Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БЕЗОТХОДНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к металлургии и теплоэнергетике и может быть использовано для переработки твердых коммунальных отходов (ТКО), медицинских отходов и некоторых твердых техногенных промышленных отходов.

Быстрый рост производства и накопление человечеством твердых отходов жизнедеятельности вызывает необходимость создания рациональных способов переработки таких отходов, и в первую очередь коммунальных (бытовых) отходов.

Известны различные способы переработки (утилизации) коммунальных отходов. Наиболее распространенными из них в настоящее время являются:

- прессование и захоронение отходов на специально оборудованных полигонах;

- переработка органической составляющей отходов в компост (компостирование), опять же на специально оборудованных площадях;

- переработка термическим пиролизом в восстановительной или нейтральной атмосфере с получением газов, пригодных для использования в качестве теплоносителя и минерального остатка (зола), как правило, нуждающегося в захоронении на специально отведенных полигонах;

- сжигания в окислительной атмосфере (воздухе), главным образом на колосниковых решетках специально оборудованных энергетических котлов.

Обычно перечисленные способы переработки твердых коммунальных отходов применяются после низкопроизводительной и затратной операции сортировки отходов с целью извлечения и повторного использования таких компонентов, как упаковочный картон, стекло, пластмассы, мелкий металлический лом.

Главным недостатком перечисленных способов является необходимость захоронения, а следовательно, и постоянного накопления, довольно большого количества токсичных продуктов переработки коммунальных отходов.

Наиболее эффективным и высокопроизводительным из перечисленных способов переработки (утилизации) ТКО является их сжигание. В результате сжигания отходов образуется небольшое количество токсичных продуктов переработки (золы и пыли), которое в принципе может быть уменьшено до нуля. Кроме того, при сжигании ТКО выделяется довольно большое количество тепла, которое может быть использовано для выработки электроэнергии. Но при сжигании ТКО возникает ряд технических и экологических сложностей (проблем). Важнейшие из них следующие: низкая средняя калорийность сжигаемых отходов из-за высокой влажности (30-50%) и значительного содержания негорючих компонентов: стекла, костей, кусочков металла и строительного мусора.

Вследствие этого, а также из-за применения воздуха для окисления органических составляющих отходов, сжигание мусора происходит при сравнительно низких температурах (800-1100°С), что значительно усложняет и затрудняет (а иногда вообще исключает) возможность полного сжигания образующихся при нагреве и горении отходов крайне опасных для человека и окружающей среды диоксинов и фуранов.

Вследствие того, что процесс сжигания отходов осуществляется при невысоких температурах, неорганические компоненты отходов превращаются в твердую, с высокой удельной поверхностью золу, содержащую значительное количество вредностей, легко вымывающихся из нее атмосферной и почвенной влагой. Такую золу требуется хранить в специальных кессонированных хранилищах.

Удаление влаги из отходов при сжигании его известными способами осуществляется непосредственно в котле, это приводит к значительному увеличению объема отходящих из котла газов, требует увеличения размеров и стоимости газоочистных сооружений, а также увеличивает эксплуатационные расходы на очистку газов.

Уловленная в фильтрах газоочистных сооружений пыль содержит значительное количество вредностей (тяжелые металлы в виде окислов и др.) и не утилизируется, а также захоранивается в специальных хранилищах, даже при эксплуатации самых современных мусоросжигающих предприятий.

Известны способы переработки ТКО, предусматривающие технологические и конструктивные приемы, частично устраняющие сложности, возникающие при сжигании отходов. В частности, предлагается сжигать твердые бытовые отходы в слое жидкого шлака или в шлаковом расплаве с температурой от 1400 до 1500 с подачей их в расплав, продувая расплав для замешивания в него ТКО, кислородсодержащим газом [1, 2].

Известны способы переработки ТКО, предусматривающие подачу в шлаковый расплав, для уменьшения температуры плавления получаемого шлака, вещества с высоким содержанием оксида кальция (СаО) [1, 4] или сульфид кальция (CaS) вместе с соединениями цветных металлов [2].

Для повышения температуры сжигания отходов предлагается осуществлять сушку влажных ТКО технологическими газами процесса сжигания либо непосредственно в рабочем пространстве сжигающего агрегата [3], либо в загрузочном устройстве перед загрузкой ТКО в агрегат [4].

Известные способы имеют ряд существенных недостатков, препятствующих реальному их осуществлению.

Произвести сжигание и утилизацию ТКО в слое расплавленного шлака на практике очень трудно. ТКО имеют плотность (в среднем до 1,0 кг/дм³) намного меньшую, чем плотность расплавленного шлака (2,5-4,5 кг/дм³). Поэтому для помещения ТКО (замешивания) в слой расплавленного шлака приходится продувать шлак кислородсодержащим газом [1, 2] или горячими продуктами сжигания углеводородного топлива [5].

Расплавленный шлак имеет сравнительно низкий окислительный потенциал, поэтому окисление (сжигание) органической составляющей отходов протекает в нем крайне медленно и не до конца (только до СО), несмотря на довольно высокую температуру шлакового расплава (1400-1500°С). Выделение образовавшихся в результате сжигания СО и Н₂О в газовую фазу из шлака затруднено и также протекает крайне медленно.

Рекомендуемые в [3] для повышения температуры сжигания ТКО способы сушки влажных коммунальных отходов горячими технологическими газами (температура ориентировочно 1300-1700°С), полученными при сжигании отходов в загрузочном устройстве перед подачей в сжигающее устройство (плавильную камеру) [4] или непосредственно в ней, имеют существенные недостатки.

При сушке в загрузочных устройствах температура нагрева отходов не контролируется, поэтому они нагреваются до температур, при которых возможно образование диоксинов и фуранов (200-600°С), что несет в себе потенциальную опасность неконтролируемых выбросов в атмосферу образовавшихся диоксинов и фуранов. При сушке влажных коммунальных отходов непосредственно в рабочем пространстве сжигающего устройства (плавильной камеры) за счет испаряющейся влаги резко увеличиваются расход топлива и количество отходящих из камеры газов (оценочно 30-50%), что увеличивает капитальные и эксплуатационные затраты на газоочистные сооружения, снижает в конечном счете температуру рабочего пространства в камере, температуру отходящих газов и уменьшает возможность рационального использования (утилизации) тепла отходящих газов.

Рекомендуемые в [1, 2, 4] добавки в шлак веществ, содержащих только оксид кальция (СаО) или сульфид кальция (CaS) с целью уменьшения температуры плавления получаемого шлака, не дают возможности использования техногенных промышленных отходов металлургии (отвальные шлаки, пыль, шламы и т.п.), золы теплоэлектростанций (ТЭС) и не позволяют корректировать состав получаемого шлака в таких пределах, которые позволяют производить из него такие ценные продукты (товарную продукцию), как шлакокаменное литье, клинкер для цементной промышленности и др.

Известен способ переработки бытовых и промышленных отходов, включающий предварительную термообработку (сушку) отходов для уменьшения влажности, загрузку их в плавильную камеру, сжигание органических составляющих, дожигание и очистку отходящих из плавильной камеры газов, утилизацию тепла отходящих газов, расплавление минеральных составляющих твердых бытовых отходов, выпуск накапливающихся шлака и металла (см. патент RU 2265774, МКИ 7: F23G 5/00), выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога.

В известном способе предварительную термообработку отходов осуществляют в слое восходящим потоком непосредственно в газовом пространстве над ванной шлакового расплава при дополнительной подаче нагретого воздуха выше слоя отходов. Слой отходов размещают выше поверхности шлакового расплава на колосниковой решетке так, что проекция площади слоя отходов на плоскость, находящуюся на уровне поверхности расплава, полностью или частично находится вне поверхности шлакового расплава. Продувку шлакового расплава осуществляют продуктами сжигания углеводородного топлива с температурой, превышающей температуру шлакового расплава на 10-600°С. Подачу газа над поверхностью шлакового расплава осуществляют со стороны ванны шлакового расплава. Подачу струи газа для продувки ванны шлакового расплава осуществляют на уровне, отстоящем от дна ванны на величину 5-10 диаметров струи на входе ее в расплав. В качестве газа, подаваемого над поверхностью ванны шлакового расплава, используют нагретый воздух или смесь его с углеводородным топливом. Температура подаваемого нагретого воздуха составляет 500-600°С.

Известный способ переработки бытовых и промышленных отходов имеет следующие недостатки:

- не позволяет утилизировать пыль, улавливаемую в газоочистке из газов, отходящих из сжигающего устройства (плавильной камеры);

- возможны частые остановки агрегата для ремонта футеровки из-за интенсивного ее разрушения в процессе химической эрозии основной огнеупорной футеровки на базе оксида кальция (СаО) или оксида магния (MgO).

- не позволяет обеспечить эффективную безотходную, непрерывную, экологически чистую переработку отходов.

Предлагаемое изобретение решает задачу безотходной переработки твердых коммунальных отходов (ТКО) и экологически безвредной их утилизации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога, а именно:

- обеспечение процесса безотходной, эффективной переработки твердых коммунальных отходов;

- обеспечение экологически безвредной утилизации пыли, улавливаемой в газоочистке, из газов, отходящих из сжигающего устройства (плавильной камеры);

- повышение стойкости футеровки плавильной камеры.

Технический результат обеспечивается тем, что в способе безотходной термической переработки твердых коммунальных отходов, включающем сушку отходов, загрузку их в плавильную камеру, сжигание органических составляющих твердых коммунальных отходов на поверхности расплавленного шлака, дожигание и очистку отходящих из плавильной камеры газов, утилизацию тепла отходящих газов, расплавление минеральных составляющих отходов, выпуск накапливающихся шлака и металла, согласно изобретению расплав шлака получают из добавляемых одновременно с твердыми коммунальными отходами флюсов и минеральных составляющих отходов и перегревают до 1500-1600°С, сжигание органических составляющих и расплавление минеральных составляющих отходов осуществляют на поверхности расплавленного перегретого шлака, в атмосфере кислорода, вдуваемого комбинированными горелками-фурмами со сверхзвуковой скоростью, в плавильной камере, кожух которой охлаждается жидкометаллическим теплоносителем, установленной в устье энергетического котла, служащего для дожигания и утилизации тепла отходящих газов, сушку твердых коммунальных отходов до влажности 5-12% осуществляют перед подачей в систему загрузки шихты плавильной камеры, в устройстве сушки и в конвейерном устройстве, укрытом герметичным кожухом, газообразным азотом, нагретым до 150°С теплом, аккумулированным металлическом теплоносителем при охлаждении кожуха плавильной камеры.

Кроме того, пыль, уловленную в системе газоочистки агрегата, перерабатывающего твердые коммунальные отходы, вдувают инжекторами в шлаковый расплав в плавильной камере, расплавляют и ассимилируют шлаком.

Состав и свойства получаемого при переработке твердых коммунальных отходов шлака корректируют добавками техногенных отходов черной и цветной металлургии и золы тепловых электростанций, вводимых в плавильную камеру одновременно с твердыми коммунальными отходами.

В качестве добавок техногенных отходов черной и цветной металлургии используют отвальные шлаки, пыль, шламы.

Сжигание ТКО на поверхности расплавленного перегретого шлака в атмосфере чистого кислорода обеспечивает значительно более быстрое сгорание органических компонентов отходов, возможность горения углерода отходов по схеме С+О₂→СО₂, с выделением в рабочем пространстве рабочей камеры значительно большего количества тепла, т.к. тепловой эффект реакции С+O₂→СО₂ более чем в 2 раза превышает тепловой эффект реакций окисления углерода в шлаке по схеме С+1/2O₂→СО и соответственно возможность существенного повышения температуры рабочего пространства камеры и температуры отходящих из нее газов.

Благодаря этому ускоряется плавление минеральных компонентов ТКО и специальных добавок, вводимых в шлак, полностью сгорают в рабочем пространстве камеры и котла, утилизирующего тепло отходящих газов, образующиеся при сжигании отходов диоксиы и фураны, увеличивается тепловой КПД установки.

Применение комбинированных топливно-кислородных горелок-фурм, позволяет легко осуществить начало процесса, расплавляя легкоплавкий исходный первичный шлак работающими топливокислородными горелками и переходя в дальнейшем только на вдувание кислорода фурмами со сверхзвуковой скоростью.

Сверхзвуковая скорость струи (более 340 м/сек, т.е. 340-380 м/сек) кислорода обеспечивает эффективное сжигание отходов и хорошее перемешивание шлака, что способствует его быстрому нагреву и ускоряет ассимиляцию (растворение) шлаком минеральных компонентов отходов.

Предложенное охлаждение кожуха ЖМТ позволяет обеспечить получение гарнисажа на внутренней поверхности камеры, ограничивающей шлаковый объем, и работать без применения огнеупорной футеровки шлакового пояса. Тепло, аккумулированное ЖМТ, может быть использовано для сушки ТКО перед загрузкой их в плавильную камеру.

Установка камеры в устье котла позволяет утилизировать физическое и химическое тепло, отходящее из плавильной камеры газов, с наименьшими затратами.

Предлагается также производить сушку влажных ТКО перед подачей в систему загрузки шихты плавильной камеры до влажности 5-12% в специальном конвейерном устройстве, укрытом герметичным кожухом, газообразным азотом, нагретым до 150°С теплом, аккумулированным ЖМТ, при охлаждении кожуха плавильной камеры.

В таком случае при сушке влажных отходов в нейтральной атмосфере азота полностью исключается возможность самопроизвольного возгорания отходов и неконтролируемого повышения температуры, образования диоксинов и фуранов, а также выброса их в атмосферу.

Предварительная сушка ТКО позволяет увеличить скорость и температуру их сжигания, уменьшить объем отходящих из плавильной камеры газов, нуждающихся в сложной многоступенчатой очистке, и соответственно уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты на очистку газов.

Дополнительно предлагается корректировать состав и свойства получаемого при переработке ТКО шлака добавками техногенных отходов черной и цветной металлургии (отвальные шлаки, пыль, шламы и т.п.), золы ТЭС, загружаемых в плавильную камеру одновременно с ТКО. Это позволяет сливать из плавильной камеры расплавленные перегретые шлаки, по составу и свойствам пригодные для получения из них после разливки различной товарной продукции: шлакокаменного литья, цементного клинкера и т.д. Кроме того, одновременная загрузка таких отходов, как ТКО, шлаки, шламы, зола ТЭС, уменьшает вероятность выноса из плавильной камеры мелких легких фракций коммунальных отходов потоком отходящих газов.

Дополнительно предлагается пыль, уловленную в системе газоочистки, вдувать специальными инжекторами в шлаковый расплав в плавильной камере, где она расплавляется и ассимилируется шлаком. В результате этого обеспечивается полностью безотходная и экологически безвредная утилизация ТКО.

Сущность заявленного способа поясняется технологической схемой безотходной переработки твердых коммунальных отходов.

На чертеже показана технологическая схема безотходной переработки твердых коммунальных отходов.

Способ безотходной переработки твердых коммунальных отходов включает измельчение отходов в устройстве 1, сушку отходов в устройстве 2, загрузку их в свободное пространство 5 плавильной камеры 5, 6, 7. Плавильная камера 5, 6, 7 имеет свободное пространство 5, пространство 6 для расплавленного шлака и пространство 7 для расплавленного металла. Сжигание органических составляющих твердых коммунальных отходов и плавление их минеральных составляющих производят на поверхности расплавленного шлака 6. В энергетическом котле 8 производят дожигание и утилизацию тепла отходящих из свободного пространства 5 плавильной камеры 5, 6, 7 газов. Очистку газов производят в системе 9, сбор пыли в бункере 10. Сжигание органических составляющих твердых коммунальных отходов (ТКО) и плавление их минеральных составляющих производят на поверхности расплавленного перегретого до 1500-1600°С шлака 6, получаемого из добавляемых одновременно с твердыми коммунальными отходами флюсов и минеральных составляющих в атмосфере кислорода, вдуваемого комбинированными горелками-фурмами 11 со сверхзвуковой скоростью 340 м/сек. Плавильная камера 5, 6, 7 снабжена кожухом (не показан), охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем, и установлена в устье энергетического котла 8, служащего для утилизации тепла отходящих газов. Сушку твердых коммунальных отходов осуществляют в устройстве 2, затем в загрузочном устройстве 3 перед подачей в систему загрузки 4 шихты плавильной камеры 5 до влажности 5-12% газообразным азотом, нагретым до 150°С теплом, аккумулированным металлическом теплоносителем при охлаждении кожуха плавильной камеры 5, 6, 7. Конвейерное загрузочное устройство 3, предназначенное для загрузки ТКО в плавильную камеру 5, укрыто герметичным кожухом (не показан). Пыль, уловленную в системе 9 газоочистки, вдувают в шлаковый расплав 6 инжекторами 12, затем расплавляют и ассимилируют шлаком. Плавильная камера 5, 6, 7 в своем пространстве 6 для расплавленного шлака снабжена устройством 13 для выпуска шлака, в пространстве 7 для расплавленного металла имеет устройство 14 для выпуска металла.

Состав и свойства получаемого при переработке твердых коммунальных отходов шлака корректируют добавками техногенных отходов черной и цветной металлургии и золы тепловых электростанций, вводимых в плавильную камеру 5, 6, 7 одновременно с твердыми коммунальными отходами.

Примеры конкретного осуществления, подтверждающие возможность внедрения в производство предложенного способа.

Пример 1. Охлаждение металлических поверхностей, работающих в условиях высоких температур (1600-2300°С) ЖМТ давно и эффективно применяется в ядерной энергетике. Поэтому в условиях плавильной камеры, перерабатывающей отходы по предлагаемому способу, такой способ охлаждения металлического кожуха также будет эффективен.

Пример 2. В муфельную лабораторную печь, рабочее пространство которой при температуре 150°С заполнялось азотом, загрузили 2 кг измельченных ТКО с влажностью 35%. Во время выдержки в течение 1,5 часа возгорание отходов не наблюдалось, влажность отходов снизилась до 12%. Одновременно в лабораторной печи сопротивления в молибденовом тигле расплавили и нагрели до 1500°С 200 г шлака, полученного из смеси флюсов, содержащего 20% СаО, 50% SiO₂, 10% CaF₂, 10% FeO, 5% Al₂O₃, 5% MgO. Затем на поверхность расплавленного шлака, в струе кислорода, постепенно загрузили 400 г измельченных ТКО из муфельной печи с влажностью 12%. Отходы полностью сгорели. Температура в рабочем пространстве печи составила 1950°С, масса шлака увеличилась до 300 г, температура шлака в конце эксперимента составила 1580°С. Состав шлака был следующим: 21% СаО, 54% SiO₂, 6% CaF₂, 13% FeO, 3% Al₂O₃, 3% MgO. Шлак такого состава пригоден для производства шлакокаменного фасонного литья.