 |
Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Энергоресурсосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе"-2004 (Ярославль, 20 - 21 октября 2004 г.):
Получение тепловой энергии при пиролизной переработке отходов
Кривошеин Алексей Константинович, генеральный директор
ООО "М-ПМК-17"; Горячев Александр Александрович, технолог;
Наумов Виктор Васильевич, технолог; Бочкарев Владимир Федорович, инженер ООО "Экотехпром", к.ф.-м.н. (Ярославль)
Отходы — неотъемлемая часть жизнедеятельности человека и общества. Проблема безотходности производства пока далека от своего решения. Ежегодно в России образуется до 7 млрд. т. отходов, а перерабатывается не более 2 млрд. т, т.е. около 28% [1]. В отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд. т. твердых отходов. Под свалки изъято из сельскохозяйственного оборота более 250 млн. га земель. В настоящее время в России лишь незначительное число предприятий (полигонов) по обезвреживанию бытовых отходов отвечает предъявляемым требованиям, а оборудование, предназначенное для этих целей, практически не выпускается. Многие виды отходов тесно связаны с экологическими вопросами, их переработка и утилизация требует принятия безотлагательного решения.
Асфальты и тяжелые гудроны глубоковакуумной переработки нефти, а также отработанные масла и смазки остаются невостребованными и образуют большую часть промышленных отходов.
В настоящее время разработано множество способов переработки промышленных и бытовых отходов, но редкие из них применяются. В основном это связано с высокой себестоимостью данного производства, низкой степенью защиты окружающей среды и непригодностью использования полученных продуктов, на улучшение качества которых, необходимы не менее дорогостоящие процессы.
Наиболее известным способом утилизации твердых бытовых отходов является метод сжигания при температурах 800–1000°С. Однако установлено, что в отходящих газах мусоросжигающих заводов не исключено присутствие диоксинов и других высокотоксичных загрязнителей воздуха, при такой технологии выделяется NOx [2].
Получил распространение метод термической переработки отходов — пиролиз. Он обеспечивает высокоэффективное обезвреживание несортированных отходов, их энерготехнологическое использование в качестве топлива и сырья для химической и других отраслей промышленности, соблюдая при этом современные требования по экологической безопасности, но является наиболее энергоемким методом [3]. В качестве сырья могут быть использованы различные виды отходов, весь ассортимент горючих ТБО, автомобильные покрышки, отработанные смазки, нефтешламы, замазученные грунты, асфальта и гудроны. В настоящее время разработаны и работают различного типа пиролизные установки:
- Горизонтальные, в которых используют вращающиеся обжиговые печи или трубчатые печи. Данное решение также имеет ряд недостатков. Использование стандартных вращающихся печей требует значительных энергозатрат для проведения процесса. Кроме того, из-за уноса вместе с горячими газообразными продуктами сгорания, выводимыми из таких печей, большого количества пыли, в установке используется сложная система очистки газообразных продуктов сгорания, включающая скрубберы и сепараторы циклонного типа. Другим недостатком применения вращающихся печей является появление в твердых продуктах, выгружаемых из печи, недогоревшего углерода, что требует повторного их сжигания в печи с псевдосжиженным слоем.
- Наклонные и вертикальные типа шахтных печей.
Нами за основу разработки взята установка вертикального типа, патент RU 2116570 C1 от 27.07.98, "Способ переработки отходов, содержащих углеводороды".
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе переработки отходов, содержащих углеводороды, отходы загружают в реактор, в реактор подают кислородсодержащий газ, проводят реакцию горения, выводят из реактора газообразные продукты и твердый остаток. В ограниченной части загруженных отходов формируют зону газификации путем непрерывной подачи в реактор кислородсодержащего газа в количестве, недостаточном для полного окисления отходов, и при этом газ пропускают через слой горячего твердого остатка, а газообразные продукты горения пропускают через слой свежих отходов для получения продукт-газа, содержащего углеводороды и капли жидких углеводородов.
Отходы загружаются в вертикальный реактор типа шахтной печи, в нижнюю часть которого подают кислородсодержащий газ, газовый лоток направляют вдоль оси реактора, а продукт-газ выводят из его верхней части.
Отходы загружают в реактор совместно с инертным твердым негорючим материалом. Это необходимо для того, чтобы обеспечить остаточную газопроницаемость загруженной в реактор массы. В тех случаях, когда отходы сами по себе содержат большое количество твердого материала с достаточно большими размерами частиц, они могут быть переработаны без предварительной подготовки. Если же содержание твердого материала в отходах незначительно или размеры частиц малы настолько, что газопроницаемость массы невелика, то их загружают в реактор совместно с твердым инертным материалом.
Для обеспечения высокой газопроницаемости предпочтительно используют материал с размерами частиц преимущественно не менее 20 мм. При таких размерах частиц, как показали проведенные нами эксперименты, падение давления в слое загрузки при расходе газа до 1000 м /ч на 1 м сечения реактора не превышает 500 Па/м. Такие небольшие потери давления по длине реактора позволяют упростить систему подачи в реактор газифицирующего агента, в частности, за счет применения в ней вентиляторов высокого давления вместо компрессоров.
Отходы и инертный материал смешивают перед загрузкой в реактор. Возможно также загружать инертный материал в реактор совместно с отходами и без их предварительного смещения (например перемежающимися слоями), если в результате такой загрузки обеспечивается в среднем достаточная однородность состава и газопроницаемость загруженной массы.
В качестве инертного материала предпочтительно использовать куски огнеупоров или отходов огнеупоров, имеющих достаточно высокую температуру плавления для предотвращения спекания перерабатываемой массы. Например, в качестве твердого инертного материала могут быть использованы такие отходы огнеупорных изделий как крошка шамота.
Инертный материал хотя бы частично извлекают из твердого остатка переработки для повторного его использования в процессе.
Отходы загружают в реактор, а твердый остаток горения выгружают из реактора непрерывно или порционно, не прерывая процесса переработки.
Зона газификации относительно реактора в основном неподвижна, хотя и перемещается относительно перерабатываемой шихты, движущейся противотоком к газовому потоку.
В частных случаях переработки отходов с большим содержанием труднолетучих компонентов (асфальтосмолистых веществ, кокса и пр.) для снижения максимальной температуры в зоне газификации и повышения теплотворной способности газообразных продуктов за счет реакции паров воды с углеродом, приводящей к образованию окиси углерода и водорода, в состав газифицирующего агента, подаваемого в реактор, вводят воду.
Выводимый из реактора продукт-газ достаточно эффективно может быть утилизирован известными способами.
В некоторых случаях, когда это экономически целесообразно, из продукт-газа извлекают жидкие углеводороды для их дальнейшего использования. Выделенные углеводороды в основном свободны от твердых примесей и, как правило, состоят из более легких фракций, чем углеводороды исходных отходов.
В других случаях продукт-газ сжигают до полного окисления углеводородов и горючих газов. Например, его можно сжигать при дополнительной подаче воздуха в количестве, достаточном для полного окисления. Высокая дисперсность аэрозоля, который представляет собой продукт-газ, способствует быстрому, полному и чистому сгоранию входящих в его состав углеводородов и горючих газов.
В тех случаях, когда входящие в состав упомянутого аэрозоля углеводороды не представляют иной ценности, кроме использования теплоты их сгорания, дожигание продукт-газа организуют в свободной от шихты части объема реактора путем подачи в эту часть реактора воздуха в количествах, достаточных для полного окисления углеводородов и горючих газов.
Тепло, выделяющееся при сжигании продукт-газа, утилизируют, например, используя в котле.
Предлагаемый способ переработки отходов может быть реализован в реакторе как периодического, так и непрерывного действия. В первом случае загрузку в реактор отходов и выгрузку твердых продуктов переработки осуществляют периодически, прерывая процесс после очередного завершения переработки всей массы загруженных в реактор отходов. Во втором случае загрузку и выгрузку осуществляют непрерывным образом или порционно, без прерывания процесса переработки.
Предлагаемый способ характеризуется также тем, что накопление теплоты сгорания труднолетучих компонентов отходов в зоне газификации и непосредственно за этой зоной в виде тепла, запасенного слоем разогретых до температуры горения твердых продуктов переработки повышает устойчивость процесса к возмущениям, в частности, к неоднородностям состава загруженной массы или изменениям расхода или состава газифицирующего агента.
Путем изменения отношения массы содержащихся в перерабатываемых отходах и вводимых дополнительно компонентов. сгорающих в зоне газификации, к массе твердых продуктов переработки можно регулировать максимальную температуру и ширину этой зоны. При этом диапазон изменения упомянутого отношения, при котором процесс может быть осуществлен, достаточно широк. Процесс теряет устойчивость лишь при снижении отношения массы сгорающего в зоне газификации компонента к массе твердых продуктов переработки ниже 2%. В этом случае вскоре после инициирования температура в зоне газификации падает и процесс затухает. В частных случаях, когда требуется переработать, используя предлагаемый метод, отходы с низким содержанием труднолетучих компонентов, образующих при переработке кокс, в реактор загружают твердое топливо в количестве, составляющем до 10 мас.% от шихты, загружаемой в реактор.
При переработке отходов с большим содержанием труднолетучих компонентов (асфальтосмолистых веществ, кокса и пр.) для снижения максимальной температуры в зоне газификации и повышения теплотворной способности газообразных продуктов за счет реакции паров воды с углеродом, приводящей к образованию окиси углерода и водорода, в состав газифицирующего агента может быть введена вода.
Твердые продукты переработки, прокаленные в зоне горения, свободны от углеводородов, кокса и не содержат канцерогенов и не будет возникать проблем с их захоронением или использованием.
Блок-схема установки приведена на рис.3.
Установка состоит из реактора 5, который представляет собой вертикальную шахтную печь. Топливо (шихта-смесь кусков гудрона, шамотного наполнителя и древесной стружки) подается в реактор через загрузочный бункер 7. Воздух в реактор подается снизу через колосники. В реакторе формируются снизу вверх зона горения (1500–1300°С), зона пиролиза (восстановления) (850–400°С) и зона разогрева и газификации шихты (400–200°С). Пар подается в зону пиролиза. Расход пара определяет перепад температуры в зоне пиролиза и состав горючей компоненты в отходящих газах. Контроль температуры осуществляется с помощью термопар 4, соединенных с многоканальным самописцем 3. Оптимизацию режима переработки шихты проводят путем регулирования расхода газифицирующего агента (воздух и пар) и соотношения в шихте негорючих (шамотный наполнитель) и горючих (гудрон, стружка) составляющих, а также содержания кислорода в газифицирующем агенте подается противотоком к движению шихты, т.е. вверх. Введение негорючего составляющего шихты (кусков шамотного кирпича определенной фракции) обеспечивает газопроницаемость шихты. Древесная стружка уменьшает процесс коксования и спекания шихты, что способствует равномерному продвижению шихты по реактору.
В зоне горения температура составляет 1300–1500°С. В зоне горения свободный кислород воздуха, поступающего снизу реактора, полностью расходуется и горячие газообразные продукты горения поступают в следующую зону реактора - зону восстановления. В ней диоксид углерода и водяной пар, который подается в эту зону через отверстия в стенке реактора из парогенератора 10, вступают в химические реакции с углеродом шихты, образуя горючие газы. Тепловая энергия раскаленных в зоне горения газов частично расходуется в этих реакциях восстановления. Температура газового потока снижается по мере протекания сквозь шихту. Нагретый в отсутствии кислорода гудрон подвергается пиролизу. В результате пиролиза получается кокс, смолы пиролиза и горючие газы. Кокс попадает в зону горения, а газообразные смолы и горячие газы, проходя через свежезагруженную шихту, остывают, а шихта нагревается. Затем газообразные смолы пиролиза проходят через двухступенчатый водоохлаждаемый конденсатор 6 и 9, конденсируются на его стенках и стекают в сборник жидкого конденсата 12. После третьей ступени конденсации до дымососа установлена расширительная охлаждающая емкость 14 с водяной очисткой. Водяной конденсат, загрязненный вредными соединениями удаляется из колонны в слив на нейтрализацию 13.
Вода в систему охлаждения и очистки подается насосом 20 из бочки 18 и сливается в нее же. Очищенный водой газ, содержащий пары вредных веществ и водяной пар выводятся в вытяжную трубу 15 дымососом 16. На выходе из конденсора предусмотрено устройство для отбора проб газа для химического анализа. Вместо камеры разгрузки внизу реактора установлены колосники, через которые в реактор поступает воздух и удаляется зола. Шамотный наполнитель удаляется через закрываемое боковое отверстие в нижней части стенки реактора. Проводится анализ отходящих газов в выходной трубе 15, жидкого конденсата 12 и золы 11.
На установке предусмотрено в дальнейшем передача тепловой энергии в систему водяного отопления.
Список литературы.
1. М.А. Зайцев Проблемы ТБО и действие общественности.-М.: Эколайн, 1999- 56с.
2. А.Н. Сачков, К.С. Никольский, Ю.И. Маринин. О высокотемпературной переработке твердых отходов во Владимире. // Информационный сборник. Экология городов. М., 8,1996, С.79-81.
3. В.Ф. Денисов. Комплекс по утилизации ТБ и ПО с использованием процесса Ванюкова. //Информационный сборник. Экология городов. М., 5,1995, С.77-79.
|
|
|
