Спосіб і пристрій високотемпературної переробки відходів

1 Спосіб високотемпературної переробки ВІДХОДІВ, що включає розплавлювання мінеральної частини перероблюваних ВІДХОДІВ І спалювання додаткового палива в КІЛЬКОСТІ, необхідній для розплавлювання і утримання утвореного розплаву в рідкотекучому стані, який відрізняється тим, що спалювання додаткового палива і флюсування золи ведуть у циклонних апаратах з наступною подачею продуктів газифікації разом з відходами у Винахід відноситься до області переробки побутових і промислових ВІДХОДІВ, зокрема до високотемпературної переробки ВІДХОДІВ з утилізацією енергії продуктів газифікації ВІДОМІ способи і пристрої високотемпературної переробки побутових і промислових ВІДХОДІВ з утилізацією енергії продуктів газифікації [1 Альков Н Г , Коротеев А С Комплексная технология многостадийной утилизации твердых бытовых отходов с получением электроэнергии М Известия Академии наук Энергетика-2000 - №4- С 21-33 2 Переработка в шлаковом расплаве Новая технология утилизации бытовых и промышленных отходов М Рекламный проспект фирмы АЛГОН и МИСиС] ВІДОМІ рішення з переробки ВІДХОДІВ включа ють їхнє попереднє сортування з наступною переробкою по різних технологіях Реалізація таких рішень ускладнена високою вартістю сортування і необхідністю використання різних агрегатів і технологій переробки Так, побутові відходи звичайно спалюються в утилізаційних котлах з одержанням пару і деякої КІЛЬКОСТІ електроенергії, однак, через низьку теплотворність ВІДХОДІВ, енергетична ефективність переробки мала При цьому потрібно рішення проблеми поховання твердої золи і зне розплав, причому коефіцієнт надлишку окислювача змінюють у залежності від теплопотреби завантажених ВІДХОДІВ в межах 0,5-2,0 (моль С^/моль С) шляхом зміни витрати палива і/або повітряного дуття 2 Пристрій високотемпературної переробки ВІДХОДІВ, що містить шахту з розташованими в и нижній частині модулями спалювання палива і завантаження ВІДХОДІВ, а у верхній - модулями завантаження кускових матеріалів, який відрізняється тим, що в нижній частині шахти встановлений накопичувач розплаву з розташованим по колу зовнішньої поверхні шахти кільцевим куполом, на якому навколо шахти попарно встановлені модулі завантаження ВІДХОДІВ І ЦИКЛОННІ газифікатори палива для подачі ВІДХОДІВ І вдування продуктів газифікації палива в розплав шкодження газових продуктів переробки, тому що температури спалювання недостатньо високі Промислові відходи, що містять оксиди металів, пальні компоненти і ШКІДЛИВІ ДОМІШКИ, вимагають використання спеціальних методів переробки і специфічних агрегатів Знищення шкідливих домішок і підвищення енергетичної ефективності переробки ВІДХОДІВ досягається у високотемпературній технологи, розробленої НПО«АЛГОН» і Московським інститутом сталі і сплавів (МИСиС) [2] Сутність и - у спалюванні ВІДХОДІВ і розплавлюванні їхньої мінеральної частини в барботажному шарі рідкого шлаку Недоліком цієї технології є велика витрата кисню, що робить цю технологію високовитратною, а велике забруднення високотемпературних димових газів, що надходять у котел - утилізатор, ускладнює досягнення високого ступеня утилізації тепла Як прототип прийнятий відомий спосіб високотемпературної переробки ВІДХОДІВ, що включає розплавлювання мінеральної частини перероблюваних ВІДХОДІВ і спалювання додаткового палива в КІЛЬКОСТІ, необхідній для розплавлювання і утримання утвореного розплаву в рідкотекучому стані, і пристрій для його здійснення, що включає шахту з розташованими в и нижній частині модулями спа (О ю 59164 лювання палива і завантаження ВІДХОДІВ, а у верхньої - модулями завантаження кускових матеріалів [З Метод высокотемпературной газификации фирмы ФЕСТ-АЛЬПИНЕ // Доклад дипл инж П Фрайманн Москва 1988 Выставка Technology 88] Модуль завантаження ВІДХОДІВ розташований у нижній частині шахти над модулем спалювання додаткового палива, причому продукти горіння палива з надлишком кисню спрямовані на потік завантажуваних ВІДХОДІВ, ЩО піддаються повному спалюванню з розплавлюванням їхньої мінеральної частини Продукти горіння піднімаються в шахту і фільтруються через стовп завантаженого зверху коксу, а шлаковий розплав стікає вниз у модуль для грануляції Недоліками прототипу є - недостатня поверхня взаємодії гарячих газів із твердими і розплавленими матеріалами ВІДХОДІВ, - обмежені можливості регулювання ентальпії продуктів горіння палива при ЗМІНІ теплопотреби завантажених матеріалів, наприклад, вміщенні оксидів металів, тугоплавких компонентів і ш - неможливість керування властивостями розплаву, у т ч його в'язкістю, а також споживчими характеристиками продуктів В основу винаходу поставлена задача створення універсального пристрою і способу, що забезпечують високотемпературну переробку ВІДХОДІВ перемінного складу з різними властивостями при використанні будь-якого доступного палива з повною утилізацією всіх продуктів переробки і знищенням шкідливих речовин Поставлена задача вирішується таким чином На відміну від відомого способу високотемпературної переробки ВІДХОДІВ, спалювання додаткового палива і флюсування золи ведуть у циклонних апаратах з наступною подачею продуктів газифікації разом з відходами у розплав, причому коефіцієнт надлишку окислювача змінюють у залежності від теплопотреби завантажених ВІДХОДІВ в межах 0,5-ь2,0 (моль С^/моль С) шляхом зміни витрати палива і (або) повітряного дуття Спосіб здійснюють у пристрої високотемпературної переробки ВІДХОДІВ, що включає шахту, у нижній частині якої встановлений накопичувач розплаву з розташованим по колу зовнішньої поверхні шахти кільцевим куполом, на якому навколо шахти попарно встановлені модулі завантаження ВІДХОДІВ і циклонні газифікатори палива для подачі ВІДХОДІВ і вдування продуктів газифікації палива в розплав Між суттєвими и ВІДМІТНИМИ ознаками винаходу і технічним результатом, що досягається, є наступний причинно-наслідковий зв'язок Спалювання палива в циклонних камерах сприяє підвищенню повноти вигоряння органічної частини і досягненню температур, при яких відбувається зрідження мінеральної частини, що включає домішки флюсів Продукти газифікації палива зі зрідженими частками мінеральної частини подаються у ванну розплаву і створюють у ній барботаж (турбулентність) У зону барботажу (турбулентності) завантажуються тверді відходи Пальна частина ВІДХОДІВ ОКИСЛЯЄТЬСЯ ДИОКСИДОМ вуглецю вологою (НгО) і надлишковим киснем газів, що надходять з циклонних камер, а мінеральна частина розплавляється з відновленням оксидів металів Для підтримки температури газу вище температури розплаву (1400-ьН500°С) змінюють КІЛЬКІСТЬ палива і коефіцієнт витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль С^/моль С) Нижня межа зазначеного відношення (0,5) визначається стехіометричним відношенням (Ог/С, при якому можливо повне окислювання вуглецю до СО При величині вказаного відношення менш, ніж 0,5, має місце недопал палива і відбувається виділення сажі, що несприятливо для ходу процесів Величина коефіцієнта витрати окислювача 1,0 стехіометрично відповідає окислюванню вуглецю до СО2, a при величині більш 1,0 має місце надлишок кисню в газі, що, підвищуючи повноту спалювання, одночасно приводить до зниження температури газу При значенні коефіцієнта витрати окислювача більш 2,0 температура газу знижується до рівня температури розплаву, що не забезпечує передачу тепла від газу до розплаву і приводить до охолодження розплаву Шляхом зміни КІЛЬКОСТІ палива, що згоряє, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль Ог/моль С) змінюють КІЛЬКІСТЬ внесеного газом тепла і його температуру Перше необхідно для компенсації виникаючого розбалансу тепла при завантаженні матеріалів зі змінювальною теплопотребою, друге - для підвищення температурного потенціалу газів у випадку завантаження тугоплавких матеріалів (зі збільшеною температурою плавлення) Таким чином, суттєві ВІДМІТНІ ознаки способу, що заявляється, забезпечують досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні контакту продуктів горіння палива із завантаженими відходами, утриманні стабільності теплового балансу процесу при ЗМІНІ складу і властивостей матеріалів, що завантажуються у ванну, а також у можливості досягнення потрібних властивостей розплаву Споживчий результат виразиться в забезпеченні можливості переробки несортованих ВІДХОДІВ з повною утилізацією всіх продуктів і знищенням шкідливих речовин Суть способу, що заявляється, полягає втому, що для переробки несортованих ВІДХОДІВ використовують високотемпературну технологію на основі попереднього спалювання палива в циклонних газифікаторах і подачі продуктів газифікації у ванну розплаву, у яку завантажуються відходи Технологія синтезує переваги циклонних газифікаторів, процесів у розплаві і шахтного протитоку для вирішення задачі повної утилізації ВІДХОДІВ перемінного складу з одержанням електроенергії, будівельних матеріалів, металів і інших побіжних продуктів при повному виключенні шкідливих викидів У ванні вуглець і вуглеводи ВІДХОДІВ реагують із СО2, НгО і надлишковим киснем (Ог) гарячих газів з утворенням СО, СОг, Нг, НгО Тверді складові переходять у розплав (1400-И500°С), частина оксидів (у т ч заліза) відновлюються до металів і осідають Утворений гарячий газ направляється в шахту, що безупинно завантажується кусковим вугіллям чи іншим кусковим вуглецьвмісним матеріалом 59164 (наприклад, боєм електродів електропечей) При фільтрації через шар вугілля оксидні компоненти газу реагують з вуглецем по реакціях СО2+С=2СО, Н2О+С=Н2+СО з ендотермічним ефектом, так що температура їх у ході фільтрації зменшується, а теплотворність збільшується (за рахунок утворення СО+Н2) Крім того, відбувається часткове очищення газів, що потім завершується при ВІДВОДІ газу із шахти в гарячому циклоні Управління процесом переробки ВІДХОДІВ ШЛЯХОМ утримання стабільного балансу тепла здійснюється зміною КІЛЬКОСТІ палива, що спалюється в циклонних газифікаторах, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль О2/моль С) Збільшенням КІЛЬКОСТІ палива, що згоряє, досягають компенсації додаткової потреби тепла при завантаженні матеріалів з підвищеною теплопотребою, а зменшенням - скорочення надлишку тепла при завантаженні матеріалів зі зниженої теплопотребою Збільшення коефіцієнта витрати окислювача сприяє підвищенню температури газу і створює умови для переробки матеріалів з підвищеною температурою плавлення При цьому за рахунок надлишку окислювачів збільшується витрата кускового палива в шахті і швидкість опускання його у ванну розплаву Варіювання коефіцієнта витрати окислювача може, таким чином, використовуватися також для регулювання стану стовпа кускового палива в шахті шляхом зміни швидкості його опускання Пристрій для реалізації способу пояснюється схемою з написами на кресленні Агрегат включає круглу чи овальну в плані ванну розплаву з льотками для періодичного випуску металу і шлаку Над ванною розташований купол, що переходить у центральній частині в шахту По колу куполу навколо шахти розташовані газифікатори палива (пиловугільного, рідкого, газівного) По іншому концентрично розташованому колу купола встановлені шнекові транспортери для подачі в піч несортованого побутового сміття, промислових і інших ВІДХОДІВ, а також недефіцитних залізорудних матеріалів По колу купола навколо шахти може бути встановлене щонайменше 4 циклонних газифікатори (ЦГ) продуктивністю по паливу 2-Зт/година Загальна продуктивність з палива складе ~ 10т/годину при 4ЦГ, 20т/годину при 8ЦГ і т д Шнекові транспортери (LUT) для завантаження ВІДХОДІВ установлюються по числу ЦГ і розраховуються на продуктивність виходячи зі співвідношення паливо/відходи (п/в), величина якого звичайно (п/в)>0,03кг/кг Особливістю пропонованої технологи є більш високе значення зазначеного відношення, що забезпечує СТІЙКІСТЬ роботи енергетичної схеми з розплавлюванням усіх мінеральних складових і знищенням шкідливих речовин При величині (п/в)=0,3, тобто на порядок більш високої, продуктивність по відходам складає для агрегату з 4-х ЦГ (і ВІДПОВІДНО 4-Х ШТ) ~ 35т/годину, для агрегату з 8ЦГ (і ВІДПОВІДНО 8 ШТ) ~ 70т/годину і тд Спосіб здійснюють таким чином У циклонні газифікатори тангенціально вводять нагріте в рекуператорі атмосферне дуття (700-900°С) і паливо (пиловугільне, мазут, природ ний газ, паливні відходи й ш), а також частково здрібнені флюси (вапняк і ш ) і залізовмісні матеріали Газ виводиться з газифікатора тангенціально разом зі зрідженими мінеральними складовими при температурі 1600-2000°С і направляється в шлакову ванну, де створює барботаж (турбулентність) У зону барботажу поблизу газифікаторів подають шнеком суміш ВІДХОДІВ ДЛЯ поліпшення транспортування шнеком до м'яких і легких матеріалів (папір, картон, полімери, харчові відходи, рослини й ш) домішують важкі кускові матеріали (вапняк, будівельне сміття, метал і ш ) У ванні вуглець і вуглеводи ВІДХОДІВ реагують із СО2, Н2О і надлишковим киснем (О2) гарячих газів з утворенням CO, СО2, Н2, Н2О Тверді складові переходять у розплав (1400-1500°С), частина оксидів (у т ч заліза) відновлюються до металів і осідають Утворений гарячий газ направляється в шахту, що безупинно завантажується кусковим вугіллям чи іншим кусковим вуглецьвмісним матеріалом (наприклад, боєм електродів електропечей) При фільтрації через шар вугілля оксидні компоненти газу реагують з вуглецем по реакціях СО2+С=2СО, Н2О+С=Н2+СО з ендотермічним ефектом, так що температура їх у ході фільтрації зменшується, а теплотворність збільшується (за рахунок утворення СО+Н2) Крім того, відбувається часткове очищення газів, що потім завершується при ВІДВОДІ газу із шахти в гарячому циклоні Управління процесом переробки ВІДХОДІВ ШЛЯХОМ утримання стабільного балансу тепла здійснюється зміною КІЛЬКОСТІ палива, що згоряє в циклонних газифікаторах, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль О2/моль С) Збільшенням КІЛЬКОСТІ палива, що згоряє, досягають компенсації додаткової потреби тепла при завантаженні матеріалів з підвищеної теплопотребою, а зменшенням - скорочення надлишку тепла при завантаженні матеріалів зі зниженої теплопотребою Збільшення коефіцієнта витрати окислювача сприяє підвищенню температури газу і створює умови для переробки матеріалів з підвищеною температурою плавлення При цьому за рахунок надлишку окислювачів збільшується витрата кускового палива в шахті і швидкість опускання його у ванну розплаву Варіювання коефіцієнта витрати окислювача може, таким чином, використовуватися також для регулювання стану стовпа кускового палива в шахті шляхом зміни швидкості його опускання Отриманий при виході із шахти газ з температурою ~ 1000°С використовується для утилізації енергії по відомих схемах одержання електроенергії, що включає як паротурбінні, так і газотурбінні установки Останні дозволяють навіть за низької теплотворності ВІДХОДІВ досягати ККД>25% (звичайний ККД при переробці ВІДХОДІВ