способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов

Формула изобретения

1. Способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающий их загрузку совместно с топливом в расплавленную шлаковую ванну, продуваемую смесью кислорода с газом-разбавителем, отличающийся тем, что в качестве топлива используют углеродсодержащие твердые отходы или биогаз полигонов твердых бытовых отходов, а в качестве газа-разбавителя углерод, водород-, кислородсодержащие газы, имеющие минимальное содержание или не содержащие примесей азота и его соединений, при этом процесс переработки ведут при разрежении в верхней части газового рабочего объема 10 20 Па.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют отходы углеграфитовой промышленности и электродного производства.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа-разбавителя используют диоксид углерода или водяной пар.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам термической переработки отходов и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, химической промышленности, энергетике, сельском хозяйстве.

Известен способ термической переработки твердых бытовых отходов путем загрузки их в расплавленную шлаковую ванну, барботируемую смесью воздуха и кислорода при содержании последнего 30-60% (а.с. СССР N 1783234, кл. F 23 C 5/00, 1991).

Недостатком этого способа является высокое содержание вредных веществ в отходящих технологических газах оксидов и диоксидов азота -вследствие продувки расплава воздухо-кислородной смесью, содержащей большое количество азота (40-70%).

Наиболее близким по технической сути является способ термической переработки твердых отходов, включающий загрузку этих отходов совместно с углеродсодержащим топливом в расплавленную шлаковую ванну и продувку кислородсодержащим газом с определенной интенсивностью дутья, при этом в загружаемой в шлак шихте из отходов и топлива выдерживают содержание углерода 2-25% и по мере его увеличения грузят дополнительно оксиды металлов и металлолом (а.с. СССР N 1315738, кл. F 23 C 5/00, 1987).

Недостатками этого способа являются: большое содержание в отходящих газах оксидов и диоксидов азота (вследствие продувки расплава воздухо-кислородной смесью), а также диоксида серы (при использовании в качестве дополнительного топлива природного газа или углей, содержащих, как правило, серу). Кроме того, добавка угля в загружаемую шихту экономически не выгодна для многих регионов страны (удаленность месторождений угля, а следовательно, большие транспортные расходы и потери при перегрузках и транспортировке).

Цель изобретения безотходная утилизация твердых бытовых и промышленных отходов с повышенными экологическими и экономическими показателями при максимальной замкнутости процесса переработки. При этом сокращение или исключение негативного влияния указанных факторов проводятся на начальной стадии процесса переработки отходов.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении экологической эффективности процесса за счет снижения содержания оксидов азота и серы в отходящих газах, снижении эксплуатационных затрат при плавке отходов за счет замены природного топлива углеродсодержащими отходами и повышении комплексности использования отходов путем вовлечения в процесс продуктов их переработки (диоксида углерода, водяного пара).

Технический результат достигается тем, что в известном способе термической переработки твердых бытовых отходов, включающем их загрузку совместно с углеродсодержащим топливом в расплавленную шлаковую ванну, продуваемую смесью кислорода с газом-разбавителем, по предлагаемому решению в качестве топлива используют углеродсодержащие твердые отходы или газы, расплав продувают смесью кислорода с газом-разбавителем, не содержащим азот, а процесс переработки ведут при разрежении в верхней части газового рабочего объема +10-20 Па. В качестве углеродсодержащего топлива используют отходы углеграфитовой промышленности и электродного производства или биогаз полигонов твердых бытовых отходов, а в качестве газа-разбавителя диоксид углерода или водяной пар.

Кроме того, к твердым бытовым отходам, загружаемым в расплавленную шлаковую ванну, подшихтовывают промышленные отходы, содержащие цветные металлы.

Эти отличительные признаки диктуются следующим.

Твердые бытовые отходы по своему составу (горючим составляющим - углероду, водороду) обеспечивают плавку (переработку) за счет собственной теплотворной способности при соответствующем обогащении кислородом дутья (т.е. достигается автогенный режим). При добавлении к твердым бытовым отводам промышленных отходов, не обладающих теплотворной способностью, но содержащих цветные и др. металлы (их подшихтовка проводится с точки зрения как утилизации, так и повышения экономичности процесса за счет извлечения ценных металлов в товарный продукт), процесс переработки требует введения в плавильный агрегат (в ванну шлакового расплава) дополнительного топлива (газового, твердого или жидкого).

Как показывают исследования, основные оксиды азота и серы образуются из газовых агентов (дутья) и топлива (природного газа содержание до 1% H₂S, угля и мазута до 3% S и более), а из форм этих элементов в самих отходах образование и выделение в газовую фазу оксидов NO_x и SO₂ имеют менее выраженный характер. Поэтому более целесообразным направлением в повышении экологических показателей в рассматриваемом отношении (сокращение вредных выбросов) следует считать устранение причин (факторов) загрязнения отходящих газов, исходящих из дутья дополнительного топлива и подсосов воздуха в рабочий объем плавильного агрегата.

В существующих способах переработки отходов в барботируемой шлаковой ванне (в т.ч. в печах Ванюкова ПВ) продувку расплава повсеместно проводят воздухо-кислородной смесью, при этом регулирование и фиксацию значения необходимой для процесса степени обогащения дутья кислородом проводят путем увеличения или уменьшения расхода воздуха как газа-разбавителя. Наличие большого содержания азота в подаваемом воздухе при обычных температурах процесса 1250-1450^oC приводит к образованию вредных веществ оксидов азота в отходящих технологических газах, очистка от которых требует больших капитальных и эксплуатационных затрат и не всегда эффективна. Замена воздуха на газы или пары, не содержащие азота (например, углекислый газ, водяной пар), позволяет решить эту проблему на стадии плавления отходов (в голове процесса). В этом же направлении действует разрежение в газовом рабочем объеме (т. е. свободном пространстве над ванной шлакового расплава) плавильного агрегата (обычно печи ПВ работают при разрежении до -30-50 Па и более): чем меньше разрежение, тем меньше подсосы окружающего воздуха (азота) в печное пространство с высокими температурами и тем, следовательно, меньше возможности загрязнения отходящих газов оксидами азота.

В свою очередь, наличие азота и серы в загружаемых материалах приводит к соответствующему загрязнению отходящих газов оксидами азота и серы. Замена угля, содержащего серу, на более чистые по примесям углеродистые отходы (углеграфитовая и электродная промышленность) исключает возможность образования диоксида серы, и, таким образом, отпадает необходимость соответствующей дорогостоящей очистки отходящих газов. Биогаз с полигонов ТБО также содержит незначительное количество серы (до 0,3% H₂S, в то время как в природном газе до 1% H₂S), и, следовательно, его использование в качестве дополнительного топлива снижает загрязнение отходящих газов по сернистым веществам.

Кроме рассмотренного экологического эффекта предлагаемое решение ведет к повышению экономичности процесса переработки, поскольку в процессе используются практически бросовые продукты: углекислый газ (CO₂), выбрасываемый, как правило, в атмосферу с отходящими (дымовыми) газами (в настоящее время имеется ряд технологий получения CO₂ из этих газов с целью комплексного использования сырья), пар, получаемый при охлаждении кессонированных элементов плавильного агрегата и при охлаждении отходящих газов в котлах-утилизаторах (обычно используется для отопительных целей, реже для производства электроэнергии и др. целей), отходы углеграфитовой промышленности и производства электродов (уровень повторного использования последних на электродных заводах страны составляет порядка 70% остальное складируется и накапливается), биогаз полигонов ТБО, выделяющийся в процессе анаэробного метанового разложения органической части и обладающий высокой теплотворной способностью (как правило, теряется в атмосферу, кроме того, загрязняя окружающую среду). При этом особо следует отметить, что перечисленные продукты могут быть максимально приближенными к мусороперерабатывающим по предлагаемому способу заводам (электронные заводы расположены в различных регионах страны: Центр, Юг, Урал, Сибирь) или быть практически совмещенными с площадками этих заводов (углекислый газ, водяной пар, биогаз). Это также повышает экономичность переработки отходов.

Примеры осуществления способа.

Проверку способа проводили на полупромышленной установке плавки в жидкой ванне (печь Ванюкова) Рязанского опытно-экспериментального металлургического завода (РОЭМЗ) института Гинцветмет. Переработке подвергали твердые бытовые отходы химсостава, 4-6 кремнезема, 0,3-0,6 оксида кальция; 2-3 глинозема, 0,2-0,4 меди, 2,1-2,4 железа, 0,1-0,2 серы, 18-20 углерода, 2,0-2,5 водорода, 14-16 кислорода, 0,3-0,6 азота, влажность 35-55% теплотворная способность Q^н_р=5-7 МДж/кг (1200-1700 ккал/кг и промышленные отходы медный кек завода Мосэлектрофольга состава, 5-10 меди, 0,1 никеля, 0,1 железа, остальное - гипс, влажность 50-60% Соотношение расходов ТБО и кека варьировалось в пределах 1:(0,1-1,0).

Пример 1. Смесь ТБО, содержащих, 4,62 кремнезема, 0,52 оксида кальция, 2,1 глинозема, 0,32 меди, 2,31 железа, 0,2 серы, 19,2 углерода, 2,34 водорода, 15,3 кислорода, 0,5 азота, Q^y_р=6,27 МДж/кг (1550 ккал/кг) и кека, содержащего, 8 меди, 0,1 никеля, 0,1 железа, с влажностью (в среднем) 51,7% загружалась в расплавленную шлаковую ванну, продуваемую технологическим кислородом (100% O₂). Соотношение ТБО и кека 1:0,4. Разрежение в рабочем объеме - 10-13 Па. Дополнительное топливо -природный газ состава, 93,2 CH₄, 0,7C₂H₆; 0,6 C₃H₈, 0,6 CH₄H₁₀, 0,5 C_mH_n, 4,4 азота, до 1,0 сероводород, теплотворная способность - Q^y_р=35,5 МДж/м³ (8500 ккал/м³). В отходящих газах содержалось, мг/м³: (1-2)10^-2 диоксида серы, (0,6-1,0)10^-2 оксида азота, (0,5-0,8)10^-2 диоксида азота.

Пример 2. Плавили смесь ТБО и кека примерно того же состава, что и в примере 1, соотношение этих отходов 1:0,2. Продувка расплава смесью кислорода с углекислым газом при обогащении дутья -70% O₂. Разрежение - 10 Па. Дополнительное топливо обломки электродов, содержащие 98% углерода, Q^y_р=34,3 МДж/кг (8200 ккал/кг). В отходящих газах содержалось, мг/м³: (0,3-0,5)10^-2 оксида азота, (0,4-0,6)10^-2 оксида азота, (0,3-0,6)10^-2 диоксида азота.

Пример 3. Состав смесь отходов и их соотношение те же, что и в примере 2. Режим работы с продувкой расплава смесью кислорода с водяным паром при обогащении дутья до 70-80% O₂. Разрежение до -10 Па. Дополнительное топливо обломки электродов (как в примере 2). В отходящих газах, мг/м³: (0,3-0,4)10^-2 диоксида серы, (0,3-0,5)10^-2 оксида азота, (0,3-0,5)10^-2 диоксида азота.

Пример 4. Состав смеси отходов и их соотношение те же, что в примере 1. Режим работы с продувкой расплава технологическим кислородом с воздухом, содержащим значительно уменьшенное количество азота (от 20% до 0 при чистом кислороде). Разрежение -10 Па. Дополнительное топливо биогаз полигона ТБО состава, 56,6 CH₄, 37,7 CO₂, 0,5 H₂, 0,4 CO, 0,31 сероводород, алканы 2,16, алкены 1,49, Q^y_р=22,1 МДж/м³ (5278 ккал/м³). В отходящих газах, мг/м³: (0,7-1,5)10^-2 диоксида серы, (0,6-1,0)10^-2 оксида азота, (0,6- 1,0)10^-2 оксида азота.

Результаты испытаний и расчетно-экспериментальных исследования ряда режимных вариантов приведены в таблице.

Как видно из таблицы и описания осуществления способа, лучшие результаты по экологии (чистоте отходящих газов по оксидам азота и серы) получены в опытах N 7-11, т. е. при отсутствии или минимуме в дутье и дополнительном топливе азота и серы (использование чистого кислорода, CO₂ и водяного пара в смеси с дутьевым кислородом, обломком электродов и биогаза в качестве дополнительного топлива) и при разрежении в рабочем объеме в пределах +10-20 Па (см. опыты N 3, 4, 5). При этом остальные вредные микропримеси (антрацены, пирены и др.) почти не изменяются при всех изученных технологических режимах (опытах в таблице). При отдельных технологических режимах отмечались особенности работы плавильного агрегата: разрежение (давление) +20 Па приводит к выбиванию печных газов в цех (опыт N 6), в то же время большое разрежение (-30-50 Па), обеспечивая нормальное в этом отношении состояние, одновременно ухудшает состав отходящих газов (по оксидам азота опыты N 1, 2), использование для дутья чистого кислорода (100% O₂) или высокообогащенного дутья ведет к перегреву ванны расплава (избыток тепла - опыты N 7, 11), хотя, в принципе, появляется возможность дополнительной переработки нейтральных в тепловом отношении промотоходов.

Предлагаемый способ термической переработки отходов:

обеспечивает высокую экологическую чистоту процесса переработки;

снижает эксплуатационные затраты при плавке;

повышает комплектность использования отходов.

Кроме того, способ обладает достоинствами:

достигается практически безотходность производства и организуется максимально замкнутый цикл утилизации отходов;

повышается возможность вовлечения в переработку самых различных промышленных (в т.ч. бросовых) отходов с высокой эффективностью их использования.