Термічні методи утилізації відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 5

Термічні методи утилізації відходів

План

1. Загальна інформація про термічні методи утилізації відходів

2. Спалювання

3. Газифікація

4. Піроліз

5. Інші термічні методи

1. Загальна інформація про термічні методи утилізації відходів

утилізація відхід спалювання піроліз

Термічні технології застосовні для утилізації багатьох видів твердих, розчинних, рідких і газоподібних відходів. Їх суть полягає в термічної обробки відходів високотемпературним теплоносієм (контактним або безконтактним методом), яким можуть бути продукти згоряння палива: плазмовий струмінь, розплав металу або оксиду, надвисокочастотний нагрів відходів тощо.

Серед термічних методів виділяють наступні:

- спалювання

- газифікація

- піроліз

- інші термічні методи

При застосуванні термічних методів утилізації відходів, їх хімічний склад може змінюватись (спалювання, газифікація тощо), а може залишатись без зміни (переплавлення полімерних відходів та отримання гранул, термічне перероблення скла тощо).

Термічні методи, як правило, включають наступні стадії:

* попередня, в тому числі реагентна, обробка;

* високотемпературна обробка;

* очищення газів, що відходять;

* утилізація тепла;

* отримання органічних (синтез-газ, рідке паливо) або мінеральних (оксиди, цемент, мінеральні солі і т. п.) продуктів.

Термічні методи характеризуються певною універсальністю, тому що дозволяють знешкоджувати багато органічних і неорганічних сполук. Процес проходить при високих температурах в окислювальному або відновлювальному режимі з подачею повітря, кисню, водню, інших газів, тобто можливе створення регульованих параметрів для знешкодження багатьох речовин, включаючи отруйні речовини, пестициди, фреони, діоксини і т. д. Термічні методи. Їх призначення та галузь застосування. Тут слід показати на що орієнтовані термічні методи, на які категорії відходів, та дати характеристику цих відходів.

Термічні методи можуть застосовуватися і для відходів, що не горять

2. Спалювання

Спалювання - дуже поширений метод термічної переробки відходів. Він реалізується при температурах ? 850 - 1400°С і відноситься до окислювальним термічним процесам автогенного характеру. Автогенного означає, що теплоти, що виділяється при окисленні, достатньо для підтримки горіння і що додаткового палива для цього не потрібно.

Спалювання дозволяє суттєво зменшити обсяг відходів, використовувати тепло згоряння для опалювальних цілей і знижує забруднення відходами води і ґрунту. Спалювання дозволяє отримати додаткову енергію, яку можна використовувати для отримання електричної енергії або опалення. Однак при спалюванні відбувається знищення цінних компонентів, забруднення атмосфери і може утворюватися досить багато (до 25%) золошлакових відходів, які потім підлягають захороненню на полігонах. Кількість шлаків визначається зольністю відходів.

Фізико-хімічні основи процесу. Відходи, які можуть підлягати спалюванню, містять вуглецеву складову (папір, деревина), вуглеводневу (полімери) та можливо їх суміші (комбіновані матеріали або змішані відходи). Відходи можуть містити також інші речовини, але вони, як правило, не представляють енергетичної цінності та можуть призводити до утворення небажаних забруднюючих речовин.

Спалювання деревини

Рівняння хімічної реакції спалювання вуглецю:

С + О2 > С + О + О > СО2

При нагріванні з поверхні деревини починає випаровуватися волога. На поверхні деревини відбувається газифікація - піроліз. У той же час всередині деревини, росте температура, що призводить до випаровування вологи з її внутрішніх частин. У міру закінчення процесу випаровування вологи зона піролізу поширюється всередину деревини. Газ, утворений таким чином, запалюється над паливом і передає тепло для протікання процесів випаровування і піролізу. Процес спалювання відбувається безперервно. Газифікована деревина стає розпеченим деревним вугіллям, що вступає в реакцію з киснем до тих пір, поки не залишиться лише зола. Чим більше частки палива, тим тривалішим буде процес спалювання. Теплотворна здатність деревини значною мірою залежить від вологості, тому що частина енергії буде використана для випаровування вологи.

Загальне рівняння реакції горіння будь якого вуглеводню:

CmHn + (m + n/4) O2 = mCO2 + (n/2) Н2O + Q

де m, n -- число атомів вуглецю та водню в молекулі; Q - тепловий ефект реакції, чи теплота згоряння (теплотворна здатність).

Паливо містить різні домішки у вигляді частин негорючих компонентів - золи. Утворення золи є небажаним, оскільки при цьому потрібно очищення димових газів від частинок з подальшим похованням золи та шлаку.

Теплотворна здатність різних компонентів:

- відходів деревини (13,8 МДж/кг)

- відходів паперу (13,4 МДж/кг)

- відходів гуми (33,52 МДж/кг)

- Лінолеум полівінілхлоридний (14,31 МДж/кг)

- Поліетилен (47,14 МДж/кг)

- Пінополістирол (41,6 МДж/кг)

- Хлопок розрихлений (15,7 МДж/кг)

Для порівняння

Теплотворна здатність природного газу - 46,3 МДж/кг

Теплотворна здатність вугілля - 22 МДж/кг

Рис. 1

Забезпечення екологічності процесу

Мета забезпечення екологічності процесу спалювання відходів полягає перш за все в зниженні токсичності викидів забруднюючих речовин та їх кількості, а також в зниженні токсичності шлаків, що утворюються в процесі спалювання.

Традиційно розглядаються «методи попередження» та «методи кінця труби».

Викиди забруднюючих речовин

У процесі спалювання відходів продуктами згорання є:

- водні пари;

- діоксид вуглецю (СО2);

- оксид вуглецю (СО);

- NO, N2O3, N2O;

- тверді речовини та аерозолі, включаючи леткі метали (наприклад, ртуть);

- в залежності від складу відходів, при спалюванні можуть утворюватись викиди кислих газів (оксидів сірки, хлористого водню);

- при неповному згорянні речовин може утворюватися широкий спектр летких органічних сполук;

- за певних умов спалювання твердих побутових відходів та небезпечних відходів призводить до утворення і викиду стійких органічних забруднювачів (ПХДД / ПХДФ, ПХБ, ГХБ);

- потенційно можуть мати місце викиди полібромованих дибензо-п-діоксинів (ПБДР) і полібромованих дібензофуранів (ПБДФ).

Формування СОЗ, діоксинів, фуранів та їх викиди буває набагато більш значним на неадекватно спроектованих установках або при порушенні режимів їх експлуатації.

Попередження утворення (викидів) забруднюючих речовин

Для того, щоб застосовувати «методи попередження» слід проаналізувати умови за яких утворюються небажані токсичні речовини.

Для утворення діоксинів необхідні наступі умови: наявність органічних сполук, наявність хлору, висока температура (200 - 800°С, найбільш сприятливі умови при температурі 300 - 600°С). Діоксини утворюються при неповному згорянні органічних сполук в умовах нестачі кисню та в присутності хлору.

В подібних умовах без наявності хлору може відбуватися утворення фуранів.

Присутність брому може призводити до утворення бромвмістних токсичних речовин.

Попередження утворення діоксинів, фуранів

1. Створення умов оптимальних для спалювання вуглеводнів та їх сполук, а саме: забезпечення температури не нижче 850°С та оптимальне співвідношення подачі кисню та продуктів горіння. Забезпечення умов за яких час перебування газів, що відходять в зоні високих температур (не нижче 850°С) буде складати не менше 2 секунд. На практиці забезпечується перебування не менше 3 секунд.

2. Загартування - швидке охолодження високотемпературних газів від 850-1200°С до 150-200°С, що дозволяє практично миттєво пройти температурних коридор 250-400°С, найбільш сприятливий для "нового" синтезу діоксину. Такий метод в установках спалювання відходів застосовують рідко, тому що це ускладнює утилізацію теплової енергії.

3. Контроль відходів, що подаються на спалювання на наявність таких, що містять хлор.

Боротьба з діоксинами, фуранами що утворилися

1. Створення у складі установки для спалювання відходів камери додаткової термолізаціі, де гази, що відходять будуть нагріватися до температури 1250°С або більше, при якій відбувається повне руйнування діоксинів.

2. Руйнування діоксинів при температурах 600-800°С розплавами, головним чином карбонатами натрію і калію. Швидкість руйнування забезпечується високою швидкістю тепловіддачі від розплавленої солі до відходів.

3. Подача охолоджених газів до адсорбера з активованим вугіллям і тканинного фільтра. Сорбент дозволяє виділити діоксини, які можуть утворитися в охолодженому газі, а фільтр вловлює золу, частки сорбенту і адсорбовані діоксини.

Шлаки від спалювання

Ориентировочный состав шлака европейских заводов (г/кг): Si - 500; Са- 150; Fe - 30-50 (до 100); А1 - 100; Na, К - 60; Mg - 25; С - 15; S-5-10; Zn - 2-8; Си - 1-4; РЬ - 1-3,5; Ni - 0.1-0,4; Сг - 0.15-0,6; Cd - 0,003-0,3; Не - 310"1; CI - 3; F - 0,3. Преимущественная крупность шлака составляет - 25+4 мм (выход по массе 50%). Тяжелые металлы в шлаке находятся в виде оксидов (преимущественно в классе 1 мм)

Мінімізація утворення шлаку та його знешкодження

1. Забезпечення умов повного згоряння горючої складової відходів, а саме: забезпечення температури не нижче 850°С, попереднє подрібнення відходів, перемішування відходів для уникнення застійних зон, та оптимальне співвідношення подачі кисню та продуктів горіння.

Наприклад, при спалюванні подрібнених ТПВ в циркулюючому киплячому шарі вміст недопалювання в шлаку знаходиться на рівні 1% (спалювання в киплячому шарі реалізують при температурі 850-950°С).

При використанні технології шарового спалювання непідготовлених (не дроблених) ТПВ настільки інтенсивне перемішування матеріалу неможливо, і необхідна температура процесу складає 900-1000°С (кількість недопалювання в цих умовах при правильно організованому процесі не перевищує 2-3%).

2. Отримання в процесі термічного перероблення відходів (ТПВ) шлакового розплаву при температурі процесу вище за температуру плавлення шлаку (1300°С).

Використання продуктів спалювання

Основним корисним продуктом спалювання відходів є тепло газів, що відходять, що використовуються як вторинні енергетичні ресурси для вироблення пари, електроенергії, гарячої води для виробничих та побутових потреб.

Тверді продукти згоряння відходів, як правило у вигляді золи, накопичуються в нижній частині печі й періодично вивозяться на поховання або використовуються у виробництві в'яжучих речовин.

Переваги:

- можливість позбуватися великої кількості сміття, включаючи небезпечні;

- низькі вимоги до якості вхідної сировини (відходів);

- найбільш повне використання енергетичного потенціалу відходів;

- можливо використовувати в системах централізованого опалення та електрогенерації;

- наявність апробованого, ефективного та надійного технологічного обладнання.

Недоліки та обмеження:

- неможливість (або недоцільність) застосування для окремих категорій відходів (вибухонебезпечні; такі що містять фосфор, галогени, сірку, ртуть тощо);

- необхідність забезпечення екологічної безпеки призводить до суттєвого ускладнення та здороження обладнання.

Приклад практичного застосування

Відходи, що підлягають спалюванню спеціалізованим автотранспортом привозять на завод і розвантажують в приймальний бункер - 1 грейферним захоплювачем - 2 подаються в завантажувальний бункер - 3. Спалювання в печі 6 відбувається на рухомих колоснікових гратах - 4. Необхідний для горіння відходів повітря подається повітрядувкою - 5 під грати. Конструкція печі передбачає спалювання як твердих, так і рідких відходів. Для цього в печі є форсунки - 7 для уприскування рідких відходів. Казан - 8 дозволяє утилізувати тепло, що виділяється при горінні відходів, і одержувати перегрітий пара. Димові гази проходять очищення від золи в електрофільтрі - 10, а потім димоусмоктувачем - 11 викидаються через трубу - 12, висота якої розраховується з урахуванням зниження граничних концентрацій шкідливих речовин нижче за норми ГДК. Шлаки, що переміщаються з колосникових решіток, охолоджуються водою і направляються на складування транспортуючим пристроєм - 9. Тепло, вироблене в казані, може використовуватися безпосередньо у вигляді пари або витрачатися на виробництво електроенергії.



Рисунок 2 Схема сміттєспалювання: 1 - приймальний бункер; 2 - грейферний захоплювач; 3 - завантажувальний бункер; 4 - колосникові решітки ; 5 - повітредувка; 6 - піч; 7 - форсунки; 8 - казан-утилізатор; 9 - транспортер; 10 - електрофільтр; 11 - димоусмоктувач; 12 - труба.

Рис. 3 Сміттєспалювальний завод в м. Осло, Норвегія. Нижче наведена схема заводу



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Схема сміттєспалювального заводу в м. Осло, Королівство Норвегія

Вивантаження відходів Приймальний бункер Горіння відходів Електрофільтр Електрична турбіна Труба

Рис. 5

3. Газифікація

Газифікація - високотемпературний процес взаємодії вуглецю палива з окиснювачами, що проводиться з метою отримання горючих газів (Н2, СО, СН4). Газову суміш, що утворюється в процесі газифікації називають «синтез-газ».

В якості окислювачів, які іноді називають газифікуючими агентами, використовують кисень (або повітря), водяну пару, діоксид вуглецю або суміші зазначених речовин. В залежності від співвідношення вихідних реагентів, температури, тривалості реакції та інших факторів можна отримувати газові суміші самого різного складу.

Процес газифікації проводиться при температурі 600 - 1100°С (та вище).

В процесі газифікації залишається негорючий залишок - зола. На практиці, як правило не вдається перевести усі органічні сполуки в синтез-газ, тому в золі можуть залишатися певні домішки горючої маси.

Класифікація

Для порівняння

Теплотворна здатність природного газу - 33,54 МДж/ м3

Фізико-хімічні основи процесу

В газогенератор подається паливо (відходи) та окиснювач. В якості окиснювача найбільш часто використовують повітря. Відходи, які подаються в газогенератор, часто містять певну частку вологи.

При розгляданні процесів, що протікають при газифікації палива, доцільно виділити наступні зони (рис. 5.6):

- зона сушки;

- зона піролізу;

- відновлювальна зона;

- окисна зона;

- зольна зона.

Окисна й відновлювана зони, називаються разом зоною газифікації.

Рис. 6 Робота шарового газогенератора: А - пристрій газогенератора: 1 - затвор: 2 - корпус газогенератора; 3 - колосникові грати; 4 - чаші для відводу золи; Б - зміна складу газу по висоті газогенератора (парокисневе дуття, збагачене киснем): 1 - кисень; 2 - водяний пар ; 3 - діоксид вуглецю, 4 - монооксид вуглецю; 5 - водень; 6 - метан і пари смоли; В - розподіл температур по висота газогенератора

При подачі в газогенератор повітря в окисній зоні (зона горіння), відбувається горіння твердого палива з утворенням СО і СО2 з реакцій:

2С + О2 = 2СО + 218,8 МДж / кмоль вуглецю (1)

С + О2 = СО2 + 394,4 МДж / кмоль вуглецю (2)

Діоксид вуглецю у відновній зоні відновлюється новими порціями вуглецю в оксид вуглецю:

СО2 + С = 2СО-175,6 МДж / кмоль вуглецю (5.3)

Якщо разом з повітрям в генератор подають також водяну пару, то у відновній зоні додатково протікають реакції:

С + Н2О = СО + Н2 - 132,57 МДж / кмоль вуглецю (5.4)

С+ 2Н2О = СО2 + 2Н2 - 89,5 МДж / кмоль вуглецю (5.5)

У цьому випадку утворюється газ містить два горючих компоненти: оксид вуглецю і водень.

У газовій фазі можуть протікати і інші реакції. Так, можлива реакція між оксидом вуглецю і водяною парою:

СО + Н2О = СО2 + Н2 + 43,1 МДж/кмоль·С (5.6)

При взаємодії СО і Н2 може утворитися метан

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О + 203,7 МДж/кмоль·С (5.7)

який в умовах процесу піддається термічного розпаду

СН4 --> С + 2Н2 -71,1 МДж / кмоль С (5.8)

Сполучення всіх цих реакцій і визначає склад газу, який утвориться, що змінюється по висоті газогенератора.

Газифікації може бути використана для більшості видів твердих горючих речовин. При цьому можна отримати газ заданого складу або заданої теплоти згоряння, так як ці показники значною мірою визначаються температурою, тиском і складом застосованого дуття.

Після окисної й відновлюваної зон, названих разом зоною газифікації, виходять гарячі гази при температурі 800-900°С. Вони нагрівають сировину, що піддається піролізу у вище розташованій вище зоні. Цю зону прийнято називати зоною піролізу, або зоною напівкоксування. Вихідні з цієї зони гази підігрівають сировину в зоні сушіння. Разом ці дві зони утворюють зону підготовки палива. Таким чином, при шаровій газифікації відбувається сполучення термічної переробки палива і власне газифікації напівкоксу або коксу, отриманого в зоні підготовки палива. Тому газ, що відводиться з апарата, містить не тільки компоненти, що утворилися в процесі газифікації, але і продукти піролізу вихідного твердого пального (газ піролізу, пари смоли, водяний пар). При охолодженні газу, що відводиться з газогенератора, відбувається конденсація смоли і води.

З окисної зони виводиться розпечена зола.

З викладеного вище випливає, що газифікація являє собою складне сполучення гетерогенних і гомогенних процесів. Можливо і послідовне, і рівнобіжне протікання цих реакцій.

Процеси газифікації інтенсифікують шляхом підвищення температури, збільшення тиску газифікації (що дозволяє значно збільшити парціальні тиски реагуючих речовин), а також збільшення швидкості дуття, концентрації кисню в дуття або розвитку реакційної поверхні.

Для наближення процесу газифікації до кінетичної області використовують тонкоподрібнене паливо і ведуть процес при високих швидкостях газових потоків.

Вихід газу, його склад і теплота згоряння змінюються в залежності від того, що використовується як дуття. Назви газів, одержуваних при використанні різних видів дуття, приведені в табл. 1.

Таблиця 1 Назви газів, одержуваних при використанні різних видів дуття

Дуття	Назва газу
Сухе повітря	Повітряний газ
Суміш повітря і водяної пари	Напівводяний газ
Водяний пар (при зовнішнім підведенні тепла)	Водяний газ
Суміш кисню і водяної пари	Оксиводяний газ (газ парокисневого дуття)

Для співставлення складів і властивостей цих газів варто зробити наступні допущення: газова суміш складається тільки з пальних компонентів (єдиний можливий баласт - азот повітря); газифікується чистий вуглець; не враховуються втрати тепла. Гази, що відповідають цим допущенням, називають ідеальними генераторними газами.

Одержувані при газифікації ТПВ генераторні гази відрізняються за виходом і складом від ідеальних. По-перше, ТПВ не можна вважати чистим вуглецем, тому вихід пальних компонентів у розрахунку на 1 кг органічної маси ТПВ завжди значно менше.

По-друге, у генераторних газах завжди утримується помітна кількість СО2. Хімічна рівновага в газогенераторах не досягається, тому зміст СО2 завжди перевищує рівноважну концентрацію.

По-третє, у зоні підготовки ТПВ утворяться пари води і летучі продукти термічного розкладання, що попадають до складу газу.

У будь-якому газі утримується більша або менша кількість азоту, що знижує реальну теплоту згоряння газу, тому що при спалюванні газу частина тепла витрачається на нагрівання баластового азоту.

У реальних умовах газифікації внаслідок нерівномірного розподілу зон і змішання потоків частина пальних газів згоряє з утворенням водяної пари і СО2. Крім того, у реальних умовах газифікації неминучі різні теплові втрати (у навколишнє середовище, з гарячими газами, зі шлаком). Тому фактичні значення термічних коефіцієнтів корисної дії значно менше величин, розрахованих для ідеальних умов.

Для орієнтованої оцінки складу газу, одержуваного при тих або інших умовах, часто використовують поняття про "ідеальні" генераторні гази. Під ними розуміють гази, що утворяться при взаємодії чистого вуглецю і агентів, що газифікують, (СO2 і Н2О) з одержанням тільки пальних компонентів (не вважаючи азоту при використанні повітряного дуття). Характеристиками "ідеальних" генераторних газів служать їхній склад [% (об.)], вихід (м3 на 1 кг палива), теплота згоряння (кДж/м3) і коефіцієнт корисної дії газифікації. Останній знаходять як відношення кількості тепла, яке можна одержати при спалюванні газу, що утвориться, (Q1), до кількості тепла, що виділяється при спалюванні витраченого палива (Q2). У випадку ендотермічного процесу знаменник повинний бути збільшений на величину теплового ефекту реакції (Q3):

(4.9)

Існує кілька типів "ідеальних" генераторних газів.

Повітряний газ може бути отриманий при взаємодії вуглецю з киснем повітря за реакцією:

(4.10)

супроводжуючись виділенням тепла в кількості 219,1 кДж.

Водяний газ - продукт взаємодії вуглецю з водяною парою за реакцією:

(4.11)

Ця реакція ендотермічна (132,8 кДж), тому кількість тепла, затрачуваного на її проведення, повинне бути враховане при розрахунку коефіцієнта корисної дії газифікації.

Напівводяний газ одержують на пароповітряному дутті. При цьому одночасно протікають реакції (4.9) і (4.11), причому основна умова полягає в тім, що все тепло, що виділяється за реакцією (4.10), повинне витрачатися за реакцією (4.11). Для дотримання цієї умови з 2 моль вуглецю, що реагує по реакції (4.10), повинне взаємодіяти 1,65 моль вуглецю за реакцією (4.11). Сумарне рівняння процесу в цьому випадку має вигляд:

Оксиводяний газ можна одержати на парокисневому дутті при такій самій умові, що і напівводяний. Відмінна риса оксиводяного газу - відсутність баласту (азоту).

Основні характеристики "ідеальних" генераторних газів представлені в табл. 2.

Таблиця 2 Ідеальні генераторні гази

Газ	Склад, % (об.)	Вихід газу, м3/кг	Теплота згоряння газу, кДж/м3	К. к. д., %
	СО	Н2	N2
Повітряний	34,7	-	65,3	5,39	4 400	72,2
Водяний	50,0	50,0	-	3,73	11 770	100,0
Напівводяний	40,3	18,2	41,5	4,63	7 080	100,0
Оксиводяний	68,9	31,1	-	2,71	12 150	100,0

Видно, що найбільша кількість газу утвориться при одержанні повітряного газу, однак його теплота згоряння невелика внаслідок того, що майже 2/3 його обсягу приходиться на азот. У цьому випадку спостерігається також найменший К.К.Д. газифікації. При одержанні генераторних газів з використанням водяної пари К.К.Д. дорівнює 100%, а теплота згоряння одержуваного газу суттєво вище, ніж у повітряного. Слід зазначити, що вихід газу і його теплота згоряння знаходяться в зворотній залежності: при збільшенні одного з цих параметрів відбувається зменшення іншого.

Дані, що відносяться до "ідеальних" генераторних газів, як і результати термодинамічних розрахунків рівноважних складів, можна використовувати для орієнтованої оцінки результатів газифікації при різних умовах.

Використання продуктів газифікації

Генераторний газ (синтез-газ), що включає продукт неповного окислення вугілля (оксид вуглецю), а також водень, володіє відновним потенціалом і використовується як газоподібне паливо. Генераторний газ, отриманий при газифікації на повітряному або пароповітряного дуття, внаслідок значного вмісту азоту має низьку (3,5-6 МДж / м) теплоту згоряння. Він зазвичай використовується за місцем отримання в низькотемпературних технологічних процесах. Газ пароповітряної конверсії більш калорійний (до 16 МДж / м), тому може застосовуватися як технологічне паливо для високотемпературних печей і транспортується на значні відстані від газогенераторної станції. Він є також цінною хімічною сировиною (вміст Н2 і СО доходить до 70%).

Галузь застосування

Газифікація як індустріальна технологія застосовується для переробки твердих, рідких і пастоподібних відходів. Зокрема, вона широко використовується в металургії для отримання горючих газів з бурого високозольного вугілля.

Переваги газифікації

1. Максимально повне перетворювання відходів з високим вмістом золи в продукт (синтез-газ).

2. Компактний розмір установок газифікації.

3. Порівняно проста система очистки генераторного газу.

4. Можливість використання в комплекті з газоспалювальним обладнанням, або когенераційними установками на основі газопоршневих двигунів внутрішнього згоряння.

Недоліки газифікації

1. За наявності в відходах хлорорганічних може відбуватися утворення діоксинів.

2. При охолодженні генераторного газу та його очищенні відбувається втрата енергії тому енергетичний вихід при газифікації менший ніж при спалюванні.

Апаратурне оформлення

Газогенератор - агрегат модульної конструкції, пристосовується легко до роботи з різними водонагрівальними і повітронагрівальними пристроями, зображений на рис. 4.2.

Газогенератор складається з трьох основних вузлів:

- камери газоутворення;

- камери загоряння;

- бункера для палива.

Рис. 7 Схематичний пристрій газогенератора "Импет"

Камера газоутворення являє собою металевий корпус, усередині якого розміщається власне камера. Усередині її встановлений реактор і колосникові ґрати. У нижній частині корпуса розташована зольна шухляда. Для підпалу газогенератора мається канал, що закривається дверцятами з заслінкою для регулювання подачі "первинного" повітря. На корпусі мається також фланець для установки паливного бункера.

Камера загоряння являє собою металевий корпус, у якому розміщається труба горіння. У камері мається канал із заслінкою для регулювання подачі "вторинного" повітря в трубу горіння. Бункер для палива являє собою ємність, у верхній частині якої мається завантажувальне вікно, що щільно закривається кришкою, а в нижній - вікно для подачі палива в камеру газоутворення. Деталі газогенератора, що працюють при підвищених температурах, виготовлені з жаростійких матеріалів. Зовнішні поверхні корпусів камер теплоізольовані.

Газогенератор установлюється так, щоб його труба горіння зістиковувалася з топкою котла або теплообмінника. Запуск газогенератора проводиться шляхом завантаження і підпалу на колосникових ґратах розпалювальним матеріалом. Потім у бункер завантажується основне паливо, що поступово надходить у зону реакції газоутворення.

Газ отриманий у камері газоутворення, надходить у трубу горіння, куди подається і додаткове "вторинне" повітря, суміш займається й у вигляді смолоскипа подається в топку агрегату, разом з яким працює газогенератор. Регулювання процесу здійснюється зміною подачі "первинного" і "вторинного" повітря, а також зміною ступеня розрядження в агрегаті.



Рис. 8 Переробка відходів з використанням газогенератора. Продукція, що отримується: електроенергія, теплова енергія

4. Піроліз

Піроліз як спосіб нагрівання органічних речовин до відносно високих температур без доступу повітря супроводжується розкладанням високомолекулярних сполук на низькомолекулярну, рідку і газоподібну, фракції, коксуванням і смолоутворення.

Піроліз використовують при сухій перегонці деревних відходів, переробці гумотехнічних виробів, нафтопродуктів і т. д.

Класифікація

В залежності від температури реалізації розрізняють три види піролізу:

- низькотемпературний, або напівкоксування (не більше 450-550° С);

- середньотемпературний, або середньотемпературне коксування (до 800° С);

- високотемпературний, або коксування (900-1050 ° С).

З підвищенням температури знижується вихід рідких і збільшується - газоподібних продуктів. Тому низькотемпературний піроліз зазвичай проводять для отримання первинної смоли - найбільш цінного джерела рідкого палива і різних хімічних продуктів. Основне завдання високотемпературного піролізу - отримання високоякісного пального газу. Твердий залишок (піролізний кокс) використовують як замінник природних і синтетичних вуглець матеріалів, сорбенту при очищенні питних і стічних вод і т. д.

Фізико-хімічні основи процесу

У ході технологічного процесу піролізу в основному здійснюються такі реакції:

а) дегідрогенізація, що характеризується розривом хімічного зв'язку С - Н;

б) деструкція, що характеризується розривом зв'язку С - С;

в) реакції ізомеризації;

г) реакції типу синтезів - полімеризація, циклізація, реакції конденсації і т. п.

Процеси дегідрогенізації і деструкції є ендотермічними первинними, а всі інші - екзотермічними вторинними реакціями.

Більшість дослідників дотримуються теорії ланцюгового вільно-радикального механізму розкладу при піролізі. Умовно всі реакції при піролізі можна розділити на первинні і вторинні. Первинні реакції протікають з збільшенням обсягу реакційної маси. Це, в основному, реакції розщеплення парафінів і нафтенових вуглеводнів з утворенням вуглеводнів з меншою молекулярною масою. Вторинні реакції протікають, переважно, на пізніх стадіях піролізу і протікають вони зі зменшенням обсягу реакційної маси. Це, в основному, реакції утворення ароматичних, поліядерних ароматичних вуглеводнів в результаті реакції конденсації чи поліконденсації термічно стабільних ароматичних вуглеводнів і в результаті реакцій типу Дільса-Альдера. Також до вторинних реакцій можна віднести реакції утворення різних твердих вуглецевих сполук, які в промисловості прийнято називати коксом.

Однак, ще раз варто підкреслити, що такий поділ реакцій на первинні та вторинні умовно.

Для зниження швидкостей вторинних реакцій піролізу використовують розведення сировини піролізу водяною парою.

У результаті парціальний тиск вуглеводнів знижується і, згідно з принципом Ле-Шательє, зниження тиску в зоні реакції сприятиме перебігові реакцій, що йдуть зі збільшенням обсягу, тобто - первинних.

Технологія піролізу розроблена безпосередньо для коксування вугілля в металургійний кокс і для перетворення вуглеводневих фракцій при переробці нафти. Удосконалення установок для спалювання побутового сміття призвело до виникнення таких методів піролізу, які дозволяють отримувати горючі, нешкідливі для навколишнього середовища гази; значно зменшуються обсяги викидів. Однак одержувані при цьому піролізні олії мають дуже складний склад, містять велику кількість води, термічно нестабільні і з цих причин не придатні для використання в якості хімічної сировини.

Щоб отримувати високоякісні піролізні олії постійного складу, необхідно дотримуватись особливих вимог до вихідної сировини. Це переважно повинні бути відходи з високим вмістом вуглеводнів. Для перетворення таких термопластів, як низькомолекулярний поліетилен або атактичний поліпропілен, застосовують низькотемпературний рідиннофазний піроліз в безперервно або періодично працюючих реакторах. У деяких випадках в області низьких температур знаходять застосування реактори з псевдорозрідженим шаром.

Для отримання низькомолекулярної сировини з таких особливих видів відходів полімерів, як суміші термопластів, кабельна ізоляція, старі шини, застосовують високотемпературний піроліз, при цьому більша продуктивність досягається тільки у разі безперервних методів.

Низькотемпературний піроліз в рідкій фазі. Область робочих температур в цьому випадку визначається продуктом, який переробляють. Наприклад, відходи ПВХ і побічні продукти вище 200 °С відщепляють хлороводень, а при подальшій термічній обробці (вище 400 єС) розкладаються на технічний вуглець та вуглеводні. Рідиннофазний піроліз полістиролу при температурах вище 350 °С веде до утворення стиролу з високим виходом. Низькомолекулярний поліетилен піролізується при 400 - 450 °С, при цьому отримують аліфатичні багаті олефінами масла і аліфатичні віск. Атактичний поліпропілен термічно розкладається в області температур від 400 до 500 °С.

Сировину в реактор завантажують в розплавленому стані або в якості реакційного середовища застосовують поліетиленові воски, розплав поліетилену або поліпропілену, висококиплячі дистиляти. Реактори з псевдозрідженим шаром продуваються повітрям, тому в них протікають окислювальні процеси.

Високотемпературний піроліз. Високотемпературний піроліз проводять при температурах від 600 до 800 є С. При прямому обігріві і подачі повітря температура піролізу може бути нижчою. При високих температурах піролізу знижується вихід аліфатичних з'єднань, а ароматичних значно зростає. Для цього необхідно, щоб відходи були сухими і перероблялися за відсутності кисню. Тому доцільніше проводити обігрів в реакторі.

У ряді країн розробляють установки з псевдозрідженим шаром і барабанні реактори. В Англії проводяться експерименти на шахтній печі. Економічна ефективність піролізу в значній мірі визначається використанням його продуктів (зараз у багатьох випадках це знаходиться на межі рентабельності). Піролізні олії використовуються головним чином для опалення. Поділ масел на компоненти дуже енергоємний, вимагає матеріальних витрат.

При піролізі відпрацьованих пластмасових виробів частка ароматичних сполук в продуктах піролізу може бути істотно підвищена за рахунок використання відповідної сировини і апаратурного оформлення процесу. З піролізних газів, якщо передбачається їх використання в якості палива, то необхідно заздалегідь видалити хлороводень і сполуки сірки. Теплотворна здатність піролізних газів становить від 40 до 44 кДж/м3. Піролізний технічний вуглець може бути використаний як фільтруючий вуглець і як наповнювач.

Піроліз деревинних відходів

сухі (<10% вологості), подрібнені в порошок деревні відходи, включаючи тирсу, кору і т.д., швидко нагріваються в киплячому шарі інертного матеріалу всередині реактора до температури 200 - 500°С при відсутності повітря.

Рис. 9



Рис. 10

Уже при температурі 200°С, починається виділення газів CO, CO2.

Терморозпад деревини відбувається в цілому з виділенням тепла, тобто це процес екзотермічний, у зв'язку із цим полегшується прогрів маси палива. Продуктами піролізу є частки деревного вугілля, неконденсований газ, конденсовані пари та аерозолі метиловий спирт, ацетон. Частинки деревного вугілля відокремлюються в циклоні, а летючі речовини піддаються швидкому охолодження, в результаті якого утворюється рідина - синтетичне рідке паливо (піротопливо), що поступає в накопичувальний резервуар. Леткі (парогазова суміш) складаються з газів, які являють собою сполучення вуглецю, водню, кисню й ін. (СО, СО2, СН4, С2Н4, N2, О2, Н2), пари смоли, оцтової (деревної) кислоти (СН3СООН), пар води та ін. Із цих газів, двоокис вуглецю (СО2), продукт повного згоряння вуглецю, не здатний до подальшого горіння й тому є шкідливим домішком в газі піролізу. Азот (N2), просте газоподібне, не здатне згоряти, і є баластом. Процес піролізу деревини відбувається у верхній камері котла (завантажувальному просторі) під дією спека і при обмеженому доступі повітря. Виникає деревний газ протікає через шар спека, досягає сопла і змішується там з вторинним повітрям.

Піроліз полімерів

Шини і полімери являють собою цінну сировину. В результаті переробки шин методом низькотемпературного піролізу (до 500 ° С) виходять рідкі фракції вуглеводнів (синтетична нафта), вуглецевий залишок (технічний вуглець), металокорд і горючий газ. У той же час, якщо спалити 1 т шин, то в атмосферу виділиться 270 кг сажі і 450 кг токсичних газів 13.

Вихід піролізної олії із суміші пластиків залежить від компонентного складу суміші: наприклад, поліетилен, полупропілен, полістирол: 70% ; поліуретани: ~ 50-52%.

Піролізне масло використовується як котельне або пічне паливо, паливо дизельних генераторів 14.

Вихід продуктів піролізу

З підвищенням температури знижується вихід рідких і збільшується - газоподібних продуктів.

1. Низькотемпературний піроліз чи напівкоксування (450-550°С). Для даного виду піролізу характерні максимальний вихід рідких і твердих (напівкокс) залишків і мінімальний вихід піролізного газу з максимальною теплотою згоряння. Метод підходить для отримання первинної смоли - цінного рідкого палива, і для переробки некондиційного каучуку в мономери, які є сировиною для вторинного створення каучуку. Напівкокс можна використовувати в якості енергетичного і побутового палива.

2. Середньотемпературна піроліз чи среднетемпературное коксування (до 800 ° С) дає вихід більшої кількості газу з меншою теплотою згоряння і меншої кількості рідкого залишку та коксу.

3. Високотемпературний піроліз або коксування (900-1050°С). Тут спостерігається мінімальний вихід рідких і твердих продуктів і максимальна вироблення газу з мінімальною теплотою згоряння - високоякісного пального, придатного для далеких перевезень, що відбуваються , полікарбон - як сировину для виробництва різних полімерних матеріалів. У результаті зменшується кількість смоли і вміст у ній цінних легких фракцій.

4. Твердий залишок (піролізний кокс) використовують як замінник природних і синтетичних вуглецевмісних матеріалів, сорбенту при очищенні питних і стічних вод, саджу використовують у виробництві гумотехнічних виробів, пластмас, типографських фарб, пігментів. Інертні матеріали, наприклад, розплавлений шлак, гранулюють і використовують у промисловості будівельних матеріалів 16.

Переваги піролізу

- відбувається більш інтенсивне перетворення вихідного продукту;

- оскільки термічне розкладання відбувається без доступу повітря, немає умов для утворення таких токсичних сполук, як діоксини, фурани, бензапірен та інші.

Недоліки та обмеження піролізу

- складність технологічного обладнання для проведення безперервного процесу піролізу зумовлена тим, що виникає потреба постійної подачі сировини до високотемпературної камери піролізу та забезпечувати при цьому високий рівень герметизації реакційного об'єму.

- процес піролізу протікає з поглинанням енергії, тому потребує зовнішнього підводу енергії або використання частини отриманих продуктів в якості палива.

- Переробляти рідкі продукти піролізу економічно доцільно лише при багатотоннажних обсягах виробництва.

Забезпечення екологічного процесу

Сировина для піролізу дуже різноманітна: від газоподібних вуглеводнів (етану, пропану) до важких дистилятів і сирої нафти. Однак основна маса сировини, яка переробляється представлена газоподібними вуглеводнями і бензинами. Ці види сировини дають найбільші виходи цільових продуктів при найменшому коксоутворенні. Наприклад, бензин проходить через паровий підігрівач, змішується перед надходженням в піч з перегрітим водяним паром і піддається в печі подальшому нагріванню і піролітичному розкладанню. Кінцева температура реакції (на виході з печі) становить 750-850 ° С. Високі температури, короткий час перебування сировини в зоні реакції і розведення сировини водяною парою сприяють переважному розщепленню з утворенням значної кількості газу. Поряд з газом утворюється і побічний рідкий продукт - смола. Вихід смоли для газової сировини в середньому 5%, для бензинів - близько 20% (за масою). Для припинення реакцій піролізу парогазова суміш, що виходить з печі, піддається швидкому охолодженню у змішувачі - так званому гартівному апараті (шляхом прямого контакту з водяним конденсатом, який при цьому випаровується). Подальше охолодження проходить в котлі-утилізаторі, де виробляється пар високого тиску. Частково охолоджена парогазова суміш після котла-утилізатора проходить масляне промивання для видалення частинок сажі і коксу та з неї виділяється важка частина смоли. Полегшена парогазова суміш піддається подальшому охолодженню з наступним відділенням водного та легкого вуглеводневого конденсату від власне газів, які спрямовуються на газофракціонуючий прилад для виділення етилену і пропилену.

З санітарної точки зору процес піролізу володіє кращими показниками у порівнянні зі спалюванням. Кількість утворених газів, що піддаються очищенню, набагато менше, ніж при спалюванні відходів. Обсяг твердого залишку, одержуваного за схемою високотемпературного піролізу, може бути значно зменшений. Твердий залишок можна використовувати або в промисловості (сажа, активоване вугілля тощо) 15.

Приклад практичного застосування

У США розроблено метод високотемпературного піролізу ТПВ - Торракс. Метод характеризується процесами розпаду і часткового окислення горючих компонентів, а також плавленням інертних матеріалів при температурах до 1650 ° С. За допомогою цього методу можна обробляти, крім побутових, відходи дрібних промислових виробництв, близькі за складом до побутових відходів, а також старі автопокришки, зневоднений осад стічних вод, відходи медичних установ і т.п.

ТПВ можуть бути завантажені в установку безпосередньо в тому вигляді, в якому вони були доставлені з місць збору, без попередньої обробки, за винятком дроблення громіздких предметів до шматків розміром близько 1 м.

Найважливішою частиною системи є реактор (рис. 2.4). Він працює як вертикальна шахтна піч і забезпечує процес піролізу відходів і шлакоутворення негорючих компонентів. За формою корпус реактора нагадує вагранку, але відрізняється від неї рядом особливостей. Усередині корпусу відсутні колосникові решітки і рухомі частини. Висота його приблизно 15 м, внутрішній діаметр шахти - близько 3 м. При таких розмірах шахти і цілодобовій роботі обладнання забезпечується продуктивність 300 т/добу.

Відходи періодично завантажуються у верхню частину реактора. Під дією власної маси вони проходять зверху вниз через три зони: сушіння, піролізу, первинного згоряння і плавлення.

Горючі гази із зони згоряння проходять вгору крізь шар відходів і віддають тепло в зонах сушіння і піролізу. У зоні сушіння волога, що міститься у відходах, випаровується. Вступники зверху відходи створюють пробку, що запобігає підсмоктування повітря через відкрите на пластину. Під зоною сушіння розташована зона піролізу, де висушені відходи ендотермічною (практично без доступу повітря) розкладаються на горючий газ, вуглець і інертні матеріали. Горючі гази піднімаються вгору по шахті і потрапляють в кільцеподібний канал, звідки вони в суміші з парою відсмоктуються вентилятором.

Найважливішими компонентами горючого газу є водень, оксид вуглецю і метан. Теплота згоряння цієї суміші, за різними даними, становить 6680-10450 кДж/м3 склад і теплота згоряння пального газу залежать від складу відходів та характеру процесу піролізу.

Тверді продукти піролізу (вуглець і інертні матеріали) осідають, а потім надходять у зону первинного згоряння і плавлення в нижній частині реактора, де високі температури підтримуються за рахунок подачі підігрітого до 300 - 500 ° С повітря і тепла, що виділяється при згорянні вуглецю. Для підведення нагрітого повітря служить кільцеподібна труба, яка грає роль колектора при його розподілі і подачі через фурми в топку 19.



Рисунок 11 Реактор високотемпературного піролізу Торракс: 1- завантаження відходів; 2 - вихід горючого газу; 3 - видалення і охолодження шлаку: 4 - зона спалювання і плавлення; 5 - подача гарячого повітря в зону горіння; 6 - зона піролізу; 7 - зона сушіння: 8 - завантажені відходи

Коксовий залишок, що утворився при піролізі, окислюється в оксид вуглецю, а інертні матеріали оплавляються. У нижній частині газогенератора знаходиться зона плавлення з максимальними температурами до 1650 ° С. Розплавлений рідкий шлак виводиться через шлакову ванну, при цьому розплавлений шлак, що має в основному силікатні компоненти, гранулюється і використовується в промисловості будівельних матеріалів.

Частина енергії одержуваного газу (до 10-15%) використовується в самій системі для нагрівання повітря, що подається в зону спалювання реактора. Інша енергія може бути передана споживачу безпосередньо у вигляді газоподібного палива або у вигляді пари.

Експлуатація промислової установки Торракс виявила її переваги :

а) безперервність процесу,

б) відсутність рухаючих частин в термічно навантаженій зоні;

в) незначне винесення твердих частинок димовими газами , завдяки оплавлення пиловидних компонентів 20.

Приклад практичного застосування

Рис. 12

Доставленные на установку производительностью 35 т/сут отходы по двум виброжелобам направляются в дробилку, а затем в бункер, откуда их можно непрерывно подавать во вращающуюся печь. Эта печь изнутри футерована огнестойким материалом и установлена с небольшим наклоном, благодаря чему измельченные отходы в ней легко перемещаются, при этом часть горючих составляющих сгорает.

Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по отношению к обогревающим газам. Процесс эндотермичен, и для его осуществления подводится дополнительное топливо.

Остаток от сгорания твердых отходов попадает в находящуюся в конце печи ванну для гашения, питаемую водой из установки для очистки отходящих газов. Затем шлак направляется на флотационную установку, после которой отделенные легкие компоненты в виде угольного шлама вытекают, сгущаются и фильтруются перед вывозом, тогда как тяжелые составные части поступают на магнитный сепаратор. Освобожденный от железа остаток представляет собой стекло - содержащее темное вещество. Отходящие от печи газы полностью сгорают в камере с огнеупорной футеровкой, в которую подается воздух. Тепло используется для производства пара. Газ попадает в скруббер, а оттуда через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу (рис. 24).

Установка, работающая на основе этого принципа, построена в Балтиморе (штат Мериленд, США). Стоимость установки -- 15 млн. 852 тыс. долл. Годовая мощность (при коэффициенте использования оборудования 0,85) - 310 тыс. т. Стоимость переработки 1 т отходов 5,87 долл. (за вычетом дохода на реализацию).

5. Інші термічні методи

Плазмові методи

Переплавка металів

Розплавлення полімерів

Отримання шлакоматеріалів

Виплавлення металів з відходів

Размещено на Allbest.ru

...