Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЯДОХИМИКАТОВ

Заявляемый объект относится к области обезвреживания твердых специфических отходов и может быть использован для обезвреживания непригодных к использованию ядохимикатов и подобных им химических веществ.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранный в качестве прототипа способ обезвреживания пестицидов, ядохимикатов и подобных им химических веществ. Известный способ включает подачу ядохимикатов в печь и сжигание органической части ядохимикатов в печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов (например, каустической соды). В процессе сжигания органической части ядохимикатов жидкую ванну перемешивают сжатым воздухом. Образовавшийся шлак сливают в шлаковню. Дожигание дымовых газов осуществляют в камере дожигания. Предварительную очистку дымовых газов от крупных частиц пыли осуществляют в вихревом аппарате. Очистку дымовых газов от кислотных составляющих осуществляют путем впрыска аэрозоля щелочного раствора. Очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода проводят в каталитическом реакторе. Затем дымовые газы подают в рекуператор для нагрева воздуха горения и охлаждают в газоохладителе перед тонкой очисткой дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре. Очищенный дымовой газ подают в дымовую трубу (патент Украины №84320, МПК В09В 3/00, F23G 7/00, опубл. 10.10.08, бюл. №19).

В заявляемом способе и прототипе совпадают такие существенные признаки. Оба способа включают подачу ядохимикатов в печь, пиролиз органической части ядохимикатов в печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов, последующий слив шлака в шлаковню, дожигание дымовых газов в камере дожигания, очистку дымовых газов от кислотных составляющих путем впрыска аэрозоля щелочного раствора, очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе, подачу дымовых газов в рекуператор для нагрева воздуха горения, охлаждение дымовых газов в газоохладителе, тонкую очистку дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре и подачу дымовых газов в дымовую трубу.

Достижению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины. Известный способ не позволяет обеспечить высокую скорость и эффективность разложения сложных органических соединений при пиролизе непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, а также не позволяет обеспечить высокую эффективность улавливания и обезвреживания образующихся продуктов разложения. Это, в частности, обуславливается тем, что перемешивание жидкой ванны осуществляется барботированием с помощью сжатого воздуха, а это не позволяет перемешивать расплав достаточно равномерно и эффективно. Работа каталитического аппарата на грязном газе приводит к быстрому зарастанию катализатора пылью, что, в свою очередь, приводит к низкой эффективности очистки дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода, а также характеризуется высокими эксплуатационными затратами. Кроме того, в способе по прототипу отсутствует возможность полного слива шлака перед плановым ремонтом печи.

В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такой способ термического обезвреживания ядохимикатов, в котором усовершенствования путем введения новой совокупности действий позволят при использовании объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении скорости и эффективности разложения сложных органических соединений при пиролизе непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, а также в повышении эффективности улавливания и обезвреживания образующихся продуктов разложения.

Поставленная задача решается за счет того, что способ термического обезвреживания ядохимикатов включает подачу ядохимикатов в печь, пиролиз органической части ядохимикатов в печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов с последующим сливом шлака в шлаковню, дожигание дымовых газов в камере дожигания, очистку дымовых газов от кислотных составляющих путем впрыска аэрозоля щелочного раствора, очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода в каталитическом реакторе, подачу дымовых газов в рекуператор для нагрева воздуха горения, охлаждение дымовых газов в газоохладителе, тонкую очистку дымовых газов от мелких частиц пыли в рукавном фильтре, доочистку в адсорбере и подачу дымовых газов в дымовую трубу. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что пиролиз органической части ядохимикатов осуществляют в непрерывно качающейся печи с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов с периодическим сливом шлака в шлаковню, причем подачу в печь ядохимикатов и щелочных реагентов осуществляют после очередного слива шлака. При этом очистку дымовых газов в каталитическом реакторе от недогоревших органических токсинов и оксида углерода осуществляют после тонкой очистки дымовых газов от пыли в рукавном фильтре и после их подогрева за счет тепла дымовых газов в теплообменнике, установленном за камерой дожигания.

В отдельных случаях использования заявляемый объект характеризуется тем, что:

- при очередном сливе шлака его сливают в количестве 0,8÷0,98 массы загрузки, затем в печь подают ядохимикаты и щелочные реагенты при массовом соотношении от 1:0,3 до 1:1 в количестве 25÷35% емкости ванны и осуществляют пиролиз органической части ядохимикатов в течение 25÷40 минут до очередного слива шлака;

- в процессе пиролиза органической части ядохимикатов жидкую ванну перемешивают путем качания печи с частотой 1÷2 колебания в минуту;

- в качестве воздуха горения используются аспирационные выбросы от камеры, укрывающей зону загрузки печи и слива шлака и соединенной воздухопроводом с вентилятором для подачи воздуха горения;

- температуру жидкой ванны в процессе пиролиза органической части ядохимикатов поддерживают на уровне 800÷1000°С, при этом воздух горения подают в печь нагретым до температуры 350÷400°С;

- дожигание дымовых газов осуществляют при температуре 1100÷1200°С в течение 2÷3 секунд при коэффициенте избытка воздуха 1,4÷1,5;

- дымовые газы после теплообменника за камерой дожигания обрабатывают аэрозолем водного раствора щелочных реагентов при концентрации щелочи в дымовых газах 0,01÷0,03 масс.%;

- дымовые газы перед рукавным фильтром охлаждают до температуры 120÷180°С в газоохладителе, в качестве которого используют газовоздушный теплообменник, экономайзер или паровой котел, а перед каталитическим реактором дымовые газы подогревают в теплообменнике камеры дожигания до температуры 550÷650°С.

При использовании заявляемого способа обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении скорости и эффективности разложения сложных органических соединений при пиролизе непригодных ядохимикатов и подобных им химических веществ, а также в повышении эффективности улавливания и обезвреживания образующихся продуктов разложения.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь.

При периодической подаче ядохимикатов и щелочных реагентов в непрерывно качающуюся печь с жидкой ванной из расплава щелочных реагентов органические соединения ядохимикатов интенсивно и равномерно перемешиваются со щелочными реагентами по всему объему жидкой ванны печи при ее качании. Органические соединения ядохимикатов интенсивно разлагаются и кислые составляющие связываются щелочью, а СО и пары органических соединений, в основном, сгорают в рабочем пространстве над ванной. При этом обеспечивается существенное повышение скорости пиролиза, эффективности разложения и полноты связывания кислых продуктов разложения ядохимикатов и подобных им химических веществ, образующихся при пиролизе в жидкой ванне печи.

Отходящие от печи дымовые газы проходят через ряд аппаратов для дальнейшего обеззараживания, охлаждения и очистки. Смешивание выходящих из печи дымовых газов в верхней части камеры дожигания с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива и дополнительно подаваемым нагретым воздухом горения обеспечивает стабильно высокую температуру обезвреживания дымовых газов на уровне 1100÷1200°С в течение 2÷3 секунд при содержания кислорода до 8÷10%.

После дожигания дымовые газы направляют в теплообменник дым-дым, где осуществляют охлаждение дымовых газов с одновременным нагреванием очищенного от пыли дыма перед подачей в каталитический аппарат и нагреванием за каталитическим аппаратом воздуха горения, направляемого в печь и камеру дожигания. После теплообменника дымовые газы обрабатывают аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды), что обеспечивает связывание SO_x, HCl и Cl₂. После обработки дымовых газов щелочным раствором их дополнительно охлаждают в газоохладителе или теплоутилизаторе перед рукавным фильтром до температуры эксплуатации рукавов фильтра. После рукавного фильтра дымовые газы направляют в теплообменник дым-дым для нагрева перед каталитическим реактором. Последующая обработка очищенных от пыли нагретых дымовых газов в каталитическом реакторе предотвращает быстрое зарастание катализатора пылью и позволяет эффективно обеспечить разложение и дожигание остатков тяжелых углеводородов и оксида углерода в дымовых газах в течение длительного периода работы катализатора (1,5÷2,5 года) без дополнительных эксплуатационных затрат на периодическую замену катализатора.

Охлаждение дымовых газов после каталитического реактора в рекуператоре с последующим разбавлением воздухом до температуры конденсации паров ртути и других тяжелых металлов обеспечивает конденсацию ртути и других тяжелых металлов, а также их улавливание их в фильтре-адсорбере (например, из углеродной ткани), через который дымовые газы подают дымососом в дымовую трубу.

Кроме того, при осуществлении пиролиза органической части ядохимикатов в непрерывно качающейся печи очень просто обеспечивается периодический слив шлака в заданном количестве, которое зависит от угла наклона печи в сторону выпускного отверстия, и обеспечивается возможность полного слива шлака перед плановым ремонтом печи.

Периодический слив шлака в количестве, меньшем чем 0,8 массы загрузки, нецелесообразен потому, что это вызовет переполнение ванны при очередной загрузке. Периодический слив шлака в количестве, большем чем 0,98 массы загрузки, нецелесообразен потому, что при этом уменьшится объем расплава в ванне, необходимый для быстрого усвоения загрузки.

Загрузка ядохимикатов и щелочных реагентов при массовом соотношении, меньшем чем 1:0,3, нецелесообразна потому, что при этом не обеспечится жидкоподвижность расплава. Загрузка ядохимикатов и щелочных реагентов при массовом соотношении, большем чем 1:1, нецелесообразна потому, что это приводит к неоправданному увеличению расхода щелочных реагентов.

Периодическая загрузка в печь порции ядохимикатов и щелочных реагентов объемом, который меньше 25% емкости ванны печи, нерациональна, т.к. это приводит к увеличению количества раз открытия загрузочных окон и к увеличению расхода топлива для компенсации остывания рабочего пространства. Загрузка в печь порции ядохимикатов и щелочных реагентов объемом, который больше 35% емкости ванны печи, также нерациональна, т.к. может привести к затвердеванию расплава в ванне печи, для предотвращения которого потребуется увеличение расхода топлива и увеличение продолжительности цикла переработки.

Продолжительность пиролиза органической части ядохимикатов, которая составляет менее 25 минут до слива шлака, является неприемлемой, т.к. при этом не обеспечивается полное расплавление ядохимикатов и щелочных реагентов, а также полный пиролиз органической части ядохимикатов. Продолжительность пиролиза органической части ядохимикатов, которая составляет более 40 минут до слива шлака, является неоправданной, т.к. из-за необходимости обеспечения надлежащих условий для плавления и пиролиза приведет к перерасходу топлива и снижению производительности.

Качание печи с частотой 1-2 колебания в минуту обеспечивает ускорение процесса перемешивания обезвреживаемого в печи материала со щелочными реагентами, при этом, в сравнении с перемешиванием путем барботирования с помощью сжатого воздуха, ускоряется процесс разложения ядохимикатов, снижается удельный расход щелочных реагентов, снижается объем выноса кислотообразующих вредностей с газами. Качание с частотой, меньшей чем одно колебание в минуту, обуславливает увеличение периода переработки порции ядохимикатов. Качание с частотой, большей чем два колебания в минуту, потребует использования привода качания с увеличенной мощностью.

Использование в качестве воздуха горения аспирационных выбросов от камеры, укрывающей зону загрузки печи и слива шлака, которые, в свою очередь, подвергаются комплексной очистке совместно с технологическими газами, позволяет предотвратить попадание неочищенных выбросов вредностей в окружающую среду и ее загрязнение.

Поддержание температуры жидкой ванны в процессе пиролиза органической части ядохимикатов, которая составляет менее 800°С, и подача воздуха горения в печь нагретым до температуры, которая составляет менее 350°С, является нецелесообразным потому, что при температуре жидкой ванны менее 800°С расплав становится вязким, а поддержание температуры воздуха меньше 350°С приводит к увеличению расхода топлива. Поддержание температуры жидкой ванны в процессе пиролиза органической части ядохимикатов на уровне свыше 1000°С и подача воздуха горения в печь нагретым до температуры более 400°С является нецелесообразным потому, что при температуре более 1000°С неоправданно увеличивается расход топлива, а при температуре воздуха более 400°С увеличивается концентрация окислов азота.

Дожигание дымовых газов при температуре менее 1100°С в течение менее 2 секунд при коэффициенте избытка воздуха менее 1,4 не позволяет обеспечить необходимую степень дожигания органических вредностей. Дожигание дымовых газов при температуре более 1200°С в течение более 3 секунд при коэффициенте избытка воздуха более 1,5 приводит к перерасходу топлива.

Обработка дымовых газов аэрозолем щелочного раствора (например, каустической соды) после теплообменника за камерой дожигания перед входом в каталитический реактор обеспечивает наиболее полное связывание соединений серы и хлора, а при разложении углеводородов на катализаторе происходит восстановление части окислов азота до молекулярного азота. При этом концентрация щелочи в дымовых газах должна находится в пределах 0,01÷0,03 масс.%. При концентрации щелочи в дымовых газах менее 0,01 масс.% не будет обеспечиваться нейтрализация всех кислотных вредностей в дымовых газах. Обеспечение концентрации щелочи в дымовых газах на уровне более 0,03 масс.% приведет к нецелесообразному перерасходу щелочи.

Охлаждение дымовых газов перед рукавным фильтром до температуры, которая составляет менее 120°С, в газоохладителе, в качестве которого используют газовоздушный теплообменник, экономайзер или паровой котел, нецелесообразно потому, что это приведет к увеличению металлоемкости газоохладителя. Охлаждение дымовых газов до температуры, которая составляет более 180°С, нецелесообразно потому, что это приведет к необходимости использования более жаропрочного материала рукавов рукавного фильтра, что, в свою очередь, приведет к увеличению стоимости рукавного фильтра и, в частности, стоимости осуществления способа в целом.

Доочистка от органических вредностей дымового газа, предварительно очищенного от пыли до остаточного ее содержания 5÷10 мг/нм³ и предварительно нагретого до 550÷650°С, позволяет обеспечить нормативное содержание органических вредностей на выходе газа в атмосферу стабильным в течение длительного (2 года и более) периода термического обезвреживания ядохимикатов, уменьшить количество дорогостоящих катализаторов в реакторе. Нагрев очищенного газа в теплообменнике дым-дым до температуры, которая составляет менее 550°С, приводит к существенному удорожанию катализатора. Нагрев газа до температуры, которая составляет более 650°С, приводит к утяжелению и удорожанию каталитического аппарата и теплообменника за ним, а также газоходов между теплообменником дым-дым и охладителем газа за каталитическим аппаратом.

В конкретном примере заявляемый способ термического обезвреживания ядохимикатов осуществляется так. Непригодные ядохимикаты и щелочные реагенты в герметичных мешках массой 20÷30 кг и пакеты с каустической содой массой 10÷15 кг (при обеспечении условия массового соотношения 1:0,5) периодически подают в печь, непрерывно качающуюся с частотой 1 колебание в минуту. Температуру жидкой ванны поддерживают с помощью горелки в пределах 800÷1000°С. Воздух горения подогревают в рекуператоре до 350÷400°С и подают в печь. В ванне из расплава щелочных реагентов органические соединения ядохимикатов разлагаются, наполнитель и часть кислых неорганических продуктов разложения переходят в шлак. Пары органических веществ и СО, в основном, сгорают над ванной печи. В процессе пиролиза органической части ядохимикатов жидкая ванна с расплавом щелочных реагентов и наполнителя из ядохимикатов перемешивается путем непрерывного качания печи. Значительная часть неорганических и кислых неорганических соединений, содержащих хлор, фосфор и серу, образует со щелочью инертные соединения типа NaCl, Na₃PO₄, Na₂SO₄, Na₂S и остается в шлаке, который после выдержки в печи в интервале между загрузками 25÷40 мин не содержит неразложившихся ядохимикатов. Шлак из печи в жидком состоянии периодически перед очередной загрузкой сливают в шлаковню, где происходит его кристаллизация и охлаждение. Выход шлака составляет 80÷95% от массы загрузки.

Выходящие из печи дымовые газы подают на вход камеры дожигания с температурой 800÷1000°С. Дымовые газы подают через газопровод в верхнюю часть камеры дожигания, в которой дымовые газы смешивают с направленными сверху вниз потоками продуктов сгорания жидкого топлива и дополнительно подаваемым воздухом и обрабатывают аэрозолем раствора каустической соды. Дожигание дымовых газов осуществляют при температуре 1100°С в течение 2 секунд при коэффициенте избытка воздуха 1,4 и концентрации щелочи в дымовых газах 0,02÷0,03 масс.%.

На выходе из камеры дожигания дымовые газы направляют в теплообменник дым-дым с одновременным нагреванием в теплообменнике дым-дым очищенного от пыли газа до 550÷650°С и охлаждением неочищенного дыма до 350÷450°С.

Затем перед рукавным фильтром дымовые газы обрабатывают аэрозолем раствора каустической соды при концентрации щелочи в дымовых газах 0,02-0,03 масс.% и дополнительно охлаждают в газоохладителе или теплоутилизаторе до температуры 120÷180°С - оптимальной температуры эксплуатации рукавов фильтра. После чего дымовые газы направляют в рукавный фильтр для очистки от пыли.

Очистку дымовых газов от недогоревших органических токсинов и оксида углерода осуществляют в каталитическом реакторе. Перед каталитическим реактором дымовые газы нагреваются в теплообменнике дым-дым до 550÷650°С.

После каталитического реактора дымовые газы охлаждают для конденсации паров соединений тяжелых металлов в теплообменнике (теплоутилизаторе) с последующим разбавлением воздухом до достижения ими температуры 45°С.

Далее очищенные и охлажденные дымовые газы подают дымососом через фильтр-адсорбер и дымовую трубу в атмосферу. В фильтре-адсорбере, например, из углеродной ткани, расположенном перед дымовой трубой, обеспечивается доочистка дымовых газов за счет улавливания легких соединений ртути и других тяжелых металлов.

Пыль, которая накапливается после предварительной очистки дымовых газов в рукавном фильтре, собирают в мешки и направляют на повторную переработку в печь.

Аспирационные выбросы из зоны загрузки печи и слива шлака по воздухопроводу поступают на вход вентилятора и далее нагреваются в рекуператоре до 350÷400°С, после чего направляются в горелку, воздушные сопла печи и камеры дожигания.

После очистки дымовые газы содержат: пыли - до 10 мг/м³, окиси серы - до 50 мг/м³, хлористого водорода - до 10 мг/м³, окиси азота - до 100 мг/м³, диоксинов и фуранов - до 0,3 мг/м³, ртути - до 2·10^-4 мг/м³. Такие соединения, как NaO, NaCl, Na₃PO₄, Na₂SO₄, Na₂Si, Si₂, Al₂O₃, K₂O, CaO, MgO, остаются в шлаке.

В результате использования заявляемого способа увеличивается производительность установки для термического обезвреживания ядохимикатов при обеспечении полного разложения сложных органических соединений до простых невредных веществ, повышается эффективность связывания в шлаках неорганических продуктов разложения ядохимикатов и дожигания сложных органических соединений, сокращаются расходы на катализатор при увеличении срока его службы и срока межремонтной эксплуатации установки, исключаются выбросы неочищенных газов в атмосферу.