кальция или сульфид кальция, хотя и уменьшают температуру плавления шлака, приводят к получению шлаков, рассыпающихся под воздействием атмосферной и почвенной влаги, непригодных для использования в строительстве. Кроме того, известные способы не позволяют утилизировать пыль, улавливаемую в газоочистке, возможны частые остановки предлагаемых сжигающих агрегатов из-за интенсивного разрушения футеровки в результате химической коррозии, в целом не позволяют обеспечить эффективную непрерывную безотходную переработку ТКО.
Известен [6] способ безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов (патент RU 2343353), выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога заявленного способа.
В известном способе сжигание органических составляющих ТКО производится на поверхности расплавленного перегретого до 1500-1600°C шлака, получаемого из минеральных составляющих отходов и добавляемых одновременно с ТКО флюсов в атмосфере кислорода, вдуваемого комбинированными горелками-фурмами со сверхзвуковой скоростью в плавильной камере, кожух которой охлаждается жидкометаллическим теплоносителем, установленной в устье энергетического котла, служащего для утилизации тепла отходящих газов, с сушкой твердых коммунальных отходов до влажности 5-12% перед подачей в систему загрузки шихты плавильной камеры в конвейерном устройстве, укрытом герметичным кожухом, газообразным азотом, нагретым до 150°C теплом, аккумулированным жидкометаллическим теплоносителем при охлаждении кожуха плавильной камеры.
Кроме того, пыль, уловленную в системе газоочистки агрегата, перерабатывающего ТКО, вдувают инжекторами в шлаковый расплав в плавильной камере, расплавляют и ассимилируют шлаком. Состав и свойства получаемого при переработке ТКО шлака корректируют добавками техногенных отходов черной и цветной металлургии и золы тепловых электростанций, вводимых в плавильную камеру одновременно с ТКО.
Известный способ безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов имеет следующие недостатки:
- низкая техническая и экономическая эффективность процесса;
- низкая производительность из-за сравнительно низкой температуры 150°C сушки влажных твердых коммунальных отходов:
- нерационально большие размеры конвейерного устройства;
- отсутствие быстрого нагрева отходов в интервале температур 180-600°C и вследствие этого образование диоксинов и фуранов в этом интервале температур;
- отсутствие быстрого нагрева отходов из-за нерационального отношения массы загружаемых в единицу времени отходов к массе находящегося в плавильной камере расплавленного шлака;
- отсутствие герметизации загрузки отходов;
- невысокая температура газов в свободном пространстве плавильной камеры;
- нерациональная скорость непрерывного слива избытка шлака из плавильной камеры и способ ее регулирования;
- не определены оптимальные пределы величины удельного расхода газообразного кислорода для сжигания органических компонентов отходов;
- неоговорено рациональное количество флюсов, применяемых для корректировки состава и свойств шлака, находящегося в плавильной камере;
Известен агрегат [7] для непрерывной переработки содержащих оксиды железа материалов (см. патент RU 2344179), выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога агрегата для безотходной термической переработки ТКО.
В известном агрегате, имеющем плавильную камеру с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем кожухом, в рабочем пространстве которого находятся восстанавливаемый шлаковый расплав и восстановленный металлический расплав, контур охлаждения металлического теплоносителя, системы загрузки шихтовых материалов, утилизации тепла и очистки газов, выпуска металлического и шлакового расплавов, для расплавления загруженной шихты и нагрева шлакового расплава, плавильная камера снабжена установленными на 0,3-0,8 м выше максимального уровня шлакового расплава топливокислородными горелками, для вдувания углеродсодержащих материалов и уловленной в газоочистке пыли камера снабжена расположенными на 0,10-0,40 м выше максимального уровня восстановленного металлического расплава инжекторами, для конвейерной загрузки шихтовых материалов и отбора технологических газов камера имеет общее отверстие, расположенное выше уровня шлакового расплава в боковой образующей кожуха, в теплообменниках контура охлаждения для охлаждения металлического теплоносителя применяют азот, который затем используют для инжекций в шлаковый расплав углеродсодержащих материалов и пыли и вдувают для перемешивания в расплав через установленные в футеровке подины пористые пробки, желоба для выпуска шлакового и металлического расплавов смещены относительно друг друга, обеспечивая возможность одновременного слива в один ковш расплавов металла и недовосстановленного шлака.
Известный агрегат для непрерывной переработки содержащих оксиды железа материалов имеет следующие недостатки:
3
- для загрузки шихтовых материалов и отбора технологических газов плавильная камера имеет общее отверстие, при загрузке в плавильную камеру подсушенных твердых коммунальных отходов, имеющих низкую плотность (менее 1 кг/м), выходящие из нее с большой скоростью горячие технологические газы будут уносить в котел-утилизатор большое количество отходов, в результате чего котел может выйти из строя;
- при загрузке твердых коммунальных отходов в отверстие, служащее также и для отбора технологических газов, время пребывания значительного количества этих газов при высокой температуре может быть меньше 2-3 сек, что не обеспечивает стопроцентной гарантии отсутствия диоксинов и фуранов в газах, выбрасываемых в атмосферу;
- негерметизировано загрузочное устройство для подачи твердых коммунальных отходов в плавильную камеру, что может привести к неконтролируемым выбросам в атмосферу;
- отсутствует устройство для поддержания постоянного количества шлака в плавильной камере при непрерывном сливе избытка шлака из камеры;
- тепло, снятое с металлического теплоносителя азотом в системе вторичного охлаждения (теплообменниках контура охлаждения), в процессе используется неполно и недостаточно эффективно.
Предлагаемые способ и агрегат безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов решают задачу повышения эффективности безотходной переработки отходов и экологически безвредной их утилизации.
Предлагаемый агрегат для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов дополнительно решает задачу улучшения конструкции устройства для непрерывной переработки шихты, повышения его производительности и улучшения технико-экономических показателей его работы.
Техническим результатом предлагаемых способа и агрегата для его осуществления является устранение недостатков ближайших аналогов, а именно:
- повышение технической и экономической эффективности процесса переработки твердых коммунальных отходов;
- повышение производительности способа и агрегата;
- обеспечение быстрого нагрева отходов, поступающих в камеру, за счет повышения скорости нагрева загружаемых отходов в интервале температур 180-600°C, наиболее опасном в смысле образования диоксинов и фуранов и исключение процесса образования диоксинов и фуранов;
- герметизация загрузки твердых коммунальных отходов в плавильную камеру;
- повышение температуры газов в свободном пространстве плавильной камеры;
- обеспечение экологически безвредной утилизации отходов путем исключения образования диоксинов и фуранов за счет поддержания рационального отношения массы загружаемых в единицу времени отходов к массе находящегося в плавильной камере расплавленного шлака;
- обеспечение рациональной скорости непрерывного слива избытка шлака из плавильной камеры;
- оптимизация расхода газообразного кислорода для сжигания органических компонентов отходов;
- определение рационального расхода флюсов для корректировки состава и свойства шлака, находящегося в плавильной камере.
- разделение маршрутов загрузки отходов в камеру и отбора горячих технологических газов из камеры для передачи в котел-утилизатор;
- увеличение времени пребывания всего объема технологических газов при высоких температурах (1800°C и более);
- увеличение степени полезного использования тепла, снятого азотом с металлического теплоносителя в теплообменниках системы вторичного охлаждения плавильной камеры.
Технический результат достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.
Технический результат достигается тем, что в способе безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов, включающем сушку отходов перед подачей в плавильную камеру газообразным азотом, загрузку их в плавильную камеру, сжигание органических составляющих в атмосфере кислорода на поверхности расплавленного шлака, полученного из минеральных составляющих отходов и добавляемых флюсов в плавильной камере, корпус которой охлаждают жидкометаллическим теплоносителем, дожигание, утилизацию тепла получаемых газов, их очистку, выпуск избытка накапливающихся шлака и металла, согласно первому изобретению сушку твердых коммунальных отходов производят во вращающейся печи газообразным азотом, нагретым до 200-300°C теплом, отданным жидкометаллическим теплоносителем в системе вторичного охлаждения плавильной камеры, дозируют загружаемых в плавильную камеру в минуту массу высушенных отходов по отношению к массе расплавленного шлака в минуту в пределах m:М=0,0067-0,0045, где m - масса загружаемых в плавильную камеру высушенных отходов; М - масса расплавленного шлака в рабочем пространстве плавильной камеры, температуру газовой фазы над шлаком в свободном пространстве плавильной камеры поддерживают в пределах 1800-1900°C, отработанные технологические газы удаляют из камеры в котел-утилизатор через снабженное охлаждаемым передаточным устройством отверстие в торцевой стенке камеры, скорость непрерывного слива избытка шлака из камеры поддерживают на уровне, обеспечивающем наличие в камере постоянного количества шлака.
3
Кроме того, кислород для окисления органических составляющих твердых коммунальных отходов вдувают в рабочее пространство плавильной камеры в количестве 250-390 нм/т сухих отходов комбинированными горелками-фурмами.
Кроме того, флюсы, необходимые для корректировки состава и свойств шлака, загружают в плавильную камеру вместе с твердыми коммунальными отходами в количестве 10-20% от массы сухих отходов.
Технический результат достигается тем, что в агрегате для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов, содержащем плавильную камеру с системой охлаждения корпуса жидкометаллическим теплоносителем, комбинированные горелки-фурмы и инжекторы для вдувания пыли в стенах, устройства для выпуска избытка шлака и металла, согласно второму изобретению он дополнительно содержит вращающуюся печь для сушки отходов и герметизированный механизм дозированной загрузки сухих отходов в плавильную камеру, соединенный с ней через загрузочное отверстие, в торцевой стенке камеры выполнено отверстие с охлаждаемым патрубком для отбора и подачи горячих отработанных технологических газов в котел-утилизатор, в боковой стенке плавильной камеры расположено выпускное отверстие для слива шлака с устройством для поддержания постоянного количества шлака в плавильной камере при непрерывном сливе избытка шлака из камеры, система охлаждения корпуса плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем соединена с вращающейся печью сушки твердых коммунальных отходов для подачи в нее нагретого до 200-300°C азота.
Кроме того, отверстие для загрузки твердых коммунальных отходов и флюсов в плавильную камеру расположено в противоположной отверстию для отбора газов части плавильной камеры в торцевой или боковой стенке корпуса.
Кроме того, диаметр отверстия с охлаждаемым патрубком для отбора и подачи горячих отработанных технологических газов в котел-утилизатор составляет 0,5-2,0 м.
Сушка твердых коммунальных отходов во вращающейся печи газообразным азотом, нагретым до 200-300°C теплом, отданным жидкометаллическим носителем в системе вторичного охлаждения плавильной камеры, обеспечивает большую скорость процесса сушки, меньшее содержание влаги в отходах, повышение производительности вращающейся печи и всего агрегата в целом, а также возможность более полного полезного использования тепла, снятого с корпуса плавильной камеры, уменьшение суммарных тепловых потерь и соответственно повышение эффективности работы агрегата.
Дозирование массы загружаемых в плавильную камеру в единицу времени (в 1 минуту) высушенных отходов к массе расплавленного шлака в рабочем пространстве плавильной камеры в пределах m:М=0,0067-0.0045, где m - масса загружаемых в плавильную камеру высушенных отходов, М - масса расплавленного шлака в рабочем пространстве плавильной камеры, обеспечивает исключение случайных выбросов пыли и газа из рабочего пространства, а также гарантирует очень быстрый нагрев загружаемых отходов в интервале температур 180-600°C, наиболее опасном в смысле образования диоксинов и фуранов и позволяет полностью исключить нежелательный процесс образования этих вредностей.
Выход за оптимальные пределы дозирования массы загружаемых в плавильную камеру высушенных отходов по отношению к массе расплавленного шлака в единицу времени (в 1 минуту) нецелесообразен.
Отношение массы загруженных за 1 минуту отходов к массе шлака: m:M=0,0070 нерационально, т.к. не происходит быстрый нагрев отходов в интервале температур 180-600°C, наиболее опасном в смысле образования диоксинов и фуранов, что не позволяет полностью исключить нежелательный процесс образования этих вредностей.
При m:М=0,0040 снижается производительность способа из-за малой скорости загрузки.
Поддержание температуры газовой фазы над шлаком в свободном пространстве плавильной камеры в пределах 1800-1900°C также способствует очень быстрому нагреву загружаемых отходов, кроме того, такая температура способствует деструкции (разложению) тех вредных веществ, включая диоксины и фураны, которые уже были в загруженных отходах.
Удаление отработанных технологических газов из плавильной камеры в котел-утилизатор через снабженное охлаждаемым патрубком отверстие в торцевой стенке камеры обеспечивает уменьшение выноса пыли из агрегата и увеличение времени пребывания нагретых технологических газов в условиях высоких температур, соответственно гарантирует деструкцию (разложение) диоксинов и фуранов, случайно попавших в рабочее пространство камеры.
Поддержание скорости непрерывного слива избытка шлака из камеры на уровне, обеспечивающем наличие в плавильной камере постоянного количества шлака, обеспечивает необходимый быстрый нагрев загружаемых в камеру отходов и большую скорость окисления органических составляющих отходов и плавления минеральных составляющих отходов. Соответственно в таком случае увеличивается производительность процесса и повышается эффективность работы агрегата.
3
Вдувание в рабочее пространство плавильной камеры комбинированными горелками-фурмами кислорода для окисления органических составляющих твердых коммунальных отходов в количестве 250-390 нм/т сухих отходов обеспечивает эффективную и высокопроизводительную работу агрегата.
Загрузка необходимых для корректировки состава и свойств шлака флюсов вместе с твердыми коммунальными отходами в количестве 10-20% от массы сухих отходов обеспечивает получение в рабочем пространстве плавильной камеры шлака, по составу и свойствам необходимого для нормального функционирования агрегата и пригодного для безопасного для человека и окружающей среды применения шлака в строительстве.
Отверстие для отбора горячих отработанных технологических газов диаметром 0,5-2,0 м (для различных размеров плавильной камеры и производительности агрегата), расположенное в торцевой стенке плавильной камеры, соединенное с котлом-утилизатором охлаждаемым патрубком такого же диаметра, обеспечивает уменьшение выноса пыли из плавильной камеры и увеличивает время пребывания технологических газов в условиях высоких температур, что гарантирует отсутствие диоксинов и фуранов в газах, выбрасываемых в атмосферу.
Расположение отверстия для загрузки твердых коммунальных отходов и флюсов в плавильную камеру в противоположной отверстию для отбора газов части плавильной камеры обеспечивает меньший вынос пыли и исключает возможность выноса составляющих отходов из камеры в котел-утилизатор.
Герметичный механизм дозированной загрузки твердых коммунальных отходов в плавильную камеру обеспечивает быстрый нагрев загружаемых отходов в интервале температур 180-600°C, исключает возможность образования диоксинов и фуранов в этом интервале температур и предотвращает неорганизованные выбросы пыли и газов в атмосферу.
Устройство, которым снабжено выпускное отверстие для слива шлака, обеспечивает наличие постоянного количества шлака в плавильной камере при непрерывном сливе избытка шлака и гарантирует быстрый нагрев загружаемых отходов, а также быстрое их сжигание.
Соединение системы вторичного охлаждения плавильной камеры непосредственно с вращающейся печью сушки твердых коммунальных отходов для подачи в нее нагретого до 200-300°C азота обеспечивает быструю и глубокую сушку влажных отходов и повышение производительности агрегата.
Сущность заявленного способа и агрегата для его осуществления поясняется следующими чертежами.
На рисунке 1 показана технологическая схема безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов (вид А-А агрегата для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов).
На рисунке 2 показан агрегат для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов (вид сверху).
На рисунке 3 показан поперечный разрез агрегата для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов (вид Б-Б).
Способ безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов осуществляется следующим способом.
В плавильную камеру 3 загружают легкоплавкие отходы черных металлов (чугунная стружка, мелкая стальная обрезь). Включают комбинированные топливокислородные горелки-фурмы 4 в режиме работы горелками и наплавляют жидкую металлическую ванну, чтобы предохранить огнеупорную футеровку металлической ванны от разрушения жидким перегретым шлаком. Затем, загружая в плавильную камеру 3 легкоплавкие флюсы (шлаки производства меди и никеля), наплавляют необходимую массу шлака. В процессе наплавления шлака во вращающуюся печь 1 загружают влажные твердые коммунальные отходы и сушат их нагретым до 200-300°C азотом. После наплавления необходимой массы шлака комбинированные горелки-фурмы 4 переключают на режим работы кислородной фурмой и герметизированным механизмом 2 дозированной загрузки загружают высушенные отходы с заданной скоростью в плавильную камеру 3 на поверхность перегретого шлакового расплава. Органические составляющие твердых коммунальных отходов в атмосфере кислорода быстро окисляют, при этом выделяется большое количество тепла, минеральные компоненты твердых коммунальных отходов плавятся и поступают в шлак, температура шлака повышается до 1500-1650°C, температура газовой фазы над шлаком в свободном пространстве плавильной камеры 3 повышается до 1800-1900°C. Отработанные технологические газы через отверстие 6 с охлаждаемым патрубком 7 в торцевой стенке камеры 3 поступают в котел-утилизатор (на рисунке не обозначен), где их дожигают, а тепло газов используют для получения пара высоких параметров, используемого для выработки электроэнергии. Через выпускное отверстие 13 для шлака из плавильной камеры 3 непрерывно сливают избыток шлака, поддерживая устройством 14 скорость слива шлака, обеспечивающую постоянное количество шлака в плавильной камере 3.
3
Расход кислорода, вдуваемого комбинированными горелками-фурмами 4 в рабочее пространство камеры 3 для окисления органических составляющих отходов, поддерживают на уровне 250-390 нм/т сухих отходов. Для корректировки состава и свойств шлака вместе с твердыми коммунальными отходами в плавильную камеру 3 загружают флюсы в количестве 10-20% от массы сухих отходов. Металл, накопившийся на подине плавильной камеры 3, периодически выпускают из нее через летку 12, снабженную запорным устройством (на чертеже не показано).
Агрегат для безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов содержит плавильную камеру 3 с охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем корпусом 5, в рабочем пространстве которой перерабатываются твердые коммунальные отходы и находятся шлаковый расплав, а также некоторое количество жидкого металла, полученного из металлических компонентов отходов, в футерованной ванне 8. Рабочее пространство плавильной камеры 3 ограниченно полым металлическим корпусом 5, внутри которого находится жидкометаллический теплоноситель. Снаружи корпус плавильной камеры 3 охлаждается азотом и охвачен металлической оболочкой, ограничивающей пространство 9 для движения азота в системе 9 вторичного охлаждения камеры 3. В стенах корпуса плавильной камеры 3 установлены комбинированные топливокислородные горелки-фурмы 4, служащие для наплавления шлаковой ванны при запуске процесса и подачи кислорода, необходимого для окисления органических составляющих отходов в процессе их переработки. В стенах корпуса камеры 3 также расположены инжекторы 10 для вдувания в шлаковый расплав пыли, уловленной газоочистными устройствами. В торцевой стенке плавильной камеры 3 имеется отверстие 6 для отбора горячих технологических газов, имеющее диаметр 0,5-2,0 м. Отверстие 6 соединено с котлом-утилизатором (на рисунке не обозначен), охлаждаемым патрубком 7 такого же диаметра. В противоположной части плавильной камеры 3 имеется загрузочное отверстие 11 для загрузки в камеру 3 высушенных коммунальных отходов и флюсов, соединенное с герметизированным механизмом 2 дозированной загрузки твердых коммунальных отходов. В боковой стенке корпуса плавильной камеры 3 расположено выпускное отверстие 13 для слива избытка шлака с устройством 14 для регулирования скорости слива шлака и поддержания постоянного количества шлака в плавильной камере 3 при непрерывном сливе избытка шлака из камеры.
Система вторичного охлаждения 9 корпуса плавильной камеры 3 непосредственно соединена с вращающейся печью 1 сушки твердых коммунальных отходов для подачи в печь 1 нагретого до 200-300°C азота.
Работа агрегата осуществляется следующим образом.
При запуске процесса комбинированными горелками-фурмами 4 наплавляют и нагревают необходимое количество шлака из загружаемых в плавильную камеру 3 легкоплавких флюсов, например шлаков медного и никелевого производства. В процессе наплавления шлаковой ванны в приемное устройство вращающейся печи 1 загружают влажные твердые коммунальные отходы. Навстречу отходам из системы вторичного охлаждения 9 плавильной камеры 3 подается горячий азот с температурой 200-300°C. После наплавления и нагрева нужного количества шлака герметизированным дозирующим механизмом 2 в камеру 3 загружают высушенные отходы со скоростью, необходимой для поддержания требуемого отношения масс загружаемых в 1 минуту отходов, находящегося в рабочем пространстве камеры 3 расплавленного шлака. Органические составляющие отходов окисляют кислородом, вдуваемым в рабочее пространство комбинированными горелками-фурмами 4, работающими в режиме кислородных фурм. Горячие технологические газы отбираются из камеры 3 через отверстие в торцевой стенке 6 и передаются в котел-утилизатор охлаждаемым патрубком 7. Избыток шлака сливают из плавильной камеры через выпускное шлаковое отверстие 13 со скоростью, обеспечивающей постоянное количество шлака в камере 3. Скорость слива избытка шлака регулируют устройством 14. В систему вторичного охлаждения 9 подают холодный азот, азот отнимает тепло у жидкометаллического теплоносителя, нагревается до температуры 200-300°C и поступает во вращающуюся печь 1 для сушки твердых коммунальных отходов. Пыль, уловленную в газоочистных сооружениях, инжекторами 10 вдувают в шлаковый расплав, находящийся в рабочем пространстве плавильной камеры 3.
Примеры конкретного осуществления, подтверждающие возможность внедрения в производство предложенного способа и агрегата для его осуществления.
Пример 1.
Муфельную печь наполняли азотом, нагревали до требуемой температуры, не снижая температуру, загружали в печь 2 кг влажных твердых бытовых отходов с влажностью 30% и производили сушку отходов, удаляя и конденсируя выделившийся пар, в течение 1 часа. Эксперименты проводили при температуре печи 150, 200, 250°C. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что увеличение температуры газовой фазы при сушке ТБО ускоряет процесс сушки. Более высокие температуры газа в экспериментах не использовали, т.к. максимальная температура азота на выходе из системы вторичного охлаждения плавильной камеры не превышает 300°C.
Уменьшение температуры газовой фазы до 195-199°C при сушке ТБО замедляет процесс сушки, снижает производительность вращающейся печи и всего агрегата в целом.
Таблица 1
Температура азота, °C
Количество опытов
Исходная влажность, %
Количество конденсированной влаги, среднее, г
150
3
30,0
200
200
3
30,0
300
250
3
30,0
400
Пример 2.
С использованием прозрачной гидравлической модели заявленного агрегата, выполненной в масштабе 1:10, производили следующие эксперименты. Шлаковый расплав моделировали водой, в воду, моделируя кислород, вдували компрессорный воздух, расход его определяли в соответствии с положениями теории подобия. В одной серии опытов загрузку мелких частиц пробки, моделирующих отходы, в рабочее пространство модели производили через тоже отверстие, через которое удаляли (отсасывали) избыточный воздух из модели, расположенное в верхней части модели, улавливая выносимые частицы. Во второй серии опытов загрузку частиц пробки производили в то же самое отверстие, а избыточный воздух удаляли через второе отверстие, расположенное в противоположной торцевой стенке модели, также улавливая выносимые частицы. Масса частиц, выносимых из рабочего пространства модели в первой серии опытов, в 8,5 раз превышала массу частиц, выносимых из частиц рабочего пространства модели во второй серии опытов. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности загрузки отходов и отборе технологических газов из плавильной камеры через разные отверстия, удаленные друг от друга.
Пример 3.
В дуговой сталеплавильной печи вместимостью 6 тонн наплавляли слой шлака массой 5 тонн и нагревали шлак до 1600°C. В печь подавали кислород и на расплавленный шлак загружали периодически порции высушенных твердых бытовых отходов (влажностью 10%) так, чтобы отношение массы загруженных отходов к массе наплавленного в печи шлака менялось в пределах 0,010-0,011; 0,0067-0,0062; 0,0050-0,0045.
Для каждой порции загруженных отходов засекали время полного сгорания органической составляющей отходов и полного расплавления минеральной составляющей отходов. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Отношение массы загруженных за 1 минуту отходов к массе шлака
Время полного сгорания органических составляющих и полного расплавления минеральных составляющих, секунд
0,0100-0,0110
65,0
0,0067-0,0062
19,0
0,0050-0,0045
10,0
Полученные результаты подтверждают возможность быстрого нагрева загружаемых отходов при отношении массы загружаемых в 1 минуту отходов к массе расплавленного шлака в пределах 0,0067-0,0045.
Пример 4.
В графитовом тигле установки электрошлакового переплава на слое расплавленного шлака сжигали твердые бытовые отходы совместно с некоторым количеством флюсов. При температуре получаемого из отходов шлака 1600°C определяли жидкотекучесть шлака.
Наибольшую жидкотекучесть имели шлаки, полученные при переработке отходов с добавками 15-17% кислого шлака никелевого производства. При добавках флюса менее 9% от массы получаемого шлака жидкотекучесть шлака была низкой.
Литература:
1. Патент RU 2045703 «Способ термической переработки твердых отходов», заявитель и обладатель АОЗТ «Алгон», авторы: Усачев А.Б., Роменец В.А., Гребенщиков В.Р., Баласанов А.В., Чургель В.О.
2. Патент RU 2045708 «Способ переработки твердых бытовых отходов», заявитель и обладатель «Гинцветмет», авторы: Калнин Е.И., Гречко А.В., Мечев В.В., Денисов В.Ф., Шишкина Л.Д., Зиберов В.Е., Хайлов Е.X., Генералов В.А.
3. Патент RU 2064506, МКИ-6: «Способ переработки твердых бытовых отходов в шлаковом расплаве», заявитель Роттекберг В.П., Еленина Л.В., они же авторы и обладатели патента.
4. Патент RU 2208202, «Способ переработки твердых бытовых отходов и мелкодисперсных промышленных отходов», заявитель ОАО «Липецкстальпроект», авторы и обладатели патента: Решетняк А.Ф., Конев В.А., Серяков Н.И., Мамаев А.Н.
5. Патент RU 2265774. «Способ переработки твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов», авторы: Баласанов А.В., Батыгин С.В., Бернадинер М.Н., Гринберг Ю.М., Девитайкин А.Г., Лебедев А.В., Теслика И.Е., Усачев А.Б., Гайкин Б.С., патентообладатель: ЗАО «ВНИИЭТО», ООО «Стальпроект».
6. Патент RU 2343353 «Способ безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов», авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А., патентообладатель ООО Промышленная компания «Технология металлов» (RU).
7. Патент RU 2344179, «Способ непрерывной переработки содержащих оксиды железа материалов и агрегат для его осуществления» авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А., патентообладатель ООО Промышленная компания «Технология металлов» (RU).