Автоматизированный энерготехнологический комплекс по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов
AUTOMATED POWER TECHNOLOGICAL COMPLEX FOR DEEP PROCESSING AND RECYCLING OF UNSORTED SOLID DOMESTIC AND INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО) текущего поступления в высокотемпературных печах шахтного типа. Автоматизированный энерготехнологический комплекс по глубокой переработке и утилизации несортированных ТБПО, включающих органические и неорганические компоненты, может найти применение в мусороперерабатывающих предприятиях для снижения экологической нагрузки на окружающую среду некоторых видов отходов промышленных и горнорудных предприятий, а также ТБО коммунальных служб крупных населенных пунктов, в частности, для кардинального оздоровления Московского региона, являющегося одним из самых экологически напряженных районов России.
В настоящее время широко используются термические методы переработки твердых бытовых отходов. Сжигание - наиболее распространенный метод утилизации различных видов отходов, однако данный процесс является высоко затратным и большинство мусороперерабатывающих комплексов не могут быть рентабельными. Для переработки ТБО также используются пиролиз и газификация отходов, которые загружают в агрегат с рабочей температурой до 900°С без доступа кислорода, а полученный пиролизный газ и золу направляют в газификатор с температурой до 1300°С. Указанный процесс не обеспечивает достаточное термическое разложение токсинов содержащихся в газовой фазе из-за сравнительно низкой температуры газификации и не позволяет получать из золы экологически чистый расплавленный шлак (см., например, М.С. Власкин, А.В. Григоренко Воздействие на окружающую среду при обращении с ТКО / Ж. Твердые бытовые отходы, №9, 2018, с. 2-8).
Известны предприятия для переработки твердых бытовых отходов с использованием их сжигания на мусороперерабатывающих заводах (см. например, патенты РФ 2038537, 2045703, 2045708, 2078288, 2079050, 2114357, 2122155, 2126847, 2132997, 30863, 81291, включая предприятия по переработке отходов древесины 39853 и глинозема 67992, а также статью Фрош Р.А., Галлопулос Н.Э. Стратегия промышленного производства., ж. «В мире науки», №11, 1989, с. 86).
К общим недостаткам известных мусороперерабатывающих заводов следует отнести экологическую опасность и несовместимость с близкорасположенными сельскохозяйственными и жилыми объектами по вредным выбросам при многолетней эксплуатации таких заводов. При этом, как известно, образуются собственные вредные газообразные и шлаковидные отходы с неконтролируемым составом, которые требуют захоронения. Необходимо также отметить высокую концентрацию токсинов в сточных водах указанных предприятий в результате использования несовершенной системы газоочистки.
В частности, температурный режим и газовый состав среды в основных модулях мусоросжигающих заводов (МСЗ), аналогичных «Hitachi Zosen Inova AG», приводят к образованию широкого спектра вредных летучих соединений, таких как фураны. Согласно меморандуму от 19 июня 2015 года о сотрудничестве с руководством «Hitachi Zosen Inova AG», в рамках реализации проекта в Московской области, должны быть построены современные мощности по термической переработке ТКО для выработки электроэнергии и тепла с использованием сравнительно низких температур (до 1300°С) при сжигании ТКО в МСЗ. При этом утверждается, что существующие системы газоочистки и уловления вредных веществ в десятки раз более эффективны, чем несколько десятилетий назад (см. интернет - ресурс www.rt-invest.com/news/155/).
Отметим дополнительные минусы технологии рассмотренных мусоросжигающих заводов, главными из которых являются следующие: в процессе переработки ТБО получается зольный остаток до 30% от входного объема перерабатываемых отходов, содержащий до 35-50 килограммов ядовитых и опасных веществ на тонну отходов. При сжигании отходов на МСЗ получаемую золу необходимо капсулировать, остекловывать и захоранивать на специальных полигонах. Кроме того, для приемлемой эксплуатации региональных предприятий такого типа требуется тщательная предварительная сортировка отходов, для этого необходимо создать систему мусоросортировочных комплексов, на порядок превышающих мощность и стоимость мусоросжигательных заводов. Кроме того, мусоросжигающие заводы, аналогичные «Hitachi Zosen Inova AG», не могут перерабатывать неорганические отходы, такие как промышленные отходы машиностроения, металлургии, нефтехимии, горно-обогатительных комбинатов, стройиндустрии, химической и биологической промышленности и т.д.
Новейшие исследования отечественных и зарубежных специалистов показали, что для обеспечения экологически чистой и высокоэффективной переработки ТБПО, в конечном итоге, необходимо обеспечить температуру газовой фазы в высокотемпературном мусороперерабатывающем агрегате на уровне 1950-2100°С, а температуру шлаковой фазы на уровне не ниже 1750°С. В этой связи широко рекламируется технология высокотемпературной плазменной переработки ТБПО, удовлетворяющая указанным условиям по температуре (см., например, Утилизация и переработка твердых бытовых отходов: учебное пособие / А.С.Клинков, П.С.Беляев и др. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015, с. 17). Однако данная технология имеет ряд существенных недостатков в части создания крупных мусороперерабатывающих комплексов ввиду быстрого износа основных элементов плазменных установок и может быть рентабельна только при условии чрезвычайно низкой стоимости электроэнергии.
В последнее время возрождается интерес к высокотемпературным шахтным печам для комплексной переработки бытовых и промышленных отходов.
Известен комплекс для переработки ТБПО, содержащий средства доставки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки (см. патент США №3511194, кл. С 10 в 49/02). Недостатками известного комплекса являются нестабильность процесса переработки отходов по высоте ствола шахтной печи, сравнительно малая стойкость ее конструкции, а также высокие значения выноса вредных газов, пыли и золы из-за отсутствия ее герметизации и соответствующих средств очистки. В целом известная система не обеспечивает глубокой переработки несортированных отходов и необходимых экологических требований при утилизации ТБПО крупных населенных пунктов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному, является автоматизированный энерготехнологический комплекс по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов, содержащий, по крайней мере, одну вертикальную высокотемпературную шахтную печь, средства для подачи в ее верхнюю часть отходов с добавками извести, флюсов, твердого топлива, средства для подачи горячего воздуха (дутья) в нижнюю часть шахтной печи, средства для вывода из печи колошникового газа, жидкого шлака и металла для производства целевых продуктов, энергоустановку для выработки электроэнергии и средства для управления комплексом (см. патент РФ №47492, опублик. 27.08.2005, бюл. №24 - прототип).
Особенностью известного технического решения является то, что оно выполнено, преимущественно, в виде модульной системы переработки ТБПО для крупных населенных пунктов. Известная система содержит средства доставки отходов и, по крайней мере, один модуль для их комплексной переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки. Шахтная печь модуля системы снабжена средствами для ее герметизации в процессе эксплуатации и содержит устройства подачи дополнительных технологических компонентов, содержащих известь, флюсы и низкосортное твердое топливо для стабилизации температурного режима в печи и образования в ней восстановительной среды и зоны деструкции вредных компонентов. Модуль комплексной переработки отходов содержит закрываемые бункеры для ограниченного во времени хранения поступающих на приемную эстакаду отходов, средства для их резки и/или компактирования. Блок очистки уходящих из шахтной печи горючих газов соединен с энергоустановкой для выработки электроэнергии, причем на выходе системы установлены линия непрерывной разливки низкосортного металла в целевой продукт и линия для изготовления изделий из шлака. Кроме того, энергоустановка может быть выполнена с возможностью работы на твердом или жидком топливе и содержать паротурбинную, газотурбинную и/или дизель генераторную установки для комплексной выработки электроэнергии и низко потенциального тепла для нужд теплоснабжения. Комплекс для переработки ТБПО может содержать средства для управления оборудованием и предназначен, преимущественно, для размещения за пределами населенных пунктов.
Такое выполнение известного технического решения по переработке ТБПО предназначалось, прежде всего, для решения задачи создания эффективного мусороперерабатывающего предприятия на основе концепции безотходной системы комплексной переработки широкого класса ТБПО в группе модульных предприятий для обеспечения надежной, удовлетворяющей мировым нормам по вредным выбросам, экологической основы жизнедеятельности крупных городов и мегаполисов.
Проведенные впоследствии исследования базовых характеристик указанного технического решения выявили ряд существенных недостатков, препятствующих эффективному решению поставленных задач по переработке ТБПО. В частности, заявленные в прототипе рабочие параметры высокотемпературной шахтной печи завода-модуля по переработки ТБПО в течение длительного срока эксплуатации с заявленной производительностью от 60 до 500 тыс.тонн/год не могут быть достигнуты без соблюдения не рассмотренных в прототипе специфических требований к конструкции шахтной печи при характерных рабочих температурах в ее объеме порядка 2000°С, необходимых для реализации требуемого процесса переработки ТБПО пониженной плотности. В частности, необходимо учесть, что рабочий объем и основные параметры известной шахтной печи, выполненной по схеме стандартной металлургической доменной печи, рассчитаны, прежде всего, на переработку рудного сырья с зольностью 15-40% при средней плотности шихты в диапазоне 2,6-3,5 т/м3, что диктует общепринятые геометрические и массогабаритные характеристики домны.
Существенно, что переработка ТБПО в шахтной печи такого рода должна быть связана с конструктивными и технологическими изменениями, вызываемыми снижением средней плотности перерабатываемой шихты до значений 1,8-2,5 т/м3 (см., например, М.С. Власкин. Свойства ТКО как энергоносителя / Ж. Твердые бытовые отходы, №8, 2016, с. 26-30). Указанные особенности шахтной печи для переработки ТБПО вызывают значительное снижение давления шихты на ее нижнюю и горновую части. Как следствие, изменяются конструктивные параметры рабочего объема шахтной печи, в частности, соотношения между ее высотой и характерными сечениями. Одновременно снижается количество шлака и металла в горновой части и общая масса вертикальной шахтной печи, ее фундамента, количеств огнеупорного бетона и высокотемпературной футеровки для защиты шахты и горна печи в условиях переработки такого рода ТБПО. Приведенные в прототипе схемные решения не предусматривают необходимый уровень автоматизации и роботизации технологического оборудования и процессов переработки ТБПО в высокотемпературной шахтной печи. Кроме того, не предусмотрены технические решения для переработки некоторых видов рудного сырья при разработке недр или отходов отдельных промышленных предприятий. Также отсутствуют средства для поддержания режимных параметров в рабочем объеме шахтной печи и средства для учета требований к составу технологической цепочки по предотвращению выноса вредных газов, пыли и золы, что не обеспечивает необходимые экологические условия и заданную производительность известной системы при утилизации ТБПО крупных населенных пунктов.
Технический результат изобретения заключается в устранении указанных недостатков, повышении эффективности, расширении функциональных возможностей и снижении затрат на создание автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов, в том числе, отходов с пониженной средней плотностью. Достижение указанного технического результата связано с созданием сравнительно недорогого высокорентабельного, экологически чистого и промышленно применимого энерготехнологического комплекса для прямой комплексной переработки без предварительной сортировки широкого класса ТБПО: муниципальных ТБО, отходов крупных промышленных и перерабатывающих предприятий, отходов строительного производства, некоторых видов рудного сырья от разработки недр, забалансовых горючих материалов, например, сланцев, а также переработки низкокачественных лома, шлаков, высечки и др. В рамках решаемых задач возможно использование предлагаемого автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации отходов производства пластмасс, резиновой промышленности, ряда опасных отходов медицинских учреждений и некоторых химических предприятий, например, связанных с производством и утилизацией источников питания.
Дополнительный технический результат заключается в возможности создания полностью автоматизированного энерготехнологического комплекса, который с учетом указанных требований может длительно эксплуатироваться при минимальном штате обслуживающего персонала сравнительно недалеко от крупных населенных пунктов или вблизи мегаполисов для обеспечения минимальных затрат на коммуникационные связи с поставщиками отходов. Эффективность системы комплексной переработки ТБПО должна быть связана также с быстрой окупаемостью, в том числе, за счет производства собственной электроэнергии, а также дополнительной ликвидной продукции в виде товарного цемента, чугунного литья, строительных изделий из шлака и др.
Указанный технический результат достигается тем, что в автоматизированном энерготехнологическом комплексе по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов, содержащем, по крайней мере, одну вертикальную высокотемпературную шахтную печь, средства для подачи в ее верхнюю часть отходов с добавками извести, флюсов, твердого топлива, средства для подачи горячего воздуха (дутья) в нижнюю часть шахтной печи, средства для вывода из печи колошникового газа, жидкого шлака и металла для производства целевых продуктов, энергоустановку для выработки электроэнергии и средства для управления комплексом, согласно изобретению, содержатся автоматизированные линии для подготовки шихты, переработки шлака и металла, очистки уходящих газов, подготовки дутья и блок автоматического управления работой указанных линий и шахтной печи, геометрические параметры рабочего объема которой в условиях переработки отходов с пониженной средней плотностью характеризуются отношениями: высоты печи к среднему диаметру шахты (распара) 3-5,5, верхнего диаметра (колошника) к среднему диаметру шахты 0,7-1 и среднего диаметра шахты к нижнему диаметру шахтной печи (горну) 1,2-1,8; линия для автоматизированной подготовки шихты включает средства транспортировки отходов на последовательно соединенные четыре участка - приемки, мерной резки отходов в габаритах 0,2-0,6 м, сепарации отходов на минеральные и органо-содержащие составляющие, прессования последних при давлении 0,1-0,6 МПа в указанных габаритах и три дополнительных участка для внесения в отходы расчетных добавок извести, флюсов и твердого топлива с получением шихты заданного состава и ее автоматической послойной загрузки в колошниковую часть печи по выходным командам блока автоматического управления работой линий и шахтной печи с возможностью сохранения ее герметичности по уходящим газам и с учетом данных о текущих результатах измерений пульсаций температуры и расходах поступающих и выходящих из печи указанных компонентов; выходы регенеративных нагревателей линии подготовки дутья для подогрева воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, или воздушных смесей с добавлением жидкого или пылевидного топлива, соединены через распределительные блоки с дутьевыми фурмами, расположенными поясами в области горна и шахты печи, часть фурменных поясов снабжена средствами для стабилизации режимов работы шахтной печи по выходным командам блока автоматического управления путем дополнительной регулируемой подачи независимо или вместе с дутьем требуемого количества твердого или жидкого топлива, извести, флюсов или отходов, преимущественно, в пылевидной или жидкой форме; средства для подогрева регенеративных нагревателей линии подготовки дутья выполнены с возможностью использования различных видов жидкого или газообразного топлива, в том числе, колошникового газа; линия очистки уходящих из шахтной печи горючих газов снабжена, по крайней мере, одним циклоном, мокрым и сухим рукавными фильтрами, электрофильтром и рекуперативным теплообменником, причем между выходом регенеративных нагревателей и дымовой трубой установлены, по крайней мере, один барботер и рекуперативный теплообменник; линия переработки шлака и металла в целевой продукт включает средства для периодического вывода, по сигналам блока автоматического управления, на независимо расположенные участки их розлива в формы для последующего охлаждения, очистки и складирования; указанные и дополнительные источники избыточного тепла снабжены средствами для целей теплофикации, а энергоустановка выполнена с возможностью ее перевода на потребление твердого, жидкого и/или газообразного видов топлива для обеспечения собственных нужд или передачи вырабатываемой электроэнергии внешнему потребителю в соответствии с условиями работы шахтной печи по данным блока автоматического управления.
Кроме того, автоматизированный энерготехнологический комплекс при переработке различных по составу и средней плотности видов отходов может содержать, по крайней мере, две высокотемпературных шахтных печи с независимыми или общими линиями автоматизированной подготовки шихты, переработки шлака и металла, очистки уходящих газов, средствами для подготовки и подачи дутья указанного состава через фурмы в шахтную печь с использованием, преимущественно, одного блока автоматического управления работой указанных линий и шахтных печей, при этом геометрические параметры рабочего объема указанных шахтных печей могут принимать различные значения в предусмотренных пределах в соответствии с уровнем средней плотности и состава перерабатываемой в каждой из печей шихты.
Кроме того, линия выпуска металла из подовой части шахтной печи энерготехнологического комплекса может быть соединена с устройством разливки для изготовления изделий целевого назначения в виде труб и других металлических изделий для коммунальных служб, а линия выпуска шлака может быть снабжена средствами для его охлаждения, формирования строительных блоков или его фракционирования для получения цементного клинкера.
Кроме того, по крайней мере, часть шахтной печи энерготехнологического комплекса, в том числе, линии переработки шлака и металла, могут быть размещены ниже уровня земли.
Кроме того, металлический корпус шахтной печи, по крайней мере, в ее средней и нижней части может быть выполнен из жаростойкой стали с возможностью охлаждения водо-охлаждаемыми холодильниками или циркулирующим в рубашке корпуса жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно, в виде свинцово-висмутового сплава, контур циркуляции которого включает теплообменник-парогенератор, входящий в состав паротурбинной энергоустановки, а средства для утилизации тепла уходящих газов и снижения их токсичности включают адсорбер токсичных компонентов и паротурбинную установку с низкокипящим, например, аммиачным теплоносителем.
Такое выполнение автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов позволяет решить, при сравнительно малых затратах, важную задачу обеспечения экологической жизнедеятельности крупных населенных пунктов, в том числе, Московского региона за счет внедрения современной, высокорентабельной, эффективной и промышленно применимой системы комплексной переработки широкого класса ТБПО, удовлетворяющей мировым нормам по вредным выбросам для предприятий подобного рода.
Снижение отношения высоты печи к среднему диаметру шахты (распара) менее 3 недопустимо для шахтной печи по переработке отходов со средней плотностью менее 1,8-2,5 т/м3 поскольку приводит к значительному снижению давления шихты в горновой части и нарушению температурных режимов в шихте по высоте шахты печи. В свою очередь, превышение указанного отношения более 5,5 т/м3 резко увеличивает габариты и стоимость сооружения. С другой стороны, уменьшение отношения верхнего диаметра шахты к диаметру распара менее 0,7 также приводит к снижению давления шихты в горновой части сверх допустимого, а уменьшение отношения диаметра распара к диаметру горна менее 1,2 не обеспечивает эффективность использования предложенной шахтной печи при переработке некоторых минеральных ТБО, в частности, сырья типа сланцев. В свою очередь, превышение первого из указанных отношений более 1,0 ухудшают условия прохождения шихты до распара и горна, а превышение второго из указанных отношений более 1,8, как правило, не обеспечивает требуемого выхода металла для типовых ТБПО. Средства для мерной резки отходов в габаритах 0,2-0,6 м на втором участке линии обеспечивают приемлемые условия для их подачи на вход шахтной печи, а прессование органо-содержащих составляющих при давлении 0,1-0,6 МПа в указанных габаритах необходимо для сохранения режимов работы печи по максимальному давлению в ее горновой части, поскольку разуплотнение шихты, при прочих равных условиях, приводит к снижению ее максимальной температуры в области распара.
Выполнение линии для автоматизированной подготовки шихты, включающей средства доставки поступающих отходов на последовательно соединенные участки приемки, мерной резки, сепарации отходов на минеральные и органо-содержащие составляющие и их прессование, а также использование в линии последующих участков по внесению в шихту добавок извести, флюсов и твердого топлива в совокупности обеспечивают необходимые и достаточные условия для функционирования шахтной печи по выходным командам блока автоматического управления ее работой с учетом данных о расходах компонентов и о текущих результатах измерений пульсаций расходов компонентов и температуры по высоте шахтной печи. Состав и функционирование линий для переработки шлака, металла и очистки уходящих газов также обеспечивают необходимые и достаточные условия для работы шахтной печи с ТБПО различного состава и плотности. Регенеративные нагреватели линии подготовки дутья указанного состава и распределительные блоки, соединенные с дутьевыми фурмами, расположенными несколькими поясами в области горна и шахты печи, обеспечивают необходимые и достаточные условия для функционирования шахтной печи предложенной конструкции. Подогретый воздух, направляемый в области горна и шахты печи, может подогреваться в электро подогревателе и может быть обогащен кислородом или смесью с добавлением жидкого или пылевидного топлива, что создает дополнительные условия для стабилизации режимов работы шахтной печи по выходным командам блока автоматического управления ее работой.
Выполнение автоматизированного энерготехнологического комплекса на основе двух и более высокотемпературных шахтных печей позволяет повысить эффективность переработки широкого класса различных по составу и средней плотности ТБПО включающих не только органические компоненты, но и неорганические отходы крупных промышленных и перерабатывающих предприятий, отходы строительного производства, некоторых видов рудного сырья при разработке недр и забалансовые горючие материалы, например, сланцы. При этом геометрические параметры рабочего объема шахтных печей могут принимать различные значения в указанных выше пределах в соответствии с уровнем средней плотности перерабатываемой шихты.
Предложенное техническое решение обеспечивает практически полное отсутствие собственных отходов в виде зольного остатка, опасных веществ и вредных выбросов в окружающую среду. Гибкость технологических и компоновочных решений позволяют в широких пределах варьировать мощность энерготехнологического комплекса с производительностью по ТБПО в указанных ранее пределах 60-500 тыс. тонн в год на один модуль со сроком окупаемости от 1,5 до 3,5 лет. Указанное выполнение энерготехнологического комплекса для переработки широкого класса бытовых и промышленных отходов, содержащего модернизированную герметичную вертикальную шахтную печь с указанными средствами контроля рабочих параметров и устройствами приготовления и подачи в печь дутья и дополнительных технологических компонентов, содержащих известь, флюсы и низкосортное твердое топливо, позволяет повысить средний уровень рабочих температур до 2000°С и выше. При этом стабилизируется тепловой режим по высоте шахтной печи, с учетом регулирования параметров расхода вводимых компонентов по результатам текущих измерений температурного поля в шахте по ее высоте. Это обеспечивает выравнивание колебаний температуры шихты также при изменении содержания горючих компонентов в перерабатываемых ТБПО.
Введение указанных добавок в состав шихты позволяет создать в рабочем объеме шахтной печи оптимальные условия для создания зон восстановительной среды и деструкции вредных компонентов, а также создать оптимальные условия для повышения текучести шлака и выделения горючих газов, обладающих высокой теплотворной способностью. Повышение среднего уровня рабочих температур в рабочем объеме шахтной печи достигается, как было указано, за счет подачи кислорода в ее реакционную зону, что обеспечивает стабилизацию теплового режима по высоте печи вне зависимости от колебаний содержания горючих компонентов в перерабатываемых ТБПО. Получаемый в результате переработки отходов и дополнительных количеств топлива высококалорийный горючий газ после очистки используется в энергоустановке для выработки электроэнергии и тепла для обеспечения собственных нужд модуля системы, а также для частичного энергообеспечения близлежащих предприятий или населенных пунктов. Эффективность предложенного комплекса по переработке ТБПО связана, в том числе, с максимально быстрой окупаемостью, за счет производства дополнительной электроэнергии, а также получения ценной ликвидной продукции в виде цемента, чугунного литья, строительных изделий из шлака и др. Использование процессов разливки жидких низкосортного металла и шлака в целевой продукт, дополнительно увеличивает эффективность и окупаемость системы переработки ТБПО.
Практически полное отсутствие собственных отходов и вредных выбросов в окружающую среду, гибкость технологических и компоновочных решений позволяют в широких пределах варьировать мощность предложенного автоматизированного энерготехнологического комплекса с указанными производительностью по ТБПО и сроком окупаемости. Кроме получения шлака и чугуна для изготовления литьевых изделий и шлакоблоков, при соответствующих изменениях предложенного технического решения, могут быть решены важные задачи по получению ферро- и алюмосиликатных сплавов и глинозема. Решение поставленных задач предусматривает выполнение необходимых мероприятий по модернизации шахтной печи и соответствующих средств подготовки и подачи отходов, дополнительных компонентов и горячего воздуха. Ключевым фактором при этом является создание в средней части шахтной печи равномерного по сечению поля температур в шихте до 1600-2000°С и в жидких продуктах плавки вплоть до 2300°С.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации несортированных ТБПО с одной вертикальной высокотемпературной шахтной печью.
Принципиальная схема автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации несортированных ТБПО содержит вертикальную высокотемпературную шахтную печь 1, средства для периодической подачи в ее верхнюю часть отходов с добавками извести, флюсов, твердого топлива, средства для подачи горячего воздуха (дутья) в нижнюю и среднюю части шахтной печи, средства для вывода из печи колошникового газа, жидкого шлака и металла для производства целевых продуктов, энергоустановку 2 для выработки электроэнергии и средства для управления комплексом, которые подробно описаны ниже. Автоматизированный энерготехнологический комплекс содержит линии 3-7 для подготовки шихты, переработки шлака и металла, очистки уходящих газов, подготовки дутья и блок 8 автоматического управления работой указанных линий и шахтной печи 1. При этом существенным фактором для достижения технического результата являются новые геометрические параметры рабочего объема шахтной печи 1. Проведенные исследования показали, что в условиях переработки отходов с пониженной средней плотностью данные параметры характеризуется следующими отношениями: высоты печи к среднему диаметру шахты (распара) 3-5,5, верхнего диаметра (колошника) к среднему диаметру шахты 0,7-1 и среднего диаметра шахты к нижнему диаметру шахтной печи (горну) 1,2-1,8. Для доменной печи плотность шихты при выплавке металла значительно превышает среднюю плотность шихты при переработке ТБПО в предложенном комплексе, вследствие этого и ряда других факторов указанные геометрические параметры рабочего объема доменной печи имеют устоявшиеся значения соответственно: высоты печи к среднему диаметру шахты (распара) 3,5-4,5, верхнего диаметра (колошника) к среднему диаметру шахты 0,7 и среднего диаметра шахты к нижнему диаметру шахтной печи (горну) 1,1-1,15.
Линия 3 для автоматизированной подготовки шихты включает средства транспортировки (не показаны) отходов на последовательно соединенные четыре участка приемки 9, мерной резки 10 отходов в габаритах 0,2-0,6 м, сепарации 11 отходов на минеральные и органо-содержащие составляющие, прессования 12 последних при давлении 0,1-0,6 МПа в указанных габаритах и три дополнительных участка для внесения в отходы расчетных добавок извести 13, флюсов 14 и твердого топлива 15 с получением шихты заданного состава. Автоматическая послойная загрузка шихты в колошниковую часть 16 печи 1 по выходным командам блока 8 автоматического управления работой линий 3-7 и шахтной печи 1 выполнена с возможностью сохранения ее герметичности по уходящим газам и с учетом данных о текущих результатах измерений пульсаций температуры и расходах поступающих и выходящих из печи упомянутых компонентов. Выходы регенеративных нагревателей 17, 18 линии 7 подготовки дутья для подогрева воздуха или воздуха, обогащенного кислородом, или воздушных смесей с добавлением жидкого или пылевидного топлива соединены через распределительные блоки 19 с дутьевыми фурмами 20, расположенными поясами в области горна 21 и шахты печи 1.
Часть фурменных поясов снабжена средствами для стабилизации режимов работы шахтной печи 1 по выходным командам блока 8 автоматического управления путем дополнительной регулируемой подачи независимо или вместе с дутьем требуемого количества твердого или жидкого топлива, извести, флюсов или отходов, преимущественно, в пылевидной или жидкой форме через отдельные линии подачи. Средства для подогрева регенеративных нагревателей 17, 18 линии 7 подготовки дутья выполнены с возможностью использования различных видов жидкого или газообразного топлива, в том числе, колошникового газа. Линия 6 очистки уходящих из шахтной печи 1 горючих газов снабжена, по крайней мере, одним циклоном 22, мокрым и/или сухим рукавными фильтрами 23 электрофильтром 24 и, по крайней мере, одним рекуперативным теплообменником (не показан). Между выходом регенеративных нагревателей 17, 18 и дымовой трубой 25 установлен барботер 26 с пористым фильтром 27 и теплообменником (не показан) с отводом воды при 80°С на теплофикацию. Линии 4, 5 периодического вывода из горна 21 шахтной печи 1 шлака и металла поступают на участки 32, 33 для их переработки в целевой продукт. Вывод шлака и металла осуществляется периодически по сигналам блока 8 автоматического управления. Необходимые исходные данные для работы блока 8 управления и функционирования оборудования комплекса обеспечивают многочисленные датчики 28, 29 температуры Т и расхода R, размещенные по высоте шахтной печи 1, а также на участках линий подготовки шихты, переработки шлака и металла, очистки уходящих газов и подготовки дутья. Розлив шлака и металла в формы для последующего охлаждения, очистки и складирования осуществляется на участках 32, 33. Упомянутые и дополнительные источники избыточного тепла, как было сказано, снабжены соответствующими средствами для целей теплофикации. При этом энергоустановка 2 выполнена с возможностью ее перевода на потребление твердого, жидкого или газообразного видов топлива (условно показаны стрелками) для обеспечения собственных нужд или передачи вырабатываемой электроэнергии внешнему потребителю в соответствии с условиями работы шахтной печи 1 по данным блока 8 автоматического управления. На фиг. 1 электрический подогреватель дутья обозначен аббревиатурой ЭП, поз. 34 обозначен блок подачи к кауперам холодного воздуха, поз. 35 - трансформаторная подстанция и поз. 36 - линия дополнительной подачи с дутьем расчетных добавок извести, флюсов и топлива в диспергированном виде.
Как указывалось, выполнение энерготехнологического комплекса на основе двух и более высокотемпературных шахтных печей позволяет повысить эффективность и расширить диапазон переработки широкого класса различных по составу и средней плотности ТБПО включающих не только органические компоненты, но и неорганические отходы крупных промышленных и перерабатывающих предприятий. При переработке различных по составу и средней плотности видов отходов комплекс может содержать две шахтных печи с независимыми или общими линиями подготовки шихты, переработки шлака и металла, очистки уходящих газов, средствами для подготовки и подачи дутья с использованием, преимущественно, одного блока автоматического управления работой указанных линий и шахтных печей. Геометрические параметры рабочего объема указанных шахтных печей могут принимать различные значения в предусмотренных пределах в соответствии с уровнем средней плотности и состава перерабатываемой в каждой из печей шихты.
Развитием предложенного технического решения является возможность размещения части шахтной печи энерготехнологического комплекса ниже уровня земли, по крайней мере, области заплечиков, горна и участков переработки шлака и металла, что позволит, в известной степени, снизить затраты на создания многометровой вертикальной шахтной печи, упростить средства для загрузки отходов, повысить удобство обслуживания и уровень экологической безопасности комплекса. Другая возможность заключается в том, что металлический корпус шахтной печи, по крайней мере, в ее средней и нижней части может быть выполнен из жаростойкой стали с возможностью охлаждения водо-охлаждаемыми холодильниками или циркулирующим в рубашке корпуса жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно, в виде свинцово-висмутового сплава с температурой плавления до 300°С, контур циркуляции которого включает теплообменник-парогенератор, входящий в состав паротурбинной энергоустановки, а средства для утилизации тепла уходящих газов и снижения их токсичности включают адсорбер токсичных компонентов и паротурбинную установку с низкокипящим, например, аммиачным теплоносителем.
Автоматизированный энерготехнологический комплекс по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов крупных населенных пунктов на примере подмосковного региона функционирует следующим образом.
Местные сборные пункты ТБПО Москвы и городов подмосковного региона с помощью автомобильного и железнодорожного транспорта по магистралям направляют несортированные отходы по согласованному графику к ближайшему автоматизированному энерготехнологическому комплексу на их переработку. Одновременно на комплексы поступают дополнительные компоненты и местный уголь из близлежащих областей для осуществления технологического цикла переработки отходов. Поступающие на каждый из комплексов по внутренним транспортным развязкам ТБПО попадают сначала на участок для кратковременного складирования или непосредственной подачи на участки линии 3 для автоматизированной подготовки шихты. Отходы средствами транспортировки направляют на последовательно соединенные участки приемки 9, мерной резки 10 отходов в габаритах 0,2-0,6 м, сепарации И отходов на минеральные и органо-содержащие составляющие и прессования 12 последних при давлении 0,1-0,6 МПа в указанных габаритах. Затем на дополнительных участках 13-15 в отходы вносятся расчетные добавки извести, флюсов и твердого топлива для получения шихты заданного состава. Автоматическая послойная загрузка шихты в колошниковую часть 16 печи 1 обеспечивается по выходным командам блока 8 автоматического управления работой линий 3-7 и шахтной печи 1, с возможностью сохранения ее герметичности по уходящим газам и с учетом данных о текущих результатах измерений пульсаций температуры и расходах поступающих и выходящих из печи указанных компонентов. Выходы регенеративных нагревателей 17, 18 линии 7 подготовки дутья для подогрева воздуха или воздушных смесей посредством вспомогательных агрегатов (воздуходувок, распылителей жидкого или пылевидного топлива, генераторов обогащенного кислородом воздуха - не показаны) соединены через распределительные блоки 19 с дутьевыми фурмами 20, расположенными поясами в области горна 21 и шахты печи 1.
Одновременно по специальной программе и в соответствии с результатами измерений технологических параметров в печи 1 по транспортеру подаются дополнительные компоненты, такие как подмосковный уголь, известь-содержащие и флюсосодержащие добавки в количестве, определяемом указанными технологическими параметрами. Уходящие из герметизированной шахтной печи 1 колошниковые газы поступают через систему очистки на вход газотурбинной ГТУ и/или паротурбинной ПТУ установок энергоблока 2 для выработки электроэнергии и тепла. Система водоочистки обеспечивает работу узлов оборотного водоснабжения комплекса. На участках, прилегающих к комплексу складируется продукция, полученная на производственных линиях чугунного и шлакового литья. В здании заводоуправления находятся обслуживающий персонал и система круглосуточного автоматического управления технологическим циклом с использованием блока 8 автоматического управления работой комплекса.
Данный комплекс автоматизированной переработки ТБПО отличается высокой степенью надежности и, для такого густонаселенного района как подмосковный регион, позволяет кардинально решить проблему эффективной экологически чистой и промышленно применимой системы комплексной переработки отходов с годовой производительностью до 200 тыс. тонн и более на один комплекс при одновременном получении электроэнергии в количестве до 400 млн. кВт. ч/год, а также дополнительного низко потенциального тепла для нужд теплофикации и, кроме того, изделий и материалов широкого назначения, в том числе, литьевых металлических изделий, шлакоблоков, цемента и многого другого. Предложенная комплекс по переработке ТБПО совместно с использованием систем непрерывной разливки жидких низкосортного металла и шлака в целевой продукт, в значительной степени увеличивает ее эффективность и рентабельность. Основное оборудование, необходимое для создания энерготехнологических автоматизированных комплексов по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов в виде унифицированных заводов-модулей, может выпускаться серийно с использованием богатого опыта строительства доменных агрегатов и сопутствующего оборудования таких отраслей промышленности, как черная металлургия, энергетика, нефтепереработка и др.
В качестве первого головного модуля автоматизированного энерготехнологического комплекса по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов для крупных населенных пунктов предлагается модуль с производительностью 60000 т/год. По оценкам площадь, занимаемая таким заводом-модулем, составляет более 2 га и при непрерывном круглосуточном режиме работы предприятия количество обслуживающего персонала может составить от 50 до 120 человек в зависимости от выбранной номенклатуры выпускаемой продукции. Энерготехнологический автоматизированный комплекс завода-модуля позволяет перерабатывать в товарную продукцию промышленные и бытовые отходы, любые марки углей и углеводородные соединения, резиновые изделия, сланцы, шламы горнодобывающих и горно-обогатительных предприятий, медицинские препараты, яды, химическое оружие, донные отложения водоемов, отходы деревообрабатывающей и целлюлозной промышленности, любую органику, отходы машиностроительных и металлургических предприятий.
Производительность типового завода-модуля по переработке ТБПО в диапазоне от 60.000 до 500.000 тонн в год может выбираться на основе анализа широкого ряда параметров по исходному сырью, используемому оборудованию и др. Все модули могут быть разработаны по единой технологической схеме, предусматривающей газификацию шихты, включающую твердые бытовые, промышленные отходы и местное топливо с получением горючего генераторного газа, который может использоваться для получения электроэнергии и тепла в высокоэффективных тепломеханических агрегатах последнего поколения, снабженных устройствами, исключающими образование токсичных соединений. Наличие в шихте добавок угля наряду с наличием в бытовых и промышленных отходах определенного количества органики приводит к стабилизации температуры в печи, без чего, как известно, выходили из строя лучшие американские заводы системы «Андко-Торракс», построенные в США и Западной Европе в 70-е годы. Наличие в шахте известняка обеспечивает очистку от серы, фтора и хлора. В основной части шахты, кроме зоны деструкции, создается восстановительная среда. Экологические показатели работы завода удовлетворяют практически всем существующим в мире нормам по вредным выбросам. Основное оборудование, необходимое для создания завода, выпускается серийно для таких отраслей, как черная металлургия, энергетика, нефтепереработка. Для обеспечения различных по масштабу переработки ТБПО задач, предлагается мощностной ряд комплексов с производительность по ТБПО 60000 т/год, 200000 т/год и 500000 т/год, из которых могут компоноваться предприятия практически любого масштаба.
В качестве первого, головного завода по переработке ТБПО предлагается создать комплекс производительностью до 200000 тонн/год по ТБПО. По экспертным оценкам площадь, занимаемая таким заводом, составляет порядка 7-12 гектаров, его стоимость для средней полосы России составит порядка 140-200 млн. долларов США. Все технологические процессы на таком заводе максимально автоматизированы. Режим работы завода непрерывный, круглосуточный с 15-суточной ежегодной остановкой на профилактический ремонт. Количество обслуживающего персонала зависит от номенклатуры выпускаемой продукции и может колебаться для модуля на 200000 т/год от ПО до 180 человек. В зависимости от выбранной номенклатуры выпускаемой продукции срок окупаемости завода колеблется в пределах 2,5-3,5 лет. В результате переработки ТБПО предложенный энергокомплекс, как было упомянуто, производит несколько указанных видов товарной продукции:
- горючий газ с теплотворной способностью порядка 1600 ккал/куб. м. и выходом в среднем 2000 куб. м. газа с тонны отходов;
- электроэнергию или тепло на базе энергетического использования части (до 85%) получаемого в процессе переработки ТБПО горючего газа;
- жидкий шлак (в объеме 24000 тонн в год для одного модуля ТБПО), являющийся сплавом неметаллических компонентов шихты, близкий по составу к природному базальту и используемый для производства целого ряда изделий (элементы каменного литья, строительные изделия простой и сложной формы, тепло- и звукоизоляционные материалы, отделочные и декоративные плитки и т.п.);
- жидкий чугун (в объеме 3000 тонн в год для одного модуля ТБПО), получаемый из металлический компонентов ТБПО, идущий далее в литейную переработку;
- каменное литье, тротуарные плиты, облицовочная и декоративная плитка;
- различные виды строительных материалов и конструкций; изделия из «керпена» (керамическая пена); базальтовая минеральная вата; теплоизоляционные маты и плиты;
- прошивные материалы, холсты и ткани и многое другое.
Предлагаемый комплекс обеспечивает максимальный тепловой КПД, выработку наибольшего количества товарной энергии, самую высокую рентабельность по сравнению с другими конкурирующими предприятиями, перерабатывающими ТБПО, которые существуют в мире в настоящее время. Сравнение данной технологии с американской системой «Андко-Торрекс», экономические и экологические показатели которой превосходят все остальные зарубежные системы, показывает, что предлагаемый комплекс превосходит характеристики известной системы более высокой стабильностью процесса, экологической чистотой и гарантированной стойкостью конструкции. На переработку отходов в предложенном комплексе уголь расходуется в меньших количествах (в отходах имеется достаточное количество своих горючих компонентов), он идет только для сглаживания сильных температурных колебаний процесса при переменном составе шахты ТБПО, а также для производства энергии из чистого горючего газа. Загружаемая в печь вместе с ТБПО и углем окись кальция в виде обычной щебенки гарантирует улавливание образующейся в печи обожженной известью серы и всех галогенов (хлора, фтора), содержащихся в заметных количествах в отходах пластмасс, полиэтиленов и других продуктах химической промышленности, попадающих в отходы. Этим также предотвращается возможность образования в шахтной печи диоксинов и других галогеносодержащих органических соединений, которые способны образовываться в отходящих газах типовых мусоросжигающих установок после их вывода из печи и последующем остывании.
Совершенно незатронутой существующими технологиями областью является переработка промышленных отходов, требующая выработки новых эффективных методов. Особое место занимают такие отходы, как автомобильные шины, отходы производства пластмасс, полиэтилена, полихлорвинила и других производств в области химии и нефтехимии, создающие большие трудности при их сжигании или переработке на современных мусороперерабатывающих заводах. В предлагаемом комплексе эти проблемы решены. Не вызывает принципиальных трудностей переработка в высокотемпературной шахтной печи медицинских и биохимических отходов, а также химического и бактериологического оружия (естественно, при условии проведения дополнительных исследований и разработок). Предлагаемая технология реализуется в разработанной исполнителями проекта высокотемпературной шахтной печи, ближайшим аналогом которой является обычная доменная печь, используемая во всех странах мира для выплавки чугуна из железных руд. Используется также и все вспомогательное оборудование и агрегаты обычной доменной печи: система загрузки материалов (шихты) в печь, воздуходувные машины, обеспечивающие подачу воздуха (дутья) в печь для сжигания топлива и горючих элементов ТБПО, регенеративные воздухонагреватели для нагрева подаваемого в печь воздуха до температуры 1200-1400°С, система водяного охлаждения печи и отдельных ее элементов, система очистки отходящих газов в сухих и увлажняющих пылеуловителях и в аппаратах электрогазоочистки, энергоблок, где товарный газ сжигается для получения тепловой и электрической энергии. Используются также аналогичные механизмы для вывода из печи жидкого металла и шлака и передачи их в отделения переработки в товарную продукцию. Все это оборудование давно уже освоено доменными цехами всего мира и выпускается соответствующими машиностроительными предприятиями.
На сегодняшний день отсутствуют публикованные данные о современных разработках или о действующих предприятиях, близких по составу и решаемым задачам к предложенному автоматизированному энерготехнологическому комплексу по глубокой переработке и утилизации несортированных твердых бытовых и промышленных отходов.