Способ термической переработки твердых отходов

Изобретение относится к способу переработки твердых отходов, в том числе лежалых и медицинских, и может быть использовано в коммунально-бытовом хозяйстве, химии, металлургии, энергетике, строительстве и других отраслях промышленности.

Известен способ термической переработки твердых отходов в печи с боковым погружным дутьем (А.С. СССР №1315738). Совместно с отходами в шлаковую ванну, продуваемую кислородсодержащим газом в режиме барботажа, загружают топливо, оксиды металлов и металлолом. Количество загружаемого топлива обеспечивает содержание углерода в шихте 2-25%. При содержании углерода в шихте более 10% на каждый процент увеличения его содержания вводят оксиды металлов или металлолом в количестве соответственно 0,25-5,0 и 0,5-15% от массы загружаемой шихты. Продувку ванны ведут с интенсивностью 150-2200 нм³/м²*час. Недостатки известного способа заключаются в том, что отсутствует контроль за кислородным потенциалом способа (процесса) и, как следствие, возможен недожог токсичных соединений или переокисление шлакового расплава. Способ не гарантирует отсутствие повторного образования токсичных соединений, так как система газоочистки не рассмотрена, и не определены параметры ее работы, гарантирующие отсутствие токсичных компонентов в отходящих газах после их очистки и охлаждения. При использовании дутья с низким обогащением по кислороду образуется большое количество оксидов азота (NO_x). Меры по нейтрализации (очистке) отходящих газов от оксидов азота не рассмотрены.

Известен способ термической переработки твердых отходов в печи с боковым погружным дутьем (Патент РФ №2030684). Отходы, топливо и флюсы загружают на поверхность шлаковой ванны, барботируемой кислородсодержащим дутьем. Загрузку проводят рассредоточенно по площади поверхности шлаковой ванны. Отвод газообразных продуктов переработки проводят вне зоны загрузки. Суммарное количество кислорода в дутье, подаваемом в шлаковую ванну, составляет 1,2-2,2 от теоретически необходимого для окисления углерода загрузки до СО, водорода до H₂О. Над расплавом подают кислородсодержащее дутье, в котором суммарное количество кислорода составляет 0,05-0,8 от теоретически необходимого для окисления углерода загрузки до СО₂ и водорода до Н₂О. Жидкий шлак выпускают из печи и используют для производства строительных материалов. Технологические газы процесса не содержат токсичных веществ и после пылеулавливания могут быть выброшены в атмосферу. По варианту способа процесс ведут с загрузкой кальцийсодержащего флюса при отношении CaO/FeO в загрузке 0,2-0,6:1. С целью снижения пылеуноса твердые отходы могут загружаться в шлаковую ванну в сгораемой таре. Недостатки способа заключаются в том, что предусмотрено только использование твердого топлива, загружаемого на поверхность барботируемой ванны и не предусмотрены решения по минимизации пылевыноса и повторного образования полихлорированных дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов при обработке отходящих газов. При использовании дутья с низким обогащением по кислороду образуется большое количество NO_x. Меры по нейтрализации (очистке) отходящих газов от оксидов азота также не рассмотрены.

Также известен способ термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве и печь для его осуществления (Патент РФ №2623394). В способе, включающем загрузку подготовленной шихты в рабочую камеру, ее сжигание с образованием ванны шлакового расплава, барботирование расплава продуктами сгорания природного газа через погружные фурмы, выпуск продуктов плавки и очистку газов после термического разложения шихты, термическое обезвреживание отходов осуществляют непосредственно в ванне шлакового расплава за счет загрузки шихты непосредственно на уровень расплавленной шлаковой ванны и подачи в расплав воздуха, подогретого до 500°С, с коэффициентом избытка воздуха α≤1,3 через фурмы, расположенные на боковых стенах рабочей камеры, при этом температуру шлаковой ванны поддерживают в интервале 1400-1600°С, природный газ сжигают в выносных топочных камерах при α≤0,9, а продукты сгорания природного газа для барботирования шлаковой ванны и поддержания ее температуры подают под уровень расплава через сопла, установленные на топочных камерах, размещенных на боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно сопел, расположенных на противоположной стене. Недостатки способа заключаются в том, что использование выносных топок и воздушного дутья в печах барботажного типа говорит о неизбежной в этом случае низкой скорости взаимодействия кислорода дутья с углеводородными соединениями. Углеводородная часть отходов будет медленно взаимодействовать с продуктами сгорания, образующимися в выносных топках. Поэтому есть большие сомнения, что при воздушном дутье удастся гарантированно разложить все токсичные органические соединения. Кроме того, при воздушном дутье и высоких температурах процесса неизбежно образование больших количеств NO_x. В известном техническом решении никак не отражается, каким образом будет решаться вопрос с обезвреживанием газов от NO_x. Не отражаются также меры по предотвращению повторного образования полихлорированных дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов при охлаждении газов.

Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению является способ переработки твердых отходов в шлаковом расплаве в многозонной печи (Патент РФ №2451089). Способ предусматривает подсушку и подачу шихты минимальными порциями в разные места ванны, где сжигают и плавят ее в барботируемом шлаковом расплаве. Продукты сгорания термически разлагают и промывают под обтекателем с помощью газопромывателей многозонной печи при температуре 1350°С, что позволяет избавиться от галогенов в отходах и диссоциированного хлора по тракту до турбинного охлаждения газа. Промывка печного газа производится газожидкостной средой, выбрасываемой барботируемым расплавом, который содержит избыточный водород и СО. За счет управляемого синтеза в зонах печи создаются новые вещества, которые нейтрализуют в распылительном абсорбере сухой очистки газов. Охлаждение дымового газа производится в 3 этапа и завершается в электрофильтре, дымососе и дымовой трубе. Недостатки ближайшего аналога заключаются в следующем:

1. При использовании выносных топок нет гарантии полного разложения органических токсичных соединений из-за низкой скорости взаимодействия кислорода воздушного дутья с углеводородными соединениями органической составляющей твердых отходов.

2. Выносные топки снижают надежность эксплуатации печи, поскольку использование притычек (пробки, перекрывающие устье дутьевых каналов для предотвращения выхода расплава из печи при аварийной ситуации) невозможно и прекращение продувки по любой причине приводит к выходу печи из строя на длительное время.

3. Предложение предотвращать вторичное образование полихлорированных дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов путем увеличения скорости прохождения газов через котел-утилизатор за счет ограничения количества рабочих секций котла и использования максимальной тяги дымососа представляется сомнительной с позиций гарантированности отсутствия указанных токсичных соединений в отходящих газах на выходе из системы газоочистки, так как тягодутьевой режим печи зависит от многих факторов, в том числе и от состава поступающих на переработку отходов, которые в силу своих специфических особенностей образования не могут иметь постоянный состав. Система газоочистки устроена таким образом, что она разбита на участки, на одном из которых газ охлаждается в котле-утилизаторе с 950°С до 500°С, а потом в дымососе-смесителе, где он смешивается с воздухом - с 500°С до 200°С. Однако результаты исследований (Ладыгин К.В., Осветицкая Н.Д., Рахманов Ю.А. К вопросу предварительной оценки и методов снижения содержания диоксинов в отходящих газах установок термоокислительного обезвреживания медицинских отходов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент» №2, 2014, С. 14-19) показывают, что для предотвращения повторного образования дибензо-n-оксинов и дибензофуранов важно иметь высокую скорость охлаждения в интервале температур ~850°С до ~230°С. Таким образом, предлагаемая схема поэтапного охлаждения не может гарантировать повторное образование высокотоксичных соединений.

Задачей предлагаемого способа является разработка технологии - способа термической переработки твердых отходов, гарантирующей экологическую безопасность всех образующихся при переработке продуктов плавки: отходящих газов, шлака и металлического сплава.

Технический результат при реализации предлагаемого способа термической переработки твердых отходов заключается в гарантированной нейтрализации всех вредных и токсичных соединений, органических и неорганических летучих веществ за счет окисления кислородным дутьем в высокотемпературном расплаве, последующем скоростном охлаждении раскаленных газов и возврата твердого остатка нейтрализации мокрой очистки газов в плавку, а неорганических нелетучих вредных и токсичных веществ - за счет их окклюзии стекловидной шлаковой массой, образующейся при водной грануляции шлакового расплава.

Технический результат достигается тем, что в способе термической переработки твердых отходов, включающем предварительное измельчение отходов до частиц размером «-150 мм», непрерывную подачу твердых отходов, флюсов и твердого топлива на расплавленную шлаковую ванну, продуваемую через боковые заглубленные и непогружные фурмы кислородсодержащим газом, подаваемым совместно с газообразным или твердым топливом, избытке кислорода по сравнению со стехиометрически необходимым для полного окисления всех видов углеводородного топлива, согласно способу, в расплав, имеющий температуру 1200-1700°С, и над расплавом подают кислородсодержащее дутье, обогащенное по кислороду в пределах 65-100%. Для полной гарантии окисления дополнительно кислородно-воздушная смесь подается в печь выше уровня расплава, дожигая остатки органических веществ и обеспечивая содержание свободного кислорода в отходящем газе на выходе из печи не менее 6 об. %.

Согласно способу, отходящий газ перед выходом из печи прижимают с помощью специальных перегородок к расплаву и фильтруют через насыщенную брызгами и всплесками расплава область газового пространства. Это обеспечивает дополнительное снижение и без того невысокого уровня пылеуноса в печи плавки в жидкой ванне, а также является дополнительной гарантией отсутствия проскока непрореагировавших твердых и газообразных органических веществ в газоходную систему печи.

Согласно способу, при попадании отходящего газа в систему газоочистки его подвергают скоростному охлаждению (закалке) от температуры, превышающей 850°С водным раствором с интенсивностью орошения в пределах 0,01-0,03 м³ раствора/ нм³ охлаждаемого газа. Закалка обеспечивает охлаждение газа за время менее 1 сек до температуры ≤200°С, что, в свою очередь, гарантирует невозможность повторного образования органических токсичных соединений.

Согласно способу, коэффициент основности шлака (K=(CaO+MgO+Me_xO_y)/(SiO₂+Al₂O₃); где: Me - Fe,Cr,Ni,Cu,Co,Zn,Pb,Sn,V) следует поддерживать в пределах 0,5-1,2. Это необходимо для обеспечения высокой скорости закалки стекловидного шлака и высокой степени его монолитности, гарантирующей безопасность хранения токсичных неорганических соединений.

Согласно способу, суммарное содержание в шлаке железа и других тяжелых черных и цветных металлов (хрома, никеля, меди, кобальта, цинка, свинца, олова, ванадия) следует поддерживать на уровне, не более 28% масс, что при окислительных условиях ведения плавки указанные выше металлы образуют тугоплавкие шпинели, высокая концентрация которых приводит к вспениванию ванны и созданию аварийной ситуации.

Согласно способу, часть шлака может возвращаться в печь в пределах от 0 до 90% от массы загружаемых флюсовых компонентов. Оборот шлака целесообразен с точки зрения экономии расхода флюсов, кислорода и топлива на плавку, и доля оборота будет определяться степенью его насыщенности шпинелями на основе железа и других тяжелых черных и цветных металлов.

Согласно способу, совместно с отходами возможно подгружать в печь металлический лом или возвращать в печь полиметаллический сплав в количестве, необходимом для поддержания наличия ванны металла в печи в пределах 500-1000 мм от уровня пода печи.

Ниже предлагаемое изобретение будет описываться более подробно со ссылкой на приложенные графические материалы.

На фиг. 1 схематично показан общий вид пилотной опытной печи Ванюкова, где более подробно разъяснено:

- 1 - каркас печи;

- 2 - охлаждение шпура;

- 3 - футеровка печи;

- 4 - кессоны шахты печи;

- 5 - люк-окно печи;

- 6 - сводовый кессон;

- 7 - верхний загрузочный люк печи.

На фиг. 2, таблица 1 представлен состав представительной пробы твердых отходов.

На фиг. 3, таблица 2 представлен состав проб технологического газа по содержанию токсичных веществ в зависимости от способа охлаждения газа.

На фиг. 4, таблица 3 представлены результаты санитарно-эпидемиологических исследований шлака.

Способ осуществляется следующим образом

Испытания способа переработки твердых отходов проведены на пилотной опытной печи Ванюкова. Пояснение общего вида печи представлено на фиг. 1.

Для проведения исследований была сформирована представительная проба твердых отходов состава, представленного в таблице 1. Состав твердых отходов для переработки в опытной печи Ванюкова принят по результатам анализа существующих потоков твердых отходов, образующихся в коммунальном хозяйстве Санкт-Петербурга (Постановление Правительства Санкт-Петербурга от 29 мая 2012 г. №524 «О Программе «Региональная целевая программа по обращению с твердыми бытовыми отходами в Санкт-Петербурге на период 2012-2020 годов».

Состав представительной пробы твердых отходов приведен в таблице 1, фиг. 2.

Методика проведения испытаний по переработке твердых отходов в печи Ванюкова заключалась в следующем.

После сушки и разогрева футеровки первоначально в печь загружали смесь низкокачественного кварцита (с повышенным содержанием Аl₂О₃) и известняка из расчета получения шлака, содержащего 50% SiO₂, 35% СаО, 15% Аl₂О₃ и имеющего температуру плавления ~1330°С. Загрузку флюсующих компонентов производили до тех пор, пока уровень шлаковой ванны был выше уровня фурм на 200 мм - стандартный уровень расплава в опытной печи для штатного режима ведения плавки. Далее в шлаковый расплав через верхний загрузочный люк печи загружали твердые отходы, предварительно упакованные ~ на 1/3 объема в сетки, габаритом не более 200×500 мм, массой ~5-10 кг. Производительность печи по загружаемым твердым отходам составляла 220 кг/час. Загрузку твердых отходов производили в установившемся рабочем режиме работы опытной печи Ванюкова на поверхность шлакового расплава в течение 4 часов. Температуру плавки поддерживали в пределах 1350-1370°С. В процессе загрузки производили контроль состава отходящих газов на содержание токсичных соединений. По окончании загрузи твердых отходов, расплав из печи скачивали, пробы закаленного шлака передавали для санитарно-эпидемиологических исследований.

Для представления заявляемого способа проведены плавки, включающие:

- плавка №1 - ошлакование печи, подготовка к проведению испытаний;

- плавки №2 и №3 - основные, в одной из которых (плавка №2) закалку отходящего технологического газа не производили, а в другой (плавка №3) - отходящий газ закаливали орошением водой, обеспечивая скорость закалки от 1200 до 200°С в течение - 0,5-0,7 сек.

Поскольку основной целью испытаний было подтверждение экологической чистоты заявляемого способа переработки, основное внимание было уделено исследованию состава отходящего газа и шлака.

Отбор и анализ отходящего технологического газа производился специалистами Санкт-Петербургской организации ЗАО «ЦИКВ», имеющей сертификацию на анализ токсичных веществ.

Шлак, полученный в ходе проведения испытаний с целью определения класса опасности для окружающей среды, направляли на исследование также в сертифицированную организацию - ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербург». Острую токсичность шлака оценивали методами биотестирования с использованием в качестве тест-объектов гранулированную сперму быка и дафнии (Daphnia Magna).

Результаты исследований представлены в следующих таблицах:

- таблица 2, фиг. 3 - Состав проб технологического газа по содержанию токсичных веществ в зависимости от способа охлаждения газа;

- таблица 3, фиг. 4 - Результаты санитарно-эпидемиологических исследований шлака.

Согласно нормативным документам, предельно допустимый уровень содержания ядовитых токсичных веществ полихлорированных дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов в промышленных выбросах составляет в токсическом эквиваленте 100 пг/м³. Как видно из таблицы 2 (фиг. 3), применение скоростного охлаждения (закалки) отходящего технологического газа при переработке твердых отходов в печи Ванюкова приводит к снижению суммарного содержания дибензо-n-диоксинов и дибензофуранов в отходящем технологическом газе со 173,217 до 30,388 пг/м³, что соответствует снижению токсичных веществ в 5,7 раза. Достигнутый результат при закалке газа водяным орошением ниже установленного норматива в 3,3 раза. Это позволяет утверждать, что реализация способа переработки твердых отходов в печи Ванюкова с обеспечением закалки отходящего технологического газа является экологически безопасным вариантом переработки твердых отходов.

Как показали результаты исследований (таблица 3, фиг. 4), индекс токсичности шлака находится в пределах установленной нормы (80≤It≥120) и равен 94,1. При биотестировании с применением Daphnia Magna без разбавления гибель дафний не наблюдается, что подтверждает выполненный контрольный замер.

Таким образом, на основании выполненных санитарно-эпидемиологических исследований шлака было установлено, что:

- шлак, закаленный в соответствии с СП 2.1.7.2570-10 «Изменение №1», СП 2.1.7.2850-11 «Изменения и дополнения №2» в СП 2.1.7.1386-03 следует отнести к IV классу опасности - малоопасный;

- шлак, закаленный в соответствии с Приказом МПР РФ от 15 июня 2001 г. №511 можно отнести к V классу опасности для окружающей природной среды (ОПС) - практически не опасный.

Следует особо отметить, что также одним из важных результатов выполненных испытаний по переработке твердых отходов в опытной печи Ванюкова ООО «Институт Гипроникель», является высокая надежность конструкции печи Ванюкова для реализации такого способа. Все основные узлы опытной печи в ходе проведения испытаний работали нормально, в том числе и охлаждаемые элементы - кессоны и фурмы, работа которых сопряжена с непосредственным контактом с расплавом в печи.

Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет в предлагаемом способе достичь заявляемого технического результата, а именно: гарантировать нейтрализацию всех вредных и токсичных соединений, органических и неорганических летучих веществ за счет окисления кислородным дутьем в высокотемпературном расплаве, последующем скоростном охлаждении раскаленных газов и возврата твердого остатка нейтрализации мокрой очистки газов в плавку, а неорганических нелетучих вредных и токсичных веществ - за счет их окклюзии стекловидной шлаковой массой, образующейся при водной грануляции шлакового расплава.