Проблема твердых промышленных и бытовых отходов одна из наиболее трудноразрешимых проблем, прежде всего из-за огромного и все нарастающего количества, разнообразия свойств отходов и рассеивания источников генерирования.

Свойства твердых бытовых отходов, закономерности изменения этих свойств в настоящее время мало изучены. Существующая информация не полна и не систематизирована. Отсутствуют проверенные в производстве технологии обезвреживания большинства токсичных продуктов. До настоящего времени не построен ни один специализированный завод по их переработке. Перерабатываются в основном нейтральные либо малотоксичные отходы, поэтому экологический эффект переработки незначителен.

В мировой практике массовая утилизация твердых промышленных и бытовых отходов в основном осуществляется термическими методами.

Существует большое количество агрегатов для термической переработки отходов, однако, на данный момент эти конструкции имеют ряд существенных недостатков, например:

-образование соединений группы диоксинов и других опасных веществ;

- дороговизна эксплуатации агрегата, т.е. не обеспечивается экономическая выгода;

- большие выбросы в атмосферу;

- трудность в обеспечении полного выгорания отходов и т.д.

Главной задачей является выбор оптимального агрегата из существующих, либо создание нового оборудования лишенного недостатков существующих конструкций.

Также важной задачей является определение геометрических размеров агрегата. Геометрические размеры играют важную роль в эффективности и длительности службы агрегата.

В результате был разработан новый метод крупномасштабной термолизно-энергетической переработки твердых углеродистых отходов промышленного и бытового происхождения (метод ТЭРО). Основа этой технологии управляемый процесс термолиза смесей отходов в герметичных наклонных термолизных печах (НТП) с получением энергетического топлива, газа и других полезных продуктов.

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМБЫТОТХОДОВ

Печь с неподвижной колосниковой решеткой

Для сжигания твердых отходов используют печи и топки различных конструкций.

На рисунке 1 представлена схема печи с неподвижной ступенчатой колосниковой решеткой.

1-бункер; 2-шахта; 3-сопло для подачи вторичного воздуха; 4-огнеупорная насадка; 5-первая ступень топки; 6-камера дожигания; 7-подача воздуха; 8-наклонная колосниковая решетка; 9-слой отходов

Рисунок 1-Схема печи с неподвижной колосниковой решеткой.

Отходы из бункера 1 через шахту 2 попадают на наклонную или ступенчатую колосниковую решетку 8. Слой отходов 9 под действием собственного веса медленно сползает по решетке к месту выгрузки золы. Органические составляющие отходов сгорают частично в слое, а частично над слоем 5, куда дополнительно подается вторичный воздух через сопло 3. Основное количество воздуха 7 поступает под решетку.

Несгоревшие органические вещества вместе с дымовыми газами проходят огнеупорную насадку 4, предназначенную для турбулизации газового потока, и дожигаются в камере 6. Золу удаляют из печи вручную.

Содержание в отходах компонентов в пластическом состоянии и легкоплавких минеральных веществ приводит к замазыванию и зашлоковыванию колосников.

Печь с колосниковым узлом

Печь для сжигания твердых отходов (рис.2) состоит из камеры 1 сгорания, в верхней части которой расположен загрузочный шлюз 2, служащий для подачи твердых отходов и предотвращающий выброс пламени и дымовых газов в помещение, в нижней части – разгрузочное устройство 3, служащее для отвода золы и шлака [1].

В средней части камеры 1 сгорания размещен колосниковый узел 4, управляемый приводом 5. Колосниковый узел 4 может быть выполнен, например, круглым. Он состоит из набора цепей 6, закрепленных концами на внутренней поверхности камеры 1 сгорания (указанные цепи могут быть снабжены дополнительными элементами, например, промежуточными стягивающими звеньями 7 и т. п.). Цепи 6 пропущены через втулку 8 вогнутой формы соединенную со штоком 9 (шток 9 может быть выполнен полым или литым) радиальными перемычками 10. Втулка 8 разделяет колосниковый узел 4 на две зоны: зону основного горения, ограниченную верхними ветвями 11 цепей 6 и колпаком 12 (служащим для предотвращения попадания отходов в полость втулки 8) и зону дожига, ограниченную нижними ветвями 13 цепей 6 и втулкой 8. В нижней части камеры 1 сгорания размешено разгрузочное устройство 3, представляющее собой кольцо 14, жестко связанное со штоком 9, к которому шарнирно подвешены скребки 15, перемещающиеся по скатам 16 печи и сталкивающим золу и шлак к золоудаляющим отверстиям 17 и штока 9.

1 –камера сгорания; 2 – загрузочный шлюз; 3 – разгрузочное устройство; 4 – колосниковый узел; 5 – привод; 6 – набор цепей; 7 – стягивающие звенья; 8 – вогнутая втулка; 9 – шток; 10 – радиальные перемычки; 11 – верхние ветви; 12 – колпак; 13 – нижние ветви; 14 – кольцо; 15 –скребки; 16 – скат печи; 17 – золоудаляющие отверстия; 18 – коллектор; 19 – 21 – сопла; 22 – запальник; 23 – контейнер

Рисунок 2 - Печь с колосниковым узлом.

Камера 1 сгорания снабжена коллектором 18 с соплами 19 – 21, служащими для подачи воздуха в зоны горения. Для поджигания отходов в камере 1 сгорания установлен запальник 22. Для удаления золы и шлака служит контейнер 23. С целью удаления негорючих материалов в боковых стенках камеры 1 выполнены разгрузочные заслонки 24 и 25.

Печь работает следующим образом.

При поступлении отходов через загрузочный шлюз 2 в камеру сгорания 1 оператор включает привод 5 и запальник 22. При этом втулка 8, совершающая возвратно – поступательное движение, пропускает цепи 6 через себя, поднимая верхние или нижние ветви 11 и 13 или опуская их. Изменение угла наклона верхних 11 или нижних 13 ветвей по отношению к горизонту вызывает радиальное перемещение сжигаемых отходов от периферии к центру и обратно и как следствие этого интенсивное перемешивание их. Углы наклона ветвей выбираются в зависимости от вида сжигаемых отходов и регулируются с помощью привода 5.

Не догоревшие частицы, провалившиеся через прозоры верхних ветвей 11, попадают в зону дожига – на нижние ветви 13, где они подвергаются аналогичным воздействиям. Зола и шлак, образовавшиеся в зонах горения, проваливаются через прозоры нижних ветвей 13 и попадают на скат 16 печи, по которому скребки 15 совершают возвратно – поступательное движение в такт со штоком 9. При движении вниз скребки 15 перемещают золу и шлак к золоудаляющим отверстиям 17 штока 9. Через золоудаляющие отверстия 17 зола и шлак выводятся из печи в контейнер 23. Периодически производится очистка верхних 11 и нижних 13 ветвей от несгораемых предметов через заслонки 24 и 25 при верхнем положении штока 9.

Наличие втулки вогнутой формы и пропущенной через нее цепей при возвратно – поступательном движении вызывает радиальное перемещение сжигаемых отходов по ветвям цепей от периферии к центру и наоборот, что обеспечивает эффективное перемешивание сжигаемых отходов последовательно в зоне основного горения и зоне дожига колосникового узла, а также равномерный доступ воздуха к их отдельным частям.

Наличие кольца со скребками, штока с золоудоляющими отверстиями и их возвратно–поступательное движение приводит к своевременной и пропорциональной выгрузке прогоревших отходов (золы и шлака).

Конструкция позволяет повысить эффективность сжигания за счет интенсивного перемешивания сжигаемых отходов и равномерного поступления воздуха к каждой частице, а также своевременной и порционной выгрузки золы и шлака.

К недостаткам данной печи следует отнести наличие движущихся элементов в зоне высоких температур; необходимость применения дорогостоящих жаростойких материалов для изготовления колосникового узла и скребков, подвергающихся воздействию высоких температур; необходимость частой замены скребков вследствие прогорания их в местах погружения в горящий слой и механической поломки.

Печь с криволинейно-выпуклой колосниковой решеткой

Печь содержит камеру сжигания 1(рис 3), колосниковую решетку 2 и расположенную над ней загрузочную шахту 3. Поверхность 4 центральной части решетки выполнена криволенейнно-выпуклой и сплошной и снабжена установленным с возможностью вращения и расположенным под загрузочной шахтой 3 распределителем 5 в виде конуса 6, на боковой поверхности которого закреплены лопасти 7 [2].

1 – камера сжигания; 2 – колосниковая решетка; 3 – загрузочная шахта; 4 – криволинейно – выпуклая поверхность решетки; 5 – распределитель; 6 – конус; 7 – лопасти; 8 – секции; 9 – горелка; 10 – сопла; 11 – патрубки для тангенциального подвода воздуха на горение; 12 – патрубок выхода дымовых газов; 13 – золовой затвор.

Рисунок 3 – Печь с криволинейно – выпуклой колосниковой решеткой.

Поверхность 4 центральной части колосниковой решетки составляет 60 – 80 % от общей площади. Периферийная часть колосниковой решетки выполнена перфорированной и состоит из отдельных секций 8 с возможностью их поворота на 90^o для ссыпания золы. Конус 6 может быть выполнен либо сплошным, либо полым с возможностью подвода охлаждающей среды. Угол при вершине конуса составляет менее 90^o. Лопасти 7 выполнены в виде пластин и располагаются на боковой поверхности конуса от вершины к основанию либо по образующей, либо под углом к образующей. В конкретной печи пластины располагаются по эвольвенте.

В камере сжигания 1 размещены горелка 9, сопла 10 для струйного дутья воздуха патрубки 11 для тангенциального подвода воздуха на горение, патрубок 12 выхода дымовых газов.

В конусной части камеры сжигания размещен золовой затвор 13.

Сжигание отходов в предлагаемой конструкции печи происходит следующим образом. Через загрузочную шахту 3 отходы загружают в камеру сжигания 1 таким образом, чтобы отходы заполнили загрузочную шахту 3. За счет сил сцепления между кусками отходы размещаются на поверхности 4 в виде столба, верхняя часть которого находится в загрузочной шахте. После окончания загрузки разжигают горелку 9, работающую на жидком топливе либо на газе. При достижении в камере сжигания температуры ~400^oC отходы воспламеняются. После воспламенения отходов начинают вращать распределитель 5. При вращении последнего лопасти 7, захватывая отходы, перемещают их от центра к периферии, образуя спиралеобразную волну из отходов, которая перемещается за счет давления следующей волны. Этому движению способствует также криволинейный выпуклый под. Причем высота волны уменьшается по мере продвижения ее к периферии пода, поскольку объем волны, если не учитывать выгорание отходов остается постоянным, а периметр увеличивается. Все это обусловливает равномерное распределение отходов по всей поверхности пода печи, что способствует более полному выгоранию отходов, поскольку в центральной части пода, где высота и порозность слоя наибольшие, происходит пиролиз отходов и горение летучих. По мере выгорания летучих порозность слоя снижается и доступ кислорода для горения к поверхности отходов ухудшается, но благодаря продвижению волны слой отходов уменьшается, что способствует более полному их выгоранию. Переменный угол наклона пода способствует автоматическому отделению золы. Изменением скорости вращения распределителя можно регулировать в некоторых пределах высоту слоя отходов, а также скорость их передвижения по поверхности 4. Для более точной регулировки высоты слоя отходов и скорости их передвижения по поверхности 4 можно вращать центральную часть колосниковой решетки 2

Из загрузочной шахты 3 отходы под действием силы тяжести надвигаются на распределитель 5. В загрузочную шахту отходы могут подаваться либо порциями, либо непрерывно Вращение распределителя 5 обеспечивает непрерывную подачу отходов зону горения.

Горение отходов можно условно разделить на стадию термического разложения отходов, характеризуемого выделением, и горением летучих веществ и стадию горения коксового остатка.

Для проведения первой стадии нет необходимости в хорошем подводе окислителя в слой отходов, поскольку в слое происходит термолиз отходов, и необходим лишь подвод тепла в слой, горение летучих происходит над слоем. Поэтому под в этой части может быть выполнен сплошным, что снижает также физический недожог, поскольку отсутствует провал отдельных кусочков отходов сквозь щели колосника в зольник. Выполнение сплошного пода криволинейным связано с тем, что по мере выгорания отходов угол естественного откоса их увеличивается и увеличение угла наклона пода способствует их лучшему продвижению по поду.

Для проведения второй стадии необходимо улучшить подвод окислителя в горящий слой, чему способствует колосниковая решетка, под которую можно подвести воздух.

В зависимости от физико-химического состава отходов содержание летучих веществ в них колеблется от 55 до 85. %. Поскольку отходы сжигаются в смеси, то количество летучих в них в среднем равно 60 – 80. %. Так как центральная часть (сплошной под) предназначена для процесса выделения и горения летучих, а периферийная часть (колосники) – для горения коксового остатка, то соотношение их площадей, как показала практика должно быть пропорционально количеству летучих в отходах.

Если выполнить площадь центральной части более 80 %, то часть коксового остатка будет гореть на сплошном поде, где условие для его горения хуже, чем на колосниковой решетке (отсутствует пронизывание слоя коксового остатка потоком воздуха).

Если площадь центральной части менее 60 %, то на сплошном поде не происходит полного термического разложения отходов, т. е. Оно продолжается на колосниковой решетке, что ухудшает условия горения коксового остатка, поскольку его поверхность завалена кусками недоразволившихся отходов, в этой зоне не хватает окислителя, поскольку он необходим как на горение коксового остатка, так и на горение летучих, и могут образовываться локальные области отсутствия окислителя, что ведет к росту химического недожога.

Таким образом, невыполнение этого условия ведет к снижению производительности печи и ухудшает качество сжигания отходов.

Окончательное дожигание отходов осуществляется на периферийной части перфорированной части решетки.

Выполнение периферийной части решетки из отдельных секций с возможностью их поворота обеспечивает дожигание коксового остатка и удаление золы из камеры сжигания.

Для интенсификации процесса часть воздуха на горение отходов подается в виде «острого» дутья через сопла 10. Другая часть воздуха по патрубкам 11 подается в тангенциальные сопла. Этот воздух закручивает газовый поток в печи, что способствует более полному сгоранию продуктов пиролиза в самой камере сжигания.

Выполнение центральной части колосниковой решетки в виде выпуклого криволинейного и сплошного пода и снабжение ее распределителем в виде конуса, на боковой поверхности которого закреплены лопасти, обеспечивает регулирование слоя отходов.

Автоматическое регулирование слоя отходов по мере продвижения их от центра к периферии способствует улучшению условий сжигания за счет более свободного доступа воздуха к отходам, что приводит к увеличению полноты сгорания и повышению производительности печи, а также к снижению металлоемкости.

Барабанная вращающаяся печь

Печь (рис 4) представляет собой стальной барабан, футерованный огнеупорными материалами. Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Со стороны загрузки подлежащие сжиганию твердые отходы с помощью грейфера подают в печь через загрузочную воронку и лоток, а также воздух и топливо. Шлак и золу выгружают с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушиваются (400°С), далее происходит их газификация и сжигание (900 – 1000°С). Возможно сжигание отходов и при более высоких температурах, однако это приведет к быстрому износу футеровки (достаточно тонкая).

1-корпус печи 2-загрузочное устройство 3-горелка 4-двухсекционная разгрузочная камера 5,6-золовая и газовая секции 7-газоход 8-мигалки для удаления золы Т-топливо В-воздух

Рисунок 4-Схема барабанной вращающейся печи для сжигания твердых отходов

Обычно поверхность футеровки гладкая, сжигаемый материал скользит по ней, не переворачиваясь, поэтому для эффективного выгорания органических веществ требуется барабан значительной длины.

Разделение газового и золового потоков осуществляется непосредственно в топочном устройстве. Узел выгрузки состоит из двух секций, что исключает захват золы, осаждающейся в золовой секции, газовым потоком при дополнительной очистке в газовой секции.

Недостатком вращающихся барабанных печей являются низкая тепловая и массовая нагрузка топочного объема, высокие капитальные и эксплуатационные расходы. Необходимость, из – за достаточно тонкой футеровки, раз в полгода выполнять замену футеровки печи – операция трудоемкая, сложная и дорогая.

Печь с воронкообразными секциями

На рис 5 представлена печь с воронкообразными секциями для сжигания бытовых отходов.

1 – корпус; 2 – патрубок для подвода воздуха; 3 – камера сжигания; 4 – коллектор; 5 – воронкообразные секции; 6 – завехритель воздуха; 7 – устройство розжига; 8 – загрузочное устройство; 9 – бункер для отвода продуктов; 10 – патрубок для отвода продуктов горения; 11 – люк для удаления золы.

Рисунок 5 – Печь с воронкообразными секциями

Печь содержит неподвижный корпус 1, в торце которого расположен патрубок 2 для подвода воздуха. Внутри корпуса установлена наклонная вращающаяся камера 3 сжигания таким образом, что между корпусом печи и камерой образуется кольцевой коллектор 4 подвода воздуха. Камера 3 сжигания выполнена в виде воронкообразных секций 5, входящих одна в другую. Секции снабжены завехрителем 6 воздуха, установленным на внешней поверхности камеры сжигания в виде лопатки, которая крепится под углом к оси вращения камеры 3 сжигания. Для воспламенения отходов со стороны загрузочного устройства вмонтировано устройство 7 розжига. Подача отходов осуществляется при помощи загрузочного устройства 8, а подача воздуха в рабочее пространство печи осуществляется воздуходувкой. Бункер 9 служит для отвода продуктов горения через патрубок 10 и удаления золы через люк 11 [3].

Печь для сжигания бытовых отходов работает следующим образом.

Отходы, подлежащие сжиганию, через загрузочное устройство 8 подаются внутрь камеры 3 сжигания. С помощью устройства 7 розжига сжигают дополнительное топливо для поддержания необходимой начальной температуры в печи. Воздуходувкой воздух подают в коллектор 4, откуда он через зазоры между воронкообразными секциями 5 поступает под слой отходов внутрь камеры сжигания. Одновременно воздух поступает и в верхнюю часть печи, поддерживая горение отходов вверху слоя. Многосекционность камеры сжигания позволяет равномерно рассредоточить подачу окислителя по всему объему камеры, способствует дожигу летучих компонентов внутри камеры, улучшает тепловыделение в печи. Рассредоточенная подача воздуха по всему объему печи позволяет также снизить температуру нагрева на внешней поверхности камеры 3 сжигания. Наличие завехрителей 6 воздуха на внешней поверхности воронкообразных секций 5 позволяет создать вращение воздушной струи, поступающей в рабочее пространство камеры сжигания, что эффективно сказывается на процессе горения. Турбулентность струи воздуха создает также и форма сопел воронкообразных секций 5. Дымовые газы от сжигания отходов, а также шлаки, зола и другие несгоревшие твердые отходы поступают из печи в бункер 9 и удаляются соответственно через патрубок 10 и люк 11.

Предлагаемая конструкция печи для сжигания бытовых отходов позволяет повысить срок службы печи, так как ее внутренняя часть не имеет выступов в рабочем объеме. Подвод воздуха под слой отходов через кольцевой зазор воронкообразных секций упрощает конструкцию печи, предотвращает попадание твердых несгорающих остатков в воздушный коллектор, а также способствует ускорению перемещения переработанных отходов в направлении разгрузочной камеры.

Данная печь имеет те же недостатки, что и барабанная вращающаяся печь.

Печь полочная

Многополочная печь 6 может иметь от 5 до 12 полок. Печь имеет три зоны: сушки, сжигания и охлаждения.

Печь представляет собой стальной кожух, футерованный изнутри огнеупорным фасонным кирпичом и теплоизолированный диатомовым кирпичом. Нижняя часть заканчивается каркасом, который установлен на бетонный фундамент.

1-вентилятор; 2-шнек; 3-гребки; 4-вал; 5-вентилятор; 6-механизм привода; 7-топка

Рисунок 6 - Печь полочная.

Через центр печи проходит вал, на котором над каждым подом укреплено два гребка с зубьями. Вал печи полый состоит из отдельных цилиндрических частей, скрепленных между собой по высоте болтами. Внизу вал печи соединен с шестерней, опирающейся на стальную буксу. Вал приводится в движение от редуктора.

Вал печи и гребки охлаждаются воздухом, который поступает снизу по внутреннему каналу вала.

Отходы шнеком подаются на периферию первой полки сушильной зоны печи, и вращающимися зубьями гребков передвигается от периферии к центру. Затем ссыпается на второй под через кольцевое отверстие вокруг вала печи. Далее гребками передвигается от центра к периферии, и по специальным отверстиям поступает на третью полку и т. д.

Печи для сжигания промбытотходов в кипящем слое

Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной системы ''твердое - газ'' путем превращения слоя отходов в ''псевдожидкость'' под действием динамического напора входящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение подчиняется законам гидростатики.

Реактор с псевдожиженным слоем

Реактор (рис 7) представляющий собой вертикальный стальной цилиндр , футерованный изнутри шамотным кирпичом или жаропрочным бетоном, состоит из цилиндрической топочной камеры и нижней конусной части с воздухораспределительной беспровальной решеткой. Вверху печь заканчивается куполообразным сводом. На решетку насыпается слой толщиной 0,8 – 1 м термически стойкого кварцевого песка фракцией 0.6 – 2.5 мм.

1 – воздух для псевдожижения; 2 – твердый продукт; 3 – слой инертного носителя (песок) в твердой фазе; 4 – граница псевдоожиженного слоя; 5 – корпус; 6 – унос золы; 7 – поток загружаемых отходов; 8 – загрузка отходов; 9 – отходящие газы; 10 – сепаратор; 11 – возврат пыли; 12 – решетка)

Рисунок 7 – Схема реактора с псевдоожиженным слоем.

Кипящий слой в печи образуется при продувании воздуха через распределительную решетку со с скоростью, при которой частицы песка турбулентно перемещаются и как бы кипят в газовом потоке. Воздух нагнетается воздуходувкой в рекуператор, в котором подогревается отходящими из печи дымовыми газами до температуры 600 - 700°С, и затем поступает под распределительную решетку под давлением 12 – 15 кПа.

Первоначальная загрузка и последующее поддержание заданного уровня песка на решетке осуществляется через шлюз вверху реактора.

К основным достоинствам метода относят: интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдожиженного слоя; высокая удельная производительность слоя; отсутствие движущихся и вращающихся частей; сравнительно простое устройство реактора; обеспечивается наилучший режим теплопередачи.

К наиболее существенным недостатком данного метода – это неравномерность времени пребывания в слое обрабатываемых частиц твердой фазы; возможность слипания и спекания твердых частиц; необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе дымовых газов из слоя; необходимость во многих случаях подогрева ожижающего агента; ограниченность рабочих скоростей ожижающего агента.

Печь Ванюкова

Для термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО) при температуре 1350-1400°С были предложены металлургические печи Ванюкова (рис 8).

1-барботируемый слой шлака; 2-слой спокойного шлака; 3-слой металла; 4-огнеупорная подина; 5-сифон для выпуска шлака; 6-сифон для выпуска металла; 7-переток; 8-водоохлождаемые стены; 9-водоохлождаемый свод; 10-барботажные фурмы; 11-фурмы для дожигания 12-загрузочное устройство 13-крышка; 14-загрузочная воронка; 15-патрубок газоотвода.

Рисунок 8 -Печь Ванюкова.

Сущность технологического процесса переработки ТБО в печи Ванюковка заключается в высокотемпературном разложении (плавке) компонентов рабочей массы в слое, находящегося в ванне печи, барботируемого шлакового расплава при температуре 1350 – 1400 °С и выдерживании их в течение 2-3 секунд. Сбрасываемые в ванну ТБО погружаются в интенсивно перемешиваемый вспененный расплав. При этом происходит полный разрыв связей в структурной цепочке сложных органических соединений, что предотвращает появление диоксинов и фуранов, имеющих техногенную природу образования.

Барботаж расплава осуществляют с помощью кислородно-воздушного окислительного дутья, подаваемого через фурмы в нижней части боковых стенок печи, для дожигания дымовых газов предусмотрена подача дутья через ряд верхних фурм. Минеральная часть отходов растворяется в шлаке. Для получения шлака заданного состава в печь загружают флюс.

Шлак, выпускаемый из печи в сифон, целесообразно подавать в жидком виде на переработку в строительные материалы.

В результате плавки образуется: газы, содержащие продукты сгорания и разложения ТБО, и шлак, состоящий из силикатов и оксидов металлов. Возможно образование донной фазы, содержащей черные и цветные металлы.

Комплекс по утилизации отходов позволяет перерабатывать шихту без предварительной сортировки и сушки со значительным колебанием по химическому и морфологическому составу за счет универсальности плавильного агрегата.

Экологическая безопасность достигается за счет отсутствия на выходе из печи высокотоксичных соединений и применения системы отчистки газа, имеющей запас по пропускной способности и рассчитанной на улавливание практически всех возможных вредных соединений, встречающихся в бытовых и промышленных отходах и образующихся при их переработке.

Процесс Ванюкова предлагается использовать не только для переработки ТБО, но и ряда промышленных отходов.

Недостатком печи является потеря металлов в шлаке. Создание без инерционной системы автоматического регулирования процесса сложно, и соответственно, сложно поддержание заданной температуры без дополнительного расхода энергии, тепловой КПД низок. Запуск печи достаточно сложен и занимает 7 – 8 суток.

Шахтная печь с ретортой

Для термической переработки промбыт отходов можно использовать шахтную печь с ретортой (рис. 9).

1-кирпичная шахта; 2-металлическая реторта; 3-газовые горелки; 4-узел гашения и удаления твердого остатка

Рисунок 9-Шахтная печь с ретортой.

Реактор представляет собой вертикальную кирпичную шахту 1 с помещенной внутри нее ретортой 2. Предварительно измельченные отходы загружают в реторту, обогреваемую с наружи дымовыми газами. Газовые горелки 3 для отопления реактора расположены в нижней его части; выход дымовых газов предусмотрен в верхней части. Отходы движутся сверху вниз под действием силы тяжести; скорость их движения регулируется скоростью удаления твердого остатка из узла гашения 4. Процесс непрерывный.

Летучие вещества, образующиеся в процессе термического разложения отходов, движутся в реторте прямотоком с отходами. Поэтому вещества, выделившиеся в верхней части подвергаются вторичной переработки. При высоких температурах в нижней части реторты (до1000^oС) возможно получение практически бессмольного газа. Газ из реактора направляют на очистку. Часть очищенного газа возвращают в реактор для отопления.

При объединении печей в батареи, можно создать установки большой агрегатной производительности по перерабатываемым отходам.

Существенным недостатком предлагаемой технологии является необходимость подачи в процесс больших количеств угля и известняка (необходимость дополнительных складских помещений, транспортных систем, зависимость от поставщиков и т.п.). Суммарный расход угля и известняка – около 60% от количества ТБО, что является неоправданным фактором. Морфологический состав ТБО таков, что не позволяет эффективно выделять металлический расплав в донной фазе. Из этого следует, что необходимо добавлять добавки к ТБО с высоким содержанием металла, что в свою очередь экономически не оправдывает себя. Потеря ценных компонентов ТБО (черный металл, алюминий, олово).

Процесс газификации характеризуется высокой степенью использования энергетического потенциала сырья, подвергаемого термообработки. Его осуществляют в реакторе (рис 10) типа вертикальной шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м ( внешний диаметр 2,5 м) и высотой 7,3 м, куда сверху загружают в соотношении 1:0,4 отходы (преимущественная крупность – 200 мм) и инертный материал типа шамота (крупность от 120до 170 мм), а снизу подают газифицирующий агент - паро-воздушную смесь с температурой 60 - 80^oС. Шамот выполняет функцию теплоносителя и создает оптимальные условия для реакции газификация. Процесс проводят при относительно малых линейных скоростях потока и осуществляют в виде стадий: газификации отходов (максимальная температура в реакторе 1200^oС – в зоне несколько ниже середины реактора) и сжигания полученного синтез – газ (смесь водорода, оксида и диоксида, азота и водяного пара, в которой присутствует углеводороды и аэрозоли пиролизных смол) в паровом котле с топкой при избытке вторичного воздуха. Продукты газификации (газ и шлак) выводят из реактора при температуре менее 150^oС , что характеризует весьма высокий тепловой КПД реактора. Перегретый пар из котла является питанием паровой машины с электрогенератором.

Рисунок 10 - Реактор газификации в плотном слое кускового материала без принудительного перемешивания и перемещения отходов.

Т.к. процесс проходит в плотном слое кускового материала при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез-газе, который выводят из реактора сверху, практически отсутствует золоунос. Перемещаясь сверху вниз под действием силы тяжести, материал последовательно проходит зоны подогрева, сушки, пиролиза и газификации диоксинов на поверхности частиц летучей золы после закалки (их быстрое охлаждение до 150^oС) очень мала. Одновременно восстановительная атмосфера предотвращает образование оксидов азота.

Существуют требования к перерабатываемому материалу: крупность материала не более 200 мм (допускается крупность 250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки) и его теплотворная способность не менее 1500ккал/кг. Все это приводит к внедрению в технологическую схему соответствующих операций, а значит дополнительные экономические расходы.

Наклонная термолизная печь

Термолизный энергоблок (рис 11) является основным агрегатом при переработки промбытотходов по методу ТЭРО.

А - подача воздуха в топку; Б - дымовые газы на очистку; В - подача газа и воздуха на обогрев печи; Г - подача воды в котлоагрегат; Д - отвод пара к турбине; Е - отвод химпродуктов на переработку; 1-термолизная печь; 2-прессующе-проталкивающее устройство; 3-система загрузки; 4- система отвода летучих; 5- система обогрева печи; 6- система золоудаления; 7- наклонный канал; 8- топка; 9- котлоагрегат.

Рисунок 11 -Принципиальная схема термолизного энергоблока.

Печь содержит камеру 1, в торце которой расположено прессующе-проталкивающее устройство 2. В верхней части камеры расположена система загрузки, служащая для подачи промбытотходов и предотвращающая выброс дымовых газов в окружающее пространство, а также система отвода летучих 4. Под подом камеры 1 находится система обогрева печи 5. Для выхода золы из камеры 1 в систему золоудоления 6 используется наклонный канал 7. Для сжигания твердого термолизного топлива применяют топку 8. К топке примыкает котлоагрегат 9 для утилизации тепловой энергии, образующейся в дымовых газах. Отходы, подлежащие сжиганию через загрузочное устройство 3, подаются внутрь камеры 1. С помощью системы обогрева 5 поддерживается необходимая температура печи. Прессование и подача сырья в печи осуществляется прессующе-проталкивающим устройствам 2. Спрессованный блок из смеси отходов нагревается в НТП до конечной температуры термолиза 750-900^oС.В процессе термолиза присходит выделение летучих веществ и получение ТТТ. Летучие отводятся в газосборник 4, где происходит конденсация некоторых компонентов. Жидкая и газообразная фазы подаются далее на очистку и переработку. ТТТ поступает в топку 8 для сжигания в кипящем слое. Утилизация тепловой энергии образующих дымовых газов осуществляется в примыкающем к топке котле-утилизаторе 9 с получением пара для производства электроэнергии и на тепловые нужды[4].

Процесс термолиза обеспечивает высокую экологичную безопасность, т.к. протекает в герметичном замкнутом пространстве камеры, сжиганию подвергается только ТТТ с весьма незначительным содержанием летучих и серы, а выделившиеся летучие перерабатываются в системе герметичных химических аппаратов по отработанным в коксохимии технологиям. Управляемость НТП с топками и котлами-утилизаторами и автоматизация их работы относительно проста. Несколько (до 20) НТП компонуются в компактные термолизные энергоблоки.

Это гарантирует их высокую надежность, экономичность, хорошие теплотехнические характеристики и возможность использования проверенных в коксовом производстве и энергетике прогрессивных решений.

Данная технология имеет минимальные выбросы в атмосферу; возможность гибкого управления процессом; использование инфраструктур КХЗ; не требует усилий со стороны населения; возможность получения продукта.

МЕТОД ТЕРМОЛИЗНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Одним из наиболее эффективных способов термической переработки при комплексном использовании твердых углеродсодержащих отходов является метод термолизно – энергетической рекуперации отходов (метод ТЭРО) - сравнительно простой способ, обеспечивающий лучшее обезвреживание отходов и их использование в качестве топлива и химического сырья.

Основные технологические стадии метода ТЭРО представлены на принципиальной схеме (см.рис. 12):

Рисунок. 12 - Принципиальная схема метода ТЭРО

ТБО- твердые бытовые отходы; ТПО-твердые промышленные отходы; ЖС- жидкие смеси; ТТТ- твердое термолизное топливо.

1. Классификация исходного сырья, извлечение крупных твердых включений, черных и цветных металлов, стекла и керамики, и при необходимости части полимеров и других компонентов, имеющих коммерческую ценность, а также подготовка компонентов путем дробления, накопления и усреднения.

2. Компаундирование отходов, которое осуществляется путем избирательного измельчения некоторых компонентов, дозирования, составление композиций и смешение различных по составу ТБО и ТПО с добавлением жидких смесей и прочих добавок для получения заданных свойств сырьевой массы – компаунд-смесей с требуемыми свойствами.

3. Бароформинг компаунд-смесей путем их обработки внешним давлением в несколько стадий при необходимости с нагревом до 1200С для получения необходимой плотности, прочности, пластичности и крупности сырьевых брикетов, гранул или блоков перед транспортировкой и загрузкой в НТП.

4. Загрузка подготовленной компаунд-смеси в агрегаты, ее прессование в крупные блоки и продвижение в обогреваемую часть НТП.(рис13)

Рисунок 13- Схема наклонного блочного агрегата для термолиза углеродистых материалов:

1 - камера прессования; 2 - прессующе-проталкивающее устройство; 3 - камера термолиза; 4 - газосборник; 5 - регенератор; 6 - камера изотермической выдержки; 7 - разгрузочное устройство

5. Термолиз компаунд-смеси НТП при температурах 750-1000С с получением твердого термолизного топлива (ТТТ) и летучих продуктов. Дальнейшая переработка протекает в двух направлениях материалопотоков: летучих продуктов и твердого топлива.

6. Конденсация, улавливание и дальнейшая химическая переработка летучих продуктов ведется традиционными для коксохимии методами с получением горючего термолизного газа и жидких химических продуктов (в основном жидких углеводородов).

7. ТТТ подвергается сжиганию в топках кипящего слоя с последующей утилизацией тепла дымовых газов в котлах-утилизаторах и получением электроэнергии на паротурбинных установках.

8.Использование золошлаковой массы после сжигания ТТТ осуществляется при производстве дорожно-строительных материалов и изделий.

Метод ТЭРО имеет ряд достоинств в сравнении с другими технологиями:

- глубокой переработке при наиболее рациональной технологии подвергаются смеси твердых углеродистых промбытотходов с широким диапазоном исходных характеристик и получением полезной химической продукции: топливного газа, твердого топлива, энергии и стройматериалов, чем обеспечивается экономическая эффективность процесса;

- гибкое варьирование параметров переработки;

- процесс термолиза осуществляется в батареях или блоках, состоящих из нескольких термолизных печей. Такая компановка позволяет использовать многие проверенные в коксохимии технические решения, что на 30-40% снижает капитальные затраты и повышает термический КПД перерабатывающих агрегатов;

- технология минимизирует газопылевые выбросы в атмосферу и уменьшает их токсичность в сравнении со всеми известными технологиями;

- все оборудование предприятий для метода ТЭРО может быть изготовлено на Украине;

- наконец, самое главное заключается в том, что даже частичное использование мощностей существующей коксохимической отрасли, а именно инфраструктуры коксохимических заводов, которых в регионе более десяти, кадрового потенциала и многих агрегатов и машин традиционного коксового производства с учетом их модернизации позволяет обеспечить необходимые объемы переработки индустриальным высокотехнологичным методом, получить не только экологический, но и экономический и социальный эффект (за счет увеличения занятости населения и привлечения машиностроительных и других предприятий Украины).

ВЫБОР РАЗМЕРА КАМЕРЫ

Выбор размера камеры печи зависит от:

- физико-механических свойств перерабатываемого материала;

- равномерности обогрева по длине и высоте камеры;

- имеющимися в наличии габаритами площадки для строительства.

При всех этих условиях выбранные размеры и число печей должны быть экономически эффективны.

При разработке конструкции высоких печей, помимо равномерности обогрева, должна быть обеспечена статическая прочность простенка, а также расчетные напряжения в кладке не должны быть выше допускаемых значений.

Увеличение длины камеры ограничивается статической прочностью простенков, сложностью равномерного распределения газов по длине регенератора и обогревательного простенка.

При разработке печей больших размеров необходимо учитывать надежность ее работы. Надежность работы, в свою очередь, обусловлена многими показателями, среди которых вероятность нарушения процесса выдачи пирога из камеры коксования. Нарушение выдачи пирога зависит от многих факторов. Одним из таких факторов является прочностные свойства материала.

Для проверки соблюдения прочности необходимо располагать данными о напряженном состоянии пирога при выдаче.

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПИРОГА .

Рассмотрим нагрузки, действующие на пирог при его равномерном движении в камере.(рис13)

Рисунок13 - Схема нагрузок на пирог при продвижении.

К ним относятся выталкивающее усилие, создаваемое приводом выталкивающей штанги, сила веса пирога G и сила трения о под камеры F_ТР.

Учитывая характер нагружения, а также условие, что ширина пирога во много раз меньше его высоты и длины, можно считать пирог находящимся в плоском напряженном состоянии.

Плоское напряженное состояние характеризуется главными нормальными напряжениями

Они возникают на главных площадках, для которых касательные напряжения будут равны нулю.

Главные нормальные напряжения определяем по формуле:

Сформулируем основную задачу по определению действующих нагрузок в пироге как плоское и используя известные выражения для главных напряжений

Сформулируем граничные условия при определении

Условие статического равновесия пирога при движении:

Из условия статического равновесия пирога и с учетом граничных условий были получены уравнения для расчета полей напряжений . В виде функций от размеров пирога и координат X и Z:

Где

коэффициенты в виде степенных многочленов, определяемых из граничных условий.

Выражения могут быть использованы при исследовании поля напряжений в пироге.

Исследование поля напряжений в детерминированной постановке позволяет определить в любой зоне пирога величины действующих нагрузок и, следовательно, где более вероятно разрушение пирога.

Данная математическая модель рассмотрена для печи с горизонтальным подом.

При применении данной модели к наклонной термолизной печи необходимо использовать формулу для определения главных напряжений действующих по наклонной площадки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С учетом выше изложенного можно сделать следующие заключения:

1 Существующие процессы термической переработки промбытотходов, особенно сжигание, представляют экологическую опасность из-за большого количества выбросов токсичных веществ, среди которых и диоксин.

2 Из ряда приведенных технологий наиболее эффективной в силу своих преимуществ:

- выбросы в атмосферу минимальны;

- универсальность технологии;

- возможность гибкого управления процессом;

- использование инфраструктур КХЗ;

- большая производительность,

является переработка отходов по методу ТЭРО в наклонных термолизных печах.

3 С увеличением высоты и длины камеры следует увеличить и ее ширину.

Соблюдение указных пропорций в рамерах печной камеры “конусности” будет способствовать легкому ходу пирога во время его выдачи.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов для определения физико-механических свойств компаунд-смесей промбытотходов. Затем провести анализ напряженного состояния пирога для наклонной термолизной печи. Выявить участки, на которых наиболее вероятно возникновение забурения печи. Основываясь на полученных данных произвести оптимизацию параметров печи.

Перечень ссылок

1 Пат.1290036СССР F 23 G 5/26. Печь для сжигания отходов/ В. В. Федоренко – Опубл.15.02.87. Бюл.№ 6

2 Пат.1719783СССР F 23 С 11/02 Способ сжигания угля в топке котла/Г. Ф. Кузнецов, Е. В. Торопов, Т. Б. Жиргалова, В. В. Осинцев и др. – Опубл.15.03.92 Бюл.№ 10

3 Пат. 487102СССР С 10b 13/00 Печь непрерывного коксования/А. В. Чамов, М. А. Остапенко, И. П. Слюсарь, Н. Н. Филатов и В. Н. Мовчанюк – Опубл. 05.10.75. Бюл.№ 37

4 Парфенюк А.С. Новый агрегат для переработки твердых отходов.// Кокс и химия, 1999. - № 2.- с. 35 – 37.

5 Парфенюк А.С., Мельниченко А.Г., Топоров А.А. Оценка ресурсов для крупномасштабной переработки твердых углеродистых отходов в Донецком регионе. //Кокс и химия, 1998. - №6. - с. 39 - 41.

6 Парфенюк А.С., Мельниченко А.Г., Антонюк С.И. К созданию техники для переработки промышленных и бытовых отходов.//Машиностроение и техносфера на рубеже ХХ1 века. Севастополь, 13 – 18 сент. 1999 г. – Донецк : ДонГТУ, 1999. – Т. 2. - с. 224-227.

7 Парфенюк А. С. Антонюк С. И. Получение твердого топлива из смесей углеродистых и бытовых отходов // Кокс и химия. 2001№5. С. 44-47.

8 Филиппов Б.С. Роль ширины печной камеры и продолжительности коксования в обеспечении равномерности прогрева коксового пирога//Кокс и химия. 1988. №6. С. 27 – 28

9 Филиппов Б.С. О закономерностях в определении геометрических размеров печной камеры // Кокс и химия. 1987. №8. С. 23 -24

10 Непомнящий И.Л. Коксовые машины, их конструкция и расчет. - М.: Металлургиздат, 1963.- 338с.

ДонНТУ Магистратура

Биография Библиотека Ссылки Поиск в Internet

ВВЕРХ