Очистка промышленных газовых выбросов от органических примесей и вредных сернистых соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Для очистки промышленных газовых выбросов от органических примесей и вредных сернистых соединений применяют различные методы: абсорбционные, термические, адсорбционные, каталитические и комбинированные. Наиболее перспективные -- термические и каталитические методы обезвреживания органических примесей в газовых выбросах химических, коксохимических, металлургических заводов и других предприятий. Они надежны, дешевы и достаточно эффективны [1--3].

Процессы глубокого термокаталитического окисления проводят в специальных реакторах, которые обычно работают в двух режимах: стационарном и нестационарном. Они отличаются компактностью, простотой в изготовлении и надежностью.

ГЛАВА 1. БЕСПЛАМЕННЫЕ ТЕРМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ

Метод жидкофазного окисления ("мокрое" сжигание) используют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть метода состоит в окислении кислородом воздуха органических и элементоорганических примесей сточной воды при температуре 150--350 °С и давлении 2--28 МПа.

Эффективность метода оценивается глубиной окисления органической части осадка. Эта величина зависит в основном от температуры обработки. Окисление осадка сопровождается выделением тепла. При влажности около 96 % этого тепла

достаточно для поддержания температурного режима, а энергия затрачивается в основном на подачу сжатого воздуха. Интенсивное окисление органического вещества осадка кислородом воздуха происходит в течение 30--40 мин. Технологическая схема процесса жидкофазного окисления представлена на рис. 5.1. Смесь осадка первичных отстойников и избыточного активного ила поступает по трубе 1 в приемный резервуар 2, где предварительно нагревается до 40--50 °С. Нагретый осадок питательным насосом 3 подается в насос высокого давления 4, который перекачивает его через последовательно установленные теплообменники 5 и 6 в реактор 7. В напорный трубопровод насоса подается сжатый воздух от компрессора 10. На входе в реактор температура паровоздушной смеси составляет около 240 °С.



Технологическая схема процесса жидкофазного окисления: / -- подача исходного осадка; 2 -- приемный резервуар; 3 -- питательный насос; -/ -- насос высокого давления; 5, б -- теплообменники; 7-- реактор; 8 -- сепаратор; 9 -- турбина; 10 -- компрессор

Для окисления на 50 % необходима температура ~ 200 °С, на 70 % и более -- около 250--300 °С. Две трети действующих установок работают при температуре 300 °С и давлении 21 МПа, одна треть -- при 100--200 °С и давлении 1,8--2,4 МПа.

Основное преимущество метода жидкофазного окисления состоит в небольших затратах энергии на процесс, так как сточная иода подвергается лишь незначительному испарению. Однако у этого способа есть и серьезные недостатки -- высокая стоимость и сильная коррозия оборудования, образование накипи на поверхности теплообменников, неполное окисление отходов и др. Из-за этих недостатков способ жидкофазного окисления применяется весьма ограниченно.

Метод гетерогенного катализа приметают для обезвреживания газообразных и жидких отходов с низкой концентрацией горючих примесей, когда применение других методов связано с большим расходом топлива. Процесс окисления на катализаторах осуществляю! при температуре ниже температуры самовоспламенения горючих составляющих отходов. Процесс протекает при температуре 200-- 300 °С, что значительно ниже температуры, требуемой для полного обезвреживания газообразных отходов при прямом сжигании в печах (950--1100 °С). Наиболее эффективными катализаторами являются металлы платиновой группы, менее эффективны катализаторы, изготовленные из оксидов металлов (алюминия, меди, хрома, кобальта, марганца и др.). Использование платины, родия и других металлов платиновой группы позволяет максимально снизить температуру начала процесса окисления. В термокаталитических реакторах успешно окисляются оксид углерода, водород, углеводороды, аммиак, фенолы, альдегиды, кетоны и другие соединения. При этих реакциях образуются С02, Н20, N2. Степень окисления достигает 99,9 %. Для увеличения удельной поверхности катализаторов и экономии дорогостоящих металлов применяют керамические пористые носители. На рис. 5.2 представлены схемы термокаталитических реакторов.

Современные промышленные катализаторы глубокого окисления (алюмооксидномедные, алюмомеднохромовые, алюмомед-нооксидные) устойчивы при температурах до 600--800 °С. При более высоких температурах катализаторы дезактивируются и механически разрушаются. Поэтому применение термокаталитического метода для обезвреживания газообразных отходов с высокой концентрацией горючих компонентов нецелесообразно. Разбавление газообразных отходов воздухом или дымовыми газами с целью снижения адиабатического разогрева приводит к увеличению расхода катализаторов и других затрат на обезвреживание. Отвод избыточного тепла из слоя катализатора существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию термокаталитических реакторов.

Термокаталитические реакторы не следует применять при большом содержании пыли и водяных паров в газообразных отходах ввиду дезактивации катализаторов. Каталитическое окисление неприменимо также для обезвреживания отходов, содержащих высококипящие или высокомолекулярные соединения, вследствие неполного их окисления и забивания поверхности катализатора. Многие химические элементы (Р, Pb, As, Hg, S; галогены и их соединения и др.) даже в очень малых концентрациях могут вызывать отравление катализаторов, поэтому каталитическое окисление нельзя применять при обезвреживании газообразных отходов, в которых они содержатся.

Разновидностью термокаталитического окисления является парофазное каталитическое окисление, которое состоит из двух процессов: перевода органических отходов, содержащихся в сточной воде, в парогазовую фазу и последующего каталитического окисления их в каталитическом реакторе. Для перевода летучих органических веществ, содержащихся в сточной воде, в парогазовую фазу применяют выпарные аппараты, скрубберы-испарители, работающие на подогретом воздухе или топочных газах. Метод парофазного каталитического окисления характеризуется высокой полнотой окисления летучих органических отходов (99,8 %) и большой производительностью оборудования.

Метод газификации применяется для переработки отходов с получением горючего газа, смолы и шлака. Газификация является термохимическим высокотемпературным процессом взаимодействия органической массы с газифицирующими агентами, в результате чего органические продукты превращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов могут быть использованы воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.

Газификация осуществляется в механизированных шахтных газогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и парокислородного дутья. По сравнению с сжиганием метод газификации отходов имеет следующие преимущества:

¦ получаемые горючие газы могут быть использованы в качестве топлива;

получаемая смола может быть использована как топливо или химическое сырье;

уменьшаются выбросы золы и сернистых соединений в атмосферу.

При газификации с использованием воздушного и паровоздушного дутья получают генераторный газ с низкой теплотой сгорания 3,5--6 МДж/м3. Такой газ непригоден для транспортировки и может быть использован только на месте производства. При парокислородной газификации получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м3. Его можно транспортировать на значительные расстояния.

Процесс газификации пригоден для переработки дробленых сыпучих газопроницаемых отходов. Пастообразные крупногабаритные отходы не могут перерабатываться этим способом.

Пиролиз отходов (или сухая перегонка) заключается в термическом разложении отходов без доступа воздуха. В результате пиролиза образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток.

При пиролизе органического вещества происходит не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимосвязаны и протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температур. Общую схему пиролиза можно представить следующим образом:

тв. отходы + Q-> тв. остаток + жидк. продукты + газы + Qv

где Q и Q] -- дополнительное и вторичное тепло.

Пиролизом перерабатываются твердые отходы, в том числе отходы пластмасс, резины и др. Нагрузка на окружающую среду при пиролизе меньше, чем при сжигании отходов. В оснбву классификации пиролизных установок положена температура процесса, так как она определяет количество и качество образующихся продуктов. В зависимости от температуры различают три вида пиролиза:

низкотемпературный пиролиз, или полукоксование. Процесс проводят при 450--550 °С с образованием максимальных количеств жидкого продукта и твердого остатка (полукокса) и минимальным выходом пиролизного газа. Газ, образующийся при низкотемпературном пиролизе, обладает максимальной теплотой сгорания;

среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное коксование. Процесс проводят при температуре до 800 °С. При этих условиях увеличивается выход газа, но снижается его теплота сгорания, одновременно снижается выход жидкого и твердого продуктов;

высокотемпературный пиролиз, или коксование. Процесс проводят при 900--1050 °С. При этой температуре выход жидкого и твердого продукта минимален, а выход пиролизного газа максимален, но такой газ имеет самую низкую теплоту сгорания.

Примером низкотемпературного пиролиза может служить разработанный фирмой "Монсанто" (США) метод термической обработки мусора "Ландгард" (рис. 5.3). Метод осуществляется по вращающейся печи при недостаточном доступе кислорода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отходы из бункера 1 по двум виброжелобам направляются в дробилку 2, а затем -- в бункер для дробленых отходов 3, откуда их непрерывно подают во вращающуюся печь 4. Печь изнутри футерована огнестойким материалом и установлена с небольшим наклоном, благодаря чему измельченные отходы в ней легко перемещаются, при этом часть горючих составляющих сгорает.

Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по отношению к обогревающим газам. Процесс эндотермичен, и для его осуществления подводится дополнительное топливо.

Остаток твердых отходов после пиролиза попадает в находящуюся в конце печи шлаковую ванну 5, питаемую водой, поступающей из скруббера 9, служащего для очистки отходящих газов. Шлак направляется на магнитный сепаратор 6. Освобожденный от железа остаток представляет собой стеклосо-держащее темное вещество. Пиролизный газ полностью сгорает в камере с огнеупорной футеровкой 7, в которую подается воздух. Тепло используется для производства пара с помощью парогенератора 8. Отходящий газ, пройдя скруббер, с помощью дымососа 10 через дымовую трубу 11 выбрасывается в атмосферу. Вода, используемая в скруббере и шлаковой ванне, очищается на установке 12.

Установка производительностью 35 т/сут, работающая по этой технологии, построена в Балтиморе (США).

Высокотемпературный пиролиз имеет ряд преимуществ. В частности, он позволяет более интенсивно и глубоко преобразовать исходный продукт, так как при увеличении температуры скорость реакции возрастает быстрее, чем растут теплопотери, происходит более полное выделение летучих продуктов, а количество твердого остатка сокращается. Важнейшей частью пиролитической установки является реактор, один из типов которого напоминает шахтную печь (рис. 5.4). Высота такого реактора составляет 15 м, внутренний диаметр 3 м. Реактор способен переработать в течение суток 300 т отходов. Отходы периодически загружаются в верхнюю часть реактора и под собственным весом проходят вниз через три зоны: сушки, пиролиза, сгорания и плавления. Горючие газы из зоны сгорания проходят вверх сквозь слой отходов и отдают тепло в зонах сушки и пиролиза. В зоне сушки происходит испарение влаги, содержащейся в отходах. Поступающие сверху отходы препятствуют подсосу воздуха через загрузочное отверстие. Под зоной сушки расположена зона пиролиза, где высушенные отходы без доступа воздуха разлагаются с образованием горючего газа, углерода и инертного материала. Горючие газы поднимаются вверх и попадают в кольцеобразный канал, откуда они имеете с паром (образовавшимся в зоне сушки) отсасываются вентилятором.

Основными компонентами пиролизного газа являются водород, оксид углерода, метан. Теплота сгорания этой смеси в зависимости от состава отходов и организации процесса составляет 6680--10450 кДж/м3. Часть энергии получаемого газа используется для подогрева воздуха, подаваемого в зону сгорания реактора. потребителю в виде газообразного топлива или в виде теплоносителей.

Пиролизный газ имеет преимущество перед природным, так как не содержит соединений серы и азота. Однако в связи с низкой теплотворной способностью, трудностями аккумуляции и хранения пиролизного газа он не может собираться и транспортироваться на значительное расстояние, вследствие чего потребитель газа должен находиться не далее 3 км от пиролизной установки.

Кокс, получаемый при пиролизе отходов, можно использовать в различных целях, в зависимости от его состава и физических свойств. При пиролизе твердых отходов нефтеперерабатывающих производств кокс с зольностью до 50 % после небольшой дополнительной обработки может быть применен в качестве заменителя природных и синтетических углеродсодержащих материалов. Коксовый остаток, образовавшийся при пиролизе осадков сточных вод, можно использовать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенный автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую \\ производстве резиновых технических изделий, пластмасс, ти пографских красок, пигментов. Возможны и другие направлении использования твердого углеродистого остатка.

Пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах и виде вертикальных реторт или во вращающихся барабанных реакторах В этих аппаратах пиролизные газы не подвергаются какому-либо разбавлению газовыми теплоносителями, поэтому характеризуются высокой теплотой сгорания. Кроме того, газ, получаемый в реакторах с внешним обогревом, содержит минимальное количество пыли, так как не перемешивается с газовым теплоносителем, обычно пропускаемым через слой отходов, содержащих мелкодисперсные частицы. В реакторах с внутренним обогревом (вертикальные шахтные, с псевдоожиженным слоем, вращающиеся барабанные) в качестве теплоносителя используют газы, нагретые до 600--900 °С и химически не реагирующие с отходами (инертные и горючие газы, не содержащие кислорода). Наиболее целесообразно в качестве теплоносителя использовать рециркулирующий пиролизный газ. При этом исключается разбавление продуктов пиролизного газа и ухудшение его качества.

В реакторах с внутренним обогревом в связи с применением газообразных теплоносителей повышается запыленность пиролизного газа. В то же время внутренний обогрев конвекцией позволяет существенно интенсифицировать процесс пиролиза и сократить габариты реакторов по сравнению с установками с внешним обогревом.

Глава 2. СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к экологически чистым способам и устройствам для сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов и может быть использовано, в частности, в коммунально-бытовом хозяйстве при сжигании отходов с гарантированным подавлением вредных веществ, в том числе диоксинов, с утилизацией теплоты сгорания отходов и производством товарной извести. Технический результат: создание экологически выгодного процесса сжигания твердых бытовых и других органических отходов с гарантированным подавлением вредных веществ, в том числе диоксинов, в газовых выбросах и повышение рентабельности мусоросжигательных заводов за счет реализации товарной продукции, полученной в процессе утилизации. Способ сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов включает сжигание отходов при подаче предварительно нагретого воздуха, дожигание газообразных продуктов сжигания, последующую обработку для связывания HCl, Cl2 , HF, пропускание через теплообменник - котел, газоочистку. Перед подачей в печь на сжигание отходы сепарируют, измельчают органическую часть отходов до размеров не более 100 мм, смешивают отходы с нагретым до температуры 300-4000С воздухом, подачу в циклонную печь осуществляют тангенциально с линейной скоростью не ниже 28 м/с, сжигание осуществляют при температурах 1320-1350°С, дожигание осуществляют в камере каталитического дожигания при температурах 1300-1500°С, обработку для связывания HCl, Cl2, HF ведут в камере декарбонизации известняковой муки с получением негашеной извести, перед подачей в котел обработанные продукты сжигания пропускают через воздухоподогреватель, а после котла - через систему мокрой газоочистки, причем тепловую энергию котла подают потребителям. Охарактеризована установка для реализации описанного способа.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к экологически чистым способам и устройствам для сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов и может быть использовано, в частности, в коммунально-бытовом хозяйстве при сжигании отходов с гарантированным подавлением вредных веществ, в том числе диоксинов, с утилизацией теплоты сгорания отходов и производством товарной извести.

Известен способ переработки мусора на Московском спецзаводе №3 ("Санитарная очистка и уборка населенных мест". Справочник, 1990г.), основное технологическое оборудование для которого поставила фирма "Volund" (Дания). Отличительной особенностью этой конструкции является дожигательный вращающийся барабан, установленный за каскадом наклонно переталкивающих колосниковых решеток, что позволяет сжигать в котло-агрегате отходы повышенной влажности.

Недостаток способа - термические процессы на мусоросжигательных заводах вследствие наличия сухой системы золошлакоудаления и, следовательно, во избежание зашлакованности технологического оборудования протекают при температурах 900... 1000° С и поэтому не позволяют решить проблему подавления вредностей, в частности, диксинов.

Необратимое разрушение термически стойких хлорорганических соединений (диоксинов) происходит при температурах, близких к 1400° С.

Известен способ переработки твердых отходов в шлаковый ванне при расчетных условиях плавки, где загрузкой определенного количества необходимых флюсов, например, содержащих кремнезем (песок, кварцевые флюсы и т.п.), подбирается по вязкости и температуре плавления (обычно 1300-1500° С) состав шлака (RU 2030684 C1, F 23 G 7/00, 10.03.1995). Процесс ведут при контролируемом кислородном потенциале (окислительные условия), который задается удельным расходом кислорода на тонну загрузки.

Недостаток способа: не учитываются способности диоксинов к новому синтезу при пониженных температурах. Этому особенно способствуют характерные для известного способа условия большого выноса пыли и токсичных соединений металлов.

Известен способ термической обработки и уничтожения мусора и бытовых отходов в устройстве, представляющем собой вертикально расположенный корпус, футерованный огнеупорным материалом (RU 2023211 C1, F 23 G 5/00, 15.11.1994). Отходы загружаются сверху и проходят все стадии переработки - сушку, пиролиз, газификацию, горение - в отсеках, отделенных друг от друга створками с дистанционным управлением. Процесс газификации завершается образованием горючего (пиролизного) газа, который может направляться как топливо на теплоэнергетические установки.

Техническая задача, решаемая в известном изобретении, состоит в повышении эффективности переработки мусора, связанном с непрерывным протеканием процессов хранения, газоотвода, сушки, пиролиза, горения и золоудаления в едином шлюзовом моноблоке.

Недостаток способа - необходимо строго следить за температурой процесса для предотвращения спекания закоксованного мусора и отходов на створках. Для этого воздух, поступающий на горение, увлажняют, поддерживая в зоне сжигания температуру не выше температуры плавления золы, а подачу отходов из зоны в зону ведут регулируемыми дозами, периодически встряхивая.

Таким образом, привлечение дополнительных термических операций (пиролиз, газификация) усложняет процесс сжигания мусора, увеличивает эксплуатационные расходы, делает процесс утилизации отходов нерентабельным и не решает проблем с синтезом диоксинов.

Наиболее близким аналогом является способ сжигания твердых бытовых отходов по RU 2114357 C1, F 23 G 5/00, 27.06.1998 /1/.

Известный способ /1/ включает сжигание отходов при температурах выше 1340° С при подаче первичного воздуха с температурой до 400° С, дожигание газообразных продуктов сжигания при температурах свыше 850° С, последующую обработку для связывания HCl, Cl2, HF и др., пропускание через электрофильтр в теплообменник, в качестве которого используют котел, тепловую энергию которого передают потребителю.

Недостатками известного способа являются следующие.

Во-первых, наклонно-переталкивающее колосниковое полотно (как правило, из жаропрочного чугуна) не рассчитано на сжигание топлива с температурой, большей 1000° С, поэтому эксплуатация наклонно-переталкивающих колосников с температурой, большей 1340° С, приведет к быстрому их износу и выходу топки из строя.

Во-вторых, хорошо известно, что температура дожига 850° С не способствует разложению диоксинов и фуранов в продуктах сгорания, что косвенно подтверждают авторы известного способа, устанавливая после камеры дожига еще адсорбер, где с помощью специально приготовленного известкового молока продукты сгорания очищаются, в частности, от хлористого водорода (необходимая и достаточная составляющая диоксинов и фуранов).

В-третьих, использование в адсорбере (куда поступают продукты сгорания с температурой 850° С) известкового молока совершенно неприемлемо по двум причинам: во-первых, произойдет практически мгновенное испарение жидкой фазы известкового молока, сопровождающееся резким падением температуры продуктов сгорания (потери тепла до 600 ккал на 1 кг H2O); во-вторых, известковое молоко является водной суспензией гидроксида кальция при максимальном массовом соотношении вода:известь, составляющем 1:0,15, поэтому после превращения водной составляющей в пар количество твердой извести будет столь ничтожным, что эффект абсорбции будет близок к нулю.

В-четвертых, в известном способе для стабилизации процесса используется дополнительный энергоноситель (газ, мазут), что введет к серьезному удорожанию эксплуатационных расходов.

Задачей изобретения является повышение эффективности процесса сжигания отходов при температурах, превышающих 1300°С, совершенствование процесса дожигания продуктов сгорания отходов в условиях каталитического окисления при температурах 1350-1400°С, углубление обезвреживания продуктов сгорания за счет хемосорбции галогенов, нитратов, сульфитов и других вредных веществ на активных поверхностях оксида кальция, синтезированного при декарбонизации из известняковой муки; полное использование внутренней энергии отходов без привлечения для функционирования процесса дополнительных энергоресурсов.

Задача изобретения решается за счет того, что в способе сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов, включающем сжигание отходов при подаче предварительно нагретого воздуха, дожигание газообразных продуктов сжигания, последующую обработку для связывания HCl, Сl2, HF, пропускание через теплообменник - котел, газоочистку - перед подачей в печь на сжигание, отходы сепарируют с отделением неорганической части, измельчают органическую часть отходов до размеров не более 100 мм, смешивают отходы с нагретым до температуры 300-400° С воздухом, подачу в циклонную печь осуществляют тангенциально с линейной скоростью не ниже 28 м/с, сжигание осуществляют при температурах 1320-1350° С, дожигание осуществляют в камере каталитического дожигания при температурах 1300-1500° С, обработку для связывания HCl, Cl2 , HF ведут в камере декарбонизации известняковой муки с получением негашеной извести, перед подачей в котел обработанные продукты сгорания пропускают через воздухоподогреватель, а после котла - через систему мокрой газоочистки, причем тепловую энергию котла подают потребителю.

Устройство для осуществления способа содержит оборудование для сепарации и измельчения отходов, бункер-питатель отходов, циклонную печь с тангенциальным входом смеси измельченных отходов и нагретого воздуха, камеру каталитического дожигания, работающую по принципу беспламенной горелки, камеру декарбонизации, оснащенную бункером и питателем для известняковой муки, воздухоподогреватель, теплообменник, систему мокрой газоочистки.

Сущность способа заключается в том, что перед подачей в печь отходы сепарируют с отделением неорганической части (металла, стекла, керамики), измельчают органическую часть отходов до крупности не более 100 мм, подают измельченные отходы в циклонную топку с тангенциальным входом струей нагретого до 300-400° С воздуха, линейная скорость которого не ниже 28 м/с; образующиеся продукты сгорания проходят через камеру каталитического дожига, работающую по принципу беспламенной горелки, и камеру декарбонизации, где навстречу потоку газов распыляется известняковая мука (СаСО3 ) для улавливания НСl, SO2, NOx, превращающаяся в итоге термического воздействия в негашеную известь (СаО), на поверхности которой в результате взаимодействия, в частности, с хлором образуются кристаллы СаСl2, которые не ухудшают товарных свойств негашеной извести.

Таким образом, в камере декарбонизации сводится к минимуму, вплоть до полного исключения, вторичное образование диоксинов, так как известно, что реакции их образования происходят на поверхности частиц летучей золы в присутствии соединений хлора при катализе соединениями железа и меди.

Далее продукты сгорания проходят через воздухоподогреватель, нагревая дутьевой воздух до 300-400° С, и поступают в теплообменник, откуда направляются в систему мокрой очистки, где подавляются остаточные SO2, NOx и пыль. Очищенные газы выбрасываются в атмосферу, причем тепловую энергию, снятую с контура теплообменника, и товарную известь подают потребителям.

Крупность измельчения органических веществ отходов не более 100 мм выбрана из соображения технологической целесообразности, так как более крупные фрагменты затрудняют подачу отходов в топку с тангенциальным вводом.

Температура нагретого воздуха в интервале 300-400° С ограничена техническими возможностями существующих воздухоподогревателей.

Качество сгорания отходов в циклонной топке лимитируется линейной скоростью вдуваемой смеси воздуха с отходами: чем выше скорость, тем выше качество сгорания.

Экспериментально установлено, что при скорости ниже 28 м/с резко увеличивается процент химического и физического недожога, что приводит, в конечном счете, к синтезу диоксинов.

Известняковая мука (СаСО 3) при температурах 1300-1500° С декарбонизируется практически мгновенно в течение долей секунды по реакции:

СаСО3--> СаО+СO2

Сущность устройства для осуществления способа показана на фиг.1 и фиг.2.



На фиг.1 схематично изображено устройство, вертикальный разрез Б-Б; на фиг.2 - сечение А-А.

Устройство для сжигания твердых бытовых и других органических отходов содержит бункер- питатель отходов 1, канал 2 для совместной подачи измельченных отходов и нагретого воздуха, циклонную топку 3 с тангенциальным входом смеси отходов и воздуха, камеру каталитического дожига 4, работающую по принципу беспламенной горелки, камеру декарбонизации 5, оснащенную бункером 6 и дисковым питателем 7 для известняковой муки.

В камере воздухоподогревателя 8 вмонтирован металлический воздухоподогреватель 12. Дутьевой вентилятор 10 подает нагретый воздух по воздуховоду 11 к бункеру с измельченными отходами.

Пример 1 практической реализации способа и устройства для сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов с гарантированным подавлением вредных веществ, в том числе диоксинов.

Например, производительность мусоросжигательного завода, работающего по предлагаемому способу, составляет 6 т/час.

Функционирование завода происходит следующим образом.

На стадии сепарации отделяются неорганические отходы (металлы, стекло, керамика и т.п.), что обычно составляет около 6%. Для этих операций используется типовое оборудование магнитной и воздушной сепарации.

Органическая часть, после сепарации состоящая из макулатуры, пищевых отходов, древесины, текстиля, кожи, резины, пластмассы подается на измельчение до размеров куска не более 100 мм. Измельчение осуществляется в типовом оборудовании, например в зубчатых дробилках. Далее струей нагретого до 300-400° С воздуха со скоростью не ниже 28 м/с смесь воздуха и измельченных отходов вдувается в печь, где и сгорает при температуре примерно 1320-1350° С.

Образовавшиеся продукты сгорания проходят камеру каталитического дожига, представляющую собой щелевую вертикальную шахту из алюмосиликатных огнеупоров, работающую по принципу беспламенной горелки, где гарантированно сгорают тяжелые углеводороды и фрагменты сажи, в результате чего температура продуктов сгорания повышается на 50-70° С.

Далее продукты сгорания поступают в камеру декарбонизации, представляющую собой полую вертикальную шахту, снизу вверх, где навстречу им распыляется известняковая мука (СаСО3 ) в количестве 270 кг/час (расчетное количество на 6 т/час отходов).

Полученная негашеная известь (СаО) в количестве примерно 155 кг/час улавливает в продуктах сгорания хлор, устраняя тем самым возможность вторичного синтеза диоксинов.

Обезвреженные продукты сгорания проходят камеру воздухоподогревателя, нагревая дутьевой воздух, и поступают в теплообменник, в качестве которого может использоваться паровой или водогрейный котел.

После теплообменника отработанные газы подвергаются окончательной мокрой газоочистке для нейтрализации остаточных SO2, NO x и пыли.

В качестве аппарата мокрой газоочистки может быть применен дезинтегратор или мокрый скруббер.

Отработавшие, обезвреженные и очищенные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Полученная в результате реализации способа сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов с гарантированным подавлением вредных веществ, в том числе диоксинов, товарная продукция - тепловая энергия в количестве не менее 12,0 Гкал/час и негашеная известь в количестве до 150 кг/час - отпускается потребителям, что окупает затраченные средства.

Органическая часть ТБО с влажностью 32% подвергается измельчению до фрагментов с размерами, не превышающими 100 мм. Измельчение осуществляется, например, в зубчатых дробилках. Далее измельченные органические отходы вдуваются в циклонную печь струей нагретого до 300-400°С воздуха, при этом скорость струи не ниже 28 м/с. В циклонной печи происходит сгорание ТБО.

Рассчитаем теплотехнические и физико-химические параметры этого процесса.

Для сжигания 5,32 т абсолютно сухих ТБО требуется количество воздуха, определяемое стехиометрическим соотношением окислительных реакций:

С+О 2=СO2

H2+0,5O2 =Н2О

S2+2O2=2SO2

или эквивалентные массовые количества:

2,34 т С+6,25 т О2=8,79 т CO2

0,28 т H2 +2.24 т О2=2,52 т H2O

0,0053 т S+0,0053 т О2=0,01 т SO2

Всего кислорода 8,4953 т. При коэффициенте избытка окислителя =1,4 потребность в кислороде составит 11,89 т. Вычтем кислород, имеющийся в ТБО:

11,89-1,52=10,37 т.

Количество воздуха, необходимого для дутья, находим из расчета содержания 0,233 кг кислорода в 1 кг воздуха:

В=10,37/0,233=44,5 т/ч

Теплосодержание 44,5 т воздуха при температуре 300-400° С равно 3,34-4,54 Гкал.

Таким образом, для сжигания 5,32 т/ч абсолютно сухой органической субстанции ТБО требуется 44,5 т/ч воздуха, при этом образуется 49,82 т/ч продуктов сгорания состава:

СO2 - 8,79 т

Н2O - 2,52 т

SO2 - 0,01 т

O2 - 1,88 т

Cl - 0,016 т

N - 35,674 т

зола - 0,93 т

Если влажность ТБО 32%, то отходы содержат помимо абсолютно сухой части еще 2,5 т физической воды, поэтому общее количество продуктов сгорания составит 52,32 т/ч при следующем содержании соединений:

СO2 - 8,79 т 24,6%

Н2 O - 5,02 т 14,1%

SO2 - 0,01 т 0,028%

O2 - 1,88 т 5,27%

Cl - 0,016 т 0,045%

N - 35,674 т 53,36%

зола - 0,93 т 2,6%

В результате сгорания 2,34 т углерода (при его теплотворности 8100 ккал/кг) выделится тепловая энергия в количестве:

Qc=2340· 8100=18954000 ккал

То же при сгорании водорода (при его теплотворности 32400 ккал/кг):

Qh=2800· 32400=9072000 ккал

То же при сгорании серы при теплотворности 2070 ккал/кг:

Qs=5,3· 2070=10970 ккал

Всего выделение тепла при теоретически полном сгорании ТБО составит:

Qобщ=18954000+9072000+10970=28036970 ккал

Вместе с теплосодержанием подогретого воздуха теоретическое количество выделившегося тепла достигает 32,6 Гкал/ч.

Реальное количество выделившейся тепловой энергии зависит от механического и химического недожогов и потерь тепла в окружающую среду. Обычно суммарно эти потери составляют до 20%. Поэтому реальное выделение тепловой энергии при сжигании в циклонной печи влажной органической части ТБО составит:

Qp=32,6 Гкал· 0,8=26,0 Гкал/ч

Температура продуктов сгорания на выходе из циклонной печи:

26000000 ккал - тепловая производительность печи,

52320 кг - количество продуктов сгорания,

0,375 ккал/(кг· град) - удельная теплоемкость продуктов сгорания при 1325° С.

Из циклонной печи продукты сгорания проходят по каналам камеры каталитического дожига, в результате чего осуществляется практически полное окисление продуктов, относящихся к химическому недожогу, как результат - теплосодержание продуктов сгорания вырастает на 5-6% (1,3-1,6 Гкал/ч), а температура увеличивается на 60-70° С и достигает 1385-1400° С.

Далее продукты сгорания (52320 кг/ч) поступают в камеру декарбонизации, вертикальную шахту, снизу вверх. Навстречу потоку распыляется известняковая мука (СаСО3) в количестве 2200 кг/ч со средним диаметром частиц 0,15 мм.

Из практики обжига известняка (Ю.М.Бутт и др. Химическая технология вяжущих материалов, М.: Высшая школа, 1980) известно, что время полной диссоциации частиц известняка крупностью 0,1-0,15 мм при температуре 1100-1200° С составляет примерно 0,002 мин (0,12 с), т.е. практически мгновенно, сопровождаясь сильным разрыхлением структуры образовавшегося оксида кальция. В этот период оксид кальция чрезвычайно активен к поглощению галогенов, нитратов, серы.

Работами НИИСтромкомпозит г.Красноярск установлена функциональная связь между количеством поглощенных веществ и фракционным составом известняковой муки, диссоциирующей при температурах 1100-1200° С. В частности, для ориентировочных расчетов эти показатели следующие:

поглощение HCl - 12,9 г/кг СаСО3,

поглощение SO2 - 11,4 г/кг СаСО3.

Если в продуктах сгорания содержание Cl - 16 кг, а содержание SO2 - 10 кг (см.выше), то требуемое количество СаСО3 для поглощения этих соединений составит:

HCl - 16000 г: 12,9 г/кг=1240 кг СаСО3 ,

SO2- 10000 г: 11,4 г/кг=877 кг СаСО3.

Всего: 2117 кг СаСО3, принято 2200 кг СаСО3.

В результате диссоциации 2200 кг СаСО 3 образуется в среднем 1270 кг СаО и 930 кг CO 2. Хемосорбированные на поверхности СаО хлор и диоксид серы синтезируют соответственно СаСl2 и СаSO4 , первый в количестве 25 кг, второй в количестве 17 кг. Суммарно эти примеси в массе СаО составляют не более 3,3%. Эти примеси (хлорид кальция и гипс) оказывают благоприятное влияние на твердение извести, поэтому их присутствие не ухудшает, а улучшает качество обожженной извести.

Для осуществления диссоциации СаСО3 требуется затратить 425 ккал на 1 кг карбоната, поэтому при диссоциации 2200 кг СаСО3 поглощается 0,935 Гкал тепловой энергии, а объем продуктов сгорания возрастает на 930 кг СО2 (53250 кг).

Обезвреживание продуктов сгорания в количестве 53250 кг с теплосодержанием 25,8 Гкал (учтены затраты на диссоциацию, унос тепла с продуктами распада, потери тепла в окружающую среду) направляются в камеру воздухоподогревателя. Температура продуктов сгорания на входе в воздухоподогреватель равна:

В результате нагревания воздуха до температуры 400° С затрачивается 1,6 Гкал тепловой энергии. Следовательно, из воздухоподогревателя в паровой или водогрейный котел войдет 53250 кг продуктов сгорания с примерным теплосодержанием 24,2 Гкал и температурой 1200° С.

Из котла продукты сгорания уйдут с температурой 150° С, поэтому их теплосодержание составит:

53250· 0,25· 150=1996875 ккал, принято 2 Гкал.

Количество тепловой энергии, переработанной в котле, равно:

24,2-2=22,2 Гкал/ч.

Если КПД котла принять равным 0,92, то товарная тепловая энергия котла составит:

22,2· 0,92=20,4 Гкал/ч.

Таким образом, если производительность мусороперерабатывающего завода по заявляемому способу - 10 т/ч ТБО, то после сортировки при сжигании органической части этих отходов с обеззараживанием продуктов сгорания первоначально в камере каталитического дожига за счет возрастания температуры до 1400° С и далее в камере декарбонизации при расходе известняковой муки 2200 кг/ч за счет хемосорбционного взаимодействия галогенов, нитратов, сульфитов и др. с активной поверхностью синтезированного оксида кальция полностью обезвреживаются продукты сгорания, при этом имеет место выход товарной извести в количестве 1270 кг/ч, а при пропускании обезвреженных продуктов сгорания через теплообменник имеет место выход товарной тепловой энергии до 20,4 Гкал/ч.

ГЛАВА 3. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ ДЛЯ ДОЖИГАНИЯ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ

Реактор представляет собой конструкцию башенного типа, включающую многоходовой трубчатый воздухоподогреватель -- рекуператор, встроенный смешивающий воздухоподогреватель и газовую горелку, в верхней части размещена каталитическая камера (рис. 1). Реактор оборудован системой КИПиА, позволяющей выполнять по заданной программе пусковые и остановочные операции, а также поддерживать оптимальный тепловой режим с соблюдением требований безопасности. Реакторы производительностью 5 и 10 тыс. м3/ч с платиновым катализатором внедрены и успешно работают [4].

В Дзержинском филиале НИИОгаза (г. Дзержинск Горьковской обл.) выполнены работы по обезвреживанию газов от окислительных колонн синтеза жирных кислот [5]. Установка производительностью 25--30 тыс. м3/ч включает двухполочный реактор и два теплообменника. Температура газов в I ступени 190--200, во II 240-- 450 °С, а на выходе из слоев катализатора достигает соответственно 250--450 и 330--580 °С. Высота слоя катализатора 300--350 мм, линейная скорость потока газов приблизительно 1 м/с, степень очистки после II ступени 99 %.

Имеются данные о реакторе, работающем в нестационарном режиме, т. е. в режиме переключения направления потока реакционной смеси. В таком реакторе можно проводить обезвреживание разбавленных органических выбросов и оксида углерода [6, 7]. На рис. 2 представлен реактор с катализатором на сетке, предназначенный для окисления метанола [8].

Самым простейшим аппаратом является реактор с неподвижным слоем катализатора (рис. 3). Однако в нем трудно равномерно распределить поток газов и избежать градиентов температуры по слою катализатора, а также предотвратить разложение реагентов на перегретых участках при снижении скорости реакции на ненагретых. Более сложен полочный реактор с несколькими слоями катализатора (рис. 4). В нем поток газа лучше распределяется и охлаждается между слоями, причем можно вводить горячий и холодный газ, а в разных слоях поместить разные катализаторы; кроме того, можно избирательно заменять слой дезактивированного контакта и поддерживать различную температуру в слоях.

В работе [9] приведены результаты моделирования каталитического реактора очистки отходящих газов лакокрасочного производства. В газах концентрация органических примесей не превышала 500 мг/м3 (циклогексан, н-ксилол, пентан и др.). Даны рекомендации по выбору оптимального режима и экономики процесса. Основные данные: сопротивление системы не более 4 кПа, высота слоя катализатора 50--200 мм; температура процесса 425--450 °С, скорость газа в реакторе 0,6 м/с, время контакта 0,12 с.

Рис. 1. Термокаталитический реактор:

1-- входные патрубки; 2 -- выходной канал; 3 -- теплообменник; 4 -- газовая горелка; 5 --катализатор

Рис. 2. Реактор с неподвижным слоем катализатора:

1--газораспределитель; 2--камера смешения; 3--катализатор; 4-- решетка; 5 -- термопары; I--ввод газов; II--очищенные газы

Рис.4. Полочный реактор:

1-опорная сетка; 2-слой катализатора; I-ввод газов; II-ввод холодного воздуха; III-очищенные газы

Институтом газа АН УССР совместно с конструкторским бюро и мастерскими опытного производства разработана установка, действующая на комбинате печати “Радянська Україна”. Основные данные реактора: объем катализатора 0,4 м3, температура процесса 380 °С, сопротивление 1,8 кПа; габариты 3,5*3,5*8 м, масса установки до 6 т.

Рис. 5. Реактор с двухкольцевым размещением катализатора:

1-- корзины с катализатором; 2 -- внутреннее кольцо с катализатором; I, II--соответственно вход и выход газов; III--выгрузка катализатора; IV--загрязненные газы

Минский конструкторско-технологический экспериментальный институт разработал простейшие реакторы УСК-39, УСК-41 и др. На рис. 5 показан реактор с двухкольцевым размещением катализатора конструкции Дзержинского филиала НИИОгаза. В этом же институте создан реактор для дожигания газов от сушильных камер окрасочных линий машиностроительных заводов (рис. 6). Подача газов осуществлена по кольцевому каналу, где они смешиваются с дымовыми газами от сжигания жидкого или газообразного топлива.



Рис. 6. Реактор:

1--катализатор; 2--воздухораспределитель; 3--горелка, 4 -- распределитель газов; I--ввод газов; II--очищенные газы; III--топливо

Рис. 7. Каталитический реактор:

1--катализатор; 2--панельные горелки; 3--кожухотрубчатый теплообменник; I--природный газ; II, III--соответственно выход и вход газов

В аппарате Гипрогазоочистки (рис. 7) газы поступают в трубное пространство теплообменника и далее в реактор, где смешиваются с дымовыми газами сжигания топлива в панельных горелках, проходят через слой катализатора, а затем через межтрубное пространство теплообменника сбрасываются в атмосферу. Аппараты, представленные на рис. 6 и 7, прошли промышленные испытания и хорошо зарекомендовали себя в рабочих режимах.

Наиболее многочисленны реакторы со встроенными рекуператорами тепла типа ТКВ. Технические характеристики таких реакторов приведены в работе [10].

Подобные аппараты применяют в Польше; они разработаны Проектным бюро охраны природы “Проат” (рис. 8). В Германии создан реактор типа КВ, в корпусе которого размещен слой катализатора и теплообменник (рис. 9). Разработано пять типоразмеров таких реакторов производительностью от 5 да 25 тыс. м3/ч. Иногда рекуператор тепла примыкает к реактору. Такие установки имеются в ФРГ и Англии. В Венгрии, Франции и США внедрены установки с верхней подачей газа по кольцевым каналам [11].

Рис. 8. Реактор типа ТКВ:

1--горелка; 2--отражатель; 3--катализатор; I--ход газов; II--топливо; III--очищенные газы



Рис. 9. Реактор типа КВ:

1--катализатор; 2--теплообменник; 3--горелка; I--загрязненные газы; II--очищенные газы; III-топливо

Имеются данные о работе опытно-промышленной установки для очистки газов, которая разработана в Ленинградском технологическом институте совместно с Институтом катализа СО АН СССР. Температура в слое катализатора достигает 450--500 °С.

Таким образом, каталитический способ очистки газовых выбросов от органических примесей внедрен в различных отраслях промышленности. Однако большинству реакторов присущи недостатки: периодичность работы, низкая производительность, отсутствие пылеочистных устройств и высокая стоимость [12].

Компактный и экономичный реактор для каталитического дожигания отходящих газов разработан в нашем институте (рис. 10).



Рис. 10. Изотермический реактор:

8 -- вал, 9, 10 -- опоры, 11-- завихритель воздуха, 12 -- опорное кольцо, 13 -- направляющая опорного кольца, I--вход газов, II--загрузка катализатора, III--выход очищенных газов, IV--выгрузка катализатора

Это аппарат циклонного типа с радиальным вводом газа, в котором сплошная центральная труба предназначена для вывода газа, прошедшего через слой катализатора 5 и отдавшего свое тепло, например, воде теплообменника 6. Внутри центральной трубы с образованием кольцевого зазора, ограниченного ее стенкой, обечайкой корзины 2, кольцом 3 и крышкой 4, установлена корзина с катализатором и примыкающий к ней трубчатый теплообменник 6; обечайки корзин 2 и 7 перфорированы. В таком реакторе одновременно протекают три процесса: очистка газов от пыли в поле центробежных сил и на гофрах внутренней обечайки корзины 7; каталитическое окисление органических примесей в слое катализатора и, наконец, утилизация тепла.

Капитальные затраты на строительство подобных реакторов, как правило, на 15--20 % меньше, степень очистки газов от пыли на 1,5--1,8 % выше. Совмещенный реактор можно разместить на площади 60--70 м2, а промышленный реактор такой же производительности (например, 20 тыс. м3/ч) требует не меньше 120 м2. Замену катализатора можно производить с помощью запорного устройства без остановки реактора. На основании лабораторных исследований подобраны дешевые катализаторы: марганцевая руда, марганцевый агломерат и меднохромовый контакт. Реактор рекомендован для внедрения на опытной установке шахты и на химическом заводе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

отходы утилизация газ каталитический реактор

1. Термокаталитические реакторы для очистки газов // Каталожный листок / Химнефтемаш. М.: ЦИНТИ, 1984.-- 84 с.

2. А. с. 1060214 СССР. Реактор для проведения каталитических процессов / А. М. Сычева, В. С. Генкин, С. И. Мельников, Н М. Дюрик и др. // Открытия. Изобретения. 1983. № 46. С. 18, 19.

3. Беляков Б. П., Исаков И. Г., Шейко А. В. Термические методы обезвреживания промышленных газообразных выбросов // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. Сер. ХМ-14/ ХИНТИхимнефтемаш. 1983.-- 21 с.

4. Ледокова Г. М., Попова Н. М., Сокольский Д. В. и др. Термокаталитическая очистка газовых выбросов производства пластмасс // Каталитическая очистка газов: Матер. IV Всесоюзн. конф. Ч. 2.-- Алма-Ата. 1985. С. 83--88.

5. Шафранский Е. Л., Дряхлое А. С., Калинкина Л. И. и др. / Там же. С. 89--93.

6. А. с. 849594 СССР. Способ очистки отходящих газов / Г. К. Боресков, Ю. Ш. Матрос, В. Г. Луговской // Открытия. Изобретения. 1982. № 14. С. 320.

7. А. с. 882056 СССР. Способ очистки отходящих газов / Г. К- Боресков, Ю. Ш. Матрос, В. М. Пажилова и др. // Открытия. Изобретения. 1982. № 15. С. 287.

8. Катализ в промышленности / А. Слейш, У. Чоудри, Ф. Вагнер и др.: Пер. с англ, под ред В. М. Грязнова.-- М.: Мир, 1986.-- 291 с.

9. Дряхлое А. С., Калинкина Л. И., Жданович Н. В. и др. Об особенностях моделирования реактора санитарной очистки воздуха... // Каталитическая очистка газов: Матер. III Всесоюзн. конф. Ч. I.-- Новосибирск. 1981. С. 121--128.

10. МРТ 37.056.142-82. Аппараты очистки газовых выбросов с замкнутым циклом и автономной системой управления. Унифицированные сборочные единицы.-- М.: Стандарты, 1982.-- 91 с.

11. И. Губайдулин Р. 3., Квасов А. А., Шурин Р. М. Современные аппараты каталитической очистки газовых выбросов // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. Сер. ХМ-14. / ЦИНТИхимнефтемаш. 1985.-- 29 с.

12. Торопкина Г. Н., Калинкина Л. И. Технико-экономические показатели промышленной очистки газовых выбросов от органических веществ // Промышленная и санитарная очистка газов: Обзор, информ. / ЦИНТИхимнефтемаш. 1983. С. 4--18.

Размещено на Allbest.ru