СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК F23G5/00 F23G5/27 F23G5/10 

Изобретение относится к способам переработки отходов и может быть использовано в коммунально-бытовом хозяйстве, энергетике, промышленности строительных материалов, металлургии и других отраслях промышленности.

В результате человеческой деятельности образуется большое количество твердых бытовых (одежда, обувь, упаковки, пищевые отходы и др.) и промышленных отходов (остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, образовавшихся при изготовлении продукции), которые обычно подлежат захоронению на специальных полигонах за пределами населенных пунктов. Однако места захоронения отходов захламляют огромные площади, а продукты гниения и распада мусора являются источником загрязнения атмосферы, почвы и грунтовых вод. К настоящему времени определились два основных пути борьбы с нарастающей массой твердых отходов: сжигание и переработка.

Сжигание остается пока наиболее распространенным способом термического обезвреживания отходов, имеющим наряду с достоинствами (резкое сокращение объема отходов, получение дополнительного тепла) и серьезные отрицательные последствия. Прежде всего это вредные выбросы в атмосферу. При сжигании полимерных материалов и пластмасс выделяются токсичные вещества, в том числе тяжелые металлы и диоксины. В состав дымовых газов входят также хлористый и фтористый водород и тяжелые металлы. В золе и шлаках, образующихся при сжигании твердых бытовых отходов (батарейки, аккумуляторы, люминесцентные лампы, краски) обнаружены высокие концентрации токсичных металлов и даже радиоактивных элементов [1].

Недостатком этого способа является также то, что процесс горения без применения дополнительного топлива возможен лишь для отходов определенного состава (содержание влаги менее 50%, золы менее 60% и горючих веществ более 25%).

Переработка твердых бытовых и промышленных отходов, наряду с их обезвреживанием, имеет своей целью также получение полезных продуктов и осуществляется с помощью пиролиза, газификации, переработки в шлаковом расплаве и биокомпостирования. Для повышения эффективности переработки применяют сортировку отходов и их раздельную обработку.

Так, по одной из известных технологий, органическая часть отходов, которые могут разлагаться в результате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, подвергается компостированию, а некомпостируемые отходы (кожа, резина, дерево, пластмасса, неорганические фракции) подвергают низкотемпературному пиролизу (550^oC), в результате которого получают пирокарбон и горючий газ. Пирокарбон может использоваться в металлургии вместо графита или при производстве асфальта как наполнитель битумных материалов, газ - в качестве топлива, а компост - в качестве биотоплива в теплицах и как органическое удобрение.

Пиролизу и газификации подвергается органическая масса твердых бытовых и промышленных отходов. В результате разложения органических соединений под действием высоких температур и при отсутствии или недостатке кислорода образуется твердый остаток (углерод), смола и газ.

В процессе газификации с помощью газифицирующих агентов органическая часть отходов или продукты ее термической переработки превращаются в горючие газы.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению с сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, при пиролизе намного меньше, чем при сжигании отходом. Уменьшение твердого остатка, более полный выход летучих продуктов и более интенсивное разложение органической массы достигается при высокотемпературном пиролизе. При этом происходит также оплавление минеральной составляющей отходов с образованием шлака, который может быть использован в промышленности строительных материалов.

В [2] описаны способы высокотемпературного пиролиза (Торракс, Пьюрокс), которые осуществляются в печи - реакторе шахтного типа. Твердые отходы загружают в верхнюю часть реактора, в нижнюю часть которого подают воздух или кислород, создавая зону горения, в которой происходит плавление и шлакование несгораемых материалов. Подаваемые сверху отходы проходят зону сушки и попадают в зону пиролиза, где под действием высокой температуры, практически без доступа воздуха, разлагаются на горючий газ, углерод и инертные материалы. Горючие газы поднимаются вверх навстречу поступающим отходам, фильтруются на них от пыли и хлопьевидных фракций, а на выходе из зоны пиролиза их отсасывают вентилятором и направляют в газоочистительную систему. Твердые же продукты пиролиза (углерод и инертные материалы) оседают в виде шлака и металла в зоне первичного сгорания и плавления в нижней части реактора, откуда их впоследствии удаляют.

Недостатком такого способа является то, что вентиляционной системой удаляются, наряду с газами, образовавшимися в зоне пиролиза при высоких температурах, также и газы, образовавшиеся при низких температурах в зоне, примыкающей к каналу вентиляционной системы. Поскольку температура газа, выходящего из зоны пиролиза реактора, составляет около 120^oC, то в конце этой зоны не исключено образование диоксинов и фуранов. Известно, что образования этих вредных веществ не происходит при температурах выше 850^oC. Кроме того, применение воздушного или кислородного дутья для поддержания процесса горения приводит к окислению металлической части шихты и переводу ее в шлак, а также к увеличению объема образующихся газов, что усложняет их очистку и требует увеличения мощности вентиляционной системы.

Известные технологии переработки отходов в высокотемпературном шлаковом расплаве (1300 - 1700^oC) позволяют утилизировать широкую гамму бытовых и промышленных отходов органического и неорганического происхождения. В шлаковом расплаве осуществляются газификация, скоростной пиролиз и сжигание отходов за счет их быстрого вовлечения в барботируемую воздухом или кислородом шлаковую ванну. Минеральная часть отходов растворяется в шлаке, а металлические отходы расплавляются. В процессе переработки получают инертный шлак, являющийся сырьем для производства строительных материалов, металлический сплав и горючий газ. Предлагаемые технологии переработки в шлаковом расплаве отличаются составом шлака, режимом и способами продувки ванны, способами стабилизации и поддержания на заданном уровне теплового режима, методами повышения экономичности процесса и др.

Известен способ термической переработки твердых отходов [3], по которому для повышения эксплуатационной надежности процесса и изменения в широких пределах температуры шлаковой ванны без снижения производительности в продуваемую кислородсодержащим газом в режиме барботажа шлаковую ванну совместно с отходами загружают топливо, оксиды металлов или металлолом.

Недостатками такого способа являются необходимость использования дополнительного топлива, окислительный характер процесса и большие потери металла за счет его окисления и перехода в шлак оксидов.

Известен способ термического разложения твердых бытовых отходов в электродуговой печи [2], по которому в результате интенсивного разложения горючих составляющих образуется коксовый остаток и газ, содержащий в основном водород и оксид углерода. Минеральная часть отходов плавится и разделяется на металл и шлак. Оксид железа, содержащийся в шлаке, вступает в реакцию с коксовым остатком, восстанавливается до металла с образованием оксида углерода. Восстановившийся металл непрерывно отделяется от шлака.

Недостатком этого способа является интенсивное разложение молекул азота и водорода в зоне электрических дуг. В присутствии железа, являющегося катализатором реакции, степень разложения молекул азота и водорода значительно увеличивается. В результате окисления азота образуются вредные соединения в виде окислов азота (NO_x). В зоне горения электрических дуг происходит интенсивное окисление и испарение элементов, входящих в состав отходов с образованием возгонов, которые при конденсации могут образовывать мелкодисперсную пыль.

Наиболее близким к изобретению является способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, обеспечивающий высокие экологические требования и экономичность процесса благодаря обезвреживанию и глубокому разрушению вредных, токсичных веществ, а также комплексному использованию отходов [4] . Способ заключается в том, что твердые бытовые и промышленные отходы, содержащие углерод и его соединения, железо и оксиды металлов подают в расплавленную шлаковую ванну для последующей термической переработки путем сжигания в среде кальцийферритных шлаков при 1300 - 1700^oC, с последующей обработкой отходящих газов железосодержащим материалом, в качестве которого может быть использован металлизованный сплав после сжигания отходов и(или) металлическая стружка, и(или) лом черных металлов. При этом осуществляют раздельный выпуск шлака и металла.

Недостатком способа является использование процесса сжигания, в результате которого образуются вредные соединения в виде оксидов азота, а также диоксины и фураны, увеличивается объем отходящих газов, что приводит к необходимости увеличения мощности газоочистительной системы. Кроме того, при сжигании увеличиваются потери металла за счет его окисления и перехода окислов в шлаковую фазу. Потери металла за счет окисления и образования окалины происходят и при пропускании отходящих газов через железосодержащий материал, так как отходящие после сжигания отходов газы всегда содержат газы-окислители CO₂, H₂O.

Предлагаемый способ решает задачу уменьшения окислительных процессов при термической переработке отходов в шлаковом расплаве, результатом чего является снижение вредных выбросов в атмосферу, увеличение выхода металлического сплава, с состав которого входят не только металлы, содержащиеся в отходах, но и элементы, восстановленные углеродом из оксидов.

Сущность способа заключается в том, что при предлагаемой переработке твердых бытовых и промышленных отходов путем загрузки и термической обработки их в постоянно поддерживаемой в расплавленном состоянии шлаковой ванне и последующего разделения шлака и металлического расплава и очистки отходящих газов, термическую обработку в шлаковой ванне проводят без доступа воздуха при 1300 - 1800^o, очистку, обезвреживание и охлаждение отходящих газов проводят путем пропускания их противотоком через кусковой материал, содержащий шлакообразующие вещества, при загрузке его в шлаковую ванну отдельно от отходов. При этом температуру шлаковой ванны могут поддерживать путем пропускания через расплавленный шлак электрического тока с помощью погруженных электродов.

В результате процесса переработки отходов в шлаковом расплаве с температурой 1300 - 1800^oC без доступа воздуха происходит скоростной высокотемпературный пиролиз органических составляющих отходов на простейшие составляющие с образованием летучих соединений CO₂, CO, H, CH₄, N₂, H₂S и других газов, а также твердого углерода в виде сажи. Недостаток кислорода исключает окислительные процессы, что позволяет сохранить углерод и использовать его в качестве восстановителя, а также уменьшает количество вредных примесей (диоксинов, фуранов, оксидов азота и др.). Известно, что при этом общее количество отходящих газов по сравнению с сжиганием уменьшается в 3 - 7 раз, что облегчает их последующую очистку и позволяет уменьшить мощности и габариты газоочистительных систем.

Осуществление встречного движения отходящих из зоны пиролиза газов и кускового материала, содержащего шлакообразующие вещества и оксиды (минералы, оксиды металлов), поступающего отдельным от остальных отходов потоком в шлаковую ванну, позволяет использовать физическое тепло горячих газов для подогрева материала, а также способствует очистке отходящих газов от пыли, так как кусковой материал играет роль зернистого фильтра, который задерживает пылевидные и хлопьевидные частицы. Отложения сажи на кусковом материале образуют пористый углеродный фильтр, адсорбирующий вредные примеси из газа. Фильтрующий материал непрерывно обновляется с возвращением загрязненных частиц в шлаковый расплав, где происходит интенсивный высокотемпературный пиролиз и обезвреживание адсорбированных органических соединений.

Отходящие газы, содержащие такие восстановители, как оксид углерода и водород, а также углерод сажистых отложений, вызывают протекание восстановительных реакций кускового материала, содержащего шлакообразующие вещества и оксиды, способствуют их металлизации и увеличивают количество жидкого металлического сплава на выходе из печи. Это повышает технико-экономические показатели процесса. Первичное охлаждение газов в загрузочной колонне облегчает их последующую очистку.

Способ поясняется чертежом, на котором изображена установка, с помощью которой он реализуется, где 1 - герметизированная ванна печи; 2 - графитовые электроды; 3 - загрузочная колонна основная; 4 - твердые бытовые и промышленные отходы; 5 - загрузочная колонна дополнительная, нижняя часть которой расположена в непосредственной близости от поверхности шлаковой ванны; 6 - кусковой материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды; 7 - дозатор; 8 - трансформатор; 9 - жидкая металлическая ванна; 10 - шлаковая ванна; 11 - вытяжной зонт.

Осуществляется способ следующим образом.

В герметизированной ванне печи 1 наводят шлаковую ванну с помощью жидкого или твердого старта. Заливка шлака при жидком старте и засыпка шлака при твердом производится через дозатор 7. Возбуждение дуги при твердом старте осуществляют графитовыми электродами 2, получающими питание от понижающего трансформатора 8. После наведения шлаковой ванны поддерживают требуемую температуру расплавленного шлака, как правило 1300 - 1800^oC бездуговым способом за счет тепла, выделяемого при протекании электрического тока в шлаковом расплаве 10 через находящиеся в нем графитовые электроды 2. Твердые бытовые и промышленные отходы 4, включающие в себя металлургические шлаки, формовочные смеси, отходы зачистки литья, твердые шламы, пластмассы, древесные и текстильные отходы, резину, макулатуру и др., загружают через основную колонну 3 в расплавленную шлаковую ванну 10, где под действием постоянно поддерживаемой температуры без доступа воздуха подвергают скоростному пиролизу с выделением газов CO₂, CO, CH₄, H₂, N₂, H₂S и др., а также твердого углерода. Минеральная часть отходов переходит в шлаковый расплав 10, металлические предметы и элементы, получаемые в результате реакций восстановления, протекающих в зоне шлаковой ванны и загрузочной колонне 5, благодаря наличию газов H₂, CO и углерода образуют жидкую металлическую ванну 9. Образующиеся в результате пиролиза, газификации отходов и восстановительных реакций газы с помощью газоотсоса направляют в нижнюю часть дополнительной загрузочной колонны 5 с кусковым материалом 6, содержащим шлакообразующие вещества и оксиды, которые поступают в шлаковый расплав 10, двигаясь навстречу газовому потоку. Через дополнительную загрузочную колонну в ванну поступает от 15 до 30% перерабатываемой шихты. Благодаря тому что нижняя часть дополнительной загрузочной колонны 5 находится в непосредственной близости от поверхности шлакового расплава, температура входящего в нее газового потока максимально приближена к температуре шлакового расплава, т.е. достаточно высока. Газовый поток выводится из загрузочной колонны 5 в верхней ее части и далее поступает на окончательную очистку в газоочистительную систему. Движущийся навстречу отходящему газовому потоку кусковой материал 6 играет роль зернистого фильтра, который задерживает пылевидные и хлопьевидные фракции и возвращает их в шлаковый расплав. Степень очистки печного газа от пыли при прохождении его через дополнительную загрузочную колонну составляет 70 - 85%. Отложения сажи на кусковом материале 6, образующиеся при разложении органической части отходов 4, создают пористый фильтр, который способствует дополнительной очистке отходящих газов за счет адсорбции вредных примесей, причем фильтрующий материал непрерывно обновляется, возвращая загрязненную часть в шлаковый расплав. Образовавшиеся в результате разложения отходов и восстановительных реакций газы содержат окись углерода и водород, с помощью которых частично восстанавливаются оксиды металлов, если они содержатся в кусковом материале в дополнительной загрузочной колонне 5 или непосредственно в ванне по следующим реакциям:
3Fe₂O₃ + CO ---> 2Fe₃O₄ + CO₂;
Fe₃O₄ + CO₂ <---> 3FeO + CO₂;
FeO + CO <---> Fe + CO₂;
1/4Fe₃O₄ + CO <---> 3/4Fe + CO₂;
3Fe₂O₃ + H₂ ---> 2Fe₃O₄ + H₂O;
Fe₃O₄ + H₂ <---> 3FeO + H₂O;
FeO + H₂ <---> Fe + H₂O;
1/4Fe₃O₄ + H₂ <---> 3/4Fe + H₂O.

Протеканию восстановительных реакций способствует нагрев кускового материала отходящими горячими газами. Подогрев и частичное восстановление шихты отходящими газами повышают экономичность процесса. В дальнейшем выпускаемый шлак может быть использован в промышленности строительных материалов, а металлический сплав, содержащий железо, углерод, кремний, хром и другие легирующие элементы - в металлургии.

Ведение процесса в шлаковом расплаве без доступа воздуха позволяет осуществить скоростной высокотемпературный пиролиз, обеспечив при этом высокую степень разложения органических отходов на простые составляющие и пониженное содержание вредных примесей (окислов азота, диоксинов и др.), а также уменьшить в несколько раз количество образующихся газов, что позволяет, в свою очередь, снизить мощность и габариты газоочистительной системы.

Способ позволяет перерабатывать смеси отходов при изменении соотношения органической и минеральной частей в широком диапазоне (табл. 1), в том числе и негорючие отходы при очень небольшом количестве органических отходов. Отходы такого состава ввиду низкого содержания горючих компонентов и высокого содержания золы не могут быть утилизированы в мусоросжигательных установках.

Пример. Через основную загрузочную колонну в ванну печи загружали твердые отходы, в состав которых входят формовочные смеси, металлургические шлаки, отходы огнеупорных материалов, отходы зачистки литья, пластмассы, промасленные опилки и бумага, древесные отходы. Через дополнительную загрузочную колонну в шлаковую ванну подавали
1-й вариант: кусковый материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды, а именно - металлургический шлак дуговых сталеплавительных печей;
2-й вариант: кусковой материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды, а именно - отходы огнеупорных материалов, например магнезит;
3-й вариант: кусковый материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды, а именно - железорудные окатыши.

При загрузке кускового материала, содержащего шлакообразующие вещества и оксиды по первому варианту, восстанавливаются оксиды железа, содержащиеся в шлаке, оксиды кремния, марганца, остальные компоненты участвуют в образовании шлака.

По второму варианту - не происходит восстановление оксидов, содержащихся в магнезите, образуется только шлак.

По третьему варианту - происходит восстановление оксидов железа из окатышей, остальные компоненты участвуют в образовании шлака.

При этом кусковой материал во всех трех вариантах служит зернистым фильтром. Органическая часть загружаемых в ванну веществ составляет 50%, неорганическая - 50%. Элементный состав отходов приведен в табл. 2. В результате переработки получаются металлический сплав, шлак и горючие газы, которые после очистки сжигаются с утилизацией тепла. Показатели процесса приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, по сравнению с известной технологией объем газов, отходящих из ванны, уменьшается примерно в 4 раза, масса металлического сплава увеличивается более чем в 4 раза.

Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов включает загрузку и термообработку их в ванне шлакового расплава без доступа воздуха при 1300 - 1800^oC с последующим разделением шлака и металлического расплава, причем первичную очистку, обезвреживание и охлаждение отходящих газов проводят путем пропускания их противотоком через кусковый материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды, при загрузке его в шлаковую ванну отдельно от отходов. Температуру шлаковой ванны поддерживают путем пропускания через расплавленный шлак электрического тока с помощью погруженных электродов. Способ решает задачу уменьшения окислительных процессов при термической переработке отходов в шлаковом расплаве, за счет чего снижаются вредные выбросы в атмосферу и увеличивается выход металлического сплава. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающий загрузку и термическую обработку их в постоянно поддерживаемой в расплавленном состоянии шлаковой ванне и последующее разделение шлака и металлического расплава, а также очистку отходящих газов, отличающийся тем, что термическую обработку в шлаковой ванне проводят без доступа воздуха при 1300 - 1800^oC первичную очистку, обезвреживание и охлаждение отходящих газов проводят путем пропускания их противотоком через кусковый материал, содержащий шлакообразующие вещества и оксиды, при загрузке его в шлаковую ванну отдельно от отходов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру шлаковой ванны поддерживают путем пропускания через расплавленный шлак электрического тока с помощью погруженных электродов.