СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2004 года по МПК F23G5/02 

Изобретение относится к природоохранной отрасли, преимущественно к способам уничтожения отходов, как, например, запрещенные и непригодные к применению пестициды.

Известен способ сжигания твердых отходов в барабанных вращающихся печах (см., например, Г.Р. Беспамятнов, К.К. Богушевская, Л.А. Зеленская Термические методы обезвреживания отходов. - Л.: Химия, 1975 г, с.37), в которых отходы, содержащие токсичные компоненты, подвергаются термическому разложению, окислению и другим химическим превращениям с образованием газообразных веществ и твердых продуктов неполного сгорания. Недостатком этого способа является потенциальная возможность неполного термического разложения токсичных компонентов отходов в зонах пониженных температур печного агрегата, что ведет к образованию в некоторых случаях еще более токсичных продуктов, например, диоксинов. Это обусловливает высокую концентрацию токсичных веществ в составе отходящих газов и твердых продуктов неполного сгорания.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является способ уничтожения твердых отходов путем совмещения их термической обработки с обжигом цементного клинкера во вращающихся печах цементного производства. Согласно этому способу (патент США №5086716, 5 F 23 G 7/04), принятому нами за прототип, твердые отходы вводятся в зону температур выше 950°С, что обеспечивает их полное разложение и обезвреживание.

В то же время при уничтожении высокотоксичных веществ даже незначительное количество разложившегося в неполной степени исходного материала может привести к выбросам в атмосферу ядовитых веществ в количестве, превышающем ПДК. Это обусловлено тем, что при известных способах подачи материала внутрь вращающейся клинкерообжигательной печи его значительная часть попадает непосредственно в газовый поток. Скорость движения газов достигает 10-13 м/с и увлекаемый газовым потоком материал может за непродолжительный период времени (0,2-0,5 с) попасть в зону низких температур, недостаточных для полного разложения токсичных веществ. Кроме того, в процессе термического разложения большинства галогенсодержащих твердых отходов образуется хлористый водород НСl, вредный для системы очистки отходящих газов и способный вывести ее из строя.

Поставлена задача разработки такого способа уничтожения твердых отходов, который за счет изменения пирофизических свойств материала, подаваемого в высокотемпературные зоны цементной вращающейся печи, обеспечил бы полное термическое разложение токсичных веществ с последующим их окислением до простых химических соединений, основная часть которых будет поглощена обжигаемым портландцементным клинкером.

Согласно изобретению решение поставленной задачи обеспечивается тем, что перед подачей во вращающуюся печь твердые отходы подвергают принудительному капсулированию, причем в качестве покрывающего используют материал с температурой плавления 1250-1450°С при его следующем соотношении с твердым отходом, мас.%:

Твердый отход 4 - 40

Покрывающий материал 60 - 96

Соотношение твердых отходов и покрывающего материала выбирается таким образом, чтобы исключить выход вещества отхода на поверхность капсулы. Это соотношение (при установленной экспериментально оптимальной толщине слоя покрывающего вещества 1 мм) зависит от первоначальных размеров твердых отходов, подлежащих переработке. С 95% уровнем значимости радиус частиц токсичных отходов можно принять в пределах 0,5-3 мм. При их радиусе 0,5 мм количество покрывающего вещества с учетом шарообразной формы капсул должно превышать массу отходов в 24 раза, а при радиусе частиц 3 мм - в 1,5 раза. Этим и обусловлены заявляемые пределы соотношений твердых отходов и покрывающего вещества. При изменении размеров частиц отходов заявляемое соотношение обеспечивается изменением толщины покрывающего слоя.

С целью предотвращения термического разложения твердых отходов и выноса из печи токсичных продуктов необходимо доставить капсулы без разрушения в ту зону печного агрегата, где уровень температур обеспечивает полное разложение вредных веществ. В связи с этим температура плавления покрывающего материала выбирается в интервале 1250-1450°С, то есть близкой к температуре появления жидкой фазы в портландцементной сырьевой смеси традиционного химического состава. В результате в капсулах, содержащих твердые отходы, плавление начинается с более нагретой поверхности с образованием силикатного расплава. Термическое разложение твердых отходов происходит в слое нагретого до высокой температуры и частично расплавленного материала. Последнее обеспечивает высокую эффективность разложения токсичных веществ. Образующиеся продукты разложения, в частности хлористый водород НСl, способны к взаимодействию с находящимся в жидкой фазе оксидом кальция СаО с образованием СаСl₂ по следующей схеме:

СаО+2НСl→CaCl₂+Н₂О

Подобные схемы присущи и другим возможным продуктам разложения твердых отходов - сернистым, фтористым и т.п.

Образующийся СаСl₂ (или сульфаты, фториды и пр.) активно взаимодействует с алюминатными и силикатными фазами формирующегося портландцементного клинкера и практически полностью входит в состав абсолютно безвредных клинкерных минералов.

Эффективность дополнительной операции капсулирования повышается с увеличением плотности покрывающего слоя, препятствующего раннему выходу из капсулы продуктов термического разложения отходов. Предпочтительно в этой связи, чтобы самый верхний слой капсул был зацементирован вяжущим веществом, набравшим к моменту подачи капсул в печной агрегат определенную прочность и плотность. В то же время покрывающее вещество внутреннего слоя должно хорошо гранулироваться. Сочетание этого требования с заявляемыми пределами температуры плавления покрывающего вещества обусловило выбор его составляющих.

Для внутреннего слоя, наносимого на твердые отходы в процессе первой стадии капсулирования, в наибольшей степени подходит пыль электрофильтров вращающейся печи для обжига портланлцементного клинкера. Содержащаяся в ее составе природная каолиновая глина способствует хорошей гранулируемости материала и достаточной прочности гранул, способных без разрушения выдержать второй этап капсулирования. На второй стадии в качестве покрывающего вещества может быть использован обычный цемент или пыль рукавных фильтров цементной мельницы. Масса наружного (цементного) слоя составляет не более 10% всей массы покрывающего вещества. Учитывая близость химических составов цемента, пыли электрофильтров (в расчете на прокаленное вещество) и портландцементного клинкера, введение в печной агрегат капсул не скажется отрицательно на качестве и составе основного продукта - клинкера.

Пример осуществления 1.

Уничтожение твердых отходов осуществлялось в полупромышленных условиях. Для получения гранул использовались следующие материалы:

Твердый отход - дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ), представляющий собой белый порошок со средним радиусом частиц 1 мм и резким запахом.

Покрывающий материал -

- На первом этапе капсулирования - пыль электрофильтров клинкерообжигательной печи, отобранная из сборного шнека системы пылеочистки печи №2 Балаклейского цементно-шиферного комбината.

- На втором этапе капсулирования - рядовой бездобавочный портландцемент марки 500.

Количество покрывающего материала с учетом заданной толщины покрывающего слоя 1 мм превосходило массу ДДТ в 7 раз, таким образом, принято следующее соотношение, мас.%:

Твердый отход 12,5

Покрывающий материал 87,5

в том числе

пыль электрофильтров 75

бездобавочный портландцемент

марки 500 12,5

Температура начала плавления покрывающего материала по данным прямого определения с помощью конусов Зегера зафиксирована:

- для пыли электрофильтров - 1280°С,

- для бездобавочного портландцемента марки 500-1315°С.

На первой стадии переработки использовался тарельчатый гранулятор, настроенный на получение гранул с радиусом 1,8-2,5 мм. Влажность гранул поддерживалась на уровне 12-14%. Процесс грануляции велся периодически: вначале на гранулятор подавалась порция ДДТ, а затем постепенно совместно с водой рассчитанное (в соотношении 6:1) количество пыли электрофильтров. Это дало возможность осуществить первоначальную присадку пыли непосредственно на поверхность частиц ДДТ. Образующиеся и увеличивающиеся со временем гранулы практически полностью покрыты пылью электрофильтров. Наличие в ее составе необожженной глины и до 5% свободного оксида кальция СаО обеспечило достаточную прочность гранул.

На второй стадии полученные гранулы помещались в барабанный гранулятор, куда подавался и портландцемент. В барабанном грануляторе при минимальном количестве воды происходило окончательное покрытие гранул вяжущим материалом, в котором на выходе из гранулятора начинают протекать гидратационные явления, сопровождаемые ростом прочности. Хранение продукта (капсул) в воздушно-влажных условиях способствовало наряду с повышением прочности омоноличиванию поверхностного слоя гранул. Полученный продукт характеризовался полным отсутствием запаха, присущего ДДТ, что свидетельствует о достижении заданного эффекта блокирования токсичных отходов внутри капсул. Анализ химического состава капсул заключался в определении содержания иона хлора.

Обжиг капсул, содержащих ДДТ, производился во вращающейся печи ⊘ 0,4×0,5×7,0 м до температуры 1450°С. Контроль полноты термического разложения ДДТ осуществлялся по данным анализа состава представительных проб обожженного материала, отобранных из различных слоев. Степень усвоения хлора клинкерными минералами составила 94,4-95,7%.

Пример осуществления 2.

Уничтожение твердых отходов осуществлялось аналогично примеру 1. Для получения гранул использовались:

Твердый отход - дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ), представляющий собой белый порошок со средним радиусом частиц 2,5 мм и резким запахом.

Покрывающий материал -

- На первом этапе капсулирования - пыль электрофильтров клинкерообжигательной печи.

- На втором этапе капсулирования - портландцемент с содержанием доменного гранулированного шлака 37,2%.

Количество покрывающего материала с учетом заданной толщины покрывающего слоя 1 мм превосходило массу ДДТ в 2 раза, таким образом, принято следующее соотношение, мас.%:

Твердый отход 33,3

Покрывающий материал 66,7

в том числе

пыль электрофильтров 57

портландцемент с содержанием

доменного гранулированного шлака 37,2% 9,7.

Температура плавления покрывающего материала

- для пыли электрофильтров - 1320°С,

- для портландцемента - 1410°С.

Процесс гранулирования осуществлялся аналогично примеру 1.

Для обжига предварительно была приготовлена сырьевая смесь для получения портландцементного клинкера традиционного состава с КН=0,90. Соотношение массы сырьевой смеси и капсул составляло 10:1, что соответствовало количеству чистого ДДТ в составе обжигаемого материала 3,0%. Капсулы и сырьевая смесь перемешивались, после чего материал обжигался во вращающейся печи ⊘ 0,4×0,5×7,0 м до температуры 1450°C с получением портландцементного клинкера. Таким образом, как по режиму обжига, так и по количеству сжигаемого в печи ДДТ эксперимент соответствовал производственному режиму.

Контроль полноты термического разложения ДДТ осуществлялся по данным анализа представительных проб обожженного материала, отобранных из различных слоев. Степень усвоения хлора клинкерными минералами составила 97,0-99,1%. Остальная незначительная часть хлора, взаимодействуя с СаО и СаСО₂, превращается в хлористый кальций СаСl₂.

В результате проведенных обжигов в полупромышленных условиях подтверждено достижение технического результата - полного термического разложения токсичных отходов и поглощения продуктов термического разложения клинкерными минералами. Это обеспечивает полную безопасность процесса уничтожения твердых отходов, содержащих токсичные материалы.

Изобретение относится к природоохранной отрасли, преимущественно к способам уничтожения вредных отходов, таких как запрещенные и непригодные к применению пестициды. Способ уничтожения твердых отходов включает их введение во вращающуюся печь для обжига портландцементного клинкера и термическое разложение в окислительной среде. Перед подачей во вращающуюся печь твердые отходы подвергают принудительному капсулированию. В качестве покрывающего используют материал с температурой плавления 1250 - 1450 °С при его следующем соотношении с твердым отходом, мас.%: твердый отход 4 - 40, покрывающий материал 60 – 96. Капсулирование осуществляют на первой стадии пылью электрофильтров клинкерообжигательных печей, а на второй стадии вяжущим материалом с последующей выдержкой гранул в воздушно-влажных условиях до подачи во вращающуюся печь в течение периода, необходимого для завершения процесса схватывания верхнего слоя гранул. Технический результат: полное термическое разложение токсичных веществ в безопасном процессе уничтожения твердых отходов. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ уничтожения твердых отходов, включающий их введение во вращающуюся печь для обжига портландцементного клинкера и термическое разложение в окислительной среде, отличающийся тем, что перед подачей во вращающуюся печь твердые отходы подвергают принудительному капсулированию, причем в качестве покрывающего используют материал с температурой плавления 1250 - 1450°С при его следующем соотношении с твердым отходом, мас.%:

Твердый отход 4 - 40

Покрывающий материал 60 - 96