Парфенюк А.С., Кутняшенко А.И., Сокур А.А., Heinrich S., Heinrich S. - Компаундирование смесей твердых бытовых отходов, как стадия подготовки к термической утилизации

Технология комплексной переработки смесей твердых углеродистых промбытотходов (ТПБО) методом термолиза позволяет получать твердое термолизное топливо (ТТТ), жидкие углеводороды, химические продукты и энергию. Этот метод термолизно-энергетической рекуперации отходов (метод ТЭРО) имеет следующие отличительные особенности:

1) более высокий уровень экологичности в сравнении с другими методами термической переработки твердых отходов;

2) гибкость процесса термолизно-энергетической рекуперации позволяет перерабатывать одновременно бытовые и промышленные отходы;

3) ТБО подготавливают и смешивают в заданных пропорциях с твердыми промотходами (со шламами углеобогащения и фусами коксохимического производства);

4) в термолизных агрегатах, объединенных в батарею непрерывно происходит процесс уплотнения, проталкивания смеси и ее термолиз;

5) летучие продукты термолиза отводятся на улавливание, где извлекаются ценные химические компоненты, а обратный газ очищают и направляют на обогрев агрегатов;

6) получаемое ТТТ поступает в котлоагрегат и сжигается в кипящем слое с утилизацией теплоты сгорания. Зола от сжигания используется в производстве строительных материалов.

Сложность переработки любых смесей ПБО связана с широким диапазоном изменений морфологического, фракционного состава, влажности, плотности, содержания органического вещества, теплопроводности и др. Эффективность переработки и качество получаемых продуктов существенно зависит от стабильности исходного сырья, поэтому важной стадией является предварительная подготовка смеси.

В отличие от известных технологий, имеющих цель максимального разделения компонентов ТБО для их переработки наиболее подходящими процессами, предложен процесс управления свойствами смесей ПБО перед их совместной термической переработкой. Такой процесс создания из различных по свойствам исходных ПБО сложных, многокомпонентных смесей с заданными свойствами назван компаундированием. Он включает усреднение, приготовление смеси заданного состава с добавлением при необходимости связующего и оптимальную обработку давлением. Возможность управления этим процессом позволяет повысить техногенную безопасность термической переработки уже на стадии анализа состава и приготовления смеси .

При термической переработке отходов образуются различные токсичные соединения, среди которых наиболее опасны вещества группы диоксинов. Компаундирование позволяет уменьшить их образование. В процессе компаундирования еще до термообработки выделяют основные вещества, приводящие к образованию этих токсикантов и возможно добавлять соединения, уменьшающие образование при термолизе.

Для обоснования параметров процесса были проведены исследования свойств компаунд-смесей и полученных на их основе ТТТ.

Исходная насыпная плотность ТБО имеет малые значения (менее 500 кг/м³), что не позволяет эффективно и экономично проводить процесс термолизной переработки и требует уплотнения. Уплотняемости смесей ТБО способствует добавка связующих в определенных количествах и подогрев перед прессованием и препятствует некоторые компоненты ТБО, обладающие значительными упругими свойствами и содержащие большие объемы газовой фазы, которая может быть частично уменьшена при измельчении ТБО. При этом насыпная плотность повышается до 600 – 1000 кг/м³ в зависимости в основном от степени измельчения и влажности.

Наличие в смеси частиц полиэтилена и ПЭТ-тары, обладающих значительными упругими свойствами, снижает конечную плотность брикетов на 7 – 20%, по сравнению со смесями, где такие частицы заменены по массе бумагой и пищевыми отходами. Увеличение же количества воды в смеси до 35% неэффективно вследствие малого прироста плотности и большого количества выделяющейся жидкости при прессовании. При увеличении количества кислой смолки более 10% конечная плотность брикетов при уплотнении возрастает незначительно, хотя прочность на раскалывание растет, а энергоемкость уплотнения снижается: при равной плотности брикетов и меньших энергозатратах на процесс уплотнения можно получить более прочные брикеты.

Нагрев смесей перед прессованием до 80°С увеличивает плотность брикетов на 6 – 7% и уменьшает коэффициент упругого расширения. Это объясняется размягчением смеси шлама с кислой смолкой при повышении температуры и поверхностно- активными свойствами последней. Нагрев до температуры выше 100 °С нежелателен из-за высыхания смеси.

Компрессионные и прочностные испытания показали также, что компаунд- смеси являются квазиизотропными материалами (изотропными при некоторых условиях) и имеют значительные коэффициенты анизотропии. Уже при малых давлениях уплотнения (4–7 МПа) образуется явно выраженная слоистая структура смеси отходов: плоские слои ТБО соединяются прослойками мелких частиц шлама. Вследствие этого прочность брикета в поперечном направлении будет понижена, по сравнению с продольным.

Коэффициенты упругого расширения (Ку=1.1/1.2) многокомпонентных смесей не позволяют получать брикеты необходимой, постоянной плотности и прочности за одну стадию прессования. В связи с этим изучены процессы многократного уплотнения компаунд-смесей. Смеси прессовали до давления 10 МПа, затем нагрузка снималась и полученные брикеты снова прессовали до этого давления. При прессовании наблюдалось не только увеличение конечной плотности и прочности, но и уменьшение коэффициентов упругого расширения и бокового давления и энергоемкости уплотнения (на 50–60%), а также возрастание времени релаксации внутренних напряжений (от 0.5 до 1 – 3 МПа). На рисунке показаны компрессионные кривые при двухстадийном прессовании смесей. Полученные результаты показывают необходимость 2-3 стадий уплотнения компаунд-смесей.

Результаты технического анализа исследованных смесей, а также определенные теплоты сгорания этих компаунд-смесей показывают, что они обладают высокой зольностью (35/39%), большим выходом летучих (33/48%) и сравнительно низкой сернистостью (1,7/2,3%) при достаточно высокой теплоте сгорания (18,4/18,5 МДж/кг).

Определены прочностные и плотностные свойства ТТТ. Плотность топлива из различных компаунд-смесей составила 550-850 кг/м³, предел прочности на сжатие с_сж=0.5/0.65 МПа и на растяжение с_р=0.05/0.3 МПа. Давление уплотнения компаунд- смесей до 7/8 МПа не оказывало существенного влияния на прочность ТТТ, при давлениях более 8 МПа наблюдается значительное (в 6 раз) увеличение прочности на растяжение и небольшое увеличение прочности на сжатие, что говорит о возрастании пластичности материала и уменьшении его хрупкости. Уплотнение таких смесей желательно проводить при давлении более 10 МПа.

Энергетическая ценность ТТТ составила 16.2/16.5 МДж/кг. С учетом того, что по технологии теплота нагретого ТТТ утилизируется, общая энергетическая ценность составляет 17.5 МДж/кг. Это является вполне приемлемым для энергетического топлива. Утилизация такого высокозольного топлива может быть эффективно проведена в котлоагрегатах с кипящим слоем.

Таким образом установлена эффективность компаундирования смесей ТПБО и показаны возможности ведения процесса с применением двух и трехстадийного прессования.