Способы утилизации отработанных диоксинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Образование огромного количества промышленно-бытовых отходов потребовало создания принципиально новых индустриальной техники и технологий по их переработке. Их разработка должна вестись с учетом воздействия на окружающую среду и человека и соответсвовать требованиям техногенной безопасности, которые не сводятся только к охране труда и технике безопасности. Идеальный технологический объект должен исключать при своем функционировании вмешательство в окружающую cpеду. Кроме того, современные требования создания новых технологий переработки отходов должны учитывать необходимость восстановления уже нарушенной экологической целостности. окружающей среды.

Глава 1. ДИОКСИНЫ: ПРОБЛЕМА ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДИСТЫХ ОТХОДОВ

В мировой практике массовая утилизация твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов в основном осуществляется термическими методами. Эти технологические процессы являются экологически опасными из-за образования твердых, жидких и газообразных токсичных и канцерогенных веществ. При сжигании твердых бытовых отходов (ТБ0) на мусоросжигательныз заводах (МСЗ) образуется 4-8 тыс. куб.м дымовых газов, содержащих оксиды серы, хлороводород и полиароматические углеводороды, хлорбензолы и тяжелые металлы (ртуть, висмут, свинец, кадмий, медь и др.), кроме того, остается 25-40% золы и пыли, загрязненные сточных вод, содержащих токсичные вещества [1-3]. Самыми опасными веществами, образующимися в этом процессе являются соединения группы диоксинов.

Возникла необходимость анализа возможностей снижения техногенной опасности такой переработки. Этот процесс, как и все известные, не исключает образования диоксинов, поэтому для снижения техногенной опасности необходимо уже на стадии проектирования промышленного комплекса закладывать технологические и конструктивные решения, гарантирующие наименьшее выделение и возможно более полное разложение этих веществ.

Диоксины представляют собой широкую группу би- и трициклических галогенированных соединений. Общую структуру диоксинов составляют два ароматических кольца, связанных между собой двумя кислородными мостиками. Соединения, имеющие в основе только один кислородный мостик, составляют группу фуранов, которую также условно относят к диоксинам. Биологическую опасность этих веществ отражают существующие законодательные нормативы. Так, максимально допустимая концентрация диокинов (в диоксиновом эквиваленте) в атмосферном воздухе населенных мест составляет 0.02 нг/кууб.м, а в пищевых продуктах 0.001 нг/г. В странах ЕС в 19994 г. принято ПДК в отходящих газах МСЗ 0.4 нг/куб.м.

Диоксины образуются в качестве примесей технологических продуктов и отходов в химических, целлюлозно-бумажных, металлургических, энергетических, мусороперерабатывающих и других производствах. Они попадают в окружающую среду и в организм человека из промышленной продукции (пестициды, гербициды, бумага, пластмассы и др.), выхлопных газов автомобилей, хлорированной воды, дыма костров при сжигании бытового мусора листвы и древесины, обработанных ранее гербицидами [1, 8, 9]. Некачественное захоронение диоксинсодержащих отходов нередко приводило к техногенным катастрофам. Попадая в живые организмы, диоксины накапливаются и модифицируют биохимические процессы. У человека они подавляют иммунитет, влияют на генную систему, вызывают онкологические заболевания, мешают нормальной работе эндокринных желез, нарушают все обменные процессы [1, 10].

Существующее многообразие семейства диоксинов (несколько тысяч) объясняется степенью их галогенирования атомами Сl или Br (для замещения имеются восемь атомов Н), а также изомерией. Однако, с точки зрения токсикологии особо опасными являются вариации 2,3,7,8-ТХДД и 2,3,7,8-ТХДФ, то есть имеющие 4 атома Cl в латеральных положениях 2,3,7,8 [1].

Исследование данных веществ ведутся давно, однако применительно к процессам переработки промышленно- бытовых отходов они начались только с 1978 г.; когда было доказано наличие диоксинов в выбросах МСЗ, и продолжаются по сей день, так как ни одна из известных технологий термической переработки ТБО не исключает образования диоксинов. Всвязи с увеличением числа таких предприятий доля выбросов диоксинов от мусоросжигания выходит на первое место [1, 9, 11].

В мировой практике накоплен определенный опыт в решении прблемы диоксинов [1]. Наиболее существенный вклад сделала Германия, имевшая к 19994 г. около 50 МСЗ [2]. Однако, даже при имеющихся жестких нормативах на выбросы диокинов и наиболее современных технологиях их улавливания при сжигании мусора в Германии выбрасывается около 4 кг диоксинов в год. В то же время выброс только 100 г Диоксинов при аварии в г. Севезо (Италия) привел к экологической катастрофе [11].

Для того, чтобы устранить опасность выбросов диоксинов, необходимо знать их источники, физико- химические свойства, условия образования и разрушения.

Все диокины являются кристаллическими соединениями с температурами плавления 200-400 градусов Цельсия [1, 11]. Они хорошо растворяются в органических растворителях, жирах, а также в недистиллированной воде, благодаря наливию в них гкминовых и фульвокислот, способных образовывать комплексы с диоксинами. Диоксины, переходя в воду и почву, образуют комплексы с органическими веществами и очень хорошо распространяются в природе. Обладая высокими адгезионными свойствами, они легко прилипают к частицам пыли, почве, иловым осадкам в водоемах и переносятся воздухом, водой и почвой [1].

Из опыта мусоросжигания известно, что эмиссия диоксинов из дымовой трубы существенно связяна с выбросами частиц пыли и углерода. На многих МСЗ газоочистка основана на практически полном поглощении диокинов из дымовых газов при пропускании их через фильтры с активированным углем или тканевые фильтры, способные эффективно выделять золу из газа. Основным мероприятием для подавления в этих процессах выделения диоксинов является уменьшение выбросов органического углерода, то есть обеспечение полного его выгорания, а также контроль уровня СО как основного показателя полноты сжигания и остаточной концентрации диоксинов [3].

Для группы диоксинов характерны реакции хлорирования, бромирования, нитрования, нуклеофильного замещения и гидролиза в сильно щелочных спиртовых растворителях при нагревании. Диоксины стабильны по отношению к сильно щелочным и сильно кислым средам в некаталитических условиях. Это приводит к их накоплению в природе, т.к. период их разложения в почве составляет 10-20 лет, а в воде около 2 лет [1].

Диоксины обладают высокой термостойкостью. Эффективное разложение этих веществ происходит только при температурах выше 1250 градусов Цельсия и выдержке более 2 с. Их терморазложение при меньших температурах является обратимым процессом [1, 9, 11]. При 200-450 градусах Цельсия они синтезируются вновь. Это происходит при традиционной технологии мусоросжигания, где образование диоксинов наблюдается также на выходе охлажденного газа из котла-утилизатора за счет реакций хлора (HCl, Cl2, хлорорганичеких соединений и др.) и органического углерода в присутствии катализаторов (например, меди) [11]. В этом случае количество диоксинов не зависит от содержания хлора или брома в топливе [3].

При нагревании хлор- и бромсодержащих органических веществ (например, поливинилхлорида) диоксины образуются в интервале температур 500-1200 градусов Цельсия, причем максимум их образования приходится на 600-800 градусов Цельсия. Процесс протекает в две стадии: образующиеся хлорбензолы сначала преобразуются в фенолы и дифеноловые эфиры, а затем в присутствии кислорода в смесь диоксинов и фуранов [1].

Объем образования диоксинов зависит от исходного сырья, прежде всего от наличия в нем хлор- и бромсодержащих компонентов. Из общего количества хлора, который имеется в ТБО, поступает с пластмассой около 50 %, с целлюлозно-бумажной продукцией до 25%, а остальное с другими материалами [1]. В незначительных количествах в ТБО присутствуют бромсодержащие и смешанные галогенированные гомологи. Существенным источником брома в ТБО является негорючая часть пластмассы, например, электронные микроприборы [3]. Наличие диоксинов и их предшественников в целлюлозно-бумажной продукции связано с процессом отбеливания хлором целлюлозы.

В промышленных углеродистых отходах количество хлора связано с содержанием хлора в угле. Если хлора в угле 0.3-0.7%, то можно прогнозировать его содержание в угольном шламе 0.1-0.4%. При пиролизе угля хлор практически полностью переходит в газовую фазу по мере нагревания сырья до 550-600 градусов Цельсия в инертной атмосфере или до 700-900 градусов Цельсия при наличии окислительной среды с образованием хлористого водорода и последующих преддиоксинов и диоксинов. Известны также хлорароматические (полихлорбифенилы), хлоролефиновые, хлорфенольные и другие предшественники, которые при высоких температурах преобразуются в диоксины.

Объем образования диокинов существенно завист не только от исходного сырья, но и от условий проведения процесса. Факторами, способствующими образованию диоксинов, являются температура выше 150, щелочная среда, наличие в газах частиц углерода, золы, СО, хлоридов и соединений меди как катализаторов. Уменьшая влияние этих факторов, можно добиться малой постоянной концентрации диоксинов в продуктах переработки независимо от содержания галогенов в исходном сырье [3].

С учетом выше изложенных особенностей образования диоксинов и сведений об их физико-химических свойствах можно определить вполне реальные возможности снижения диоксиновой опасности технологии термической переработки органических промышленно-бытовых отходов :

1.Уменьшение в исходном сырье доз Cl- и Br-содержащих материалов и веществ - катализаторов, способствующих образованию диоксинов.

2. Минимизация образования доли золы дымовых газов и уменьшение золоуноса.

3. Обеспечение при сжигании ТБО наиболее полного их сгорания и применение дожигания отходящих газов.

4. Управление температурным режимом процесса переработки исходного сырья с нагревом образующихся продуктов, содержащих диоксины, выше 1250 градусов Цельсия с выдержкой более 2 с.

5. Предотвращение повторного синтеза диокинов при охлаждении дымового газа или летучих продуктов термической переработки.

6. Обеспечение высокой герметичности перерабатывающих агрегатов в течение всего процесса переработки.

7. Удаление и улавливание летучих соединений в замкнутом цикле химической очистки и переработки.

Термическая переработка отходов в герметичных термолизных печах без доступа кислорода имеет перед прямым сжиганием существенное преимущество: при таком процессе диоксинов образуется на несколько порядков меньше [1]. Предварительная сортировка ТБО, применяемая в этой технологии позволит отделить значительную часть ПЭТ- тары, пластмассы, бумаги и картона, благодаря чему также снижается образование диокинов при термолизе.

Хотя диоксины все же будут образовываться в процессе термолиза в широком интервале температур, но максимум их образования и выделения будет совпадать с периодом наибольшего выхода летучих, имеющих температуру 650-750. Поэтому остаточное содержание диоксинов и диоксинообразующих веществ в твердом остатке термолиза - твердом термолизном топливе - в конце стадии термолиза при 900-1000 градусов будет минимальным. Эти вещества будут полностью разрушены на следующей стадии при сжигании топлива в топке с кипящим слоем. Наличие окислительной среды при коэффициенте избытка воздуха более 1.05-1.20 обеспечивает лучшее выгорание и, следовательно, меньшее образование диоксиноподобных веществ [3, 11].

Принципиальное для данной технологии теплоносителя и перераьатываемой массы приводит к минимальному образованию летучих веществ, содержащих диоксины. При этом летучие компоненты, образующиеся при термолизе значительно меньше загрязнены летучей золой, чем при сжигании, поскольку процесс ведется с уплотнением сырья. Это обеспечивается прессование рыхлой массой отходов и слоевым спеканием перерабатываемой массы, что практически полностью исключает образование пылевидных фракций в газовых продуктах.

Конструкция блока термолизных агрегатов позволяет при незначительных затратах нагревать летучие продукты, поступающие из всех камер наклонных термолизных печей, до температур 1200-1300 градусов Цельсия.

Глава 2. СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ДИОКСИНОВ

Взаимосвязанная группа изобретений относится к технике переработки бытовых и промышленных отходов, содержащих органические вещества, а также растительных отходов в сельскохозяйственном производстве.

Известен способ пиролиза твердых бытовых отходов, включающий загрузку отходов с последующим их измельчением и подачей в реактор пиролиза, обогреваемый сжиганием в окружающей его рубашке пиролитического газообразного топлива, выгрузку отходов с отделением фракций черных металлов, ввод солей в пиролизный газ за реактором для связывания токсичных газообразных веществ, последующую очистку газов от солей и подачу очищенного пиролизного газа в камеру сжигания, разделение отходящих газов из камеры сжигания на два потока и подачу одного из них в котел-утизизатор для выработки пара, а другого в рубашку реактора, в котором осуществляют циркуляцию потоков газов путем отбора части очищенных пиролизных газов за газоочистителем с последующим нагревом ее в камере сжигания и подачей в реактор, в котором осуществляют совместное пересыпание и ворошение отходов струями очищенных пиролизных газов, а горючие отходящие газы из рубашки реактора отсасывают, смешивают со свежим воздухом и смесь газов подают в камеру сжигания (А.с. СССР №1548601, кл. F 23 G 5/027, приоритет 20.01.88, дата публикации Бюл. №9, 1990).

Недостаток способа заключается в сложности технологической схемы, а полученные продукты нуждаются в дальнейшей нейтрализации и переработке, что частично ведет к значительным нагрузкам на окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят способ термической переработки бытовых отходов в шахтной печи, включающий подготовку, загрузку в шахту, нагрев в плазменных струях в окислительной среде с последующим выпуском образующихся расплавов шлака, металла и газов с очисткой и утилизацией последних, согласно изобретению переработку ведут в герметизированном реакционном пространстве, а газы пропускают сначала через образовавшийся расплав, после чего воздействуют на них электроискровым разрядом, а часть отходящих после очистки газов возвращают в реакционное пространство, при этом в реакционной зоне осуществляют циркуляцию газов, а шлак перед выпуском подогревают (Патент России №1836603, кл. F 23 G 5/00, приоритет 24.06.91, дата публикации Бюл. №31, 1993).

Однако известный способ не пригоден для обработки таких отходов, как, например, пастообразные, а также жидкие субстанции, как с точки зрения техники и рентабельности, так и в экологическом отношении, получая при этом пригодные для повторного применения сырьевые материалы, кроме того, к недостаткам следует отнести низкую эффективность использования физической теплоты пиролизных газов.

Известно устройство для переработки мусора и бытовых отходов, содержащее корпус, футерованный огнеупорным материалом, загрузочный бункер, сужающийся книзу с окном в нижней части, примыкающим к корпусу, и крышкой в верхней части, патрубки подачи газа и воздуха и отвода газов, при этом корпус по высоте разделен на зоны сушки, пиролиза и сжигания с помощью парных створок, расположенных под углом друг к другу, причем пары створок, расположенные на входе и выходе в корпус, выполнены сплошными, а пары створок, разделяющие зоны, выполнены с отверстиями, патрубок подачи газа и воздуха расположен над парой створок, расположенных на выходе, а патрубок отвода отходящих газов - над парой створок, расположенных на входе, а бункер снабжен патрубком отвода воздуха (Патент России №2023211, кл. F 23 G 5/00, приоритет 18.06.92, дата публикации Бюл. №21, 1994).

Технология переработки мусора и бытовых отходов, осуществляемая в описанном реакторе, является непроизводительной и неэффективной вследствие низкой степени управления и поддержания температурного уровня процессов, происходящих параллельно в соседних зонах с учетом определенных требований к составу и размерам исходного сырья.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для термической переработки бытовых отходов, включающее шахту с загрузочным устройством в верхней части, плазменные горелки, установленные в надгорной зоне шахты по ее периметру, летку для выпуска шлака и газоход для отходящих газов, согласно изобретению оно снабжено примыкающей к горну шахты подсводовой ванной с леткой для выпуска расплава металла, а герметизированные рабочие пространства шахты и ванны разделены вертикальной перегородкой с окном в придонной части с образованием гидрозатвора, причем летка для выпуска шлака выполнена сифонной и расположена на дальнем от шахты конце ванны с уровнем сливного порога выше окна перегородки, а газоход установлен перед леткой, в котором установлено электроразрядное устройство, при этом в ванне со сливным порогом сифонной летки установлен один электропечной электрод или плазмотрон, а по периметру шахты над плазмотронами расположены топливные горелки (Патент России №1836603, кл. F 23 G 5/00, приоритет 24.06.91, дата публикации Бюл. №31, 1993).

Недостатком устройства является низкая производительность печи, обусловленная двухступенчатым процессом - сжигание и пиролиз, кроме того, устройство не предназначено для переработки таких отходов, как жидкие субстанции, пастообразные отходы и другие материалы, обладающие высокими вязкоупругими свойствами.

В основу первого из группы изобретений поставлено задачу усовершенствования способа термической переработки бытовых отходов, в котором за счет создания замкнутой технологической системы перевода отходов в металлическую, шлаковую и газовую составляющие и утилизации при этом тепла и химической энергии отходящих газов для энергопреобразующих устройств, нейтрализации выделенной жидкой фазы из отходов, обеспечить эффективность переработки отходов, сократить вредные выбросы в атмосферу и повысить производительность процесса.

В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствования устройства для термической переработки бытовых отходов, в которой путем изменения конструкции реактора, а также технологической схемы компоновки узлов и связей между ними, можно обеспечить экономически выгодный режим работы устройства, повысить его удельную производительность и снизить загрязнение окружающей среды.

Первая поставленная задача решается тем, что в способе термической переработки бытовых отходов, включающем подготовку, загрузку в шахту, нагрев в плазменных струях в окислительной среде с циркуляцией газов в герметизированном реакционном пространстве с последующим выпуском образующихся расплавов шлака, металла и газов с очисткой и утилизацией последних, возврата части отходящих газов в реакционное пространство, согласно изобретению подготовленные отходы подвергают объемному сжатию, нейтрализуют выделенную жидкую фазу, а полученный твердый продукт направляют на подсушку, которую производят тепловым воздействием отходящего после утилизации газа, периодически загружают подсушенный продукт в шахтную печь без теплового воздействия плазменных струй, а после полной загрузки печи продукт уплотняют при одновременном нагреве продуктов плазменными струями, при этом в процессе уплотнения понижают исходный уровень столба продуктов в реакционном пространстве печи со скоростью, пропорциональной скорости газификации, а полученный пиролизный газ за счет давления в шахтной печи, которое создают плазмотронами, отводят из верхней части шахтной печи, перепускают через систему газоочистки, аккумулируют в ресивере и направляют на утилизацию тепловой и химической энергии, при этом рабочим телом плазмотронов служат очищенный, сжатый в компрессоре газ, отходящий после подсушки, и вода, а оставшиеся в шахтной печи отходы уплотняют и плавят плазменной струей, после чего сливают металл и шлак из шахтной печи.

Способ включает четыре этапа:

- подготовка отходов, экологическое обезвреживание в них жидкой фазы и сушка;

- загрузка, уплотнение осушенных отходов в шахтной печи с одновременным нагревом их в окислительной среде плазменными струями, пиролиз и получение пиролизного газа;

- транспортирование пиролизного газа по замкнутому тракту, включающему очистку и утилизацию тепла, использование отходящих газов для получения электроэнергии и пара, выделение и аккумулирование конденсата воды, использование ее и пиролизного газа для работы плазмотронов, возврат части воды в теплообменник и отбор с него нагретого газа для сушки отходов;

- получение металла и шлака в результате воздействия плазменной струей на уплотненный слой отходов в печи, полученных после пиролиза.

Последовательность осуществляемых действий данного процесса, регулирование теплового режима в печи путем изменения мощности и расходов плазмообразующего газа в плазмотронах, обеспечивают достаточную гибкость технологического процесса в отношении температурных условий на отдельных этапах, что приводит к полной утилизации отходов в заданном режиме и завершенности всего технологического цикла при сохранении чистоты окружающей среды.

Вторая поставленная задача решается тем, что в устройстве для термической переработки бытовых отходов, включающем шахтную печь с загрузочным устройством, плазмотроны, установленные в нижней части шахтной печи, летки для выпуска шлака и расплава металла, дополнительный плазмотрон и газоход для отходящих газов, согласно изобретению, шахтная печь в верхней торцевой части снабжена штоком с перфорированным поршнем с размещенными в нем термопарами и установленным в полости печи с возможностью фиксированного продольного перемещения по высоте реакционного пространства печи, при этом термопары электрически связаны с блоком памяти, механизмом привода поршня и переключателем режима работы печи, взаимодействующим с упором на штоке во время его перемещения, а в нижней части шахтной печи расположен копильник с дополнительным плазмотроном, а выше копильника, по внешнему периметру шахтной печи, расположен газовый коллектор, связанный с плазмохимическим газогенератором с установленными в нем плазмотронами, при этом загрузочное устройство сообщено с пресс-фильтром для обезвоживания отходов, с которым последовательно соединены устройство для сушки, шлюзовое устройство, выполненное в виде приемной емкости осушенных отходов с двумя приводными шиберами, в нижней части которой установлен шнековый питатель, связанный с внутренней полостью печи через проем, выполненный в ее боковой стенке, ниже границы верхнего положения поршня, а в верхней части печи расположен трубопровод отвода пиролизного газа, который через обратный клапан связан с газоочистителем циклонного типа, устройством для удаления серы и ресивером, выход которого через управляемый вентиль и компрессор связан с устройством утилизации тепловой и химической энергии пиролизного газа, трубопровод отходящего газа которого через теплообменник парогенератора соединен с устройством для сушки, а контур газа, отходящего из устройства сушки, через воздуходувку подключен к плазмохимическому газогенератору и через дополнительный теплообменник, фильтр и компрессор - к плазмотронам плазмохимического газогенератора, при этом плазмотроны плазмохимического газогенератора, в момент разогрева шахтной печи, подключены к внешнему источнику электрической энергии и к воздушному компрессору, а внутренняя полость печи через вспомогательную систему подвода соединена с устройством для сушки через управляющий вентиль, дополнительный плазмотрон, установленный в копильнике, подключен к баллону со сжиженным газом, например пропаном, и к воздушному компрессору, а устройство для сушки снабжено пластинчатым конвейером, установленным по длине его внутренней полости. Устройство утилизации тепловой энергии может быть выполнено в виде газовой турбины или двигателя внутреннего сгорания, а пресс-фильтр снабжен емкостью для сбора жидкой фазы, связанной с баком нейтрализации, при этом поршень выполнен водоохлаждаемым.

Поршень в шахтной печи выполнен перфорированным для обеспечения перетока газа во время его перемещения, а благодаря наличию установленных на поршне термопар, электрически связанных с механизмом привода штока, блоком памяти, переключателем режима работы, обеспечивается управляемый реверсивный ход поршня, сжатие отходов в печи при одновременном их нагреве, что приводит к уменьшению размеров пустот в загруженных отходах, увеличению теплопроводности отходов и ускорению их разогрева.

Наличие поршня с автономным приводом позволяет в более широких пределах варьировать режим деформации сжатия отходов в шахтной печи, что в комплексе обеспечивает существенное повышение удельной производительности печи по перерабатываемым отходам, снижает удельные затраты тепла на переработку и повышает качество и энергосодержание пиролизного газа.

Газовый коллектор предназначен для формирования направленных нагретых газовых струй в герметизированном реакционном пространстве печи.

Предложенная конструкция шахтной печи обеспечивает заданный тепловой режим плазмотронами плазмохимического газогенератора путем изменения их мощности и расхода плазмообразующего газа, а при значительном увеличении высоты шахтной печи и ее диаметра, количество плазмохимических газогенераторов устанавливается с учетом масштабного фактора.

Система подготовки отходов включает пресс-фильтр, в котором происходит прессование отходов и отделение жидкости от твердой массы, при этом жидкая фаза отводится в бак, где ее нейтрализуют, а твердая масса поступает в устройство для сушки, оборудованное, например, пластинчатым конвейером, и через шлюзовое устройство - во внутреннюю полость печи.

Энергия отходящего из печи пиролизного газа реализуется с помощью устройств утилизации тепловой энергии, например двигателя внутреннего сгорания или газовой турбины с электрогенератором. Отходящий из устройства утилизации газ поступает в теплообменник парогенератора, из которого газ поступает в устройство для сушки. Часть газа, отходящего из устройства для сушки, через газодувку, фильтр, дополнительный теплообменник и компрессор поступает в плазмотроны плазмохимического газогенератора, а вторая часть - непосредственно в плазмохимический газогенератор.

При значительных размерах шахтной печи и, как следствие, получении больших объемов пиролизного газа, для дополнительной утилизации тепла, в устройстве после теплообменника парогенератора установлена паровая турбина с электрогенератором, отработанный пар из которой конденсируется в конденсаторе и поступает в резервуар питательной воды, из которого насосом подается обратно в теплообменник парогенератора и через управляемый регулятор на плазмотроны плазмохимического газогенератора.

Таким образом, устройство позволяет полностью использовать теплосодержание отработанного газа, даже если его энергетическое содержание не очень высоко, не оказывая влияние на окружающую среду.

Устройство обеспечивает высокую производительность переработки мусора с повышенными экологическими параметрами, переработку нерассортированных отходов, создает условия увеличения объемов переработки отходов по мере возрастания потребностей и, при этом вырабатываемую в самом устройстве электроэнергию преобразовывать в тепло плазмотронами и - в механическую энергию, за счет подключения электрооборудования, задействованного в технологической схеме.

Способ осуществляется следующим образом.

Способ термической переработки бытовых отходов включает предварительный прогрев шахтной печи плазмотронами плазмохимического газогенератора, которые на время прогрева работают от внешнего источника электроэнергии и воздушного компрессора без отвода отходящих из печи пиролизных газов. После прогрева шахтной печи до температуры 150-200°С твердые и жидкие бытовые отходы направляют в загрузочное устройство пресс-фильтра, в котором их подвергают объемному сжатию с одновременным выжиманием жидкой фазы, которую собирают в отдельную емкость и нейтрализуют химическим раствором. Полученный твердый продукт направляют на сушку, где в качестве греющего агента служат нагретые в реакционной зоне печи газы, которые поступают через вспомогательную систему подвода.

При достижении значений температуры внутренних стенок печи в диапазоне 300-400°С в зоне пиролиза, подсушенный твердый продукт через шлюзовую камеру загружают в печь без теплового воздействия на него плазменными струями. Запирают вспомогательную систему подвода агента сушки и включают контур отходящих из печи пиролизных газов. После полной загрузки печи подсушенным продуктом его уплотняют при одновременном нагреве плазменными струями с регулируемой температурой газов на входе в печь от 300 до 600°С. В процессе нагрева идет пиролиз органической составляющей отходов. По мере пиролиза в процессе уплотнения понижают исходный уровень столба продуктов в реакционном пространстве печи со скоростью, пропорциональной скорости газификации.

Воздействие давления и сдвиговых деформаций на твердый продукт происходит в процессе его нагрева. Материал подвергают постепенному сжатию, при этом уменьшаются размеры имеющихся в материале пустот. В результате увеличивается теплотворность материала, начинается интенсивное тепловыделение во всем объеме перерабатываемого материала, приводящее к быстрому разогреву.

Пиролизный газ в шахтной печи идет снизу вверх под давлением, необходимым для преодоления гидравлического сопротивления всего столба загруженного материала и обеспечивающим давление, которое задается потребителем пиролизного газа на выходе, при этом давление газовых струй, поступающих в шахтную печь из плазмохимического газогенератора, регулируют в пределах 0,05-0,1 МПа из-за относительного низкого содержания влаги в подсушенных твердых продуктах. За счет давления в реакционном пространстве печи пиролизный газ отводят из ее верхней части и аккумулируют в ресивере. Температура газа на выходе из печи составляет 200-500°С. При накоплении в ресивере достаточного количества газа, последний, после очистки от твердых частиц и серы утилизируют, например, в двигателе внутреннего сгорания или в газовой турбине, с целью получения электроэнергии. Отработанный после утилизации газ отводят в теплообменник парогенератора, а пар подают в паровую турбину, которая приводит во вращение электрогенератор. Для образования замкнутого термодинамического цикла, отработанный в паровой турбине пар конденсируется, а конденсат аккумулируют в резервуаре питательной воды, из которого воду снова подводят к теплообменнику парогенератора. Нагретый в теплообменнике газ с температурой 150-200°С направляют в зону сушки подготовленных отходов. Часть газа после сушки, с остаточной температурой 50-120°С, с помощью газодувки направляют в плазмохимический газогенератор, а вторую часть газа фильтруют, снижают его температуру до значения менее 30°С и подают на плазмотроны плазмохимического газогенератора. Воду из резервуара питательной воды под давлением до 4 атм подают на плазмотроны плазмохимического газогенератора и дополнительный плазмотрон. При мощности плазмотрона 0,5 МВт, расход воды составляет до 10 г/с. После каждой полной загрузки печи и термического разложения подготовленных твердых отходов, процесс пиролиза завершается образованием и накоплением твердых отходов в копильнике и в нижней части печи.

Оставшиеся в результате пиролиза твердые отходы остаются в нижней части печи, а остальную часть печи загружают новыми порциями подсушенного твердого продукта, который подвергают уплотнению и нагреву так, как это описано выше. По мере накопления отходов, оставшихся после пиролиза, их уплотняют и нагревают при температуре 1500-2000°С плазменной струей плазмотрона, установленного в копильнике, до образования расплава, после чего сливают полученный металл и шлак.

Таким образом, для обеспечения экологической чистоты отходящих газов бытовые отходы подвергаются двукратному разложению при температурах, исключающих образование или сохранение сложных химических соединений.

Энергия полученного пиролизного газа может быть использована различными способами, а также сочетанием нескольких способов использования. Предлагаемый способ позволяет в энергопреобразующих устройствах использовать электроэнергию, вырабатываемую в самой системе переработки отходов, и приводить в действие механизмы, задействованные для реализации способа.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для термической переработки бытовых отходов.

Устройство включает шахтную печь 1, выполненную из металлического вертикально расположенного корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. В верхней торцевой части печи на штоке 2 расположен поршень 3, установленный во внутренней полости печи с возможностью фиксированного продольного перемещения с помощью механизма 4 привода. Поршень выполнен со сквозными отверстиями 5 для перетока газа и внутренними каналами для охлаждающего агента (на чертеже не показано). На поршне 3 установлены термопары 6 и 7. Устройство также включает блок памяти 8, электрически связанный с термопарами 6 и 7, механизмом привода 4 и переключателем 9 режима работы печи, взаимодействующим с упором 10 на штоке 2 во время перемещения последнего. В нижней части шахтной печи 1 расположен копильник 11 с дополнительным плазмотроном 12. В копильнике размещены летки 13 и 14 для выпуска металла и шлака. По внешнему периметру печи 1, выше копильника, расположен газовый коллектор 15, соединенный теплоизолированным каналом с плазмохимическим газогенератором 16 с установленными в нем плазмотронами 17. В верхней части печи расположен трубопровод 18 отвода пиролизного газа с расходомером 19, который через контролер 20 связан с механизмом привода 4. Трубопровод 18 через обратный клапан 21 соединен с газоочистителем 22 циклонного типа, устройством 23 для удаления серы и ее соединений и ресивером 24. Загрузочное устройство 25 сообщено с пресс-фильтром 26, служащим для обезвоживания отходов и отвода жидкой фазы в емкость 27. Бак 28 заполнен веществом для нейтрализации жидкой фазы. С пресс-фильтром 26 последовательно соединены устройство 29 для сушки, шлюзовое устройство 30, выполненное в виде приемной емкости осушенных отходов с двумя приводными шиберами 31 и 32, в нижней части которой установлен шнековый питатель 33, связанный с внутренней полостью печи 1 через проем 34, выполненный в ее боковой стенке ниже границы верхнего положения поршня 3. Устройство 29 для сушки снабжено пластинчатым конвейером 35, установленным по длине его внутренней полости. Дополнительный плазмотрон 12, установленный в копильнике 11, подсоединен к баллону 36 со сжиженным газом, например пропаном, и к воздушному компрессору 37.

В предложенном изобретении возможно использование любых устройств утилизации тепловой энергии, что диктуется запросами потребителя.

На приведенной схеме устройства для термической переработки бытовых отходов ресивер 24 через управляемый вентиль 38 соединен с компрессором 39, сообщенным с камерой 40 сжигания газотурбинной установки 41, к которой присоединен электрогенератор 42. Трубопровод отвода из турбины соединен с теплообменником парогенератора 43. Теплообменник 43 паропроводом связан с паровой турбиной 44, которая служит для вращения электрогенератора 45. Трубопровод отвода пара с паровой турбины 44 подключен к конденсатору 46 и далее через конденсатный насос 47 - к резервуару питательной воды 48, из которого вода с помощью питательного насоса 49 подводится обратно к теплообменнику 43 и через управляемый регулятор 50 к плазмотронам 17 плазмохимического газогенератора 16 и к дополнительному плазмотрону 12. Теплообменник 43, кроме того, газопроводом подключен к устройству 29 для сушки, из которого отводящий газопровод через газодувку 51 разветвляется - одна ветвь подведена к плазмохимическому газогенератору 16, а вторая - через фильтр 52, дополнительный теплообменник 53, компрессор 37 на плазмотроны 17 плазмохимического газогенератора 16 и дополнительный плазмотрон 12. Плазмотроны 17 плазмохимического газогенератора 16, в момент разогрева шахтной печи подключены к внешнему источнику электрической энергии и к воздушному компрессору 37, а внутренняя полость печи 1 через вспомогательную систему 54 соединена с устройством 29 для сушки через управляемый вентиль 55.

УСТРОЙСТВО РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Прогрев шахтной печи 1 осуществляют низкотемпературной плазмой, генерируемой плазмохимическим газогенератором 16, в котором на время прогрева печи плазмотроны 17 питаются от внешнего источника электроэнергии и воздушного компрессора 37. Обратный клапан 21 трубопровода 18 отвода пиролизного газа закрыт. Через загрузочное устройство 25 бытовые отходы поступают в пресс-фильтр 26, в котором отходы прессуют и при этом отделяют жидкость от твердой массы. Жидкая фаза отводится в емкость 27, куда одновременно подается нейтрализующее вещество из бака 28. Твердые отходы после пресс-фильтра поступают в устройство 29 для сушки, непосредственно на пластинчатый конвейер 35. Во время прогрева печи включают вспомогательную систему подвода горячего газа 54, которая связывает внутреннюю полость печи 1 с устройством 29 для сушки. Прогрев печи 1 осуществляют до получения значений температур 500-700°С внутренних стенок. После прогрева печи отключают управляемым вентилем 55 вспомогательную систему 54, открывают шибер 31 и с помощью конвейера 35 перегружают осушенный материал в приемную емкость 30. Отключают плазмотроны 17 плазмохимического газогенератора 16, открывают шибер 32, включают шнековый питатель 33 и через проем 34 материал поступает в шахтную печь до полного заполнения ее объема. Закрывают шибер 32 и включают плазмотроны 17. Включают механизм 4 привода штока 2. Поршень 3 опускается вниз и уплотняет осушенный материал в полости печи при одновременном его нагреве плазменными струями с регулируемой температурой газов на входе в печь от 300 до 600°С. В процессе нагрева происходит пиролиз органической составляющей отходов и при повышении давления газа в печи, срабатывает обратный клапан 21 и пиролизный газ поступает через газоочиститель 22, устройство 23 для удаления серы в ресивер 24. По величине электрического сигнала, который выдает расходомер 19, определяют скорость газификации. Во время пиролиза, материал подвергается постепенному сжатию поршнем, который перемещается со скоростью, пропорциональной скорости газификации. Термопарами 6 и 7 контролируют температуру нагрева поршня по мере его перемещения в сторону зоны пиролиза.

1. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность : ретроспектива и перспективы. - М.: Наука, 1993. - 266с.

2. Daunderer M/ Umweltgifte; Kompendium der klinischen Toxikologie. - Muenchen : Ecomed Verlagsgesellschaft, 1990 .- Bd 13, Teil 3.

3. Vehlow J. Thermische Behandlungsverfahren fuer Hausmuellim Vergleich. - Graz.: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut fuer Technische Chemie, Bereich Thermische Abfallbehandlung, 1998. - 37S.

4. Парфенюк А.С. Новый агрегат для переработки твердых отходов // Кокс и химия ю - 1999. - №2. - С.35-37.

5. Проблема создания промышленных гарегатов для твердых углеродистых отходов. Возможности ее решения / А.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, И.В. Кутняшенко и др. // Там же. - 2001. - № 3. - С. 40-44.

6. Парфенюк А.С. Крупномасштабная комплексная переработка твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов // Там же. - 2001. - № 5 . - С. 41-44.

7. Парфенюк А.С., Антонюк С.И. Получение твердого топлива из смесей твердых углеродистых промышленных и бытовых отходов // Там же. - С. 44-47.

8. Formation of PCDDs and PCDFs by the choloration of water / C.Rappe, S.E.Swanson. B.Glas et al. // Chemosphere. - 1989. - #19. - P. 1875-1880.

9. Гречко А.В., Деннисов В.Ф., Федоров Л.А. Региональный характер проблемы твердых бытовых и промышленных отходов и ее решение пирометаллургическим методом // Экология и промышленность России. - 1997. - №10. - С. 13-16.

10. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. - М. : Химия , 1996. - 319 с.

11.Бернадинер М.Н. Диоксины при термическом обезвреживании органических отходов // Экология и промышленность России . - 2000. - №2. - С. 13-16.

Размещено на Allbest.ru