Технологическая схема установки термического обезвреживания твердых отходов.

Технологии термического обезвреживания отходов

При сопоставлении различных технических и конструкторских решений на установках для сжигания отходов необходимо сравнивать как минимум сами печи и системы очистки продуктов сжигания, в первую очередь дымовых газов.

Для МСЗ было предложено использовать несколько различных базовых конструкций и их модификаций, хорошо себя зарекомендовавших в отраслях промышленности.

3.1 Печь с неподвижной колосниковой решеткой

Для сжигания твердых отходов используют печи и топки различных конструкций.

На рисунке 2 представлена схема печи с неподвижной ступенчатой колосниковой решеткой.

1-бункер; 2-шахта; 3-сопло для подачи вторичного воздуха; 4-огнеупорная насадка; 5-первая ступень топки; 6-камера дожигания; 7-подача воздуха; 8-наклонная колосниковая решетка; 9-слой отходов

 

Отходы из бункера 1 через шахту 2 попадают на наклонную или ступенчатую колосниковую решетку 8. Слой отходов 9 под действием собственного веса медленно сползает по решетке к месту выгрузки золы. Органические составляющие отходов сгорают частично в слое, а частично над слоем 5, куда дополнительно подается вторичный воздух через сопло 3. Основное количество воздуха 7 поступает под решетку.

Несгоревшие органические вещества вместе с дымовыми газами проходят огнеупорную насадку 4, предназначенную для турбулизации газового потока, и дожигаются в камере 6. Золу удаляют из печи вручную.

Печи довольно чувствительны к сжиганию пластмасс и других плавких веществ, способных забивать решетки колосников, и требуют предварительного измельчения крупно- габаритных отходов. Используются для получения энергии.

Печь с криволинейно-выпуклой колосниковой решеткой

Печь содержит камеру сжигания 1(рис 3), колосниковую решетку 2 и расположенную над ней загрузочную шахту 3. Поверхность 4 центральной части решетки выполнена криволенейнно-выпуклой и сплошной и снабжена установленным с возможностью вращения и расположенным под загрузочной шахтой 3 распределителем 5 в виде конуса 6, на боковой поверхности которого закреплены лопасти 7 [2].

 

– камера сжигания; 2 – колосниковая решетка; 3 – загрузочная шахта; 4 – криволинейно – выпуклая поверхность решетки; 5 – распределитель; 6 – конус; 7 – лопасти; 8 – секции; 9 – горелка; 10 – сопла; 11 – патрубки для тангенциального подвода воздуха на горение; 12 – патрубок выхода дымовых газов; 13 – золовой затвор.

 

Поверхность 4 центральной части колосниковой решетки составляет 60 – 80 % от общей площади. Периферийная часть колосниковой решетки выполнена перфорированной и состоит из отдельных секций 8 с возможностью их поворота на 90o для ссыпания золы. Конус 6 может быть выполнен либо сплошным, либо полым с возможностью подвода охлаждающей среды. Угол при вершине конуса составляет менее 90o. Лопасти 7 выполнены в виде пластин и располагаются на боковой поверхности конуса от вершины к основанию либо по образующей, либо под углом к образующей. В конкретной печи пластины располагаются по эвольвенте.

В камере сжигания 1 размещены горелка 9, сопла 10 для струйного дутья воздуха патрубки 11 для тангенциального подвода воздуха на горение, патрубок 12 выхода дымовых газов.

В конусной части камеры сжигания размещен золовой затвор 13.

Сжигание отходов в предлагаемой конструкции печи происходит следующим образом. Через загрузочную шахту 3 отходы загружают в камеру сжигания 1 таким образом, чтобы отходы заполнили загрузочную шахту 3. За счет сил сцепления между кусками отходы размещаются на поверхности 4 в виде столба, верхняя часть которого находится в загрузочной шахте. После окончания загрузки разжигают горелку 9, работающую на жидком топливе либо на газе. При достижении в камере сжигания температуры ~400oC отходы воспламеняются. После воспламенения отходов начинают вращать распределитель 5. При вращении последнего лопасти 7, захватывая отходы, перемещают их от центра к периферии, образуя спиралеобразную волну из отходов, которая перемещается за счет давления следующей волны. Этому движению способствует также криволинейный выпуклый под. Причем высота волны уменьшается по мере продвижения ее к периферии пода, поскольку объем волны, если не учитывать выгорание отходов остается постоянным, а периметр увеличивается. Все это обусловливает равномерное распределение отходов по всей поверхности пода печи, что способствует более полному выгоранию отходов, поскольку в центральной части пода, где высота и порозность слоя наибольшие, происходит пиролиз отходов и горение летучих. По мере выгорания летучих порозность слоя снижается и доступ кислорода для горения к поверхности отходов ухудшается, но благодаря продвижению волны слой отходов уменьшается, что способствует более полному их выгоранию. Переменный угол наклона пода способствует автоматическому отделению золы. Изменением скорости вращения распределителя можно регулировать в некоторых пределах высоту слоя отходов, а также скорость их передвижения по поверхности 4. Для более точной регулировки высоты слоя отходов и скорости их передвижения по поверхности 4 можно вращать центральную часть колосниковой решетки 2

Из загрузочной шахты 3 отходы под действием силы тяжести надвигаются на распределитель 5. В загрузочную шахту отходы могут подаваться либо порциями, либо непрерывно Вращение распределителя 5 обеспечивает непрерывную подачу отходов зону горения.

Горение отходов можно условно разделить на стадию термического разложения отходов, характеризуемого выделением, и горением летучих веществ и стадию горения коксового остатка.

Для проведения первой стадии нет необходимости в хорошем подводе окислителя в слой отходов, поскольку в слое происходит термолиз отходов, и необходим лишь подвод тепла в слой, горение летучих происходит над слоем. Поэтому под в этой части может быть выполнен сплошным, что снижает также физический недожог, поскольку отсутствует провал отдельных кусочков отходов сквозь щели колосника в зольник. Выполнение сплошного пода криволинейным связано с тем, что по мере выгорания отходов угол естественного откоса их увеличивается и увеличение угла наклона пода способствует их лучшему продвижению по поду.

Для проведения второй стадии необходимо улучшить подвод окислителя в горящий слой, чему способствует колосниковая решетка, под которую можно подвести воздух.

В зависимости от физико-химического состава отходов содержание летучих веществ в них колеблется от 55 до 85. %. Поскольку отходы сжигаются в смеси, то количество летучих в них в среднем равно 60 – 80. %.Так как центральная часть (сплошной под) предназначена для процесса выделения и горения летучих, а периферийная часть (колосники) – для горения коксового остатка, то соотношение их площадей, как показала практика должно быть пропорционально количеству летучих в отходах.

окончательное дожигание отходов осуществляется на периферийной части перфорированной части решетки.

Выполнение периферийной части решетки из отдельных секций с возможностью их поворота обеспечивает дожигание коксового остатка и удаление золы из камеры сжигания.

Для интенсификации процесса часть воздуха на горение отходов подается в виде «острого» дутья через сопла 10. Другая часть воздуха по патрубкам 11 подается в тангенциальные сопла. Этот воздух закручивает газовый поток в печи, что способствует более полному сгоранию продуктов пиролиза в самой камере сжигания

Выполнение центральной части колосниковой решетки в виде выпуклого криволинейного и сплошного пода и снабжение ее распределителем в виде конуса, на боковой поверхности которого закреплены лопасти, обеспечивает регулирование слоя отходов.

Автоматическое регулирование слоя отходов по мере продвижения их от центра к периферии способствует улучшению условий сжигания за счет более свободного доступа воздуха к отходам, что приводит к увеличению полноты сгорания и повышению производительности печи, а также к снижению металлоемкости.

3.2 Барабанная вращающаяся печь

Печь (рис 4) представляет собой стальной барабан, футерованный огнеупорными материалами. Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Со стороны загрузки подлежащие сжиганию твердые отходы с помощью грейфера подают в печь через загрузочную воронку и лоток, а также воздух и топливо. Шлак и золу выгружают с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушиваются (400°С), далее происходит их газификация и сжигание (900 – 1000°С). Возможно сжигание отходов и при более высоких температурах, однако это приведет к быстрому износу футеровки (достаточно тонкая).

 

1-корпус печи 2-загрузочное устройство 3-горелка 4-двухсекционная разгрузочная камера 5,6-золовая и газовая секции 7-газоход 8-мигалки для удаления золы Т-топливо В-воздух

Обычно поверхность футеровки гладкая, сжигаемый материал скользит по ней, не переворачиваясь, поэтому для эффективного выгорания органических веществ требуется барабан значительной длины.

Разделение газового и золового потоков осуществляется непосредственно в топочном устройстве. Узел выгрузки состоит из двух секций, что исключает захват золы, осаждающейся в золовой секции, газовым потоком при дополнительной очистке в газовой секции.

Недостатком вращающихся барабанных печей являются низкая тепловая и массовая нагрузка топочного объема, высокие капитальные и эксплуатационные расходы. Необходимость, из – за достаточно тонкой футеровки, раз в полгода выполнять замену футеровки печи – операция трудоемкая, сложная и дорогая.

1.3 Печи для сжигания в кипящем слое

Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной системы ''твердое - газ'' путем превращения слоя отходов в ''псевдожидкость'' под действием динамического напора входящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение подчиняется законам гидростатики.

Реактор с псевдожиженным слоем

Реактор (рис 5) представляющий собой вертикальный стальной цилиндр, футерованный изнутри шамотным кирпичом или жаропрочным бетоном, состоит из цилиндрической топочной камеры и нижней конусной части с воздухораспределительной беспровальной решеткой. Вверху печь заканчивается куполообразным сводом. На решетку насыпается слой толщиной 0,8 – 1 м термически стойкого кварцевого песка фракцией 0.6 – 2.5 мм.

1 – воздух для псевдожижения; 2 – твердый продукт; 3 – слой инертного носителя (песок) в твердой фазе; 4 – граница псевдоожиженного слоя; 5 – корпус; 6 – унос золы; 7 – поток загружаемых отходов; 8 – загрузка отходов; 9 – отходящие газы; 10 – сепаратор; 11 – возврат пыли; 12 – решетка)

 

Кипящий слой в печи образуется при продувании воздуха через распределительную решетку со с скоростью, при которой частицы песка турбулентно перемещаются и как бы кипят в газовом потоке. Воздух нагнетается воздуходувкой в рекуператор, в котором подогревается отходящими из печи дымовыми газами до температуры 600 - 700°С, и затем поступает под распределительную решетку под давлением 12 – 15 кПа.

 

Первоначальная загрузка и последующее поддержание заданного уровня песка на решетке осуществляется через шлюз вверху реактора.

 

К основным достоинствам метода относят: интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдожиженного слоя; высокая удельная производительность слоя; отсутствие движущихся и вращающихся частей; сравнительно простое устройство реактора; обеспечивается наилучший режим теплопередачи.

К наиболее существенным недостатком данного метода – это неравномерность времени пребывания в слое обрабатываемых частиц твердой фазы; возможность слипания и спекания твердых частиц; необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе дымовых газов из слоя; необходимость во многих случаях подогрева ожижающего агента; ограниченность рабочих скоростей ожижающего агента.

3.4 Печь Ванюкова

Для термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО) при температуре 1350-1400°С были предложены металлургические печи Ванюкова (рис 6). -барботируемый слой шлака; 2-слой спокойного шлака; 3-слой металла; 4-огнеупорная подина; 5-сифон для выпуска шлака; 6-сифон для выпуска металла; 7-переток; 8-водоохлождаемые стены; 9-водоохлождаемый свод; 10-барботажные фурмы; 11-фурмы для дожигания 12-загрузочное устройство 13-крышка; 14-загрузочная воронка; 15-патрубок газоотвода.

Сущность технологического процесса переработки ТБО в печи Ванюковка заключается в высокотемпературном разложении (плавке) компонентов рабочей массы в слое, находящегося в ванне печи, барботируемого шлакового расплава при температуре 1350 – 1400 °С и выдерживании их в течение 2-3 секунд. Сбрасываемые в ванну ТБО погружаются в интенсивно перемешиваемый вспененный расплав. При этом происходит полный разрыв связей в структурной цепочке сложных органических соединений, что предотвращает появление диоксинов и фуранов, имеющих техногенную природу образования.

Барботаж расплава осуществляют с помощью кислородно-воздушного окислительного дутья, подаваемого через фурмы в нижней части боковых стенок печи, для дожигания дымовых газов предусмотрена подача дутья через ряд верхних фурм. Минеральная часть отходов растворяется в шлаке. Для получения шлака заданного состава в печь загружают флюс.

Шлак, выпускаемый из печи в сифон, целесообразно подавать в жидком виде на переработку в строительные материалы.

В результате плавки образуется: газы, содержащие продукты сгорания и разложения ТБО, и шлак, состоящий из силикатов и оксидов металлов. Возможно образование донной фазы, содержащей черные и цветные металлы.

Процесс Ванюкова предлагается использовать не только для переработки ТБО, но и ряда промышленных отходов.

Недостатком печи является потеря металлов в шлаке. Создание без инерционной системы автоматического регулирования процесса сложно, и соответственно, сложно поддержание заданной температуры без дополнительного расхода энергии, тепловой КПД низок. Запуск печи достаточно сложен и занимает 7 – 8 суток.

13. Схема вариантов повторной переработки и рекуперации отходов полимеров.