1.3 Термические методы переработки отходов
Термические методы переработки и утилизации ТБО:
Слоевое сжигание неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках;
Слоевое и камерное сжигание специально подготовленных отходов в виде гранулированного топлива (освобожденного от балластных составляющих и имеющего постоянный фракционный состав) в топках энергетических котлов или цементных печах;
Плазмотермические и плазмохимические методы деструкции промышленных отходов;
Пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее;
Высокотемпературная газификация отходов.
Для выбора оптимального метода термической обработки ТБО необходимо сравнение имеющихся технологий по следующим критериям:
-экономическим (уровень капитальных и эксплуатационных затрат);
-технологическим (уровень развития и апробации технологии, надежность оборудования, степень автоматизации процесса, эксплуатационные характеристики, требования безопасности, необходимость подготовки обходов и использования дополнительного сырья - топлива, других компонентов, производство товарной продукции);
-экологическим (количество и токсичность отходов и газовых выбросов, возможность их обезвреживания и утилизации).
Кроме этого, следует учесть возможность изготовления оборудования в России, а также квалификационные требования к обслуживающему персоналу, обусловленные особенностями той или иной технологии.
1.3.1. Сжигание предварительно неподготовленных отходов и гранулированного топлива
Наиболее распространенным методом термической переработки ТБО является метод слоевого сжигания неподготовленных отходов в мусоросжигательных установках. При этом помимо обезвреживания отходов можно получить тепловую или электрическую энергию, сократить расстояние между местом сбора отходов и мусоросжигательным заводом, значительно сократить земельные площади, отводимые под захоронение ТБО.
Однако при сжигании отходов выделяются твердые и газообразные вредные вещества, поэтому все современные мусоросжигательные заводы (МСЗ) должны быть оборудованы высокоэффективными газоочистными устройствами.
В России построено семь мусоросжигательных заводов. Технологическая схема одного из них показана на рис. 1.5.
Мусор, доставляемый на МСЗ сжигают без какой-либо предварительной подготовки или обработки. При поступлении на завод мусоровозы взвешивают на платформенных автоматических весах. Затем мусоровозы поступают в приемное помещение, где осуществляется выгрузка ТБО в бункер-накопитель. Мусор из бункера-накопителя частями забирает мостовой кран, оборудованный грейферным ковшом.
Рисунок 1.5. Технологическая схема переработки отходов на мусоросжигательных заводах: 1 – мостовой грейферный кран; 2 и 3 – мусорный и шлаковый отсеки бункера-накопителя; 4 – вентилятор первичного дутьевого воздуха; 5 – станция гидропривода; 6 – паровые калориферы-воздухоподогреватели; 7 – шлакоизвлекатель; 8 – ленточные транспортеры для удаления шлака и золы; 9 – дымосос; 10 – дымовая труба; 11 – электростатический фильтр; 12 – котел-утилизатор; 13 – вентилятор вторичного воздуха; 14 – загрузочный бункер; 15 – растопочная горелка; 16 – колосниковая решетка
В приемном отделении поддерживается некоторое разряжение воздуха за счет забора из него дутьевого воздуха для поддержания процесса горения ТБО в котлоагрегатах, что предотвращает выброс неприятных запахов и пыли за пределы отделения. Мусор из приемного бункера подают в загрузочный желоб питателя печи котлоагрегата до определенной высоты. Емкость желоба образует буферный резерв питания печи. Образуемая таким образом колонна мусора обеспечивает герметичность между камерой горения и загрузочным бункером. Нижняя часть желоба защищена водяной рубашкой от перегрева в случае подъема пламени. Питатель распределяет мусор по колосниковой решетке, на которой сжигают мусор. Она является основным элементом печи[74-133].
Имеется несколько видов колосниковых решеток. Наибольшее применение получило топочное устройство, оборудованное обратно переталкивающей колосниковой решеткой системы «МАРТИН» (Германия), шириной 3 м и наклоненной под углом 26° к горизонтальной плоскости. Решетка имеет одну или несколько секций, каждая из которых состоит из 13 рядов чередующихся подвижных и неподвижных колосников.
Каждый второй колосник приводится в возвратно-поступательное движение общим устройством управления. Амплитуда возвратно-поступательного движения в направлении решетки снизу вверх составляет около 400 мм, а число циклов может изменяться от 0 до 60 в час.
Перемещение колосников решетки влияет на процесс сжигания мусора, который при каждом цикле медленно перемешивается и раскладывается по поверхности. Таким образом, в начале решетки образуется интенсивное пламя, при котором все стадии сжигания – сушка, возгорание и сжигание – происходят одновременно. Благодаря наличию сильного пламени в начале решетки газы, выделяющиеся на стадии сушки, смешиваются с очень горячими газами горения и сжигания.
Мусор, сжигаемый на решетке, постепенно перемещается вниз, постоянно перемешиваясь. Сжигание мусора завершается приблизительно на 2/3 длины решетки, а на оставшейся части мусор, превратившийся в шлак, постепенно охлаждается под действием подаваемого в топку воздуха.
Конструкция колосниковой решетки позволяет сжигать отходы с различной теплотой сгорания и большим (до 50 %) содержанием золы при высокой удельной производительности (более 400 кг/(м2ч)). Площадь колосниковой решетки каждого агрегата 20 м2, номинальная производительность 8,33 т/ч при теплоте сгорания ТБО 6,3 МДж/кг. Температура в топочном пространстве регулируется автоматически и составляет 800-1000 °С, что обеспечивает выгорание твердых и газообразных горючих составляющих отходов.
Для обеспечения требуемого качества сжигания, т. е. для получения хорошо перегоревшего шлака, его необходимо сразу удалять. Шлак составляет около 25 % по массе от общего количества сжигаемых отходов.
Для удаления шлака используют барабаном с регулируемой скоростью вращения, позволяющий и сглаживать толщину слоя мусора и шлака на решетке, а также удалять шлак в бункер шлакового экстрактора. Горячий шлак падает в бункер, а затем в бак с водой, в котором охлаждается до 80-90 ºС. Из бака шлак удаляется толкателем, который проталкивает его в желоб, установленный с обратным уклоном. Конструкция желоба позволяет, с одной стороны, уплотнять удаляемый материал без риска закупорки рабочего сечения желоба, а с другой – стекать избыточной влаге. Таким образом, потери воды за счет ее испарения и поглощения шлаком сводятся к минимуму.
Затем охлажденный шлак по системе ленточных транспортеров проходит через виброполотно, где с использованием с магнитного сепаратора, оборудованного электромагнитом, из шлака удаляют металлические частицы. Металлолом удаляют в специальные емкости, а шлак поступает по ленте в шлаковый отсек бункера-накопителя. Зола из-под воздушного короба и из бункеров котла удаляется вместе со шлаком.
Для обеспечения процесса горения отходов подают воздух, нагнетаемый вентилятором первичного дутья через короб, установленный под решеткой и состоящий из нескольких отсеков или зон. Каждая зона подачи воздуха под решетку обеспечивает впуск определенного количества воздуха под решетку и в слой мусора для обеспечения горения; сбор и удаление мелких частиц, просеивающихся под решетку.
В нижней части в подрешеточной зоне установлены воронки асимметричной формы, которые предназначены для сбора и удаления просева.
Дополнительно воздух подается вентилятором вторичного дутья под высоким давлением через сопла, расположенные на передней и задней стенках камеры горения, для полного сжигания газов в нижней части камеры сжигания.
Полученные при сжигании ТБО тепловая энергия и пар могут быть использованы на нужды централизованного теплоснабжения. Для снижения капитальных затрат рационально совмещать на одной площадке мусоросжигательную и промышленно-отопительную котельные. Поэтому целесообразно проектировать комбинированные котельные, имеющие как котлоагрегаты, сжигающие энергетическое топливо, так и котлоагрегаты, в топках которых сжигают ТБО. Таким образом, ТБО можно рассматривать как нетрадиционные виды топлива.
По прогнозам специалистов слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов в топках котлов или цементных печах в ближайшее время получит широкое применение. В США и Великобритании с 70-х гг. проводятся работы по переработке отходов в гранулированное топливо «RefuseDeringFull» (RDF), которое длительное время можно хранить и транспортировать на относительно большие расстояния и при сжигании, которого негативное воздействие на окружающую среду значительно меньше. Однако теплотехнические свойства топлива, получаемого этими странами различны. Так, в США за счет высоких капиталовложений стремятся получить высококачественное топливо, а в Великобритании создают простые дешевые способы получения RDF среднего качества. В США экономичны установки производительностью 1000 т/сут и выше перерабатываемых отходов, а в Великобритании – до 200-300 т/сут.
Технологический процесс получения RDF состоит из двух операций: дробления отходов и сепарации черных металлов. Если ограничиваться только этими двумя операциями, то получаемый в этом случае RDF будет содержать много балластных фракций и иметь низкое качество. Поэтому при изготовлении гранулированного топлива используют дополнительные машины, механизмы и агрегаты, позволяющие обогащать, гранулировать и брикетировать топливо из отходов, при этом возрастают капиталовложения и эксплуатационные расходы, но полученное топливо имеет значительно лучшее качество. Принципиальная схема производства гранулированного топлива приведена на рис. 1.6.
Рисунок. 1.6. Принципиальная схема производства гранулированного топлива
Способ получения гранулированного топлива выбирают в зависимости от вида отходов, их состава, а также последующего способа использования – в качестве основного или дополнительного (вместе с основным – углем, торфом или т.д.) топлива. Теплота сгорания гранулированного топлива колеблется от 5300 до 17700 кДж/кг.
Многие котельные установки нуждаются лишь в небольшой модернизации для работы на гранулированном топливе, т. к. они оборудованы устройствами для удаления шлака и летучей золы.