Способы термической обработки отходов

Термические методы переработки отходов

Методы термической переработки твердых отходов основаны на гетерогенных процессах в системе твердое — газ, твердое — жид­кость — газ и многофазных, осуществляемых при повышенных и вы­соких температурах.

Сушкапредставляет собой процесс удаления влаги из твердого или пастообразного влажного материала путем испарения содержа­щейся в нем жидкости за счет подведенной к материалу теплоты и от­вода образующихся паров. Это термический процесс, требующий значительных затрат теплоты.

Сушку широко применяют в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Относительно широкое распространение сушка получила в области обработки осад­ка городских сточных вод (барабанные сушилки, сушка во встречных струях). Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также применяться при обработке промышленных отходов, которые необходимо подго­товить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы), а также при обработке некоторых отходов химической, пищевой и других отраслей промышленности.

Сушка— процесс тепломассообменный. Удаление влаги с по­верхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Схема перемещения влаги из твердой фазы может быть представлена следующим образом. В начальный момент времени концентрация распределяемого вещества (влаги) постоянна во всем объеме. По­верхность омывает поток воспринимающей фазы (воздух), и концен­трация растворяемого вещества в ядре омывающей фазы постоянна в течение процесса.

Сушка в технике осуществляется следующими способами: кон­тактная сушка — нагрев влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку; конвективная (газовая) суш­ка — нагрев влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем; радиационная — нагрев инфракрасными лучами; диэлектрическая — нагрев СВЧ-полем.

Способ сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических пока­зателей.

Пиролиз. При утилизации и переработке твердых отходов исполь­зуют различные способы термохимической обработки исходных твердых материалов и полученных продуктов: это различные приемы пиролиза, переплава, обжига и огневого обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на органической основе.

Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода без доступа воздуха, сопровождаемое глубоки­ми деструктивными химическими превращениями компонентов от­ходов. Пиролиз одного и того же вида сырья может проводиться при различных температурах. Химические превращения при пироли­зе — это в основном расщепление крупных молекул и вторичное пре­вращение продуктов расщепления — полимеризация, конденсация, деалкилирование, ароматизация и др.

Пиролиз характеризуется протеканием реакций взаимодействия и уплотнения остаточных фрагментов исходных молекул, в резуль­тате чего происходит расщепление органической массы, рекомбина­ция продуктов расщепления с получением термодинамически ста­бильных веществ: твердого остатка, смолы, газа. Применяя термин «пиролиз» к термическому преобразованию органического материа­ла, подразумевают не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимно связаны и протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температуры или времени.

В зависимости от вида и степени превращения отходов пиролиз можно проводить в различных интервалах температур. Низкотемпе­ратурный пиролиз (полукоксование) осуществляют при нагреве от­ходов до конечной температуры 500. 580 °С, а высокотемпературный пиролиз (коксование) — при нагревании до 900. 1050 °С.

Непосредственные продукты низкотемпературного пиролиза — слабо спекшийся твердый продукт, смола и газы, высокотемператур­ного пиролиза — твердый остаток и летучие вещества.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению со сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании от­ходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпе­ратурного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый ос­таток можно использовать в промышленности (сажа, активирован­ный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.

Высокотемпературный пиролиз по сравнению с другими метода­ми имеет ряд преимуществ:

при нем происходит более интенсивное преобразование исходно­го продукта;

скорость реакций возрастает с экспоненциальным увеличением температуры, в то время как тепловые потери возрастают линейно; увеличивается время теплового воздействия на отходы; происходит более полный выход летучих продуктов; сокращается количество остатка после окончания процесса. Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газифика­ции.

Газификация — термохимический высокотемпературный процесс взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими агентами, в результате чего орга­ническая часть или продукты ее термической переработки обраща­ются в горючие газы путем частичного окисления. В качестве газифи­цирующих агентов применяют воздух, кислород, водяной пар, диок­сид углерода, а также их смеси. В зависимости от состава отходов, природы окислителя, температуры и давления газы, полученные в результате газификации, различны по составу. Скорость газифика­ции зависит от свойств твердых отходов, размера их частиц, темпера­туры, газифицирующего реагента. Чем меньше размеры частиц отхо­дов, тем выше скорость газификации, так как при этом увеличивается поверхность контакта отходов с окислителем.

Процессы пиролизаотходов получили большее распространение, чем газификация. Пиролизу подвергаются твердые бытовые и близ­кие к ним по составу промышленные отходы, отходы пластмасс, ре­зины (в том числе автомобильные покрышки), другие органические отходы.

Окускование отходов. Укрупнение мелкодисперсных частиц вто­ричных материальных ресурсов имеет как самостоятельное, так и вспомогательное значение и объединяет различные приемы гранули­рования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературной агломерации. Его используют при переработке в строительные мате­риалы ряда компонентов отвальных пород добычи полезных иско­паемых, хвостов обогащения углей и золы, в процессах утилизации фосфогипса, при подготовке к переплаву мелкокусковых и дисперс­ных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, сажи, пылей и древесной мелочи, при обработке шлако­вых расплавов в металлургических производствах и в других процес­сах переработки вторичных материальных ресурсов.

Различают высокотемпературные (агломерация, обжиг окаты­шей) и низкотемпературные (без обжига) методы окускования.

Агломерация состоит в том, что мелкие зерна шихты нагревают до температуры, при которой они размягчаются и частично плавятся. При этом зерна слипаются, последующее быстрое охлаждение приво­дит к их кристаллизации и образованию пористого, но довольно прочного кускового продукта, пригодного для металлургического пе­редела.

Обжиг окатышей проводят при окусковании железорудных мел­кодисперсных концентратов с размером частиц менее 100 мкм. Мате­риалы такой крупности хорошо окомковываются, особенно при вве­дении в шихту 0,5. 2,0% пластичной связующей добавки — бентони­та (особого сорта высококачественной глины). С целью получения офлюсованных окатышей в шихту вводят также необходимое количе­ство известняка.

Высокотемпературная агломерация используется при переработке пылей, окалины, шламов в металлургических производствах, пиритных огарков и других дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения агломерации на основе таких вторичных материальных ресурсов (BMP) приготовляют шихту, включающую твердое топливо (коксовая мелочь6. 7 % по массе) и другие компоненты (концентрат, руда, флюсы). Усредненную и увлажненную до 6. 8 % шихту разме­щают в виде слоя определенной высоты, обеспечивающей оптималь­ную газопроницаемость шихты, на расположенные на решетках дви­жущихся обжиговых тележек (палет) агломерационной машины слои возвратного агломерата крупностью 12. 18 мм, предотвращающие спекание шихты с материалом тележек и прогар решеток. Воспламе­нение и нагрев шихты обеспечивают просасыванием через ее слой продуктов сжигания газообразного или жидкого топлива и воздуха. Процесс спекания минеральных компонентов шихты идет при горе­нии ее твердого топлива (1100. 1600 °С).

Гранулирование — большая группа процессов формирования агре­гатов шарообразной или (реже) цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приемах обработки материалов.

Брикетирование находит широкое применение в практике утили­зации твердых отходов в качестве подготовительных (с целью прида­ния отходам компактности, обеспечивающей лучшие условия транс­портирования, хранения, а часто и саму возможность переработки) и самостоятельных (изготовление товарных продуктов) операций.

Сжигание твердых отходов. Как правило, по сравнению с углем твердые бытовые отходы содержат большее количество золы, кисло­рода, влаги, металлов и хлора, а теплота сгорания, содержание серы, углерода и водорода у отходов меньше. Максимальная теплота сгора­ния отходов 1560. 3500 ккал/кг. Массовая доля компонентов в отхо­дах составляет, %: влага 8. 40; летучие вещества 37. 65; связанный уг­лерод 0,6. 15; зольность 11. 39; хлор 0,01. 0,41; сера 0,06. 0,28; ме­таллы 0,01. 6,6.

Наиболее важные элементы, содержащиеся в твердых бытовых отходах и подлежащие сжиганию, — это углерод, водород, а также сера, хлор и азот. В результате эффективного сжигания углерод, со­держащийся в отходах, переходит в диоксид углерода, а водород — в воду. Сера превращается в оксиды серы (преимущественно в S0₂), некоторое количество азота в оксиды азота, а хлорорганические ве­щества переходят в хлористый водород.

Весь процесс в горящем слое отходов можно условно разделить на три основных периода (стадии): подготовка отходов к горению, соб­ственно горение (окислительная и восстановительная зоны), дожига­ние горючих и очаговых остатков.

Источник

Термические методы утилизации ТБО

Первый рассматриваемый метод термической утилизации бытовых отходов — открытое сжигание.

Это старый способ утилизации твердых бытовых отходов, который постепенно выводится из эксплуатации.

Открытое сжигание твердых бытовых отходов (ТБО) является потенциальным неточечным источником выбросов, что вызывает большую обеспокоенность. Недостаточная осведомленность о воздействии открытого сжигания на окружающую среду и незнание этого факта, например, «Открытое сжигание является источником выбросов канцерогенных веществ», являются основными препятствиями на пути к созданию соответствующей системы управления твердыми бытовыми отходами.

При открытом сжигании ТБО образуются такие вредныеи канцерогенные вещества, как диоксин, фураны, твердые частицы, оксид углерода, оксиды серы, оксиды азота, бензол, толуол, этилбензол и 1-гексен. Исследование показало, что люди, живущие в столичных городах, больше страдают от выбросов в результате открытого сжигания [6].

Второй метод термической переработки ТБО – газификация и пиролиз.

Газификация твердых бытовых отходов (ТБО) — это привлекательный альтернативный процесс производства топлива для обработки твердых отходов, поскольку он имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с традиционным сжиганием ТБО. Так называемый «синтез-газ», полученный газификацией, имеет несколько применений. Он может быть использован в качестве газового топлива, сжигаемого в обычной горелке или в газовом двигателе, а затем соединенного с котлом и паровой турбиной или газовой турбиной для использования тепла или выработки электроэнергии. Кроме того, его можно использовать в качестве строительного блока для производства ценных продуктов, таких как химикаты и другие виды энергии топлива.

Сжигание, газификация и пиролиз представляют собой процессы преобразования тепловой энергии, доступные для термической обработки твердых отходов. На рисунке 2.1 представлены все возможные пути для преобразования ТБО или биомассы в различные энергетические формы с использованием термических, механических и биологических процессов.

На рисунке 2.2 показана принципиальная схема производства синтез-газа и того, как использовать газ для различных целей, таких как производство электроэнергии, создание химических веществ с помощью этапов модернизации и дальнейшая биохимическая обработка перед производством топлива или химических веществ.

Рисунок 2.1 — Возможные пути для преобразования ТБО или биомассы в различные энергетические формы с использованием термических, механических и биологических процессов

Рисунок 2.2 — Принципиальная схема производства синтез-газа из ТБО

Как показано на этих фигурах, различные продукты получают в результате применения этих процессов, и различные системы извлечения энергии и остаточного материала могут использоваться в различных типах технологий. Газификация — это термохимический процесс превращения углеродистых материалов в газообразный продукт при высоких температурах с помощью газифицирующего агента. Газифицирующий агент (другое газообразное соединение) позволяет быстро превращать сырье в газ с помощью различных гетерогенных реакций [6–9].

Газообразный продукт, полученный в ходе этого процесса, называется синтетическим газом (синтез-газом) или продукционным газом, и он в основном содержит водород, оксид углерода, диоксид углерода и метан. Кроме того, небольшое количество инертных газов, углеводородов, смолы и газовых загрязнителей может быть найдено [10].

По эффекту газифицирующего агента газификацию можно разделить на две категории. Если газифицирующий агент частично окисляет подаваемый материал, это называется прямой газификацией. Во время прямой газификации для поддержания температуры процесса реакция окисления обеспечивает необходимую энергию. Если процесс газификации происходит без помощи газифицирующего агента, это называется косвенной газификацией [7, 11].

Обычно пар используется для непрямой газификации, поскольку он легко доступен. Кроме того, это увеличивает содержание водорода в генераторном газе [7].

Также косвенная газификация производства. Однако этот процесс довольно сложен, а инвестиционные затраты выше [7]. Чистая газификация кислорода, как и прямая газификация, имеет те же преимущества, что и косвенная газификация. Однако ожидается, что затраты на производство чистого кислорода составят более 20% от общей стоимости производства электроэнергии [14]. Обычно система газификации состоит из трех этапов: (1) газификатор для полезного получения синтез-газа; (2) система очистки синтез-газа для удаления загрязняющих веществ и вредных соединений; (3) система рекуперации энергии, такая как газовый двигатель. Кроме того, подсистемы включены для предотвращения воздействия на окружающую среду, такого как загрязнение воздуха, твердых отходов и сточных вод.

«К преимуществам данной технологии по сравнению с методами прямого сжигания можно отнести:

— процесс газификации, который имеет высокий энергетический КПД (до 95%), позволяющий перерабатывать материалы с малым содержанием горючих составляющих (с зольностью до 90%) или с высокой влажностью (до 60%; однако оптимальная влажность: 25—30%);

— низкие линейные скорости газового потока в реакторе и его фильтрацию через слой исходного перерабатываемого материала, обеспечивающие крайне низкий вынос пылевых частиц с продукт-газом, что дает возможность значительно сократить капитальные затраты на газоочистиое и энергетическое оборудование;

— частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде (при газификации), что снижает содержание окислов азота в дымовых газах;

— выбор оборудования для утилизации тепла при сжигании продукт- газа, позволяющий использовать тепловую энергия как для целей горячего водоснабжения, гак и для получения электрической энергии в автономных мини-ТЭЦ;

— предлагаемую схему переработки, которая легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру, например, продукт-газ может подаваться в имеющуюся топку для замены части кондиционного топлива;

— сжигание в две стадии, которое позволяет резко уменьшить образование диоксинов (полихлорирован-ных дибензодиоксинов и дибензофура- нов), относящихся к группе стойких органических загрязнителей. Даже при наличии соединений хлора двухстадийный процесс сжигания подавляет появление в дымовых газах ароматических соединений (предшественников диоксинов) и тем самым обеспечивает низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования диоксинов в дымовых газах);

— наличие золы, выгружаемой из реактора, которая имеет низкую температуру и практически не содержит недогоревшего углерода» [5].

«Переработка и обезвреживание ТБО с применением низкотемпературной плазмы — одно из перспективных направлений в области утилизации опасных отходов, так как недостатки огневого сжигания определили необходимость поиска новых эффективных технологий обезвреживания токсических отходов» [5].

«Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов практически одинакова. Процесс ионизации газа происходит при его термической обработке» [5].

Посредством плазмы достигается высокая степень обезвреживания отходов химической промышленности; ведется переработка твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слабо радиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы предельно допустимой концентрации (ПДК) в воздухе, воде, почве и др.

Плазменный метод может использоваться для обезвреживания отходов двумя путями:

— плазмохимической ликвидацией особо опасных высокотоксичных отходов;

— плазмохимической переработкой отходов с целью получения товарной продукции.

«Наиболее эффективен плазменный метод при деструкции углеводородов с образованием СО, С0₂, Н₂, СН₄. Безрасходиый плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката (в основном водорода и оксида углерода) — синтез- газа, а также расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю. Синтез-газ может быть использован в качестве энергетического источника получения пара па ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, этанола, ацетилена. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ, как иолихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, нолиароматические красители, достигает 99,9998% с образованием С0₂, Н₂0, НС1, HF, Р₄О_10» [5].

«Разложение отходов происходит по следующим технологическим схемам:

— конверсия отходов в воздушной среде;

— конверсия отходов в водной среде;

— конверсия отходов в паро-воздушной среде;

— пиролиз отходов при малых концентрациях. Выбор того или иного способа переработки, возможность вариаций по количественному соотношению реагентов позволяют оптимизировать работу установки для широкого спектра отходов по их химическому составу. Существуют самые разнообразные модификации плазмотронных установок, принцип конструкции и порядка работы которых заключается в следующем: основной технологический процесс происходит в камере, внутри которой находятся два электрода (катод и анод), обычно из меди, иногда полые. В камеру, в которой поддерживаются постоянное давление и температура, в заранее установленных количествах поступают отходы, кислород и топливо, может добавляться водяной пар. Возможно применение катализаторов. Существует анаэробный вариант работы установки. При переработке отходов плазменным методом в восстановительной среде возможно получение ценных продуктов: например, из жидких хлорорганических отходов можно получать ацетилен, этилен, НС1 и продукты на их основе. В водородном плазмотроне, обрабатывая фторхлорорганические отходы, можно получить газы, содержащие 95—98% по массе НС1 и HF. Для удобства возможно брикетирование твердых отходов и нагрев пастообразных до жидкого состояния» [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа была посвящена исследованию термических способов утилизации твердых бытовых отходов организации ООО «Альфа».

В ходе исследования был проведен анализ классификации ТБО, изучены осноынве методы утилизации ТБО.

Подробно рассмотрены термические методы утилизации твердых бытовых отходов. На данный момент открытое сжигание отходов прекращает свое существование в промышленном масштабе и заменяется соврмеменными методами утилизации такими как галификация и пиролиз.

В перспективе ТБО могут стать неисчерпаемым видом низкокалорийного топлива в силу непрерывного массового воспроизводства их населением. Как известно, топливом принято называть любое вещество, которое способно вступать в быстропротекающий окислительный процесс (горение) с окислителем и которое по технико-экономическим соображениям целесообразно использовать для целей получения тепловой энергии в энергетических, промышленных и отопительных установках. С этой точки зрения практический интерес представляют виды топлива, отвечающие следующим требованиям:

— доступность и распространенность для массового использования;

— достаточная химическая активность топлива, обеспечивающая возникновение и поддержание процесса горения;

— обеспечение достаточного тепловыделения на единицу массы сжигаемого вещества.

Твердые бытовые отходы отвечают всем перечисленным требованиям. Если рассматривать ТБО как один из видов топлива, то следует отметить, что компонентами любого топлива являются горючие элементы и негорючие примеси, или балласт. К горючим элементам топлива относится углерод С, водород Н и горючая сера S, образующие вместе с внутренним балластом (кислородом О и азотом N) сложные химические соединения. Внешний балласт составляют зола Л и влага W. Зола — негорючий остаток, полученный после сгорания топлива, представляющая собой смесь различных минеральных веществ, находящихся в топливе. Для примера: каменный уголь содержит 4. 25% золы, дрова — 0,6%. Влага является вредной примесью топлива, поскольку уменьшает долю горючих веществ, так как часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, тратится на испарение влаги.

Источник