«Организация ресурсосберегающей технологии в доменном производстве с использованием отходов пластмасс»

Актуальность темы

Проблема утилизации и обезвреживания отходов пластмасс является одной из наиболее значимых мировых проблем в области охраны окружающей среды.

Существующая в большинстве крупных городов нашей страны система обращения с твердыми отходами в основном базируется на полигонном захоронении. К настоящему времени в большинстве городов Украины ресурс существующих полигонов близок к исчерпанию, что требует срочного радикального пересмотра сложившейся схемы обращения с твердыми отходами.

Практика ликвидации большей части твердых отходов производства и потребления с помощью свалок, наряду с потерей земельной площади, увеличением количества свалок и полигонов для захоронения ведет к увеличению неуправляемой миграции отходов в окружающую среду. Основная масса твердых отходов вывозится из городов и поселков городского типа на свалки и полигоны.

За последнее десятилетие в Украине стратегия в области управления отходами подвергается существенным изменениям. Главными причинами таких изменений являются увеличение загрязнения природной среды и его негативное влияние на здоровье населения, а также происшедшие изменения в экологической политике и законодательстве. В настоящее время политика в сфере управления отходами, главным образом, ориентирована на снижение количества образующихся отходов и развитие методов их максимального использования.

Накопленные в больших количествах промышленные и бытовые отходы оказывают техногенное воздействие на окружающую среду. Только в Донецкой области их количество достигает 4,5 млрд. тонн. Площадь земель, занятых отходами, составляет 2% от всей территории области.

Применение метода полигонного захоронения ко всей массе отходов вызвано наименьшими прямыми затратами; однако в расчетах обычно не учитываются затраты, связанные с обслуживанием полигона (на период до 100 лет после его вывода из эксплуатации) и компенсация ущерба для окружающей среды. Кроме того, безвозвратно теряются природные ресурсы и прибыль, которую может дать правильно налаженная комплексная переработка твердых отходов.

Обзор состояния вопроса

Технология переработки пластмасс (в том числе содержащих хлор) впервые была предложена специалистами Московского института стали и сплавов (АС №506628 от 03.03.71) [1].

Регулярные опытно-промышленные исследования по проблеме утилизации отходов пластмасс в доменных печах были начаты и Германии в 1991 году. Впервые промышленное внедрение было осуществлено на доменной печи №2 фирмы "Stahlwerke Bremen GmbH" в 1993 году. Для подачи пластмасс о фурмы печи с диаметром горна 12 метров была использована модернизированная система вдувания ПУТ. Предварительная подготовка пластмассовых ТБО включала сортировку, после которой пленочные материалы плавились и гранулировались, а твердые пластмассы дробились. Затем оба компонента смешивались, получался "пластмассовый агломерат" крупностью менее 8 мм, который и вдувался в доменную печь в потоке дутья через две фурмы и количестве до 30 кг/мин.

К 1995 году мощность системы вдувания была увеличена: пластмассы стали вводить в печь через 8 фурм (из 32), что позволило переработать за год выше 70 тысяч тонн отходов. Коэффициент замены кокса пластмассой составил 0,2-0,25 кг/кг. На доменной печи осуществляется регулярный мониторинг выбросов в атмосферу. Объемы выбросов SО₂, NО_Х и пыли оказались существенно ниже уровня предельно допустимых (т.е. менее 80 мг/м³), были обнаружены следовые концентрации диоксинов менее 0,001 нг ТЕ/м³, что более чем в сто раз ниже уровня ПДК, составляющего в Германии 0,1 нг ТЕ/м³.

Наиболее широко технология вдувания пластмассы применяется на доменной печи №3 предприятия “ЕКО-Stahl” в г. Айзенхюттенштадте, где расход пластмасс устойчиво составляет 30-60 кг/т чугуна начиная с 1996 года.

В Японии исследования в этом направлении были начаты фирмой «Ниппон Кокан» в 1993 году. Промышленные испытания были проведены в 1996 году на доменной печи №1 внутренним объемом 4907 м³ завода в Кейхане. В ходе испытаний отходы из полиэтилена подавались в доменную печь через одну из 40 фурм. Поскольку на предприятии к этому моменту уже имелся большой опыт применения ПУТ, существенных проблем при вдувании пластмассовых отходов не возникло. Результаты доменной плавки приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Эффективность применения пластмассовых отходов в доменном производстве фирмы «Никон кокан» на заводе в городе Кейхане

В настоящее время система рециклинга, разработанная фирмой «Ниппон Кокан», широко используется фирмами, которые, поддерживая международный стандарт ISО 14001, проводят политику «истинной защиты глобальной окружающей среды» даже в тех случаях, когда в некоторой степени повышаются расходы.

В состав типичных пластмассовых отходов, утилизируемых по рассматриваемой схеме, входит конторское оборудование, бутылки и контейнеры, магнитные ленты и пленочные листы. Специалисты фирмы «Ниппон Кокан» считают, что в предложенной ими системе рециклинга РVС может произойти кислотная коррозия частей доменной печи, поскольку в поливинилхлориде содержится хлор. Чтобы решить эту проблему, фирма «Ниппон Кокан» в настоящее время разрабатывает технологию гравитационного разделения, позволяющую отделить поливинилхлоридные отходы от других пластмассовых отходов, а также разрабатывает высокопроизводительную технологию удаления хлора, чтобы можно было отделять хлор от поливинилхлорида.

Для решения проблемы утилизации отходов пластмасс в Японии в 1998 году создана Ассоциация содействия переработке пластмасс (АСПП). Согласно сё прогнозу в ближайшее время доля пластмассовых отходов, вдуваемых в доменные печи, должна превысить 10 % от уровня их ежегодного образования. Таким образом, предполагается утилизировать в доменном производстве Японии свыше 1 млн. тонн пластмасс [1].

Цель и задачи работы

Практическая значимость результатов

Вдувание отходов пластмасс в доменную печь как дополнительное топливо имеет ряд преимуществ. Во-первых, этот метод может потреблять значительное количество отходов пластмасс (до 100 тыс. т. отходов в год при удельном расходу пластмасс 3 кг/т чугуна). Во-вторых, эффективность использования энергии составляет больше 80% по сравнению с другими способами переработки пластмасс. И, в-третьих, это наиболее экологичный способ переработки отходов, т.к. не образуются диоксины.

Основные исследования и результаты

Важнейшей характеристикой пластмассовых отходов (как, впрочем, и самих пластмассовых изделий) является их энергетическая ценность. И по химическому составу и по теплоте сгорания пластмассы подобны основным ископаемым топливам - природному газу, нефти, углям.

Однако прямая утилизация отходов пластмасс путем сжигания в энергетических установках, как правило, невозможна в связи с присутствием в них примесей, приводящих к образованию при сжигании токсичных соединений.

Общая схема переработки и использования отходов пластмасс в доменном производстве представлена на рис. 1 [2].

Рисунок 1 – Общая схема переработки и использования отходов пластмасс в доменном производстве (в данной анимации использовано 46 кадров, количество циклов – 10, размер – 160 КБ)

Система технологии предварительной подготовки отходов пластмасс заключается в том, что собранные отходы классифицируются, дробятся, разделяются на гранулы, и затем используются как сырье для производства чугуна посредством вдувания в доменную печь.

Данная система имеет специальное оборудование для дробления и окомкования отходов пластмасс для подготовки и вдувания в горн доменной печи. В Японии данная технология были введена в действие в 1996 году, и позволяет ежегодно перерабатывать до 30 тыс.т отходов пластмасс [2].

Переработанные отходы после дробления или окомкования собираются в бункере, а затем по трубопроводу с использованием сжатого воздуха направляются в доменную печь. Метод вдувания дополнительного топлива уже установлен для подачи ПУТ в доменную печь и таким же образом используется для вдувания отходов пластмасс.

Схема установки для вдувания переработанных отходов пластмасс в доменную печь представлена на рис.2.

Рисунок 2 – Схема установки для вдувания переработанных отходов пластмасс в доменную печь.

Отходы пластмасс разделяются на кусковые и пленочные отходы. Предварительную обработку кусковых пластмассовых отходов можно провести путем применения обычной дробилки и мельницы тонкого помола. Однако в случае пленочных пластмассовых отходов использование простого дробления приводит к возникновению большого количества пластмассовой пыли, а из-за этого возникают серьезные проблемы, связанные с засорением диспергатора и с забиванием пневмопровода, по которому транспортируются эти отходы. В процессе решения данной проблемы было обнаружено, что самоспекание является оптимальным процессом, который можно эффективно применять при обработке пленочных пластмассовых отходов. Пластмассовые пленочные отходы разрезаются на части и перемешиваются в емкости. За счет трения выделяется много тепла, и отходы плавятся. Затем проводят быстрое охлаждение водяными струями, и спеченные пластмассовые отходы затвердевают. В конечном итоге проводятся процессы тонкого помола [3].

При пневматической транспортировке переработанных пластиковых отходов в фурмы доменной печи необходимо оптимизировать переменные параметры, влияющие на процесс транспортировки, такие как размер трубопровода и давление воздуха.

Если это соотношение высоко (высокие плотности транспортирования), возникают проблемы во время транспортирования, такие как закупоривание трубопровода. С другой стороны, уменьшение соотношения твердое вещество – воздух (низкие плотности транспортирования) увеличивает стоимость оборудования. При уменьшении размера переработанных частиц пластмасс транспортирование и газификация упрощаются, но увеличиваются затраты на дробление и окомкование [4].

Существует много дополнительных контролируемых параметров, таких как размер трубопровода и давление воздуха, и эти параметры находятся во взаимодействии друг с другом. Таким образом, управляя этими параметрами, можно достигнуть оптимальных технологических условий [5].

На рис.3 показано состояние процесса газификации в доменной печи при вдувании переработанных отходов пластмасс в зоне циркуляции по сравнению с состоянием при вдувании пылеугольного топлива. При удельном расходе 200 кг отходов на тонну чугуна никаких осложнений в зоне циркуляции не было замечено.

Рисунок 3 – Вид процесса газификации через фурменную гляделку

Переработанные отходы пластмасс продемонстрировали более высокую степень газификации, чем при вдувании ПУТ, хотя частицы пластмасс были намного больше, чем частицы угольной пыли.

Распределение состава газа в зоне циркуляции во время вдувания переработанных отходов пластмасс в доменную печь показано на рис.4 [2].

Рисунок 4 – Различия состава газа в зоне циркуляции

На рисунке также показаны результаты при вдувании ПУТ и при сжигании кокса, когда через фурмы подается только горячее дутье. При вдувании ПУТ кислород быстро расходуется по периметру фурм. С другой стороны, при сжигании кокса концентрация кислорода уменьшается постепенно и появляется явно выраженная вершина концентрации СО2, что показывает на наличие горения и газификации в зоне циркуляции. При вдувании пластмасс газовые составляющие идентичны для таковых при сжигании кокса.

Переработанные отходы пластмасс по пневмотранспорту направляются из бункера к горну доменной печи для вдувания через фурмы. Пластик сразу разлагается на восстановительные газы (СО, Н₂) в соответствии со следующими реакциями:

Они восстанавливают железную руду (оксид железа), нагревают и расплавляют ее. Эта функция подобна функции восстановления коксом или ПУТ. Тем не менее, отходы пластмасс позволяют заменить как кокс, так и ПУТ.

Газы, которые используются для восстановления и нагрева в доменной печи, удаляются через колошник. Эти газы имеют теплоту сгорания 3350 кДж/м³ и используются для обогрева печей как дополнительное топливо.

Зависимость между эффективностью сгорания и газификации отходов пластмасс и использованных частиц пластмасс представлена на рис.5. На рисунке также представлены результаты сгорания ПУТ.

Эффективность сгорания ПУТ составляет 50-70%. При вдувании пластмасс с размером частиц 0,57 мм эффективность сгорания и газификации составила 80%, тогда как при среднем размере частиц пластмасс 1,38-3,5 мм эта величина составила 100%.

Рисунок 5 – Зависимость между диаметром использованных частиц и эффективностью сгорания и газификации

Таким образом, пластик показывает более высокую эффективность сгорания и газификации по сравнению с ПУТ.

Выводы

Данная технология устраняет потребность в полигонах для складирования пластмассовых отходов; уменьшает потребление кокса. Значительным образом уменьшается эмиссия углекислого газа.

По данной технологии не образуются ядовитые газы в процессе горения.

Таким образом, с точки зрения энерго– и ресурсосбережения технология вдувания отходов пластика является наиболее рациональной.

Перечень ссылок

1. Бирман Ю.А, Вурдова Н.Г. Инженерная защита окружающей среды. – М.: АСВ, 2002. – 296 с.

2. Wakimoto K. A feedstock recycling system of waste plastics in a blast furnace at NKK // Ironmaking Conference Proceedings. – 2001. – P. 473-483

3. В.А. Долматов. Рециклинг пластмассовых отходов в системе доменной печи // Новости черной металлургии за рубежом. – 1999. – No.1. – С.23-25

4. Kim K.-T.Recycling technology of waste plastics in iron and steel industry // Fuel and Energy Abstracts International. – 1998. – Vol.39. – No.3. – P.234

5. www.jfe-steel.co.jp/archives/en/nkk_giho/84/pdf/84_01.pdf