Способ обезвреживания отходящих газов установок сжигания отходов и устройство для его осуществления - RU2095131C1

Описание

Изобретение относится к способу и устройству для обезвреживания отходящих газов установок сжигания отходов, в частности, установок сжигания опасных отходов, для выделения таких токсичных соединений, как галогенсодержащее вещества и углеводороды.

В частности, изобретение предусматривает полное предусматривает полное удаление диоксинов, хлорфторуглеродов и других токсичных веществ из отходящих газов установок сжигания отходов, особенно установок сжигания опасных отходов.

Поскольку размеры свалок отходов могут быть увеличены в пространстве лишь до определенной степени, а также по другим причинам, установки сжигания отходов является практически единственным решением проблемы выделения существующих продуктов переработки промышленных и бытовых отходов; эксплуатация установок сжигания отходов, в том числе и опасных, и проектирование новых установок также сталкиваются с ростом сопротивления и уменьшением одобрения. Это объясняется, в частности, тем, что, как было показано в предыдущих исследованиях, очистка отходящих газа установок сжигания отходов является особенно неудовлетворительной с точки зрения диоксинов и токсичных химических соединений.

Сложность заключается главным образом в том, что во всех продуктах промышленных и бытовых отходов в определенных количествах присутствует в связанном виде хлор, являющийся причиной образования в процессе сжигания высокотоксичных, и особенно опасных, высокохлорированных углеводородов, в частности, дибензодиоксинов и дибензофуранов.

Учитывая эту уже давно известную проблему, температуру сжигания поддерживают выше 1200^oC для того, чтобы в максимальной степени избежать либо уменьшить образование таких соединений в дымовом газе установки сжигания отходов. На установках сжигания отходов такой температуры обычно достигают, используя стадию высокотемпературного сжигания, расположенную после обычно используемой вращающейся цилиндрической печи [1]
Доказано, что, несмотря на принятые меры, выбросы опасных веществ, тем не менее, происходят по ряду причин. Эти причины заключаются, например, в том, что в камерах сжигания во вращающихся цилиндрических печах или при высокотемпературном дожигании возникают неоднородные в пространстве и во времени температурные поля, образованные не контролируемыми колебаниями температуры в различных точках. Кроме того, разнородность подаваемых отходов, например, в отношении тепловой способности, состава и т.д. требует наличия комплексного контроля производительности сжигания топлива под решеткой или состава загружаемого материала для достижения требуемого минимума температуры.

Более того, совсем недавно было обнаружено, что диоксины могут образоваться также и при низких температурах, например, в диапазоне от 300 до 400^oC, в тот момент, когда они существуют на входе и выходе котла-утилизатора установки сжигания, в более поздний момент времени независимо от стадии высокотемпературного сжигания в случае присутствия углеводородных остатков, образующихся при сжигании, хлорсодержащих соединений и кислорода и в присутствии каталитически активных порошкообразных веществ.

Кроме всего сказанного, источниками выброса опасных продуктов являются не разложившиеся хлорорганические вещества со стадий сжигания и высокотемпературного дожигания, и вновь образовавшиеся хлорорганические вещества из остаточных углеводородов, не разложившиеся при высокотемпературном сжигании в зоне котла-утилизатора при температурах 300 до 400^oC.

Несмотря на то что установкам сжигания опасных отходов, как правило, присущи эти недостатки (эффективность разложения хлорированных углеводородов составляет 99,998% максимально), такие установки в основном уже получили экополитическое признание, не оставляя альтернативных решений для ликвидации продуктов отходов установок сжигания, фактически уже давно ставших доступными.

Поскольку мощности по выделению отходов таких установок и так достаточно высоки, усилия должны быть сконцентрированы на том, чтобы в составе отходящего газа с установок сжигания отходов практически совершенно отсутствовали остатки высокотоксичных соединений.

Уже делались попытки предотвратить образование полихлорированных углеводородов при быстром прохождении интервала температур от 400 до 300^oC путем введения воды. Однако недостаток этого решения заключается в невозможности безопасно и надежно избежать образования диоксинов и фуранов. Кроме того, образующиеся ранее диоксины, фураны и другие хлорированные углеводороды или хлорфторуглероды. выделившиеся на выходе из зоны высокотемпературного горения, не могут быть удалены.

По совершенно новым данным, побочно первичному образованию диоксина на высокотемпературной стадии установки сжигания отходов, каталитически инициируемое образование диоксина происходит на некоторых участках системы нагрева отходов при прохождении диапазона температур от 350 до 300^oC. Было предложено подавлять образование диоксина в этом случае введением специальных химических реагентов. Кроме сложности в регулировании операций, особенно в отношении температурного режима, первичное образование диоксина все равно не может быть предотвращено его налаживанием, так как эта часть уже присутствует в отходящем дымовом газе.

Таким образом, существенный недостаток большинства известных установок сжигания отходов и способов сжигания, который до сих пор не преодолен, заключается в отсутствии необходимых условий для полного термического разрушения полихлорированных углеводородов, т.е. интервала температур и однородности температурного поля в зонах горения.

Ранее уже было предложено также ликвидировать продукты отходов без образования загрязняющих веществ путем их обработки химически активной паровой плазмой. Однако этот способ не подходит для обезвреживания больших газовых потоков, таких как потоки сырого дымового газа с установок сжигания отходов, в которых концентрация загрязняющих веществ мала, поскольку это не выгодно по энергетическим причинам (вследствие необходимости нагрева очень больших газовых потоков), а также неэффективно с технологической точки зрения, так как химически активное воздействие паровой плазмы на загрязняющие вещества не может быть достигнуто в газовом потоке, состоящем почти полностью из дымового газа. Другие причины, например, тот факт, что плазмотрон в сочетании с плазменным реактором не может работать при таких больших потоках дымовых газов, препятствуют использованию этого способа в данном случае.

Более того, также уже известно, что можно проводить заключительную очистку дымового газа после сжигания опасных отходов путем адсорбции диоксинов, фуранов и полициклических углеводородов на активном коксе. Однако этот способ, несомненно, требует введения дополнительных дорогостоящих операций и дорогостоящих материалов и приводит к получению активного кокса с высокими концентрациями токсичных веществ, уничтожение которого также сложно, и который может вызвать новое, еще большее загрязнение окружающей среды.

Поэтому задачей изобретения является создание таких способа и устройства для обработки и обезвреживания отходящих газов установок сжигания отходов, указанных выше, которые позволяли бы устранить выделения этими установками любых соединений, наносящих вред окружающей среде. В частности, возможно реконструировать уже существующие установки сжигания отходов достаточно простым образом, снабдив их устройством, предложенным в изобретении, а также эксплуатировать их предложенным в изобретении способом без значительного повышения стоимости. Более того, расходы на капитальные вложения и эксплуатационные затраты установки сжигания отходов не повышаются существенно по сравнению с исходными и последовательность операций не нарушается на протяжении всего цикла на установке сжигания отходов.

Задачей изобретения, в частности, является создание способа и устройства указанного выше типа, посредством которого осуществляет разрушение углеводородов и органических галогенсодержащих соединений, которые в очень малых концентрациях присутствуют в дымовом газе установок сжигания отходов, а также предотвратить новое их образование при всех эксплуатационных условиях без изменения последовательности технологических операций на установке сжигания отходов. Более того, преимущество такого решения заключается в возможности учитывать энергетические и технологические аспекты и создать необходимые условия для проведения термической утилизации отходов с высокой степенью эффективности.

В соответствии с изобретением вышеупомянутую задачу решают посредством такого обезвреживания отходящих газов с установок сжигания отходов, в котором, по меньшей мере, один поток плазменного газа вводят в отходящие газы для образования потока горячего свежего дымового газа с установки сжигания отходов с целью термического разложения токсичных соединений.

В этом случае можно достичь не только достаточно надежного разложения токсичных соединений в дымовом газе, но также и относительно низких энергетических затрат. Во-первых, горячий свежий поток дымового газа предпочтительно дополнительно подогревают в высокотемпературном теплообменнике, и затем подогретый таким образом свежий поток дымового газа нагревают далее, инжектируя по крайней мере один поток плазменного газа. В соответствии с представленным далее примером реализации изобретения энергетически выгодного решения достигают благодаря использованию тепла отходящих газов с операций обработки плазмой т. е. смесь газов, состоящую из свежего дымового газа и плазменного газа, после обработки пучком плазмы используют в качестве нагревающей среды, двигающейся противотоком для осуществления дополнительного подогрева свежего потока дымового газа, поступающего с установки сжигания отходов, с тем, чтобы подготовить его для обработки пучком плазмы.

Таким образом, наиболее предпочтительный вариант способа, предложенного в изобретении, заключается в дополнительном подогреве горячего свежего потока дымового газа с установки сжигания отходов в высокотемпературном теплообменнике с тем, чтобы далее нагреть его смешением, по меньшей мере, с одним пучком плазмы из одного или нескольких плазмотронов и в последующем использовании газовой смеси, состоящей из свежего дымового газа и пучка плазменного газа, имеющей самое высокое значение температуры, непосредственно для подогрева, предпочтительно по принципу противотока, свежего дымового газа, который подают для обработки пучком плазмы, выходящим из плазмотрона.

Предпочтительно поток свежего дымового газа отбирают непосредственно с операции высокотемпературного сжигания или дожигания установок сжигания отходов.

Использование свежего дымового газа в качестве нагревающего средства для нагревания свежего дымового газа, выходящего с установки сжигания отходов, не является обязательным для решения основной задачи данного изобретения, поскольку полное удаление диоксинов и фуранов из отходящих газов установок сжигания отходов, т.е. нагрев потока свежего дымового газа после плазмотрона (плазмотронов) можно осуществить другим путем. Однако, особенно выгодно с энергетической точки зрения проводить высокотемпературный теплообмен в противотоке, используя в качестве теплоносителя газовую смесь свежего дымового газа и пучка плазменного газа из плазмотрона (плазмотронов).

В качестве носителя плазменного газа может быть использован воздух, а также, возможно, водяной пар.

По энергетическим причинам особенно предпочтительным решением является использование в качестве носителя плазменного газа части потока горячего отходящего газа, который отбирают из потока свежего дымового газа перед подачей его в высокотемпературный теплообменник.

Поставленную задачу решают путем использования после установки сжигания отходов заявляемого устройства, в котором поток свежего дымового газа подвергают обработке плазменным газом для термического разложения остаточных соединений, содержащих диоксан и фуран, присутствующих в потоке свежего дымового газа с установки сжигания отходов.

Установку сжигания отходов предпочтительно соединяют с рекуператором, который включает в качестве составных частей высокотемпературный теплообменник и, по меньшей мере, один плазмотрон, объединенные в единый конструктивный блок, причем высокотемпературный теплообменник работает по принципу противотока с выходящей из плазмотрона газовой смесью из нагретого потока свежего дымового газа и потока плазменного газа, инжектируемого в нагреватель в качестве нагревающей среды.

В соответствии с представленным далее предпочтительным вариантом изобретения устройство включает средства утилизации тепла и средства очистки дымового газа после рекуператора.

Дальнейшие предпочтительные примеры реализации изобретения указаны в последующих пунктах формулы изобретения.

Далее представлен особенно предпочтительный с энергетической и технологической точек зрения пример реализации способа изобретения для выделения, например, диоксинов из газов, отходящих из камеры высокотемпературного сжигания отходов, соединенной с высокотемпературным теплообменником, к которому может быть подсоединено средство обработки отходящего газа плазменным пучком, имеющее низкое потребление энергии.

Сначала отходящий газ (поток свежего дымового газа) с операции высокотемпературного сжигания установки сжигания отходов, содержащий высокотоксичные загрязняющие вещества в очень малых концентрациях, подогревают до высокой температуры, например, от 1200 до 1380^oC в высокотемпературном теплообменнике, установленном после стадии высокотемпературного сжигания установки сжигания отходов. В результате этого происходит термическое разложение загрязняющих веществ в газовой фазе, в частности, на горячих стенках высокотемпературного теплообменника, которые имеют высокую температуру, чем сама газовая фаза. Таким образом, большая часть не вступавших в реакцию органических соединений со стадии высокотемпературного сжигания отходов разрушается уже в газовой фазе на этом первом этапе термической обработки отходящих газов с установки сжигания отходов. Второй этап процесса обработки потока дымового газа состоит в примешивании химически неактивного маломощного пучка к сравнительно объемному потоку дымового газа, что вызывает небольшое повышение температуры в виде острого импульса тепла в нем, например, до порядка 1400^oC и выше. Вследствие имеющего места повышения температуры разлагается следующая часть органических загрязняющих веществ, кроме того, загрязненная летучая зола частично прогревается таким образом до центра частиц, так что все органические продукты разлагаются.

Более того, вследствие высокой температуры на поверхности частиц золы образуется тонкий слой расплава, который затвердевает в стеклообразной форме, в результате чего летучая зола становится инертной с точки зрения смыва. В то же время создаются необходимые условия для процесса теплообмена в высокотемпературном теплообменнике, что особенно для практической реализации изобретения. Образующуюся в процессе последующей термической обработки потока дымового газа пучком плазмы газовую смесь предпочтительно вновь вводят в высокотемпературный теплообменник, где эту газовую смесь, имеющую большую температуру, охлаждают в противотоке с потоком свежего дымового газа. Происходит полное разрушение органических загрязняющих веществ, поскольку этот уровень температуры (охлаждающая фаза после обработки пучком плазмы) все еще выше максимального температурного уровня, который может быть достигнут на установке сжигания отходов.

Таким образом, осуществление трех вышеописанных операций данного способа, образующих с точки зрения последовательности проведения некое единство, приводит к удалению остаточных диоксинов и фуранов и является особенно предпочтительной и полезной с энергетических точек зрения, так как разрушает не только уже имеющиеся диоксины и фураны, но и надежно предотвращает их новое образование в низкотемпературной зоне системы нагрева отходов, поскольку все органические соединения, присутствующие в дымовом газе, разрушаются, так что не остается никаких начальных продуктов для нового образования диоксина и фуранов в критической зоне при последующем охлаждении дымового газа в диапазоне между 400 и 300^oC.

Эффективность предлагаемых в изобретении способа и устройства не зависит от концентрации загрязняющих веществ, что является необходимым условием собственно на стадии сжигания, так что надежное обезвреживание дымовых газов стало также возможным при реконструкции установок сжигания отходов, работающих при обычных температурах горения без стадии высокотемпературного сжигания.

На чертеже схематично изображена установка сжигания опасных отходов, содержащая устройства обработки высокотемпературной плазмой в соответствии с примером реализации изобретения.

С такой установки сжигания опасных отходов мощностью 10000 т/год выходит поток дымового газа мощностью 2000 Нм³/ч. обычная установка сжигания опасных отходов, на которую подают опасные отходы, состоит из камеры сжигания 1 и камеры дожигания 2. Поток свежего дымового газа (отходящий газ) со стадии дожигания имеет температуру около 1200^oC. Это соответствует тепловой энтальпии потока порядка 9 МВ. Помимо азота и кислорода (воздуха), дымовой газ содержит CO₂, пары воды, и Cl, а также 150 мг/м хлорсодержащих и ароматических углеводородов, образующихся в результате реакции хлорирования углеводородов, протекающей в камере дожигания 2 вследствие неполного окисления из-за термической неоднородности, которые в данных концентрациях представляют значительную угрозу окружающей среде. Дымовой газ с установки сжигания отходов 1, 2 кроме этого содержит сажу и частицы летучей золы.

Этот дымовой газ, имеющий температуру 1200^oC, подают на операцию рекуперации 3, которая содержит высокотемпературный теплообменник. Поток свежего дымового газа на стадии рекуперации 3 вводят в межтрубное пространство высокотемпературного теплообменника. После этого поток дымового газа подают, по меньшей мере, в один объединенный плазмотрон 4, проходя который все химические соединения разлагаются на элементы и затем образуют новые химически стабильные, неопасные соединения, в частности, H₂O и CO₂ при целевом резком охлаждении.

Поток свежего дымового газа подогревают в межтрубном пространстве высокотемпературного теплообменника рекуператора 3 перед обработкой пучком плазмы в плазмотроне 4, а именно противотоком с отходящими газами, образующимися при обработке плазмой в плазмотроне 4, т.е. газовой смесью потоков свежего дымового газа и пучка плазменного газа, которая имеет после ввода плазменного газа импульс температуры, например, 1400^oC. В результате этого нагрева противотоком в высокотемпературном теплообменнике в операции рекуперации 3, температура потока свежего дымового газа повышается приблизительно с 1200 до 1300^oC. При этом происходит термическое разложение 90% присутствующих в дымовом газе хлорированных углеводородов или дибензодиоксинов, в частности, на горячих стенках трубок высокотемпературного теплообменника в рекуператоре 3 при термических условиях, которые не могут быть достигнуты в обычной камере высокотемпературного дожигания. Имеющий температуру около 4000^oC воздушно-плазменный пучок из плазмотрона 4 мощностью около 150 кВ вводят в этот поток дымового газа, нагретый до порядка 1380^oC после его выхода из высокотемпературного теплообменника с операции рекуперации 3. Эта мощность соответствует приблизительно 1,7% полной термической энтальпии потока дымового газа.

Воздушно-плазменный пучок получают, пропуская через плазмотрон необходимое количество воздуха, около 100 Нм³/ч. что значительно меньше потока дымового газа. В операции обработки плазмой образуется однородная смесь потока дымового газа и воздушно-плазменного пучка, что приводит к последующему нагреву потока свежего дымового газа всего только на 20^oC в отсутствие температурных полей. Это повышение температуры вызывает дальнейшее термическое разложение около 9,5% диоксинов, хлорированных углеводородов и т.д. Более того наличие имеющей максимальную температуру области, в которой отсутствуют температурные поля способствует разложению стабильных хлорированных углеводородов, диоксинов и т.д.

Газовую смесь потока свежего дымового газа и воздушно-плазменного пучка, содержащую такие химически неопасные соединения, как H₂O и CO₂, которую подвергают обработке плазмой и которая на выходе из плазмотрона 4 температуру 1400^oC, затем немедленно подают в трубки высокотемпературного теплообменника в операции рекуперации 3, где охлаждают температуры 1210^oC в противотоке с потоком свежего дымового газа. Эта последовательность операций позволяет нагреть поток дымового газа, выходящий с установки сжигания опасных отходов 1,2 до 1380^oC с наименьшими энергетическими затратами. Окончательная температура охлаждения на этой операции охлаждения всегда выше максимальной температуры, получаемой при конверсионном высокотемпературном сжигании, так что эта операция также способствует завершению термического разложения загрязняющих веществ. Поток дымового газа, обработанный таким образом, затем подают в стандартную систему нагрева отходов 5. соединенную со стадией очистки дымового газа 6. С этой стадии очистки дымового газа 6 выходит газ, свободный от диоксинов и органических соединений.

Способ и устройство, рассмотренные в приведенном выше примере реализации изобретения, при всех условиях работы устройства сжигания обеспечивают очистку отходящих газов от хлорированных углеводородов и диоксинов, а вся установка удовлетворяет самым высоким требованиям защиты окружающей среды.

Этот способ может быть также применен при более высоком температурном уровне с точки зрения импульсного нагрева в плазмотроне 4. Использование операции рекуперации приводит к крайне низким энергетическим затратам; более того, возможна также реконструкция существующих установок сжигания отходов несложным способом.

Рассмотренный выше пример реализации изобретения показывает, что можно также отказаться от обычной стадии высокотемпературного дожигания 2 на установке сжигания отходов.

Тогда операцию с максимальной температурой, которую осуществляют в соответствии с заявляемым способом, в рамках операции рекуперации 3 и обработки плазмой в плазмотроне 4 присоединяют к первоначальному нагреву в камере обжига 1 (вращающаяся цилиндрическая печь) установки сжигания отходов. В этом случае на стадии рекуперации 3 должен быть запроектирован высокотемпературный теплообменник для образования высокотемпературного перепада температуры.

Изобретение надежно предотвращает выброс в атмосферу диоксинов, фуранов и других токсичных веществ с установки сжигания отходов.

Основное преимущество изобретения заключается в том, что разрушение токсичных веществ в дымовом газе может быть достигнуто при относительно низких энергетических затратах. Несмотря на введение плазмы в дымовые газы, способ осуществляют таким образом, что токсичные вещества не распадаются до состояния плазмы. Нагрев всего потока дымового газа в плазмотроне может быть связан с неоправданными энергетическими затратами. В соответствии с заявляемым способом и соответствующим устройством, обработка пучком плазмы требует лишь небольшого повышения температуры.

Предпочтительный вариант реализации способа изобретения отличается тем, что все еще горячий свежий дымовой газ с установки сжигания отходов затем нагревают в высокотемпературном теплообменнике, после чего нагревают смешением его с пучком плазмы и, наконец, используют в высокотемпературном теплообменнике для нагрева свежего дымового газа, входящего с установки сжигания отходов. Большая часть органических соединений, содержащихся в свежем дымовом газе, разрушается уже при нагреве в высокотемпературном теплообменнике. Смещение химически неактивного маломощного пучка плазмы, например, с воздухом, водяным паром или частью свежего дымового газа, также как и плазменного газа, вызывает незначительный последующий нагрев, который с одной стороны приводит к разрушению органических загрязняющих веществ, а с другой стороны, к разрушению также органических компонентов в частицах летучей золы и образованию на них слоя расплава. В этом случае, разрушение всех органических веществ в свежем дымовом газе установки сжигания отходов приводит к тому, что диоксины и фураны не образуются вновь в критических температурах областях при охлаждении дымового газа (например, в диапазоне от 400 до 300^oC). Энергетические затраты на выделение высокотоксичных остаточных соединений в отходящем газе установки сжигания отходов относительно малы, так как необходимой температуры достигают без нагрева всего потока дымового газа до температуры плазмы.

Изобретение имеет следующие преимущества:
надежное обезвреживание дымовых газов установок сжигания отходов, независимо от вида отходов, токсичности дымовых газов и способа сжигания,
предотвращение нового образования диоксинов в низкотемпературной зоне системы нагрева отходов вследствие разрушения всех исходных органических продуктов, необходимых для этого,
высокая безопасность установки сжигания отходов в случае изменения условий работы, например, нагрузки, запланированных и незапланированных пусков и остановок, аварийных режимов и т.д.

низкие капитальные затраты,
возможность реконструкции существующих установок сжигания с малыми затратами,
перевод летучей пыли в инертное с точки зрения смыва состояние образованием расплава на поверхности выбросов в окружающую среду, обусловленных работой установок сжигания отходов,
создание интервалов времени, достаточных для разложения диоксинов и фуранов, путем разделения времени пребывания дымового газа в высокотемпературном теплообменнике на три интервала: пребывание в межтрубном пространстве, трубном пространстве и на операции обработки плазмой,
легкость регулирования температуры вблизи ее оптимального значения при проведении высокотемпературной операции настоящего изобретения (операции рекуперации 3 с обработкой плазмой 4 и высокотемпературный теплообменник) без существенного изменения потребления энергии,
возможность исключения обычного высокотемпературного дожигания на установке сжигания отходов, в том числе необходимого для этого подрешеточного сжигания топлива.

Реферат

Использование: для обезвреживания отходящих газов с установок сжигания отходов. Сущность изобретения: по меньшей мере один поток плазменного газа вводят в поток горячего свежего дымового газа с установки сжигания отходов для термического разложения токсичных соединений. Поток свежего дымового газа предпочтительно нагревают на стадии рекуперации в высокотемпературном теплообменнике путем обработки дымового газа пучком плазмы по принципу противотока с последующим введением в свежий дымовой газ, нагретый таким образом по меньшей мере одним пучком плазменного газа. После этого газовую смесь, находящуюся при повышенной температуре, используют для нагрева потока свежего дымового газа на стадии рекуперации и охлаждают до температуры, которая все еще выше температуры отходящего газа. Затем газовую смесь очищают в системе нагрева отходов и очистки дымового газа. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула