СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2000 года по МПК F23G5/27 

Изобретение относится к области термической переработки бытовых, промышленных, медицинских и других отходов, конкретнее к способу огневой переработки отходов, и может быть использовано в промышленности и коммунальном хозяйстве.

Известен способ термической переработки отходов, включающий сушку отходов, пиролиз подсушенных отходов с разделением на твердую и газообразную составляющие, удаление газообразной составляющей и введение ее в контакт с жидким слоем с последующей химико-термической обработкой компонентами твердой составляющей, образовавшей жидкий слой (патент Германии N 3940830, кл. F 23 G 5/027).

Недостатком этого способа является низкая степень обработки вредных и токсичных соединений, находящихся как в газе, так и в твердой составляющей пиролиза.

Известен способ термической переработки твердых отходов, включающий стадию предварительной сушки отходов, стадию пиролиза высушенных отходов с разделением их на твердый остаток и газы, стадию высокотемпературной обработки твердого остатка и газов пиролиза в шлакометаллическом расплаве в присутствии соединений щелочно-земельных металлов в ванне термической печи (патент России N 2104445, МКИ F 23 G 5/027).

Недостатком данного способа, принятого в качестве наиболее близкого аналога, является низкая эффективность обезвреживания как газов, так и твердого остатка. Стадии сушки и пиролиза фактически совмещены во времени и пространстве. Газы этих стадий объединены и направляются в термическую печь с низким температурным потенциалом. Практика показывает, что как бытовые, так и промышленные и медицинские отходы содержат соединения хлора, фтора, серы, фосфора и другие, которые при термическом разложении образуют кислые газы, диоксины, фураны, полиароматические углеводороды и другие соединения, наличие которых в продуктах термопереработки отходов требует дополнительных мероприятий для их устранения: определенного температурного уровня, времени пребывания, окислительной или восстановительной среды и тому подобные условия.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение оптимальных условий термической переработки твердых отходов и, следовательно, в целом - на повышение эффективности очистки газов и твердого остатка от токсичных соединений.

Указанные технические результаты могут быть получены за счет того, что в способе термической переработки твердых бытовых отходов, включающем стадию предварительной сушки отходов, стадию пиролиза высушенных отходов с разделением их на твердый остаток и газы, стадию высокотемпературной отработки зольного остатка и газы пиролиза шлакометаллическим расплавом в присутствии соединений щелочно-земельных металлов в ванне термической печи, отходящие газы предварительной сушки и газы стадии обработки твердого остатка и газов пиролиза в ванне термической печи направляют в реактор для дожигания, предварительную сушку отходов осуществляют продуктами дожигания газов, стадию пиролиза высушенных отходов осуществляют при температуре 700-900^oC и коэффициенте расхода воздуха 0,5-0,6, а обработку твердого остатка и газов пиролиза ведут при температуре 1300-1500^oC и коэффициенте расхода воздуха 1,05-1,2, при этом предварительную сушку и дожигание газов в реакторе проводят в присутствии нейтрализующих реагентов - соединений щелочных металлов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Осуществление предварительной сушки отходов продуктами дожигания газов позволяет исключить расход топлива на процесс, повысить его надежность, а также улучшить экологические показатели по выбросам за счет рецикла газов. В этом случае сушильным агентом являются дымовые газы, содержащие значительное количество водяных паров, что позволяет интенсифицировать процесс сушки за счет увеличения парциального давления водяных паров у поверхности испарения, что увеличивает движущую силу испарения.

Ведение сушки в присутствии щелочного реагента позволяет практически подготовить механическую смесь кислых компонентов с нейтрализующей добавкой - соединениями щелочных металлов, и при испарении в процессе сушки этих компонентов (как отходов, так и щелочи) провести нейтрализацию их в газовой фазе на стадии сушки.

На стадии сушки возможно использование только соединений щелочных металлов, так как в случае использования соединений щелочно-земельного металла перевод его в газовую фазу на этой стадии невозможен из-за малой летучести и, следовательно, нейтрализации кислых газов на этой стадии процесса не произойдет.

Ведение процесса пиролиза высушенных отходов при температуре 700-900^oC и коэффициенте расхода воздуха 0,5-0,6 позволяет сохранить твердый коксовый остаток для последующей стадии обработки твердого остатка и газов пиролиза шлакометаллическим расплавом и значительно снизить расход энергии на эту стадию. Кроме того, кокс позволяет осуществить на стадии электротермического дожигания высокотемпературную сорбцию NO_x и других токсичных компонентов, в том числе тяжелых металлов. Температурный интервал стадии пиролиза 700-900^oC обеспечивает ведение процесса без расплавления твердого коксового остатка, что исключает разрушение футеровки жидким шлаком, испарение и вынос с газами тяжелых металлов, а также позволяет предотвратить образование NO_x.

При осуществлении пиролиза высушенных отходов при температуре ниже 700^oC резко падает интенсивность процесса и требуется подвод дополнительного тепла. При этом выход газа увеличивается, а выход кокса уменьшается, что неблагоприятно сказывается на последующей стадии термического дожигания. Кроме того, образуется значительное количество смол, что неблагоприятно сказывается на транспортировке отходов на последующую стадию.

При температуре выше 900^oC увеличивается испарение тяжелых металлов и хлоридов, улавливание которых требует повышенных затрат, что снижает эффективность процесса термической переработки отходов.

При ведении процесса пиролиза с коэффициентом расхода воздуха менее 0,5 пиролиз высушенных отходов нереализуем без использования дополнительного источника тепла.

При ведении процесса пиролиза с коэффициентом расхода воздуха более 0,6 происходит резкий подъем температуры, что приводит к шлакообразованию, испарению тяжелых металлов и образованию NO_x, что, в свою очередь, снижает эффективность процесса термопереработки отходов, требует дополнительных затрат.

Процесс обработки твердого зольного остатка и газов пиролиза проводят при температуре 1300-1500^oC и коэффициенте расхода воздуха 1,05-1,2. Это позволяет осуществить полную термическую деструкцию отходов, исключить образование в продуктах термопереработки высокотоксичных диоксинов и фуранов и получить товарный продукт (гранулированный шлак), пригодный для дальнейшего использования.

Снижение температурного уровня процесса ниже 1300^oC приводит к настылеобразованию на стенках плавильной ванны и затрудняет выпуск шлака.

Увеличение температуры процесса обработки зольного остатка выше 1500^oC приводит к перерасходу энергии на проведение процесса, разрушению футеровки стен и свода плавильной печи.

Ведение процесса обработки зольного остатка и газов шлакометаллическим расплавом при кислородном эквиваленте менее 1,05 приводит к неполному выжиганию органических компонентов. Остатки органического углерода обнаруживаются в шлаке.

Ведение процесса обработки шлакометаллическим расплавом при коэффициенте расхода воздуха более 1,2 нецелесообразно вследствие перерасхода энергии, что снижает эффективность процесса термопереработки отходов, увеличивает эксплуатационные затраты.

Обработка зольного остатка и газов пиролиза шлакометаллическим расплавом осуществляется в присутствии соединений щелочно-земельных металлов, что обеспечивает высокую эффективность процесса химико-термической обработки как зольного остатка, так и газов пиролиза. Образующиеся при этом минеральные вещества и соли тяжелых металлов не выносятся с газами, а остаются в шлаке, который после выпуска остекловывается и может быть использован в дальнейшем для производства, например, строительных материалов: керамических плиток, базальта и тому подобного. Подача на эту стадию переработки отходов соединений щелочно-земельного металла позволяет провести нейтрализацию в жидкой ванне при высокой температуре и достаточном времени обработки.

Подача газов пиролиза отдельно от газов сушки на контактирование со шлакометаллическим расплавом позволяет осуществить их химико-термическую обработку компонентами шлака, связать токсичные кислые газы в минеральные соли и вывести их из процесса в виде остеклованного шлака. Летучие соединения тяжелых металлов, присутствующие в газах, улавливаются шлаком и частично восстанавливаются углеродом и переходят в металл, частично выводятся в остеклованном шлаке. Диоксины, фураны, полиароматические углеводороды газов в условиях высоких температур (1300 - 1500^oC) разлагаются и окисляются. Пылевидные частицы, находящиеся в газах, также улавливаются шлаком.

Дожигание газов сушки и пиролиза проводят в присутствии соединений щелочных металлов, что позволяет нейтрализовать проскок на стадии сушки кислых газовых компонентов. Реакция нейтрализации происходит в газовой фазе при высокой интенсивности с малым расходом нейтрализующего реагента.

Способ осуществляют следующим образом.

Твердые отходы подвергают предварительной сушке продуктами дожигания газов сушки и пиролиза в реакторе, содержащими значительное количество водяных паров. В процессе сушки в сушильную камеру подают щелочной нейтрализующий реагент - соединение щелочного металла, что позволяет нейтрализовать кислые газы. Сушка проводится при умеренных температурах (200- 300^oC), что обеспечивает испарение влаги и практически исключает испарение органических компонентов подогреваемых отходов.

Газы стадии сушки содержат незначительное количество органических компонентов и направляются в реактор на дожигание совместно с газом, отходящим из плавильной ванны.

Подсушенные отходы поступают в пиролизную камеру. Пиролиз отходов проводят при температуре 700 - 900^oC и коэффициенте расхода воздуха 0,5-0,6, что позволяет получить твердый коксовый остаток и исключить смолообразование.

Твердый зольный остаток поступает на стадию термической, например, электротермической обработки шлакометаллическим расплавом, наведенным в плавильной ванне. Обработка проводится в присутствии соединения щелочно-земельного металла - нейтрализующего реагента, который подается в плавильную ванну. Процесс проводят при температуре 1300 - 1500^oC и коэффициенте расхода воздуха 1,05 - 1,2. Это позволяет выжечь органические компоненты зольного остатка, перевести в шлак оксиды тяжелых металлов, остекловать их и использовать выпускаемый из печи шлак для производства строительных материалов. Присутствующие в зольном остатке органические компоненты на этой стадии подвергаются химико-термической обработке. Температурный уровень и время пребывания обеспечивают полную деструкцию и исключают наличие диоксинов и фуранов в жидком шлаке. Одновременно с обработкой зольного остатка осуществляется и термохимическая обработка пиролизного газа компонентами жидкого шлака и нейтрализующими присадками.

Газообразные продукты стадии обработки шлакометаллическим расплавом подаются в реактор, где они за счет своего высокого температурного потенциала используются для прокалки газов сушки, что позволяет значительно сократить расход топлива, необходимого для дожигания газов сушки. Для исключения возможного выхода в атмосферу кислых газов вследствие проскока этих газов на стадии сушки из-за низкого температурного уровня, процесс дожига газов в реакторе проводят в присутствии щелочного реагента - соединения щелочного металла.

Газообразные продукты термопереработки отходов после реактора частично направляют на стадию сушки, а остальное - на очистку от пыли известными методами и выбрасывают в атмосферу.

Пример осуществления способа.

На экспериментальной установке АО ВНИИЭТО производительностью 180 - 200 кг/час подвергались переработке твердые бытовые отходы, содержащие бумагу, пищевые отходы, дерево, текстиль, кожу, резину, кости, полимерные материалы, металл, стекло, шлаки и другие материалы.

Отходы загружались во вращающийся барабан, где подогревались отбираемым из реактора газом до температуры 200-300^oC. В процессе сушки в барабан впрыскивался 10%-ый раствор соды. Из сушильного барабана подогретые отходы подавались на наклонный под пиролизной камеры, где проводилось их пиролитическое разложение на газообразную и твердую составляющие при температуре 700 - 900^oC. Окислитель подавался через трубчатые толкатели, расположенные в поду пиролизной камеры, при этом коэффициент расхода воздуха поддерживался в пределах 0,5 - 0,6. Образующийся зольный остаток из пиролизной камеры поступал в плавильную ванну электропечи. Попадающие в плавильную ванну обезвоженные и разогретые до 900^oC остатки керамической части отходов с остатками углеродистой составляющей шихты попадают на поверхность шлака, разогреваемого графитовым электродом до температуры 1300- 1500^oC. Шлаковая ванна поддерживалась в жидком состоянии за счет пропускания через нее электрического тока силой 3,5-5 кА, который подводился от источника питания с помощью графитового электрода. Пиролизные газы также попадают в электрическую печь и омывают поверхность шлака, подвергаясь воздействию высоких температур. В процессе обработки зольного остатка и газов шлакометаллическим расплавом в печь подаются кальцийсодержащие добавки. Основное назначение кальцийсодержащих добавок - связать хлор, фтор и другие галогены, а также серу, фосфор в прочные шпинели с оксидами кремния и алюминия, что позволяет в определенной степени предотвратить образование диоксинов и фуранов на последующих элементах газового тракта, а также снизить вероятность "проскока" сернистого и фосфорного ангидридов в дымовую трубу. В процессе обработки зольного остатка и пиролизных газов шлакометаллической смесью в плавильной печи поддерживается кислородный эквивалент в пределах 1,05 - 1,2, чем обеспечивается полное дожигание органических компонентов зольного остатка. Оксиды меди, хрома, марганца и ряда других металлов, находящиеся в зольном остатке, в значительной степени восстанавливаются твердым углеродом или его оксидом, образуя на подине плавильной ванны слой чугуна, легированного этими металлами. Невосстановленные оксиды тяжелых металлов попадают в шлак, окрашивая его в различный цвет. По мере накопления массы жидкого слоя чугуна и шлака осуществляется их периодический выпуск через леточные отверстия.

Газы сушки и пиролиза подаются в реактор для нейтрализации "проскочивших" кислых газов и окислов азота. В реактор впрыскивается щелочной нейтрализатор - сода. Очищенные газы из реактора частично подаются в барабан для сушки отходов, а основная часть передается в систему пылеочистки и выбрасывается затем в атмосферу.

Сравнение предложенного способа термической переработки твердых отходов с известными способами показало, что содержание вредных и токсичных веществ на входе в систему пылегазоочистки при использовании заявляемого способа снижается в несколько раз. Так, содержание хлористого и фтористого водорода снижается в 2-3 раза, окислов азота - на 20-30%, оксидов и диоксидов углерода в 1,5-2,0 раза, полиароматических водородов в 1,5-1,8 раза.

Способ термической переработки твердых отходов относится к области переработки бытовых, промышленных, медицинских и других отходов и может быть использован в промышленности и коммунальном хозяйстве. Способ включает предварительную сушку отходов, пиролиз высушенных отходов с разделением на твердый остаток и газы, высокотемпературную обработку твердого остатка и газов пиролиза в шлакометаллическом расплаве в присутствии соединений щелочно-земельных металлов в ванне термической печи. Отходящие газы предварительной сушки и газы обработки твердого остатка и газов пиролиза в ванне термической печи направляют в реактор для дожигания. Предварительную сушку осуществляют продуктами дожигания газов. Пиролиз отходов осуществляют при температуре 700-900^oС и коэффициенте расхода воздуха 0,5-0,6, а обработку твердого остатка и газов пиролиза в расплаве ведут при температуре 1300-1400°С и коэффициенте расхода воздуха 1,05-1,2. Предварительную сушку и дожигание газов в реакторе осуществляют в присутствии нейтрализующих реагентов - соединений щелочных металлов. Решаемая техническая задача - повышение эффективности очистки газов и твердого остатка от токсичных соединений.

Способ термической переработки твердых отходов, включающий стадию предварительной сушки отходов, стадию пиролиза высушенных отходов с разделением на твердый остаток и газы, стадию высокотемпературной обработки твердого остатка и газов пиролиза в шлакометаллическом расплаве в присутствии соединений щелочно-земельных металлов в ванне термической печи, отличающийся тем, что отходящие газы предварительной сушки и газы стадии обработки твердого остатка и газов пиролиза в ванне термической печи направляют в реактор для дожигания, предварительную сушку осуществляют продуктами дожигания газов, стадию пиролиза отходов осуществляют при температуре 700 - 900^oС и коэффициенте расхода воздуха 0,5 - 0,6, а обработку твердого остатка и газов пиролиза в расплаве ведут при температуре 1300 - 1500^oС и коэффициенте расхода воздуха 1,05 - 1,2, при этом предварительную сушку и дожигание газов в реакторе осуществляют в присутствии нейтрализующих реагентов - соединений щелочных металлов.