Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов и устройство для его осуществления - RU2086850C1

Описание

Изобретение относится к области полной ликвидации твердых бытовых и промышленных отходов /ТБПО/, а именно к отрасли безотходной переработки ТБПО в товарную продукцию в виде горючего газа, расплавленных металлов и шлаков, пригодных для отливки из них товарной продукции широкого спроса без дополнительного подогрева.

Известны способ и устройство для переработки твердых отходов в газообразное топливо, заключающиеся в организации процесса пиролиза отходов при недостатке кислорода в температурном интервале 50-900^oC с целью превращения отходов в безвредный складируемый продукт, уменьшения складируемого объема, энергетического использования горючих составляющих отходов, рециклинга вторичных материалов из отходов.

В этом способе осуществляется энергетическое использование горючих составляющих отходов, но остаются негорючие составляющие, требующие складирования на свалках. Такое устройство требует наличия большого количества агрегатов в технологической цепи переработки отходов и значительных затрат на их обслуживание.

Наиболее близким техническим решением являются способ и устройство, предназначенные для избавления от отходов в шахтной печи система Андко-Торрекс. В ней нагретый воздух, подаваемый в нижнюю часть шахтной печи, взаимодействует с отходами, загружаемыми сверху в печь и опускающимися в печи навстречу поднимающимся горючим восстановительным газам, образующимся в нижней части печи при взаимодействии кислорода горячего воздуха с горячими компонентами отходов. При нагреве воздуха до 1000-1200^oC образующиеся в печи газы имеют температуру около 2200^oC и поэтому все негорючие компоненты отходов расплавляются до жидкого состояния и выпускаются из печи в жидком виде. Газ, выходящий из верхней части печи, является горючим газом и полностью сжигается во вторичной камере горения с добавлением воздуха. Горячий газ, выходящий из вторичной камеры горения, используется для получения тепловой энергии в котельном агрегате, а затем поступает в систему газоочистки.

Способ основывается на предположении, что в печи образуются только восстановительные газы и температура их составляет примерно 2200^oC. Это обеспечивает наличие в печи устойчиво восстановительной газовой атмосферы, полное разложение всех органических компонентов ТБПО и предотвращение образования в печи таких вредных веществ как диоксины, фураны, окислы азота и др. образующихся обычно в топках для сжигания отходов на колосниковых решетках и других негерметичных установках с окислительной газовой атмосферой.

К недостаткам известного способа и конструкции устройства следует отнести больше колебания состава газов, образующихся в печи, и их температуры в пределах от 1500 до 3000^oC в зонах сгорания углерода, содержащегося в отходах, в кислороде горячего воздуха, подаваемого в нижнюю часть печи. Эти колебания состава газов не дают гарантии отсутствия в них токсичных и вредных примесей. Большие колебания температур влекут за собой преждевременный выход из строя некоторых элементов конструкции нижних высокотемпературных зон печи и нарушают нормальное течение процессов тепло- и массообмена между горячими газами и перерабатываемой шихтой /ТБПО/.

Отмеченные колебания температур и состава газов объясняются наличием больших колебаний состава перерабатываемых отходов, в частности содержания в них углерода. При достаточном содержании углерода в шихте процесс его сгорания в печи идет по реакции C+0,50₂=CO и температура образующихся газов составляет примерно 2000-2200^oC, как это и предполагалось в известном способе.

Но при дефиците углерода в перерабатываемой шихте сгорание углерода происходит по реакции C+O₂= CO₂, и температура образующихся газов превышает 3000^oC. Присутствие CO₂ в газе при высоких температурах свидетельствует об отсутствии восстановительной газовой атмосферы в печи. Об этом свидетельствует и высокое содержание в выплавляемом шлаке окислов железа на действующих агрегатах: 1,0-21,0% FeO и 0,5-22,0% Fe₂O₃. Присутствие в шлаке Fe₂O₃ говорит и о наличии в нижней части печи /горне/ достаточно низких температур, так как при 1383^oC Fe₂O₃ диссоциирует даже в воздушной атмосфере сугубо окислительной /5/, а в восстановительной атмосфере температура диссоциации еще ниже. Контроль и регулирование распределения газов в печи ее конструкцией не предусматривается.

Отходы в системе Андко-Торрекс загружаются в печь без предварительной подготовки, а так как состав отходов сильно колеблется, то для стабилизации процесса предусматривается возможность ввода в шихту дополнительного топлива, например угля или кокса, или ввод газа, угольной пыли, нефти в нижнюю часть печи через воздушные фурмы. Однако добавка вспомогательного топлива, такого как метан природного газа, нефть или уголь, вдуваемого с нагретым воздухом, может быть осуществлена лишь в небольших количествах при сохранении восстановительной атмосферы в печи, так как температура в горне при этом снижается, а температурного запаса практически нет. Добавка кокса или угля в шихту, загружаемую в печь сверху, приходит в нижнюю часть печи со значительным опозданием и не может быть признана оперативным средством регулирования процесса.

Изобретением предусматривается создание способа и устройства для безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов при любых колебаниях их состава в товарную продукцию в виде газообразного топлива, строительных шлаков и металлических изделий.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающем их загрузку в вертикальную шахтную печь, подачу в нижнюю часть печи выше уровня жидких продуктов плавки воздуха и топливных добавок, вывод образующихся в печи газов через газоотводы в верхней части печи и вывод жидкого шлака и металла в нижней части печи, предлагается
1. Добавлять в шихту, загружаемую сверху в печь в виде ТБПО, известняк в количестве, обеспечивающем получение отношения CaO/SiO₂ в шлаке в пределах 0,8 4,0. Такие шлаки гарантируют практически полное поглощение серы, фтора и хлора, выделяющихся из перерабатываемых отходов, и могут служить хорошим материалом для получения различных строительных материалов, таких как элементы каменного литья, облицовочные плиты, строительные конструкции простых и сложных форм, связующие вещества и т.п.

2. Дутье, представляющее собой любую газовую смесь, содержащую 5 -100% кислорода с температурой 273-2273K вводить в горн печи через фурмы, расположенные не только выше уровня жидких продуктов плавки, но и/или через фурмы, подающие дутье непосредственно в ванну жидкого металла в горне. Это обеспечивает повышение температуры жидких продуктов плавки на 300 500^oC вше нынешнего уровня и позволяет вводить непосредственно в горн топливо в виде углей различных марок, мазута и т.п. в больших количествах, обеспечивающих переработку любых видов отходов, в том числе и не содержащих горючих компонентов.

3. Вводить в жидкую металлическую ванну вместе с дутьем угль в количестве 0,2 -1,0 т на 1 т ТБПО. Это обеспечивает получение в печи стабильного температурного режима и устойчиво восстановительной газовой атмосферы, предотвращающей образование в печи диоксинов, фуранов, оксидов азота и других вредных веществ, кроме окиси углерода CO, полностью сжигаемой в топках, использующих газообразное топливо после выхода его из печи.

4. При переработке промышленных отходов, содержащих повышенное количество хлора или других токсических веществ, а также при необходимости подкорректировать состав выплавляемых продуктов вводить в горн вместе с углем любые компоненты шихты и добавки к ней. Допустимое количество таких добавок определяется по температуре жидких продуктов плавки, выдаваемых из печи.

5. Часть жидкой металлической ванны в печи оставлять постоянно наполненной металлом, а выпуск из печи жидких продуктов плавки производить через выпускное отверстие /летку/, расположенное выше этой части металлической ванны. Постоянно сохраняемая ванна жидкого металла дает возможность
а/ сжигать уголь в ней только до CO. Образование CO₂ в ней не происходит. Этим достигается стабилизация температуры в горне вне зависимости от того, какого состава отходы перерабатываются в печи;
б/ постоянное наличие в горне горячей металлической ванны сглаживает колебания температуры жидких продуктов плавки.

Теплообмен между свежими порциями жидких продуктов плавки и металлом ванны происходит значительно интенсивнее, чем теплообмен между жидкими продуктами плавки, стекающими в горн, и горячими газами, поднимающимися им навстречу.

Таким образом, наличие металлической ванны в горне ускоряет процессы сжигания топлива и нагрева продуктов плавки. Поэтому сохраняемая часть жидкого металла в горне может быть названа каталитической ванной.

6. Известно, что при вдуве газа в жидкую металлическую ванну качество перемешивания металла в ней может меняться в широком диапазоне. При вдуве газа в металл возникают пульсации давления в газовой среде. Каждому режиму продувки отвечает своя частота пульсаций давления. Поэтому качество взаимодействия вдуваемого газа с металлом необходимо контролировать и регулировать путем измерения пульсаций давления дутья у фурм и обработки результатов замеров системой контроля и управления параметрами на основе микропроцессорной техники, анализирующей спектр частот пульсаций давления и выдающей командные сигналы на корректировку параметров дутья.

7. Эффективность взаимодействия греющих газов с обрабатываемой шихтой в печи необходимо контролировать измерением температуры газа в контрольных точках, расположенных на разных уровнях по высоте печи и на различных расстояниях от стен печи к центру, и измерением пульсаций давления газов на выходе из печи. Обработка результатов измерений и выработка команд также должны осуществляться соответствующей системой на основе микропроцессорной техники.

8. Шахтная печь для переработки отходов должна иметь различные площади горизонтального сечения на разных уровнях по высоте печи, близкие к тем, которые имеют в настоящее время доменные печи. Металлические кожух печи должен быть футерован изнутри огнеупорными материалами по всей высоте печи. Огнеупорная кладка должна иметь систему водяного охлаждения.

Все вспомогательные системы печи, такие как система загрузки шихты в печь, очистки уходящих /колошниковых/ газов, нагрева дутья, выпуска жидких продуктов плавки из печи почти полностью повторяют таковые, имеющиеся на доменных печах.

Принципиальное отличие предлагаемой печи является наличие второго /нижнего/ ряда фурм, подводящих дутье от общего кольцевого газопровода к жидкой металлической ванне, а также наличие устройства для загрузки в горн шихтовых материалов /горнового загрузочного устройства/.

9. Колошниковое загрузочное устройство должно обладать возможностью загружать в печь шихту порциями различных весов и объемов, а также возможностью распределять по окружности внутреннего профиля печи отдельно компоненты шихты. Все это позволяет регулировать распределение газов в печи с целью улучшения использования их тепловой и химической энергии при обработке перерабатываемых отходов.

10. Печь должна быть оборудована средствами контроля температуры газов во внутреннем объеме печи, средствами измерения пульсации давления газов на входе их в печь и на выходе из печи, а также системой обработки результатов замеров и выработки команд для оптимизации процесса на основе микропроцессорной техники.

На чертеже приведено схематическое расположение шахтной печи для переработки твердых бытовых и промышленных отходов и вспомогательных агрегатов, используемых в процессе реализации изобретения.

Показаны высокотемпературная малоинерционная шахтная печь и схема материальных потоков, иллюстрирующая общую систему утилизации отходов, применяемую изобретением. Печь имеет зону загрузки утилизируемых отходов и добавляемых к ним материалов колошник 1. Ниже колошника располагается зона сушки, нагрева и термического разложения органических материалов и известняка шахта 2. Далее вниз, по ходу опускания шихты в печи, следует зона начала плавления неорганических компонентов шихты распар 3, зона полного плавления неорганических материалов шихты заплечики 4, зона горения углерода в кислороде дутья и накопления расплавленных масс горн 5.

Перерабатываемая шихта /отходы, известняк, топливо и другие добавки/ загружаются скипами 6 в приемную воронку 7 практически без всякой предварительной подготовки. Днищем приемной воронки 7 служит малый конус 8. Когда малый конус опускается, шихтовые материалы осыпаются в загрузочную камеру 9. После этого малый конус 8 поднимается и герметично закрывают загрузочную камеру 9. Днищем камеры 9 служит большой конус 10, который тоже может опускаться для загрузки шихты в печь. После этого конус 10 поднимается и герметично закрывает печь. Малый конус 8 опускается после загрузки на него материалов из каждого скипа 6. Большой конус опускается после загрузки на него нескольких скипов шихты. Такая возможность накапливать на большом конусе различные массы шихты /4 8 скипов/ имеет существенное значение для формирования столба шихтовых материалов в шахте печи с оптимальной газопроницаемостью.

Дутье вводится в горн печи 5 через фурмы 11, расположенные выше уровня жидких продуктов плавки в печи, и фурмы 12 нижнего ряда, подающие дутье под ванну жидкого шлака 13 в ванну жидкого металла 14. Сюда же через фурмы 12 загружаются горновым засыпным устройством 15 уголь и те компоненты шихты, которые по технологии процесса требуется загружать в печь не через колошник, а срезу в горн /например, отходы полихлорвиниловых материалов и других веществ, дающих большое количество токсичных выделений при разложении/, а также корректирующие добавки шихтовых материалов.

Кислород дутья, если таковыми, например, является воздух, нагретый до 1273 K попадая в горн 5, реагирует с углеродом отходов и угля в соответствии с реакцией
С+0,50₂+1,88N₂=CO+1,88N₂+Q калорий.

Продукты сгорания имеют температуру около 2273K и не имеют таких окислителй как O₂, CO₂, H₂O. Такая температуры создает достаточно высокий термический потенциал в горне для расплавления неорганических компонентов шихты. Высокая восстановительная способность горновых газов создает условия для полного восстановления окислов таких металлов как железо, марганец, цинк и частичного восстановления кремния. Горячие газы, поднимаясь вверх навстречу опускающимся шихтовым материалам, отдают им свое тепло и покидают печь через четыре газоотвода 16 с температурой 373 673 K. Из газоотводов 16 газы поступают в сухой пылеуловитель 17, затем в мокрый скруббер 18 и устройство для тонкой очистки газа 19. После этого часть газа /около 85% от общего количества/ направляется в энергоблок 20 для производства тепловой и/или электрической энергии. Другая часть газов /около 15%/ направляется в регенеративные нагреватели для нагрева дутья. Воздух для сжигания этого газа подается вентилятором 22.

Блок воздухонагревателей состоит из трех аппаратов, каждая пара из которых способна полностью обеспечить нагрев дутья.

Газовоздушная смесь для нагрева керамической насадки нагревателей 21 подается в камеры горения нагревателей горелками, снабженными противопульсационными устройствами, обеспечивающими полноту сжигания газов и предотвращение вибрации оборудования при помощи системы контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ, обрабатывающей результаты измерения давления газовых сред в горелке и выдающей командные сигналы. Продукты сгорания, покидающие аппараты 21, имеют температуру около 473K и, проходя через дымовой боров 23, уходят в дымовую трубу 24, в которую подаются и продукты сгорания из энергоблока 20 по дымовой трассе 25.

Газовоздуходувка 26 подает дутье в воздухонагреватели 21. Оттуда дутье поступает в линию горячего дутья 27, идущую к кольцевому распределительному трубопроводу 28. Последний имеет целый ряд отводов 29 и 30, расположенных равномерно по окружности горна и подводящих дутье к фурмам 11, расположенным выше уровня жидких продуктов плавки в горне, и к фурмам 12, через которые дутье подается в металлическую ванну.

Давление газов в печи, создаваемое газовоздуходувкой 26, имеет такую величину, которой достаточно для проталкивания газов по всей системе от горна 5 до дымовой трубы 24.

Предлагаемая система получения газообразного топлива из отходов и угля, последующая очистка газов в специальной системе 17, 18, 19, сжигание газов в энергоблоке 20 и воздухонагревателях 21 обеспечивают полное уничтожение вредных и токсичных промежуточных продуктов разложения отходов, пыли и других материалов в дыме до точки выхода его в атмосферу. Такой дым отвечает требованиям стандартов по предотвращению загрязнения окружающей среды любой страны.

Уловленная пыль, шламы и другие собственные отходы производства снова загружаются в печь горновым загрузочным устройством. Расплавленные шлак и металл накапливаются в горне 5 двумя слоями. Шлак в верхнем слое 13, металл в нижнем слое 14. Их удаление из печи производится через шлаковую летку 31 и металлическую летку 32. Часть металла каталитическая ванна 33 постоянно сохраняется в печи, а при необходимости может быть выпущена из печи через летку 34. Шлак при выпуске из печи стекает в шлаковый ковш 35, а металла в ковш 36. Затем шлак транспортируется в отделение переработки шлака 37, а металл в отделение переработки металла 38.

Товарная продукция производится из жидких продуктов плавки без их дополнительного подогрева, так как они получают в печи достаточный перегрев. Продукция из шлака и металла инертна и безопасна.

Следует отметить, что в предлагаемой системе переработка отходов может производиться и без загрузки в печь известняка и угля. Но при этом сильно сужается перечень продукции, изготавливаемой из металла и шлака, и значительно ухудшаются экономические показатели работы предприятия.

Пример 1. Используется печь с рабочим объемом 200 м³. Перерабатываются отходы, содержащие 40% весовых бумаги, 0,85% дерева, 4,2% текстиля, 1,5% кожи и резины, 1,7% пластмасс, 0,4% костей, 3,45% стекла, 18,65% металла, 0,2% камней, 25% пищевых отходов, 4,5% прочих отходов. В отходах содержится 34% влаги /сверх 100%/. Вместе с отходами в печь загружаются сверху 330 кг известняка в расчете на 1 т отходов и 70 кг угля, 210 кг угля загружается в горн горновым засыпным устройством 15. В известняке содержится 97% CaCO₃, в угле содержится 59% C и 12% H₂O. В горн вдувают воздух, нагретый до 1573 К: 25% через верхний ряд фурм, 75% через нижний ряд. Жидкий металл, выпускаемый периодически через летку 32, и шлак, выпускаемый через летку 31, идут на переработку для изготовления товарной продукции. Леткой 34 пользуются изредка, по мере возникающей необходимости замены металла в ванне.

Результаты измерения пульсаций давления дутья, подаваемого на нижний ряд фурм, и давления газов на выходе из печи обрабатываются системой контроля и управления технологическими параметрами на основе микроЭВМ, вырабатывающей командные сигналы на принятие мер по поддержанию частот пульсаций в задаваемых технологией плавки пределах. При снижении частот пульсаций давления дутья ниже допустимого предела /например, 10 20 Гц/ выдаются команды на увеличение расхода дутья на нижний ряд фурм для увеличения частот до заданного предела. Расход дутья на нижний ряд фурм уменьшается. При появлении пульсаций давления газов на выходе из печи выдаются команды на изменение очередности загрузки в печь шихтовых материалов по известным закономерностям технологии доменной плавки.

Годовые показатели работы печи /за 300 рабочих дней/:
Количество перерабатываемых отходов 60000 т
Вырабатывается товарной продукции из шлака 24500 т
из металла 10300 т
Вырабатывается горючего газа 132 млн. м³
Состав горючего газа в пересчете на сухой газ, об. CO 35,21; H₂ 22,95; CO₂ 4,15; N₂ 37,69%
При сжигании этого газа может быть получено 219784 Гкал. тепла, из них может быть отдано потребителям 186816 Гкал.

Состав шлака, кремнезем 51,7; окись кальция 46,4; окись алюминия 0,5; окись магния 1,0; сера 0,4. Металл содержит 99% железа.

Пример 2. В печи перерабатываются отходы того же состава, что и в примере 1, но в качестве дутья подается воздух, нагретый до 1573K и к нему добавляется 3% природного газа и 5% кислорода. В этом случае расход угля на переработку отходов снижается с 280 кг/т отходов до 270 кг/т. Расход известняка в шихту остается прежним 330 кг/т отходов. Остальные показатели работы печи, такие как распределение дутья между фурмами верхнего и нижнего рядов, доля угля, загружаемого в печь сверху и непосредственно в горн, производительность по перерабатываемым отходам и по выработке тепловой энергии из получаемого в печи топливного газа, практически остаются прежними, как и в примере 1. На практике добавки к дутью требуются только для корректировки теплового состояния печи при его колебаниях по независящим от технологов причинам.

Реферат

Изобретение касается переработки бытовых и промышленных отходов в товарную продукцию. Сущность изобретения: в верхнюю часть шахтной высокотемпературной печи вводят отходы, которые продвигаясь вниз навстречу горячим горновым газам, превращаются в газ, образующийся из органических компонентов шихты, и расплавленные металл и шлак. Смесь газов, содержащая 5 -95% кислорода с температурой 273 -2273 К вводят в нижнюю часть печи /горн/, где углерод, содержащийся в отходах, сгорает в кислороде вдуваемых в горн газов до моноокиси углерода, и в горне развивается температура, достаточная для расплавления неорганической части отходов. Для создания высоких температур в горне, обеспечивающих нагрев жидких продуктов плавки до 1973-2273^oK, часть вдуваемых в горн газов /15 -100% от общего количества/ вводится непосредственно в жидкую металлическую ванну, а другая часть вводится выше уровня жидких продуктов плавки. В жидкий металл загружается и низкосортный уголь из расчета расхода на 1 т отходов 0,2-1,0 т углерода и особо токсичные компоненты отходов. Для поглощения выделяющихся из отходов галогенов и серы в печь загружается вместе с шихтой известняк из расчета получения в конечном шлаке отношения CaO к двуокиси кремния в пределах 0,8 -4,0. Это способствует также расширению ассортимента изделий, которые можно изготовить из шлака и выплавляемого металла. В качестве шахтной вертикальной печи используют доменную печь. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Формула