|
Одними из наиболее широко
распространенных способов воздействия на отходы являются термические, при
которых в зависимости от условий проведения процесса происходят окисление,
разложение и восстановление химических соединений, составляющих отходы. Очень
часто все эти процессы при нагревании отходов происходят одновременно.
Главной целью такой обработки является обезвреживание отходов и уменьшение их
объемов, но наряду с этим ряд способов термического воздействия позволяет
получать из отходов ценные товарные продукты.
К термическим методам относят жидкофазное окисление,
гетерогенный катализ, газификацию и пиролиз отходов, плазменный и огневой
методы.
5.1. Беспламенные термические способы утилизации отходов
Метод жидкофазного окисления ("мокрое" сжигание)
используют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть
метода состоит в окислении кислородом воздуха органических и
элементоорганических примесей сточной воды при температуре 150—350 °С и
давлении 2—28 МПа.
Эффективность метода оценивается глубиной окисления
органической части осадка. Эта величина зависит в основном от температуры
обработки. Окисление осадка сопровождается выделением тепла. При влажности
около 96 % этого тепла достаточно для поддержания температурного режима, а
энергия затрачивается в основном на подачу сжатого воздуха. Интенсивное
окисление органического вещества осадка кислородом воздуха происходит в
течение 30—40 мин.
Технологическая схема процесса жидкофазного окисления
представлена на 5.1. Смесь осадка первичных отстойников и избыточного
активного ила поступает по трубе 1 в приемный резервуар 2, где предварительно
нагревается до 40—50 "С. Нагретый осадок питательным насосом 3 подается
в насос высокого давления 4, который перекачивает его через последовательно
установленные теплообменники 5 и 6 в реактор 7. В напорный трубопровод насоса
подается сжатый воздух от компрессора 10. На входе в реактор температура
паровоздушной смеси составляет около 240 °С.
Для окисления на 50 % необходима температура ~ 200 °С, на
70 % и более — около 250—300 °С. Две трети действующих установок работают при
температуре 300 °С и давлении 21 МПа, одна треть — при 100—200 °С и давлении
1,8—2,4 МПа.
Основное преимущество метода жидкофазного окисления
состоит в небольших затратах энергии на процесс, так как сточная пода
подвергается лишь незначительному испарению. Однако у этого способа есть и
серьезные недостатки — высокая стоимость и сильная коррозия оборудования,
образование накипи на поверхности теплообменников, неполное окисление отходов
и др. Из-за этих недостатков способ жидкофазного окисления применяется весьма
ограниченно.
Метод гетерогенного катализа применяют для обезвреживания
газообразных и жидких отходов с низкой концентрацией горючих примесей, когда
применение других методов связано с большим расходом топлива. Процесс
окисления на катализаторах осуществляют при температуре ниже температуры
самовоспламенения горючих составляющих отходов. Процесс протекает при температуре
200— 300 °С, что значительно ниже температуры, требуемой для полного
обезвреживания газообразных отходов при прямом сжигании в печах (950—1100
°С). Наиболее эффективными катализаторами являются металлы платиновой группы,
менее эффективны катализаторы, изготовленные из оксидов металлов (алюминия,
меди, хрома, кобальта, марганца и др.). Использование платины, родия и других
металлов платиновой группы позволяет максимально снизить температуру начала
процесса окисления. В термокаталитических реакторах успешно окисляются оксид
углерода, водород, углеводороды, аммиак, фенолы, альдегиды, кетоны и другие
соединения. При этих реакциях образуются С02, Н20, N2. Степень окисления
достигает 99,9 %. Для увеличения удельной поверхности катализаторов и
экономии дорогостоящих металлов применяют керамические пористые носители. На
5.2 представлены схемы термокаталитических реакторов.
Современные промышленные катализаторы глубокого окисления
(алюмооксидномедные, алюмомеднохромовые, алюмомед- нооксидные) устойчивы при
температурах до 600—800 °С. При более высоких температурах катализаторы
дезактивируются и механически разрушаются. Поэтому применение
термокаталитического метода для обезвреживания газообразных отходов с высокой
концентрацией горючих компонентов нецелесообразно. Разбавление газообразных
отходов воздухом или дымовыми газами с целью снижения адиабатического
разогрева приводит к увеличению расхода катализаторов и других затрат на
обезвреживание. Отвод избыточного тепла из слоя катализатора существенно
усложняет конструкцию и эксплуатацию термокаталитических реакторов.
Термокаталитические реакторы не следует применять при
большом содержании пыли и водяных паров в газообразных отходах ввиду
дезактивации катализаторов. Каталитическое окисление неприменимо также для
обезвреживания отходов, содержащих высококипящие или высокомолекулярные
соединения, вследствие неполного их окисления и забивания поверхности
катализатора. Многие химические элементы (Р, Pb, As, Hg, S, галогены и их соединения
и др.) даже в очень малых концентрациях могут вызывать отравление
катализаторов, поэтому каталитическое окисление нельзя применять при
обезвреживании газообразных отходов, в которых они содержатся.
Разновидностью термокаталитического окисления является
иарофазное каталитическое окисление, которое состоит из двух процессов:
перевода органических отходов, содержащихся в сточной воде, в парогазовую
фазу и последующего каталитического окисления их в каталитическом реакторе.
Для перевода летучих органических веществ, содержащихся в сточной воде, в
парогазовую фазу применяют выпарные аппараты, скрубберы-испарители,
работающие на подогретом воздухе или топочных газах. Метод парофазного
каталитического окисления характеризуется высокой полнотой окисления летучих
органических отходов (99,8 %) и большой производительностью оборудования.
в атмосферу
Метод газификации применяется для переработки отходов с
получением горючего газа, смолы и шлака. Газификация является термохимическим
высокотемпературным процессом взаимодействия органической массы с
газифицирующими агентами, в результате чего органические продукты
превращаются в горючие газы. В качестве
газифицирующих агентов могут быть использованы воздух,
кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.
Газификация осуществляется в механизированных шахтных
газогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и парокислородного
дутья. По сравнению с сжиганием метод газификации отходов имеет следующие
преимущества:
♦ получаемые горючие газы могут быть
использованы в качестве топлива;
♦ получаемая смола может быть использована
как топливо или химическое сырье;
♦ уменьшаются выбросы золы и сернистых
соединений в атмосферу.
При газификации с использованием воздушного и
паровоздушного дутья получают генераторный газ с низкой теплотой сгорания
3,5—6 МДж/м3. Такой газ непригоден для транспортировки и может быть
использован только на месте производства. При парокислородной газификации
получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м3. Его можно транспортировать на
значительные расстояния.
Процесс газификации пригоден для переработки дробленых
сыпучих газопроницаемых отходов. Пастообразные крупногабаритные отходы не
могут перерабатываться этим способом.
Пиролиз отходов (или сухая перегонка) заключается в
термическом разложении отходов без доступа воздуха. В результате пиролиза
образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и
твердый углеродистый остаток.
При пиролизе органического вещества происходит не только
его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимосвязаны и
протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в
определенном интервале температур.
В оснбву классификации пиролизных установок положена
температура процесса, так как она определяет количество и качество
образующихся продуктов. В зависимости от температуры различают три вида пиролиза:
низкотемпературный пиролиз, или полукоксование. Процесс
проводят при 450—550 "С с образованием максимальных количеств жидкого
продукта и твердого остатка (полукокса) и минимальным выходом пиролизного
газа. Газ, образующийся при низкотемпературном пиролизе, обладает
максимальной теплотой сгорания;
среднетемпературный пиролиз, или среднетемпературное
коксование. Процесс проводят при температуре до 800 °С. При этих условиях
увеличивается выход газа, но снижается его теплота сгорания, одновременно
снижается выход жидкого и твердого продуктов;
высокотемпературный пиролиз, или коксование. Процесс
проводят при 900—1050 "С. При этой температуре выход жидкого и твердого
продукта минимален, а выход пиролизного газа максимален, но такой газ имеет
самую низкую теплоту сгорания.
Примером низкотемпературного пиролиза может служить
разработанный фирмой "Монсанто" (США) метод термической обработки
мусора "Ландгард" ( 5.3). Метод осуществляется по вращающейся печи
при недостаточном доступе кислорода.
Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по
отношению к обогревающим газам. Процесс эндотермичен, и для его осуществления
подводится дополнительное топливо.
Остаток твердых отходов после пиролиза попадает в
находящуюся в конце печи шлаковую ванну 5, питаемую водой, поступающей из
скруббера 9, служащего для очистки отходящих газов. Шлак направляется на магнитный
сепаратор 6. Освобожденный от железа остаток представляет собой стеклосо-
держащее темное вещество. Пиролизный газ полностью сгорает в камере с
огнеупорной футеровкой 7, в которую подается воздух. Тепло используется для
производства пара с помощью парогенератора 8. Отходящий газ, пройдя скруббер,
с помощью дымососа 10 через дымовую трубу 11 выбрасывается в атмосферу. Вода,
используемая в скруббере и шлаковой ванне, очищается на установке 12.
Установка производительностью 35 т/сут, работающая по этой
технологии, построена в Балтиморе (США).
Высокотемпературный пиролиз имеет ряд преимуществ. В
частности, он позволяет более интенсивно и глубоко преобразовать исходный
продукт, так как при увеличении температуры скорость реакции возрастает
быстрее, чем растут теплопотери, происходит более полное выделение летучих
продуктов, а количество твердого остатка сокращается.
Важнейшей частью пиролитической установки является
реактор, один из типов которого напоминает шахтную печь ( 5.4). Высота такого
реактора составляет 15 м, внутренний диаметр 3 м. Реактор способен переработать в течение суток 300 т отходов. Отходы периодически загружаются в
верхнюю часть реактора и под собственным весом проходят вниз через три зоны:
сушки, пиролиза, сгорания и плавления. Горючие газы из зоны сгорания проходят
вверх сквозь слой отходов и отдают тепло в зонах сушки и пиролиза. В зоне
сушки происходит испарение влаги, содержащейся в отходах. Поступающие сверху
отходы препятствуют подсосу воздуха через загрузочное отверстие. Под зоной
сушки расположена зона пиролиза, где высушенные отходы без доступа воздуха
разлагаются с образованием горючего газа, углерода и
инертного материала. Горючие газы поднимаются вверх и
попадают в кольцеобразный канал, откуда они имеете с паром (образовавшимся в
зоне сушки) отсасываются вентилятором.
Основными компонентами пиролизного газа являются водород,
оксид углерода, метан. Теплота сгорания этой смеси в зависимости от состава
отходов и организации процесса составляет 6680—10450 кДж/м3. Часть энергии получаемого
газа используется для подогрева воздуха, подаваемого в зону сгорания
реактора. Остальная энергия передается
потребителю в виде газообразного топлива или в виде
теплоносителей.
Пиролизный газ имеет преимущество перед природным, так как
не содержит соединений серы и азота. Однако в связи с низкой теплотворной
способностью, трудностями аккумуляции и хранения пиролизного газа он не может
собираться и транспортироваться на значительное расстояние, вследствие чего
потребитель газа должен находиться не далее 3 км от пиролизной установки.
Кокс, получаемый при пиролизе отходов, можно использовать
в различных целях, в зависимости от его состава и физических свойств. При
пиролизе твердых отходов нефтеперерабатывающих производств кокс с зольностью
до 50 % после небольшой дополнительной обработки может быть применен в
качестве заменителя природных и синтетических углеродсодержащих материалов.
Коксовый остаток, образовавшийся при пиролизе осадков
сточных вод, можно использовать в качестве сорбента на
станция* водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенны*
автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую п производстве
резиновых технических изделий, пластмасс, ти пографских красок, пигментов.
Возможны и другие направлении использования твердого углеродистого остатка.
Пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и
внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах и виде
вертикальных реторт или во вращающихся барабанных реакторах В этих аппаратах
пиролизные газы не подвергаются какому-либо разбавлению газовыми
теплоносителями, поэтому характеризуются высокой теплотой сгорания. Кроме
того, газ, получаемый в реакторах с внешним обогревом, содержит минимальное
количество пыли, так как не перемешивается с газовым теплоносителем, обычно
пропускаемым через слой отходов, содержащих мелкодисперсные частицы.
В реакторах с внутренним обогревом (вертикальные шахтные,
с псевдоожиженным слоем, вращающиеся барабанные) в качестве теплоносителя
используют газы, нагретые до 600—900 °С и химически не реагирующие с отходами
(инертные и горючие газы, не содержащие кислорода). Наиболее целесообразно в
качестве теплоносителя использовать рециркулирующий пиролизный газ. При этом
исключается разбавление продуктов пиролизного газа и ухудшение его качества.
В реакторах с внутренним обогревом в связи с применением
газообразных теплоносителей повышается запыленность пиролизного газа. В то же
время внутренний обогрев конвекцией позволяет существенно интенсифицировать
процесс пиролиза и сократить габариты реакторов по сравнению с установками с
внешним обогревом.
|