Переработка горючих компонентов твердых бытовых отходов в металлургии

Одна из наиболее производительных и эффективных высокотемпературных технологий - утилизация ТБО в шлаковом расплаве в печах Ванюкова. Принципы технологии утилизации бытовых и промышленных отходов в печи Ванюкова подробно освещены в многочисленных публикациях [6-13], а преимущества высокотемпературных технологий признаны и за рубежом [14]. Получаемые при высокотемпературной утилизации шлаки полностью свободны от органических включений, а переходящие в них металлы стабилизированы в стекловидной матрице, за счет чего не поступают в окружающую среду под действием атмосферных факторов [15]. Таким образом, такие шлаки - потенциальное экологически безопасное сырье для производства широкого спектра строительных материалов.

Свойства полученных шлаков были проанализированы с точки зрения их применимости для производства строительных материалов. Сбор пробы ТБО осуществлялся из отдельных компонентов, входящих в состав типичных городских бытовых отходов. За основу при сборе пробы был взят состав ТБО по Москве, актуальный в настоящее время

(№ 1), а также состав, характерный для более южных регионов (№ 2). Состав ТБО был детализирован с учетом многообразия подвидов материалов в каждой морфологической группе. Наибольшая степень детализации была применена к бумаге и полимерам, которые в реальных коммунальных отходах представлены множеством различных сортов. Масса отхода, состоящего из нескольких разновидностей (например, бумаги), составлялась из равных количеств всех подвидов, входящих в группу. Материалом для сбора пробы служили бытовые отходы, идентичные ТБО жилых районов: журнальная и газетная бумага, пластиковые бутылки, полимерная и картонная упаковка от молочной продукции, пищевые отходы от приготовления пищи и т. д. В качестве металлического лома использовались железные, медные и алюминиевые опилки. После сбора необходимых количеств компонентов пробы они раздельно измельчались до крупности менее 5 мм (фото 1).

После измельчения и увлажнения все компоненты (пробы) были взвешены и тщательно смешаны в необходимых пропорциях для получения состава № 1 (табл. 1). Затем общая проба смешанных ТБО массой 6,7 кг была разделена на две равные части (фото 2). Из первой части пробы методом квартования была отобрана проба массой 300 г, затем еще одна проба массой 100 г. Вторая часть пробы была доведена до состава пробы № 2 с помощью добавлениях ней пищевых отходов и бумаги. Аналогичным образом была отобрана проба массой 300 г. Проба массой 100 г была использована для определения гигроскопической влажности ТБО по стандартной методике [16]. Влажность пробы составила 17,2 %.

Схема лабораторной установки для сжигания ТБО с использованием обогащенного кислородом дутья представлена на схеме.

Установка представляет собой герметично закрытый кварцевый реактор (длина - 650 мм, внутренний диаметр - 85 мм), помещенный в нагревательную электропечь шахтного типа и оборудованный узлом порционной загрузки материала, дутьевой трубкой и газоотводящим отверстием. Дно и крышка реактора выполнены из огнеупорного кирпича. Конструкция установки позволяет осуществлять порционную загрузку отходов с сохранением герметичности реактора. В качестве рабочей была выбрана температура 1 300 °С, вполне достижимая при сжигании такого материала, как ТБО, в окислительных условиях с использованием обогащенного по кислороду дутья. Таким образом, было проведено 2 эксперимента с получением шлаков от двух разных составов отходов.

На вид шлак обеих плавок получился гомогенным стекловидным материалом черного цвета (фото 3). Выход шлака в первом эксперименте составил 36 % от сухой массы пробы № 1, во втором - 34 % от сухой массы пробы № 2. Химический анализ полученного самоплавкого шлака был проведен спектральным эмиссионным методом на спектрометре SPECTRO CIROS VISION (табл. 2). В целом полученные составы соотносятся с результатами последних зарубежных исследований, определяющих температуру полного расплавления таких шлаков на уровне 1350°С [17].

Плотность шлаков была определена методом гидростатического взвешивания с использованием аналитических весов Mettler-Toledo с соответствующей приставкой для проведения гидростатического взвешивания. Плотность шлака № 1 составила 2,71 г/см3, № 2 - 2,80 г/см3. Полученные шлаки имели среднюю твердость по минералогической шкале и были устойчивы к механическому истиранию. Твердость шлака № 1 по шкале Мооса составила 5, шлака № 2 - 6.

Шлаки не взаимодействовали с водой и не поглощали ее. Влагопоглощение шлаков после выдержки в воде в течение суток составило 0 %. Тесты шлаков на морозостойкость по ускоренной методике [18] показали, что после 25 циклов испытаний убыль массы образцов шлаков в результате разрушения была нулевой.

Полученные шлаки продемонстрировали высокую стойкость по отношению к агрессивным средам: суточное выдерживание образцов шлака в концентрированной щелочи (NaOH, 200 г/л) и серной кислоте не привело к потере их массы в результате растворения. Внешних признаков растворения также выявлено не было.

Таким образом, результаты проведенных тестов позволяют сделать предположение о применимости получаемых в процессе высокотемпературной утилизации ТБО шлаков в качестве BMP для производства строительных материалов. Изготавливаемые с использованием данных шлаков строительные материалы обладают высокой механической прочностью, стойкостью по отношению к агрессивным средам и жестким климатическим условиям, а также экологической безопасностью. Ассортимент изделий, производство которых возможно из шлака, очень широк: это каменное литье (брусчатка и плиты для настила полов, различные трубы и желоба, футеровочные плиты, ролики ленточных конвейеров), строительные блоки, облицовочная плитка и т. д. Исходным материалом-основой для производства строительных материалов служит жидкий либо гранулрованный шлак, получаемый в процессе термической утилизации ТБО.

Кроме того, давно известно о возможности использования шлаков цветной металлургии для производства вяжущих смесей. Некоторые способы уже отработаны в полупромышленных и промышленных условиях [19-23]. Использование вяжущих смесей из шлаков медной и никелевой плавок позволяет снизить расход цементного клинкера и тем самым улучшить экономические показатели производства железобетонных изделий. Так, вяжущая смесь на основе гранулированного шлака комбината «Южуралникель» состояла из 90 % гранулированного шлака и всего 10 % извести. Результаты испытаний шлаковых вяжущих показывают, что они по своей прочности близки к цементам средних марок.

Составы шлаков, пригодных для приготовления вяжущих смесей, могут заметно различаться, однако в большинстве случаев лежат в следующих интервалах: SiO2 - 30-45 %, А12О3 - 3-10 %, Fe2O3 - 0,2-3 96, FeO -15-45 96, CaO - 6-20 96, MgO - 0,6-6 %. Как видно, составы шлаков, образующихся при термической утилизации ТБО в печи Ванюкова (см. табл. 2), в целом близки к данным интервалам. Принципиальным отличием является повышенное содержание щелочных металлов в шлаках от сжигания отходов, достигающее 8 % (сумма Na2O и К2О) и даже более при повышенном содержании в отходах стекла -- основного компонента ТБО, содержащего данные соединения. Тем не менее, по данным [19], медеплавильные шлаки, успешно опробованные в качестве материала для приготовления вяжущих смесей, также содержали до 1,93 % щелочи. Кроме того, состав шлака может корректироваться в широких пределах путем добавки соответствующих флюсов. Отдельного внимания заслуживает возможность производства из шлаков волокнистых теплоизоляционных материалов. Согласно проведенным экономическим расчетам производство таких материалов вместе с углекислотой, производимой из очищенных отходящих газов, - основа экономической эффективности технологии. Учитывая принятый в нашей стране курс на сокращение потребления энергии на отопление зданий, в ближайшем будущем следует ожидать только роста спроса на волокнистые теплоизоляционные материалы, применение которых позволяет в несколько раз снизить потери тепла через ограждающие конструкции [24].

В заключение хотелось бы привести некоторые соображения коллектива сотрудников НИТУ МИСиС и ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» по поводу выводов, сделанных в статье «Термическое обезвреживание отходов. В поиске осуществимых решений» (см. ТБО № 3, 2009), относительно применимости процесса Ванюкова для утилизации ТБО. Так, замечание о неоправданности переноса металлургического процесса Ванюкова на переработку ТБО, по нашему мнению, является довольно поверхностным. О прямом использовании конструкции печи и системы газоочистки металлургического агрегата для утилизации ТБО речь никогда не шла, хотя полупромышленные испытания технологии проводились именно на такой установке и ее соответствие поставленным требованиям было полностью подтверждено. Безусловно, конструкция печи, не говоря уже о системе газоочистки, в каждом конкретном случае учитывает специфику перерабатываемого сырья. Это относится ко всем действующим сейчас комплексам на базе печи Ванюкова. Утилизация ТБО не является исключением.

В качестве примера приводятся «высокоэффективные» технологии слоевого сжигания ТБО, в которых не удается достичь температур более 1 000 "С без использования дополнительного топлива. Принципиальным отличием процесса Ванюкова от низкотемпературных технологий сжигания ТБО является подача обогащенного кислородом дутья непосредственно в шлаковый расплав. Применение обогащенного дутья, содержащего всего 10-30 % балластного азота против 80 % в воздухе, используемом в технологиях слоевого сжигания, позволяет существенно улучшить тепловой баланс агрегата и максимально эффективно использовать энергетический потенциал перерабатываемого материала.

Согласно имеющимся сведениям, в том числе и упомянутым в публикации, низшая теплотворная способность российских ТБО составляет 1000-1700 ккал/кг (4180-6 270 кДж/ кг) влажной массы [25, 26]. Использование методик расчета теплотворной способности, исходя из состава отходов [4] дает аналогичные результаты. Для сравнения: низшая теплотворная способность влажных (до 10 %) сульфидных концентратов, перерабатываемых в печи Ванюкова при температурах до 1300 °С, составляет всего около 3 670 кДж/кг (880 ккал/кг) при степени окисления серы порядка 85 %, что соответствует работе на штейны, содержащие 65 % меди. Таким образом, в энергетическом плане ТБО являются даже более калорийным материалом, чем сульфидные концентраты.

Кроме того, приведены соображения относительно того, что нестабильный состав ТБО отходов может привести к нестабильной работе печи и ее остановке с затратой 7-8 сут на повторный запуск. Действительно, состав отходов оказывает влияние на тепловой режим работы агрегата, однако не в той степени, как это преподнесено в публикации. Дело в том, что состав ТБО в отдельных регионах и городах относительно постоянен и определяется множеством факторов (уровнем жизни населения, индустриальной направленностью района, общим уровнем экономического и промышленного развития), изменяющихся не мгновенно и хаотично, а в течение длительного времени и планомерно. Кроме того, существуют методы усреднения состава ТБО на складе привозных отходов [27], обеспечивающие сглаживание колебаний состава. К тому же высокая удельная производительность печей Ванюкова также способствует сглаживанию колебаний режима ее работы вследствие быстрого обновления состава загружающихся материалов. В качестве общего недостатка высокотемпературных методов также приводится резкое возрастание количества образующихся оксидов азота при температурах выше 1400 °С. Однако, если выразить константы равновесия реакций окисления азота кислородом через парциальные давления газов, становится очевидным, что образование оксидов азота снижается при уменьшении исходной концентрации азота в газовой смеси, что также подтверждается и в публикациях [28]. Применение в процессе Ванюкова обогащенного кислородом дутья позволяет снизить концентрацию азота в отходящих газах с 70 % (при работе на воздушном дутье) до 12 %, то есть почти в 6 раз. К тому же работа при температурах выше 1 350-1 400 °С не имеет смысла.

Таким образом, приведенные в упомянутой статье выводы не имеют должного обоснования и связаны с недостаточным уровнем компетентности авторов в вопросах работы печей Ванюкова и высокотемпературных автогенных процессов в целом.

Литература:

1. Йоханнесбургский саммит 2002. 26 августа - 4 сентября 2002 г. (по материалам ООН) [Электронный ресурс]: Режим доступа: http://www.ruscp.ru/sammit2002.htm.

2. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали / В.А. Кудрин. - М.: Мир, 2003.

3. Юсфин Ю.С. Техногенные отходы и рециклинг / Ю.С. Юсфин // Рынок вторичных металлов. 2002. № 3. С. 34-35.

4. Инженерная защита окружающей среды / под ред. Ю.А. Бирмана, Н.Г. Вурдовой. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2002.

5. Юсфин Ю.С. Промышленность и окружающая среда / Ю.С. Юсфин, Л.И. Леонтьев, П.И. Черноусов. - М.: ИКЦ Академкнига, 2002.

6. Disposing of tires as a fuel source in the EAF [Текст]//Stell Times.-2001. - March - С. 93.

Размещено на Allbest.ru