СПОСОБ ПЛАВЛЕНИЯ ЗОЛОШЛАКОВ МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ
METHOD FOR MELTING ASH AND SLAG FROM WASTE INCINERATION PLANTS

Изобретение относится к области переработки твердых коммунальных отходов (ТКО) на мусоросжигательных заводах (МСЗ), а именно, для плавления золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО, с получением экологически безопасного химически инертного шлака, пригодного для использования в строительной отрасли. Изобретение применимо также в других отраслях промышленности, где необходимо плавление рудного материала.
Золошлаковые отходы после мусоросжигания, как правило, токсичны и имеют 3 класс опасности. Различают летучую и подовую золы. Летучая зола уносится из камеры с отходящими газами и задерживается рукавными фильтрами. Она содержит повышенное количество легколетучих и тяжелых металлов и диоксинов, абсорбированных на ее частицах. В подовой золе, которая сбрасывается с колосников печи, также присутствуют тяжелые металлы, но меньше, чем в летучей. Есть они и в шлаках, но присутствуют в малорастворимой форме (оксиды и силикаты) [В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, Г.И. Багрянцев, Х.С. Пак, Плазмотермическая переработка твердых отходов // Экология и промышленность России, 2005; Х.С. Пак Исследование состава и свойств шлака при плазменном переплаве золы мусоросжигательных заводов // Теплофизика и аэромеханика Т18, №2, 2011 с. 325-333; Ariake K., KogaA., MatsuokaY. et. al. Plasma slagging system for incineration of ash // FAPJG, 1995, N144, P. 3-8].
Одним из эффективных путей решения проблемы переработки золошлаковых отходов является их плавление, что приводит к значительному снижению объема золы и переводу ее в инертный (остеклованный) шлак. Эта технология исключает последующее выщелачивание из расплавленного шлака токсичных веществ. Легкокипящие компоненты золы испаряются из расплава и улавливаются в рукавных фильтрах или на охлаждаемых поверхностях. Особо опасные токсиканты, а именно, диоксины и фураны, легко убрать только повышением температуры до 1200-1400°С.
Известна лабораторная плазменная плавильная установка и способ плазменного переплава золы мусоросжигательных заводов (Х.С. Пак. Исследование состава и свойств шлака при плазменном переплаве золы мусоросжигательных заводов // Теплофизика и аэромеханика, 2011, т. 18, № 2, с. 325-334). Плавильная установка состоит из плавильной камеры, плазмотрона, источника питания плазмотрона и системы его запуска, систем анализа, очистки и удаления газа, образующегося в процессе плавления. Плавильная камера имеет огнеупорную подовую футеровку стен, ее конструкция допускает поворот на 180 градусов для слива расплавленного шлака. Для плавления золы используют плазмотрон струйного типа мощностью до 70 кВт. В результате плазменного переплава золы получается свободный от диоксинов, экологически безопасный шлак.
Известная установка имеет маленькую производительность, так как переработка золы осуществляется дискретным методом по 500 г. Система очистки установки не позволяет достичь экологических норм по вредным выбросам.
Известен блок утилизации золы, используемый в составе комплексной районной тепловой станции переработки и обезвреживания промышленного и бытового мусора города [RU 2502017, 10.05.2012, F23G 5/00; RU 2502018, 10.05.2012, F23G 5/00], содержащий плавильный реактор, футерованный изнутри, плазмотрон, бункер золы с механизмом ввода золы, систему слива расплава и грануляции шлака. Для запуска и последующего плавления золошлаковых отходов используют электродуговой плазмотрон.
Длительность непрерывной работы установки зависит от ресурса работы электродов используемого плазмотрона и составляет не более 500 часов.
Таким образом, в известных решениях, в которых для запуска устройств и последующего плавления золошлаковых отходов используют электродуговые плазмотроны, длительность непрерывной работы устройств зависит от ресурса работы электродов используемого плазмотрона. Ресурс работы известных плазмотронов составляет от 100 до 1000 часов [I.A. Sharina, L.N. Perepechko, P.V. Domarov. Development of technology of plasma processing of technogenic wastes (brief review). Journal of Physics: Conference Series. 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1261012031], и, следовательно, через каждые 100-1000 часов необходимо менять электроды или плазмотрон и запускать устройство.
Известны и широко используются в металлургии руднотермические печи(РТП), которые предназначены для проведения восстановительных электротермических процессов, с помощью которых получают чистые металлы или сплавы металлов из руд, содержащих эти металлы в виде окислов или сернистых соединений. В РТП Нагрев перерабатываемых материалов производят за счет резистивного нагрева шихты. Температура в реакционной зоне - 1500-2000°С. Готовый металлический и шлаковый расплавы периодически сливают через отверстия в футеровке ванны («летки»). Для РТП характерны непрерывный режим работы в течение 1-2 лет и высокие удельные расходы электроэнергии на выпуск единицы продукции, что требует наличия мощного энергетического хозяйства. Удельный расход электрической энергии в зависимости от энергоемкости технологического процесса составляет 2,5-13 МВт ч/т сплава.
Известно использование РТП для плавления шихты, состоящей из золы от сжигания углей в топочных камерах котлов и твердого восстановителя (бурого угля) с целью получения пеносиликата [А.В. Прошкин, В.Ф. Павлов, О.Г. Егорова, Д.С. Калиновский. Летучая зола - сырьевая база для новых теплоизоляционных материалов. Энерго- и ресурсосбережение. https://www.lib.tpu.ru/fulltext/v/Bulletin_TPU/2002/v305/i2/39.pdf]
Информации об использовании РТП для плавления золошлаковых отходов от сжигания ТКО МСЗ не найдено.
Известна печь плазменно-дугового типа для плавления золы [JP 2001324124 (A) - 2001-11-22, F23J 1/00; F27B 3/08; F27D 11/08]. Печь снабжена двумя электродами, нижним, расположенным на ее дне, и основным, проходящим через крышку печи. На дне печи на нижнем электроде расположен металлический материал, а на металлическом материале - шлак. Указанное изобретение направлено на решение задачи продления срока службы электродов за счет обеспечения более точного и быстрого запуска печи.
Следует отметить сложность системы запуска указанной печи, так как для запуска требуется наличие расплавленного металла на подине и шлака на металлическом материале. Кроме того, перед запуском указанной печи требуется расплавить металл, что требует дополнительных затрат электроэнергии и времени.
Задача изобретения - создание простой технологии для осуществления длительного, непрерывного и энергоэффективного режима плавления золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на мусоросжигательных заводах, с получением экологически безопасного химически инертного шлака, пригодного для использования в строительной отрасли.
Технический результат - длительноное и непрерывное плавление золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на мусоросжигательных заводах, при незначительном удельном расходе электроэнергии, не превышающем значения, известные из литературных источников, 0,8-1,0 кВт⋅ч / кг золы.
Результат достигается за счет того, что для плавления золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на МСЗ, использую резистивный нагрев золы-уноса и шлака, что обеспечивает непрерывность и длительность работы печи до 2 лет.
Предлагается способ плавления золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на МСЗ, включающий запуск печи, разогрев печи, загрузку материала в объем печи, переплав материала, слив получаемого расплава шлака в водяную ванну, охлаждение расплава шлака и грануляцию. Согласно изобретению, для запуска печи применяют дуговой разряд, поджиг дуги осуществляют между графитированным и подовым электродами, ванну расплава получают путем плавления предварительно загруженных в печь золы-уноса и шлака от сжигании ТКО на МСЗ, переплав золы-уноса и шлака осуществляют за счет резистивного нагрева от протекания тока по электродам, электрической дуге, расплаву и расплавляемым золе-уноса и шлаку. Дуговой разряд применяют для запуска печи при организации первичного канала для прохождения тока, затем переходят на резистивный нагрев золы-уноса и шлака от сжигании ТКО на МСЗ.
Для реализации способа плавления золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на МСЗ, используют плазменно-термическую печь, аналогичную РТП с одним электродом.
На фиг. 1 представлена схема плазменно-термической печи, где: 1 - графитированный электрод (катод); 2 - подовый электрод (анод); 3 - корпус печи; 4 - источник питания электрического тока, включающий выпрямитель и трансформатор; 5 - постоянный расплав (болото или ванна расплава); 6 - золошлаковый расплав; 7 - изложница (емкость для слива переплавленного шлака). Плазменно-термическая печь включает также, непоказанные на фиг. 1, блок загрузки перерабатываемого материала из бункеров через труботечки, блок газоочистки, включающий газоохладитель, фильтры и вытяжную трубу; блок утилизации золы, включающий систему слива переплавленного шлака, изложницу, летку.
Корпус 3 печи представляет собой металлический водоохлождаемый кожух, футерованный изнутри (стены и под) высокотемпературным материалом. В рабочем пространстве печи находится графитированный электрод 1, удерживаемый электрододержателем, погруженный в золошлаковый расплав 6. Подовый электрод 2 расположен в поде печи под постоянным расплавом 5.
Поджиг дуги производят между графитированным электродом 1 и подовым электродом 2. Печь разогревают на золе-уноса и шлаке от сжигания ТКО на МСЗ до получения ванны расплава 5. После разогрева производят загрузку материала, а именно, золы-уноса и шлака от сжигания ТКО на МСЗ, в объем печи. Переплав перерабатываемых золы-уноса и шлака производят за счет теплоты, возникающей при протекании тока по электродам, электрической дуге, расплаву и расплавляемому материалу. Время расплава перерабатываемого материала зависит от объема печи и количества золы-уноса и шлака.
Дымовые газы отводят дымососом через фильтры в вытяжную трубу (на фигуре не показано). Из переплавляемых золы-уноса и шлака в систему газоочистки уходят легколетучие компоненты (K, Na, C, Cl, S) и тяжелые металлы (Zn, Cu, Cd, Pb). Здесь же происходит улавливание вторичной пыли с повышенным содержанием тяжелых и цветных металлов.
распл.слив
Получаемый расплав сливают в изложницу 7 (водяную ванну) через летку, пробиваемую по мере накопления расплава. В водяной ванне происходит охлаждение расплава шлака и грануляция. Температура расплава золы на сливе t=1350°С.
Гранулированный шлак в виде частиц размером до нескольких мм имеет высокую устойчивость к растворению в воде и слабых кислотах. Такой шлак относится к 4 классу опасности и пригоден для строительства автодорог, производства строительных материалов.
В целом способа обеспечивает непрерывную переработку до 90% исходной массы золы-уноса и шлака, образующихся при сжигании ТКО на МСЗ, в экологически безопасные продукты. Диоксины, содержащиеся в исходно материале, в полученном остеклованном шлаке отсутствуют полностью.
Длительность непрерывного режима работы плазменно-термической печи составляет 1-2 года. Удельный расход электроэнергии на плавление золы-уноса и шлака не превышает 0,8-1,0 кВт⋅ч на килограмм золы-уноса и шлака.
Для подтверждения осуществления изобретения была проведена экспериментальная плавка золы мусоросжигательного завода в РТП. В результате переплава золы мусоросжигательного завода получились мелкие частички остеклованного шлака в виде крупного песка (фиг. 2).
На весь цикл переплава 320 кг золы мусоросжигательного завода и 50 кг известняка при получении остеклованного шлака было затрачено 402 кВт ч электроэнергии. Удельные энергозатраты составили 1,08 кВт⋅ч на килограмм золы.
По литературным данным удельные энергозатраты на плавление золы составляют 0,8-1,0 кВт⋅ч на килограмм золы [В.П. Лукашов, С.П. Ващенко, Г.И. Багрянцев, Х.С. Пак, Плазмотермическая переработка твердых отходов // Экология и промышленность России, 2005; Х.С. Пак Исследование состава и свойств шлака при плазменном переплаве золы мусоросжигательных заводов // Теплофизика и аэромеханика Т18, №2, 2011 с. 325-333; Ariake K., Koga A., Matsuoka Y. et al. Plasma slagging system for incineration of ash // FAPJG, 1995, N144, P. 3-8].
Таким образом, показана возможность использования печи, аналогичной известной из области техники руднотермической печи, для переплава золы МСЗ с получением нового технического результата. При этом сохраняется основное преимущество использования такой печи, а именно, длительная непрерывная работа до 2-х лет, а удельные затраты электроэнергии уменьшаются в 2-3 раза и соответствуют известным технологиям, основанным на использовании электродуговых плазмотронов. Следует отметить, что длительность работы известных установок, основанных на использовании электродуговых плазмотронов для плавления золошлаковых отходов МСЗ, зависит от ресурса работы электродов используемых электродуговых плазмотронов, который на сегодняшний момент составляет от 100 до 1000 часов согласно открытым данным.