автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование процесса и разработка реактора вращающегося кипящего слоя для термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов

На правах рукописи

РГВ од

БЕРНАДИНЕР ИГОРЬ МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА И РАЗРАБОТКА РЕАКТОРА ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА, 2000

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре "Энергетика высокотемпературной технологии".

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Волков В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Данилов O.JI.

кандидат технических наук Сумароков М.В.

Ведущая организация: Московское государственное предприятие

"Промотходы"

Защита диссертации состоится " 8 " декабря 2000 г. в 14 часов в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета К.053.16.03. в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 17.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Учёный Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан: _2000 года.

Учёный секретарь диссертационного Совета К.053.16.03 к.т.н., доцент _

Н. В. Кулешов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

В различных сферах производства и потребления образуются токсичные твердые и пастообразные органические отходы. Большую опасность представляют отходы, содержащие галоген -, сера - и фосфорорганические соединения. К таким отходам относятся не подлежащие вторичному использованию и регенерации твердые, пастообразные и жидкие отходы лакокрасочных материалов, шламы предприятий химчистки, пришедшие в негодность пестициды, просроченные лекарственные препараты, загрязненный органическими примесями грунт и др.

В прежние годы остро не стояла проблема переработки и обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов и осадков сточных вод, которые направлялись на общие с бытовыми отходами полигоны, а в большинстве случаев размещались на несанкционированных свалках.

Для обезвреживания (уничтожения) токсичных твердых и пастообразных органических отходов по существу единственным эффективным методом является термический метод.

Возможность превращения органических соединений при высоких температурах в безвредные продукты обуславливает высокую экологическую эффективность термического метода обезвреживания отходов. Однако указанная возможность реализуется только при обеспечении определенных технологических, конструктивных и режимных параметров процесса -температуры в реакторе, удельной массовой нагрузки рабочего объема реактора, аэродинамической структуры и степени турбулентности газового потока в реакторе и др.

Галогены, сера, фосфор, содержащиеся в органических отходах, в процессе термической переработки переходят в газообразные соединения НС1, ИР, Б02, БОз, Р4О10, которые подвергаются вторичной обработке с помощью нейтрализующих присадок с получением нетоксичных минеральных солей (ЫаС1, СаР2, Са28 04, Ыа4Р207 и др.).

В реальной практике применяются примитивные печи и реакторы (в основном слоевого типа) для термического обезвреживания указанных отходов. Эти печи характеризуются низкими санитарными показателями (выбросы токсичных веществ в атмосферу, в том числе супертоксикантов -полиароматических углеводородов (ПАУ), полихлорированных дибензо-диоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ), полихлорированных би-фенилов (ПХБ); образование шлака, содержащего остатки органических примесей), малым рабочим ресурсом и низкой интенсивностью процесса обезвреживания.

В настоящее время в связи с ужесточением экологического законодательства появилась острая необходимость создания эффективных реакторов обезвреживания твердых и пастообразных отходов.

Цель диссертационной работы.

Целью работы является: 1) исследование процесса и разработка экологически эффективного и высокопроизводительного реактора вращающегося кипящего слоя (РВКС) для термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов, в том числе содержащих токсичные соединения галогенов, серы и фосфора, обеспечивающего высокие экологические характеристики, удовлетворяющие самым жестким современным нормативам по выбросам; 2) определение оптимальных режимных и конструктивных параметров РВКС. Научная новизна.

1. На воздушной модели исследована гидродинамическая структура ВКС. Выявлены и определены основные режимные и конструктивные параметры, оказывающие влияние на характер вращения кипящего слоя.

2. На огневом стенде РВКС определены оптимальные технологические параметры процесса термического обезвреживания органических отходов с высокой экологической эффективностью.

3. Разработана и исследована технология термического обезвреживания твердых и пастообразных сера -фосфорсодержащих отходов с двухступенчатой нейтрализацией кислых компонентов в объеме реактора с применением щелочноземельных и щелочных реагентов.

4. Разработана методика расчета РВКС для термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов.

Практическая ценность.

Разработана конструкция нового типа реактора - РВКС для термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов, отличающегося от существующих высокой экологической и экономической эффективностью и надежностью процесса переработки токсичных отходов.

Полученные результаты экспериментальных исследований использованы при разработке промышленных реакторов обезвреживания любых типов твердых и пастообразных органических отходов. Методы исследования.

Для решения поставленных задач в МЭИ (ТУ) на кафедре ЭВТ были сооружены экспериментальные установки. Исследования проводились на воздушных моделях (двух типов) и огневом стенде РВКС. Практическая реализация результатов работы. На основании экспериментальных исследований разработаны, спроектированы и введены в эксплуатацию две опытно-промышленные установки термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов на основе РВКС в г. Пусан (республика Корея) и в г. Орехово-Зуево (Московская область). Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Второй международной научно-технической конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики", Москва, 1995 г., и на Международной конференции по

управлению отходами \VasteTech-99 Москва, 1999, а также на научных семинарах кафедры "Энергетика высокотемпературной технологии" МЭИ (ТУ).

Публикации.

Результаты исследований опубликованы в девяти печатных работах.

Структура диссертационной работы.

Диссертация изложена на 164 страницах, включая 38 рисунков и 34 таблицы, и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и приложений на 17 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, формулируются её цели и задачи.

В первой главе приведены общие сведения по источникам образования и краткая характеристика твердых и пастообразных органических отходов 16 отраслей промышленности, сельского хозяйства и службы быта.

Объем перечисленных отходов измеряется многими миллионами тонн в год. В настоящее время значительная часть их складируется на полигонах, в шламонакопителях, на предприятиях. Это приводит к загрязнению окружающей среды и негативно влияет на жизнедеятельность человека. Применение установок термического обезвреживания отходов позволяет не только предотвратить загрязнение окружающей среды, но и (в результате переработки части отходов в товарные продукты и сырье, а также их энергетического применения) более экономично использовать природные ресурсы.

Для выявления оптимальных технологических и конструктивных характеристик термических реакторов необходимо базироваться на определенном типе отходов, подвергаемых термическому обезвреживанию.

Предложена классификация твердых и пастообразных органических отходов применительно к термическому обезвреживанию, которая объединяет 4 показателя.

1. По горючести отходы разделяются на два класса-горючие и негорючие.

2. По составу веществ отходы подразделяются на 5 групп.

3. По типу нейтрализующего реагента отходы разделяются на 4 группы. К первой группе относятся отходы для обезвреживания, которых в качестве нейтрализующего реагента используются щелочные реагенты №ОН, Ыа^СОз, КОН, К2С03. Ко второй группе относятся отходы для обезвреживания, которых в качестве нейтрализующего реагента используются щелочноземельные реагенты Са(ОН)2, СаО, СаСОз. Для высокоэффективного обезвреживания отходов в качестве нейтрализующего реагента используются щелочные и щелочноземельные реагенты. Эти отходы объединены в третью группу. Отходы, при термическом обезвреживании которых не требуется применение нейтрализующих реагентов, относятся к четвертой группе.

4. По температуре начала спекания минеральных продуктов отходы подразделяются на три группы: отходы с температурой начала спекания золы, значительно превышающей го г, отходы с температурой начала спекания золы, близкой к рабочей температуре процесса обезвреживания 10Г, отходы с температурой начала спекания золы, значительно меньшей чем г.

Показана актуальность проблемы термического обезвреживания твердых и пастообразных токсичных отходов.

Во второй главе приводится классификация и анализ существующих типов реакторов термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов.

Реакторы для термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов классифицируются по следующим показателям: 1)Теплотехнический принцип (способ тепловой обработки органических отходов в реакторе); 2) Температурный уровень процесса; 3) Время пребывания токсичных компонентов в рабочей зоне термического реактора (тпрс6); 4) Удельная массовая нагрузка реактора (камеры дожигания) по отходам; 5) Состав газовой атмосферы в термическом реакторе; 6) Принцип теплогенерации; 7)Тип окислителя; 8) Режим удаления шлака; 9) Тип футеровки термического реактора; 10) Тип реагента для нейтрализации в термическом реакторе образующихся при обезвреживании отходов газообразных окислов и кислот.

В главе проведен обзор и анализ основных типов реакторов термического обезвреживания для твердых и пастообразных отходов: 1) слоевая печь; 2) барабанная вращающаяся печь; 3) шахтная печь; 4) реактор с жидкой ванной расплава минеральных веществ; 5) циклонный реактор, снабженный распылителем пастообразных отходов; 6) реактор псевдоожиженного слоя.

В работе для оценки технологии и оборудования термической переработки любых типов органических отходов (промышленных, твердых бытовых и медицинских) предложены следующие критерии:

1) Экологическая эффективность (степень обезвреживания исходных токсичных компонентов и их остаточная концентрация в газообразных выбросах и твердых или жидких остатках процесса обезвреживания отходов);

2) Степень отработанности технологического оборудования. Наличие лабораторного, опытного, демонстрационного или промышленного образца;

3) Сложность оборудования, ремонтопригодность, простота его обслуживания, эксплуатационная надежность;

4) Пригодность для любых классов органических отходов;

5) Сопоставление различных технологий и оборудования осуществляется по критерию экономической эффективности, т.е. приведенным затратам.

Разработана методика выбора оптимального типа огневого реактора для термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов по выше перечисленным критериям оценки. В соответствии с проведенным анализом наивысший показатель имеет реактор кипящего слоя.

Показаны перспективы применения РВКС для обезвреживания твердых и пастообразных отходов, в том числе галоген-, сера-, фосфорорганиче-ских.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям гидродинамики ВКС на воздушных моделях.

В МЭИ (ТУ) на кафедре ЭВТ были сооружены две воздушные модели РВКС (трехсекционная и двухсекционная). Разработаны методики исследования гидродинамики ВКС. Структура вращения ВКС зависит от ряда параметров (углов установки решетки и дефлектора, распределения скоростей продувки по зонам) и может иметь различный вид. Методика исследования влияния различных режимных и конструктивных параметров построена на фиксации фотографированием различных режимов вращения и определение различных границ контура вращения материала КС (рис.1).

Изучены особенности структуры ВКС. Под эффективным режимом вращения КС понимается такой режим поведения инертного материала в камере ВКС, при котором вращение материала охватывает весь объем камеры (рис.1). Эффективность вращения в слое недостаточно высокая в случае, когда материал из первой зоны переносится только во вторую и на начальный участок третьей зоны. Также нельзя признать эффективной чрезмерно высокую интенсивность вращения, когда частицы из первой зоны забрасываются в третью зону и с высокой скоростью соударяются со стенкой камеры кипящего слоя. В этом случае, как показали исследования,

Рис. 1. Воздушная модель РВКС. 1 - первая зона продувки; 2 - вторая зона продувки; 3 - третья зона продувки

легкие компоненты отходов не погружаются в объем КС. Кроме того это может приводить к повышенному абразивному легкие компоненты отходов не погружаются в объем КС. Кроме того, это износу футеровки в огневом реакторе.

Изучено влияние угла наклона решетки на эффективность вращения ВКС. Продувки воздушной модели показали, что при низкой интенсивности движения материала по решетке, наблюдается "перегрузка" материалом зоны загрузки. В этом случае при прекращении подачи воздуха и фиксации H„i видно, что Ноз (в третьей зоне) больше средней величины Н0 и распределение Но по длине решетки имеет существенную неравномерность.

При увеличении Но в зоне загрузки наблюдается интенсивный выброс материала из зоны форсированной продувки и в связи с этим отсутствует падающий поток материала в зоне загрузки.

Экспериментально установлено, что эффективное вращение имеет место при равномерном распределении Но по длине решетки. В случае, когда увеличивается Но в зоне форсированной продувки (угол наклона решетки Р=18°), вращение материала не охватывает весь объем камеры ВКС.

Исследования показали, что наиболее приемлемым углом наклона решетки, при котором наблюдается максимально приближенное к равномерному распределение Н0 по длине решетки, является угол от 7 до 12°.

Исследовано влияние распределения скоростей продувки по зонам на эффективность вращения ВКС. Определены соотношения скоростей по зонам, при которых наблюдается эффективное вращение ВКС.

На воздушных моделях изучено влияние расположения дефлектора на эффективность вращения ВКС. На двухсекционной воздушной модели проводились испытания влияния высоты установки дефлектора на эффективность вращения ВКС. При изменении высоты расположения дефлектора осуществлялась добавка инертного материала, т.е. изменялась высота Но, таким образом, чтобы высота кипящего слоя Нкс была равна высоте расположения дефлектора Нлсф.

Результаты проведенных экспериментальных исследований показали, что наиболее существенное влияние на вращение кипящего слоя оказывает расположение дефлектора, а точнее угол наклона и высота его установки. При слишком высокой установке дефлектора (Нлеф/СреШ—>0,8-1), независимо от угла его наклона происходит вырождение вращающегося кипящего слоя и переход его в стационарный кипящий слой, т.е. прекращается вращение материала (рис.2). Соответствующий результат был получен и при испытаниях на огневом стенде реактора вращающегося кипящего слоя. При низкой установке дефлектора (Ндеф/Среш=0,25) наблюдается режим зажатого кипящего слоя, который ведет к практически полному выносу материала из-под дефлектора и отсутствию там кипящего слоя.

Опыты показали, что наиболее эффективное вращение наблюдается при Ндаф/Ср«,, в диапазоне = 0,4-0,6.

9«

и

и

Рис.2. Влияние высоты уста- Рис.3. Влияние эффективно-

новки дефлектора на эффек- сти вращения ВКС на вне-

тивность вращения ВКС дрение в слой материалов

различной плотности

На воздушных моделях исследован механизм взаимодействия обрабатываемых материалов и ВКС, т.е. возможность внедрения во вращающийся кипящий слой материалов с различной плотностью и находящихся в разном агрегатном состоянии.

Выполнены исследования поведения различных материалов во вращающемся кипящем слое. Главной целью опытов является определение условий, при которых отходы будут обезвреживаться в слое, активно перемешиваясь, т.е., вращаясь совместно с кипящим слоем, а какие не могут погружаться (внедряться) в кипящий слой и будут обезвреживаться на поверхности слоя.

В качестве обрабатываемых отходов использовались материалы с различной плотностью: пробка, рм = 245 кг/м3; пенопласт, рм = 64 кг/м3; куски пленки; пластиковые банки, рм = 276 кг/м3.

Установлено, что основным фактором, влияющим на внедрение модельных отходов в ВКС, является эффективность вращения (Ьв/£реш, рис.3.). При отсутствии вращения (Ьв—>0) все материалы остаются на поверхности КС. Наличие вращения обеспечивает внедрение отходов в ВКС и их обработку в объеме камеры ВКС.

При организации сжигания отходов в кипящем слое песка (рм=1600 кг/м3) можно осуществлять сжигание отходов с очень низкой плотностью рОтх>102 кг/м3. То есть, можно обеспечить сжигание непосредственно во вращающемся кипящем слое таких отходов как: бумага; древесные отходы (р=50-700 кг/м3); пластики (р=800—1200 кг/м3) и многие другие.

Изучение поведения пастообразных материалов в ВКС проводилось на трехсекционной модели.

Моделирование пастообразных отходов осуществлялось путем подачи в кипящий слой канцелярского клея.

Показано, что только при вращении кипящего слоя во всем объеме рабочей камеры реактора (Ьв/С.реш~1), модельный пастообразный материал захватывается слоем. При этом наблюдалось интенсивное перемещение модельных пастообразных отходов, которые распределялись по всему объему камеры ВКС, несмотря на струйную подачу и высокую их вязкость.

Проведенные исследования структуры ВКС показали, что высота ВКС (Но) не может быть большой из-за вырождения вращения КС. Однако, в отдельных случаях целесообразно иметь кипящий слой с большой высотой, например для обработки пастообразных отходов.

Экспериментально установлена возможность комбинации ВКС со стационарным кипящим слоем над камерой ВКС (выше дефлектора). Причем наличие стационарного КС не оказывает негативного влияния на эффективность вращения ВКС, а отсутствие распределительной решетки у стационарного кипящего слоя не мешает его работе.

Исследовано влияние типа инертного материала на структуру вращения ВКС. Экспериментально показана возможность использования формулы 1.Вепа и др. для расчетов РВКС

0,0781 Агт4'65 Ке~ (Аг+19,0Г° 0)'

где: Яе-критерий Рейнольдса; Аг-критерий Архимеда; т-порозность слоя.

Получено выражение для расчетов РВКС при переходе на работу с другим инертным материалом при постоянной порозности (т=соп$1):

. /,,, \0,6 / N0.534 ач! _[ \У1 ] [ рг |

¿42 ^ \У:) ^р!

где^Ч), с1ч2-диаметр частиц инертного материала в первой (пилотной) и во второй ( рассчитываемой) установке соответственно, м; АУ), \У2-скорость ожижающего агента в первой (пилотной) и во второй (рассчитываемой) установке соответственно, м/с; рь р2-плотность инертного материала в первой (пилотной) и во второй (рассчитываемой) установке соответственно, кг/м3.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов на огневом стенде РВКС. Разработан и смонтирован огневой стенд РВКС с удельной нагрузкой по твердым и пастообразным отходам до 50 кг/ч (рис. 4). Площадь распределительной решетки составляет 0,09 м2 (300 х 300мм).

На огневом стенде РВКС исследован процесс термического обезвреживания некоторых типов твердых и пастообразных органических отходов. 1). Сжигание промасленных опилок.

Эффективное, т.е. достаточно полное внедрение легких отходов (опилок) и их обезвреживание в объеме слоя осуществляется при определенных гидродинамических режимах, когда псевдоожижение в зоне загрузки минимально возможное. В этом случае возникает обширный и интенсивный вихрь возвратного течения в зоне загрузки.

Рис.4. Огневой стенд РВКС

В данных режимах необходимо поддерживать интенсивность продувки на уровне скоростей начала псевдоожижения. Проведенные опыты по сжиганию легких отходов (опилки, бумага) показали, что вращающийся кипящий слой имеет существенные преимущества перед традиционным кипящим слоем и при соответствующей гидродинамике может обеспечить надежное и эффективное сжигание таких отходов. 2). Сжигание отходов битумного производства.

Отходы битумного производства представляют собой крупнокусковой (5=50 - 150 мм) материал с коксовыми включениями.

При загрузке достаточно крупные и тяжелые куски битума, попадая в слой, начинали медленно вращаться в нем, то, погружаясь в слой, то, всплывая на поверхность. При этом происходил процесс их выгорания с видимым уменьшением размеров. В тоже время распределительная решетка не заплавляется битумом. Это связано с интенсивным перемещением оплавляющихся частиц битума в объеме кипящего слоя. В результате опытов по сжиганию отходов битума были выявлены следующие особенности:

а). Сжигание крупнокусковых отходов битума не приводит к зашлаковыванию решетки без использования дополнительного топлива

б). Для надежной работы без спекания слоя при сжигании отходов битума необходимо строго контролировать температуру в слое и не превышать 1050°С.

в). Для осуществления процесса полного обезвреживания необходима организация интенсивного дожигания продуктов газификации.

3). Сжигание отходов лакокрасочных материалов.

Отходы лакокрасочных материалов представляют собой сухие сгустки размером от 5 до 100 мм. Визуально обнаружено спекание кипящего слоя на решетке при снижении температуры кипящего слоя до 800 °С. Это можно объяснить тем, что многих красках содержатся различные наполнители-пигменты, представляющие собой окислы металлов.

По-видимому, пигменты при сжигании отходов краски, взаимодействуя с песком, образуют легкоплавкие эвтектики, которые и являются основной причиной спекания кипящего слоя при относительно низких температурах 850 °С.

Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании РВКС для огневого обезвреживания различных отходов. Следует при разработке регламента обезвреживания отходов ограничивать подачу отходов, при сжигании которых могут образовывать легкоплавкие эвтектики.

4). Сжигание нефтешламов.

В опытах по сжиганию использовался нефтешлам Ступинского металлургического завода, состоящий из водомасляной эмульсии (80%) и механических примесей (20%). Опыты показали, что в ВКС можно значительно (в 2-3 раза по сравнению со стационарным кипящим слоем) повысить удельную производительность реактора по отходам за счет интенсивного поперечного перемешивания отходов в слое, что позволяет осуществлять эвакуацию отходов из зоны загрузки и распределять их по всему объему камеры ВКС.

5). Сжигание лекарственных препаратов с истекшим сроком годности.

Таблетки имеют блистерную упаковку из пластика с алюминиевой

фольгой и пластиковые флаконы. За счет высокой истирающей способности промежуточного теплоносителя (песка) фольга упаковок в кипящем слое превращалась в тонкий порошок (не было найдено следов фольги ни в слое, ни в бункере циклона-пылеуловителя). Сжигание лекарственных препаратов в ВКС сопровождается выделением токсичных продуктов неполного горения, что требует эффективного дожигания

6). Сжигание медицинских отходов.

В опытах использовались различные медицинские отходы: одноразовые шприцы, вата, бинты, аналоги биологических отходов (кости, ткани). Загрузка модельных медицинских отходов, упакованных в пластиковые пакеты размером 100x100 мм, осуществлялась через верхнее или боковое загрузочное устройства. Одноразовые шприцы подавались на сжигание россыпью. Процесс обезвреживания данного типа отхода осуществлялся при температуре газов в слое t«1000 °С и избытка воздуха а «1,8 - 2,0. В опытах достигалась производительность 30 кг/ч. Удельная производительность реактора по отходам составляет 333 кг/м2ч. Исследования сжигания медицинских отходов показали, что при эффективном режиме вращения

кипящего слоя легкие материалы медицинских отходов (вата, бинты, шприцы) погружаются в КС и обрабатываются во всем объеме камеры.

Важным обстоятельством, характеризующим работоспособность РВКС, является возможность зарастания расплавленными пластмассами решетки при продувке холодным воздухом.

Эксперименты по сжиганию медицинских отходов показали, что решетка камеры РВКС не заплавляется пластмассами.

На огневом стенде РВКС проведены экспериментальные исследования огневого обезвреживания твердых и пастообразных сера-фосфор-хлорсо-держащих отходов.

1). Обезвреживание хлорсодержащих отходов.

Процесс огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов необходимо проводить при двухступенчатом сжигания и при наличии во второй ступени сжигания избытка кислорода, а также обеспечить связывание хлора в прочные соединения - хлориды. Наиболее доступным и дешевым элементом, способным образовывать прочные соединения с хлором является кальций. Вместе с тем, хлорид кальция СаС12 имеет низкую температуру плавления Тщ, саси = 772°С. В связи с этим процесс огневого обезвреживания следует проводить при соблюдении следующих условий:

— возрастания поля температур по высоте огневого стенда, начиная с температуры близкой к температуре плавления СаС12;

- аэрогидродинамического режима работы установки, обеспечивающего вынос отходящими газами частиц золы, включая СаС12.

Необходимый для огневого обезвреживания хлорсодержащих отходов режим работы огневого стенда возможен при условии сжигания топлива в топочной камере с коэффициентом расхода окислителя а<1 при наличии максимально возможной форсировки реактора по топливу и дожигания отходящих из технологического реактора газов в камере дожигания.

В качестве хлорсодержащих отходов использовался пестицид "Радокор" на основе 50%-го хлораминотриазина, содержащий 10,5% хлора, представляющий собой порошок белого цвета.

Кальций для связывания хлора вводился в виде извести, содержащей 80% СаО. Известь смешивалась с отходом в соотношении, превышающем в 2-2,5 раза необходимое по стехиометрии содержание кальция для образования СаС12.

В технологическом реакторе в КС поддерживалась температура в диапазоне 750-850°С. При повышении температуры в кипящем слое до 900-1100°С происходило спекание промежуточного теплоносителя, в результате чего кипящий слой шлаковался.

Результаты экспериментов показывают, что описанная технология обезвреживания хлорсодержащих отходов с высоким содержанием хлора при температуре ниже 1000°С в камере дожигания не позволяет обеспечить необходимую эффективность обезвреживания.

Поэтому в отходящих газах содержится большое количество ПХДЦ и ПХДФ (см. таблицу 1). Необходимо отметить, что нейтрализация НС1 в топочном объеме известью составляет 87,7%.

Повышение эффективности обезвреживания хлорсодержащих отходов достигается за счет повышения температурного уровня процесса (табл.1, опыт 1). Как видно из табл. 1 повышение температурного уровня процесса улучшило экологические показатели сжигания хлорсодержащих отходов. Результаты анализов проб на содержание ПХДД и ПХДФ, выполненные специализированной лабораторией НПО "Тайфун" (г. Обнинск).

Таблица 1.

Режимные параметры процесса при сжигании хлорсодержащих отходов

№ пп Наименование параметра Единицы измерения Опыт 1 Опыт 2

1. Температура отходящих газов в камере дожигания °С 960 1140

2. Время пребывания дымовых газов в установке с 3,5 3

3. Состав дымовых газов СО HCl (без нейтрализации СаО/ с нейтрализацией СаО) ррш ррш 45 268/33 10-15 -/106

4. Содержание ПХДЦ и ПХДФ в дымовых газах нг/м3 0,2126 0,029

2). Обезвреживание сера-фосфор-содержащих отходов производства спичек (содержание Sopr=5,75°/o, Рорг=8,75%).

Наиболее эффективным методом обезвреживания отходов, в составе которых содержится значительное количество серы и фосфора, с соблюдением нормативов по выбросам является огневое обезвреживание отходов с вводом нейтрализующих присадок в топочное пространство, для связывания токсичных газовых выбросов в нетоксичные соли.

На практике широко применяется нейтрализация "кислых газов" известью в кипящем слое. Обычно эффективность данного способа не превышает 70-75% при избытке извести более 3 сверх стехиометрического.

Известен также метод топочной нейтрализации путем впрыска в топочное пространство активных щелочных присадок (сода, каустик). Эффективность данного метода составляет более 98 %.

Однако использовать этот метод для пастообразных отходов при обезвреживании их в кипящем слое не представляется возможным, т.к. в этом

случае попадание в кипящий слой легкоплавких натриевых солей может привести к спеканию слоя и выходу огневого реактора из строя.

Кроме того, использование только активных нейтрализующих присадок приводит к высоким эксплуатационным затратам.

Следовательно, комбинирование двух методов нейтрализации является перспективным решением обезвреживания дымовых газов.

Организация принципа двухступенчатой топочной нейтрализации заключалась в следующем. Отход смешивался предварительно с известью Са(ОН)2 в количестве в 2,3 раза большем, чем необходимо по стехиометрии реакций:

Са(ОН)2 + Б + 1,502 = Са804 + Н20 ЗСа(ОН)2 + 2Р +2,502 = Са3(Р04)2+ЗН20

Во второй ступени (в камере дожигания) нейтрализация осуществляется путем впрыска содового раствора при более высоких температурах (10001200 °С). Реакция нейтрализации протекает в соответствии с уравнениями: №2С 03 + Б02 + 0,502 = Ка2Б04+ С02 4 №2СОз+Р4О,0=2Ыа4Р2О7+4СО2

Оптимальная температура для протекания данной реакции составляет 1000-1200 °С. Для обеспечения процесса дожигания и поддержания данной температуры использовалась дополнительная горелка.

Избыток соды, для обеспечения полной нейтрализации кислых газов должен составлять 15-20% сверх необходимого по стехиометрии.

Установлен вариант расположения дополнительной горелки, при котором обеспечивается необходимая температура и время пребывания в камере дожигания и в то же время отсутствует влияние этой горелки на гидродинамику слоя и этот вариант выбран как основной (НДрсш =2,87).

Экспериментально апробирована технология двухступенчатой топочной нейтрализации дымовых газов при сжигании твердых и пастообразных отходов в кипящем слое.

Проведенные опыты показали, что нейтрализация только с помощью извести позволяет нейтрализовать 82,3% Б02, при избытке извести 2,3. Полученные высокие показатели по нейтрализации можно объяснить применением РВКС, в котором осуществляется интенсивное поперечное перемешивание в слое. Однако, как видно из опытов, использование только извести не обеспечивает достаточно полной нейтрализации (Б02=709 ррт).

Дополнительный впрыск раствора соды (17% Иа2СОз) с избытком 1,3 позволяет сократить содержание Б02 в отходящих газах до 48 ррт при содержании кислорода в отходящих газах 5,7% . При пересчете на содержание кислорода в отходящих газах 11% концентрация Б02 = 31 ррт. При этом суммарная степень нейтрализации составила 98,8%.

В главе 5 по результатам проведенных исследований разработана методика расчета РВКС. В ее основе лежит экспериментальное определение на пилотной установке удельной объемной производительности кипящего слоя Ру при термическом обезвреживании конкретного типа отхода:

ру = Л_ (кг- м3/ч) (3), Увкс

где Р - производительность ВКС по отходам, кг/ч;

Увкс - объем камеры ВКС (объем занимаемый ВКС), м3.

Величина Ру является универсальной и характеризует эффективность обработки материала при различных принципах организации процесса. Методика расчета основана на том, что результаты полученных значений Ру на пилотной установке переноситься на промышленные образцы в случае тождественности структуры топочного процесса в ВКС. То есть при условии идентичности вращения промежуточного теплоносителя ВКС, которая является основным фактором определяющим эффективность обработки отходов.

Опыты по сжиганию отходов, проведенные на пилотной установке и опытно-промышленной установке показали, что при переходе к установкам большей производительности от 30-40 кг/ч до 70-100 кг/ч объемные производительности отличаются незначительно (не более чем на 11%)

То есть по экспериментально определенной на пилотной установке величине РУ можно выполнить расчет промышленного реактора, при условии тождественности структуры топочного процесса.

Учитывая разнообразие перерабатываемых отходов и сложность физико-химических процессов их термического обезвреживания, воспользуемся для расчета РВКС рядом фиксированных параметров таких как: теплотехнические и физико-химические характеристики конкретного типа отходов, а также его гранулометрический состав; геометрические характеристики камеры ВКС, при которых выявлены показатели эффективного вращения слоя (Гл. 3) оптимальные режимные параметры процесса экологически эффективного термического обезвреживания отходов (Гл.4) (температурный уровень - 1Вкс> коэффициент расхода воздуха - аВкс)-

Зная экспериментально определенную величину ру можно найти выражение для нахождения Срсш при принятых геометрических и гидродинамических параметрах ВКС. К ним относятся:

Ьреш = ^реш; Ндеф = ; (Зреш ; (Здеф ,

•среш -Среш

где: Ь рСШ. Среш - соответственно ширина и длина решетки камеры ВКС, м;

Ндеф - высота установки дефлектора, м;

(Зреш , (Здеф - углы наклона решетки и дефлектора к горизонту, град. Приняты следующие значения:

(Зреш =7-12° ; ¡Здеф=35-40° ; Ндеф = = 0,4 - 0,6 .

•среш

Отношение ширины решетки Ьреш к длине Среш следует выбирать из соображений удобства компоновки камеры ВКС и камеры дожигания. Откуда следует, что выходное сечение из камеры ВКС должно быть в виде

квадрата. Поэтому при условии перекрытия дефлектором половины площади решетки целесообразно иметь

Ьреш = -¡г-— ~ 1/2 . •среш

В соответствии с проведенными исследованиями гидродинамики ВКС (гл.З) соотношение скоростей по зонам продувки следует принимать

>3,5;

\У2

= 0,3-0,6;

\¥з

ср

= 0,2-0,4.

^Р ' Wcp

Формула для расчета Среш при определении оптимальных геометрических параметров камеры ВКС (Гл. 3,4) получена путем преобразования известных зависимостей для расчета Нкс:

£реш = 3 1

Р(1-Шн)

(м)

(4),

Ру-Ьреш-Ндеф

где т„- порозность слоя при отсутствии псевдоожижения

После нахождения Среш находятся все геометрические характеристики ВКС. Затем по формуле (2) можно пересчитать размер частиц промежуточного теплоносителя.

Таким образом, для выполнения конструкторского расчета РВКС необходимо экспериментально определить РУ и затем по формуле (4) найти основной характерный размер РВКС - Срсш.

Рис.5. Реактор вращающегося кипящего слоя (г.Пусан, Республика Корея).

Глава 6. Результаты экспериментальных исследований, осуществленные на воздушных моделях и на огневом стенде (Гл.3,4) явились основой для выдачи рекомендаций на создание двух промышленных установок термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов.

В г. Пусан (Республика Корея) была сооружена демонстрационная опытно-производственная база (ОПБ) для апробирования и рекламного показа процесса огневого обезвреживания отходов (рис.5). . Установка огневого обезвреживания предназначена для демонстрации сжигания твердых и пастообразных отходов, содержащих органические соединения: отходы пластмасс, отходы лакокрасочных материалов, некондиционные клеи, отработанные химические реагенты, лекарственные препараты с истекшим сроком годности, замасленные ветошь и опилки, загрязненный органическими веществами грунт, осадки сточных вод, шла-мы, илы, отходы битума, твердые бытовые отходы и др.

Агрегатная нагрузка огневого реактора по этим отходам составила 80100 кг/ч. Были проведены испытания РВКС корейской экологической комиссией и получено положительное решение на эксплуатацию установки.

На Опытно-производственной базе (ОПБ) ОАО "НПО ТЕХЭНЕРГО-ХИМПРОМ" (г. Орехово-Зуево Московской области) сооружен новый ог-нетехнический агрегат-печь вращающегося кипящего слоя для огневого обезвреживания твердых и пастообразных отходов. Агрегатная нагрузка технологической линии по твердым(пастообразным) отходам - до 100 кг/ч.

В настоящее время термическому обезвреживанию в этой установке подвергаются следующие типы отходов: лакокрасочные материалы; лекарственные и медицинские препараты и реагенты с истекшим сроком годности; шламы предприятий химчистки; пришедшие в негодность и запрещенные пестициды; пластиковые отходы; замасленные органические отходы; загрязненный органическими веществами грунт и др.

Опытно-производственная база (в том числе установка вращающегося кипящего слоя) был принята Государственной комиссией и разрешена к постоянной эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показана актуальность проблемы обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов и целесообразность применения для их обезвреживания термического метода.

2. Выполнен анализ источников образования твердых и пастообразных органических отходов, подлежащих термическому обезвреживанию.

3. Разработана классификация твердых и пастообразных органических отходов применительно для технологии термического обезвреживания.

4. Предложен наиболее полный перечень эколого-энерготехнологических параметров, характеризующих эффективность термического обезвреживания, и предложена классификация реакторов термического обезвреживания.

5. Проведен анализ различных реакторов и их экспертная оценка применительно к обезвреживанию твердых и пастообразных органических отходов. Экспертная оценка показала преимущество реакторов с кипящим слоем для термического обезвреживания твердых и пастообразных токсичных отходов.

6. Разработаны воздушные модели и методики исследования гидродинамики ВКС. Изучены особенности структуры топочного процесса в ВКС.

7. Определены основные оптимальные и конструктивные параметры РВКС, такие как:

а) угол установки решетки - Ррсш = 7-12°; б) НДСф / С^ = 0,4-0,6

8. Моделированием на воздушных моделях доказано, что основным фактором, влияющим на эффективность внедрения обрабатываемых отходов с малой плотностью, является характер вращения ВКС в зоне загрузки материала. Показано, что наиболее легкие типы отходов можно обрабатывать в слое только при вращении ВКС во всем объеме.

9. Разработан и смонтирован огневой стенд РВКС с удельной нагрузкой по отходам до 50 кг/ч.

Ю.Впервые проведены опыты по обезвреживанию твердых и пастообразных сера -хлорсодержащих отходов в РВКС с двухступенчатой топочной нейтрализацией. Экспериментально показано, что данная технология может дать высокие экологические показатели при уничтожении токсичных отходов. Содержание диоксинов при термическом обезвреживании хлорорганических отходов с применением топочной нейтрализации достигается в три раза ниже самых жестких нормативов.

11.На огневом стенде РВКС экспериментально доказана возможность эффективного обезвреживания различных типов органических отходов, таких как опилки, битум, шламы, лекарственные препараты и т.п.

12.По результатам проведенных исследований разработана инженерная методика расчета РВКС. В основе методики лежит экспериментальное оп-

р

ределение удельной производительности кипящего слоя Ру =-.

13.Разработаны, спроектированы и введены в эксплуатацию две опытно-промышленные установки термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов на основе РВКС в г. Пусан (республика Корея) и в г. Орехово-Зуево (Московская область).

14.Проведены теплотехнические и экологические испытания опытно-промышленных установок.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Волков В.И., Круглов Ю.Д., Бернадинер И.М., Гусинский А.И. Перспективы использования реакторов вращающегося кипящего слоя (ВКС) для огневого обезвреживания особо опасных отходов//Тезисы докладов второй международной научно-технической конференции

«Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики»/Москва, Издательство МЭИ, 1995 - С.57-60.

2. Волков В.И., Ипполитов В.А., Гусинский А.И. Бернадинер И.М., Огневое обезвреживание азотсодержащих отходов с пониженным выходом ЫОх//Тезисы докладов второй международной научно-технической конференции «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики»/Москва, Издательство МЭИ, 1995.-С.60-62.

3. Волков В.И., Бернадинер М.Н., Ипполитов В.А., Бернадинер И.М., Торбунов B.C., Гусинский А.И., Прончев А.К. «Экосервис Прим»-ре-шение проблемы термической переработки любых типов органических отходов»//Материалы Международной конференции по управлению отходами WasteTech-99/Москва, 1999 - С. 48.

4. Бернадинер М., Бернадинер И. , Волков В. Оптимальные параметры термического обезвреживания органических отходов (шламов химчистки) //Современная химчистка и прачечная . - 2000. - №2.— С.30—34.

5. Бернадинер И., Бернадинер М. , Волков В. Обзор и анализ реакторов термического обезвреживания органических отходов (шламов химчистки). Часть 1// Современная химчистка и прачечная. - 2000. - №3. - С.

6. Волков В.И.. Бернадинер М.Н., Бернадинер И.М., Гусинский А.И. Реактор для термического обезвреживания отходов, Заявка № 2000111854 от 16 мая 2000 г.

7. Бернадинер М.Н., Бернадинер И.М;, Волков В.И. Выбор термических реакторов для обезвреживания органических отходов// Экология и промышленность России. - 2000. - июнь. - С. 14-17.

8. Волков В.И., Гусинский А.И., Ипполитов В.А., Бернадинер И.М. Термическое обезвреживание токсичных отходов// Экология и промышленность России. - 2000. - август. - С. 17-19.

9. Бернадинер И., Бернадинер М., Волков В. Обзор и анализ реакторов термического обезвреживания органических отходов (шламов химчистки). Часть 2// Современная химчистка и прачечная. - 2000. - №4. - С. 16-20.

19-23.

Печ. JI.

Тираж

Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТВЕРДЫХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ.

1.1. Источники образования и краткая характеристика твердых и пастообразных органических отходов.

1.2. Классификация твердых и пастообразных органических отходов применительно к термическому обезвреживанию.

2. ОБЗОР И АНАЛИЗ РЕАКТОРОВ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ.

2.1. Классификация реакторов термического обезвреживания.

2.2. Обзор, анализ и выбор реакторов термического обезвреживания для твердых и пастообразных отходов.:.

2.2.1. Методика выбора реакторов термического обезвреживания для твердых и пастообразных отходов.

2.2.2. Слоевые печи.

2.2.3. Барабанные вращающиеся печи.

2.2.4. Шахтные печи.:.

2.2.5. Печи с жидкой ванной расплава.

2.2.6. Циклонные реакторы.

2.2.7. Реакторы кипящего слоя.

2.2.8. Результаты выбора реакторов термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КИПЯЩЕГО СЛОЯ НА ВОЗДУШНЫХ МОДЕЛЯХ.

3.1. Описание воздушных моделей и методика проведения экспериментов.

3.1.1. Описание трехсекционной воздушной модели.

3.1.2. Описание двухсекционной воздушной модели.

3.2. Исследование влияния угла наклона решетки на эффективность вращения ВКС.

3.3. Изучение распределения скоростей продувки по зонам на эффективность вращения ВКС.

3.3.1. Изучение влияния скорости продувки во второй (средней) зоне на эффективность вращения ВКС.

3.3.2. Изучение влияния скорости продувки в третьей зоне на эффективность вращения ВКС.

3.4. Изучение на воздушных моделях влияния расположения дефлектора и на эффективность вращения ВКС.

3.5. Изучение на воздушных моделях механизма взаимодействия обрабатываемых материалов в ВКС.

3.6. Исследование влияния типа инертного материала (размер частиц, плотность) на структуру вращения ВКС.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОГНЕВОГО

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТВЕРДЫХ И ПАСТООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ НА ОГНЕВОМ СТЕНДЕ РЕАКТОРА ВРАЩАЮЩЕГОСЯ КИПЯЩЕГО СЛОЯ.

4.1. Описание огневого стенда реактора вращающегося кипящего слоя и методика проведения экспериментов.

4.2. Влияние вращения кипящего слоя на эффективность процесса огневого обезвреживания горючих отходов.

4.2.1. Результаты опытов на огневом стенде реактора вращающегося кипящего слоя.

4.3. Изучение огневого обезвреживания различных типов отходов на огневом стенде реактора вращающегося кипящего слоя.

4.3.1. Сжигание промасленных опилок.

4.3.2. Сжигание отходов битумного производства.

4.3.3. Сжигание отходов лакокрасочных материалов.

4.3.4. Сжигание нефтешламов Ступинского металлургического завода.

4.3.5. Сжигание лекарственных препаратов с истекшим сроком годности.

4.3.6. Сжигание медицинских отходов.

4.4. Экспериментальные исследования огневого обезвреживания твердых и пастообразных сера-фосфор-хлорсодержащих отходов на огневом стенде реактора вращающегося кипящего слоя.

4.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.4.2. Огневое обезвреживание хлорсодержащих отходов.

4.4.3. Огневое обезвреживание сера-фосфор-содержащих отходов.

4.4.4. Результаты экспериментов и анализ полученных данных.—

5. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РВКС.

6. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕАКТОРОВ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ

КИПЯЩЕГО СЛОЯ.

6.1. Результаты испытаний опытно-производственной установки с РВКС (Республика Корея, г. Пусан).

6.2. Результаты испытаний установки с РВКС опытно-производственной базе ОАО "НПО Техэнергохимпром" (Московская область, г. Орехово-Зуево).

В различных областях народного хозяйства образуются токсичные жидкие, твердые и пастообразные органические отходы. Большую опасность представляют отходы, содержащие галоген -, сера - и фосфорорганические соединения. К таким отходам относятся не подлежащие вторичному использованию и регенерации твердые, пастообразные и жидкие отходы лакокрасочных материалов, шламы предприятий химчистки, пришедшие в негодность пестициды, просроченные лекарственные препараты, загрязненный органическими примесями грунт и др.

Особенно опасными, как выяснилось в последнее десятилетие, являются отходы, содержащие хлорорганические соединения. Находящиеся в них в виде примесей или образующиеся при термической обработке полихлорированные ароматические соединения - диоксины и фураны по степени токсичности не имеют себе равных среди других загрязнений окружающей среды.

Захоронение указанных отходов на полигонах недопустимо. Полигоны (свалки) являются источниками загрязнения атмосферы, почвы, грунтовых вод и требуют отчуждения значительных территорий.

В последнее время предпринимаются попытки подземного захоронения высокотоксичных отходов.

Достоинством метода подземного захоронения отходов по сравнению с наземным является, прежде всего, обеспечение полной безопасности его эксплуатации с точки зрения устойчивости его от обрушения. Кроме того, при таком решении существенно улучшаются возможности защиты подземных вод от загрязнения под хранилищем и вокруг него, что эффективно достигается за счет разделения функций внутреннего и внешнего дренажей. [1].

К недостаткам метода относится необходимость предварительной разработки котлована. Это осложняется тем, что значительная часть выемки должна проводиться в водонасыщенных грунтах с открытым водосливом или с водопонижением. Большинство органических отходов в течение длительного хранения подвергается разложению и, следовательно, проблема их уничтожения просто переносится во времени.

В соответствии с планируемой правительством Германии программой утилизации отходов с 1 июня 2005 года запрещается захоронение отходов на полигонах, и определенная их часть должна будет сжигаться с целью получения энергии [2].

Для обезвреживания (уничтожения) токсичных жидких, твердых и пастообразных органических отходов по существу единственным эффективным методом является термический метод.

Сущность метода заключается в сжигании горючих или термической огневой обработке негорючих отходов высокотемпературным теплоносителем (продуктами сгорания топлива, плазменной струей, расплава и т.п.). При этом органические компоненты при высокой температуре подвергаются разложению, окислению и другим химическим превращениям с образованием газообразных (С02, Н20, N2) и твердых продуктов или расплава (оксидов металлов, солей и др.). Галогены, сера, фосфор, содержащиеся в органических отходах, в процессе термической переработки переходят в газообразные кислоты (HCl, HF), соединения HCl, HF, S02, S03, Р4ОЮ, которые подвергаются вторичной обработке с помощью нейтрализующих присадок с получение нетоксичных минеральных солей (NaCl, CaF2, Na2S04, Na4P207 и др.).

Возможность превращения органических соединений при высоких температурах в безвредные продукты обуславливает высокую экологическую эффективность термического метода обезвреживания отходов. Однако указанная возможность реализуется только при обеспечении определенных технологических, конструктивных и режимных параметров процесса - температуры в реакторе, удельной массовой нагрузки рабочего объема реактора, аэродинамической структуры и степени турбулентности газового потока в реакторе и др. [3].

Реальная практика эксплуатации ряда промышленных реакторов термического обезвреживания органических отходов свидетельствует, что при неквалифицированной организации процесса имеет место выброс в атмосферу супертоксикантов - полиароматических углеводородов (ПАУ), в том числе полихлорированных дибензодиок-синов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ), полихлорированных бифенилов (ПХБ).

Например, оценка ежегодного "производства" диоксинов показывает, что на установки термического обезвреживания (сжигания) твердых бытовых, медицинских и опасных промышленных отходов приходится более 60% всех выбросов ПХДД и ПХДФ [по материалам Л.А. Федорова, 1998г.].

Еще раз следует отметить, что при оптимальных параметрах обеспечивается высокая экологическая эффективность процесса обезвреживания любых типов сложных и опасных органических отходов.

Например, в США при выборе оптимальной технологии уничтожения химического оружия остановились на термическом обезвреживании, причем принимались во внимание: безопасность процесса, полнота уничтожения, экономическая эффективность [4]. Лабораторные и пилотные установки показали перспективность метода сжигания для уничтожения иприта, зарина и VX. В ведомствах Министерства обороны США продолжаются исследования и разработки в области технологии сжигания отравляющих веществ. При этом основные усилия сосредотачиваются на увеличении срока эксплуатации оборудования, которое после окончания работ по уничтожению ОВ может быть использовано для сжигания других опасных отходов военных и гражданских производств.

В мировой практике используются как локальные (стационарные и передвижные) установки термического обезвреживания отдельных типов органических отходов относительно небольшой мощности (100-1000 кг/ч), так и региональные центры совместного термического обезвреживания твердых пастообразных и жидких отходов большой агрегатной нагрузки (до 30000-100000 т. в год). Эти центры снабженные многоступенчатой (иногда до 7 ступеней) системой очистки отходящих дымовых газов, характеризуются высокими капитальными затратами, достигающими 100 млн. USD.

Широкое распространение в России, США, Японии, Франции и др. странах локальных установок термического обезвреживания термических отходов наряду с имеющимися крупными региональными центрами, обусловлено небольшими капитальными вложениями, быстрыми сроками сооружения, а также экологической опасностью транспортировки ряда высокотоксичных отходов на большие расстояния от источника образования до регионального центра обезвреживания. Относительно небольшие партии отходов целесообразно подвергать уничтожению непосредственно в местах их образования с помощью монтажа простейших локальных установок.

В конце 60-х годов в связи с бурным ростом химической промышленности во всем мире возникла проблема обезвреживания жидких отходов химических производств, содержащих различные классы органических соединений: спирты, кислоты, альдегиды, кетоны, фенолы, амины, хлорорганические, сераорганические, фосфорорганиче-ские, натрийорганичеекие соединения и минеральные вещества (хлориды, сульфаты и

ДР-)

Московский энергетический институт и НПО "Техэнергохимпром" разработали вертикальные циклонные реакторы для термического обезвреживания жидких отходов с агрегатной нагрузкой от 100 до 16000 кг/ч. [3]. По сравнению с применяемыми в промышленной практике камерными и шахтными печами циклонные реакторы оказались наиболее эффективными и универсальными, что обусловлено их аэродинамическими особенностями. Удельные массовые нагрузки в циклонном реакторе при высокой полноте обезвреживания органических веществ более чем на порядок выше нагрузок шахтных и камерных печей (до 1000 - 1900 кг/м3ч), что позволило создать малогабаритные аппараты.

Циклонные реакторы широко внедрены на предприятиях нашей страны и за рубежом (более 300 установок). Практика эксплуатации установок огневого уничтожения стоков в циклонных реакторах подтвердила их технические и экономические преимущества перед другими типами установок:

- снижение капитальных затрат;

- уменьшение эксплуатационных расходов;

- возможность извлечения минеральных, компонентов с последующим использованием их в различных технологических процессах;

- гарантия полного обезвреживания отходов;

- быстрый запуск установки;

- надежность и долговечность работы.

В те же годы остро не стояла проблема переработки и обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов и осадков сточных вод, которые направлялись на общие с бытовыми отходами полигоны, а в большинстве случаев размещались на несанкционированных свалках.

В отдельных случаях применялись примитивные печи и реакторы (в основном слоевого типа) для термического обезвреживания указанных отходов. Эти печи характеризовались низкими санитарными показателями (выбросы токсичных веществ в атмосферу образование шлака, содержащего остатки органических примесей), малым рабочим ресурсом и низкой интенсивностью процесса обезвреживания. 5

В последнее время в связи с ужесточением экологического законодательства появилась острая необходимость создания эффективных реакторов обезвреживания твердых и пастообразных отходов.

Целью настоящей работы является разработка экологически эффективного и высокопроизводительного реактора для термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов, в том числе содержащих высокотоксичные соединения галогенов, серы и фосфора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показана актуальность проблемы обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов и целесообразность применения для их обезвреживания термического метода.

2. Выполнен анализ источников образования твердых и пастообразных органических отходов, подлежащих термическому обезвреживанию.

3. Разработана классификация твердых и пастообразных органических отходов применительно для технологии термического обезвреживания.

4. Предложен наиболее полный перечень эколого-энерготехнологических параметров, характеризующих эффективность термического обезвреживания, и предложена классификация реакторов термического обезвреживания.

5. Проведен анализ различных реакторов и их экспертная оценка применительно к обезвреживанию твердых и пастообразных органических отходов. Экспертная оценка показала преимущество реакторов с кипящим слоем для термического обезвреживания твердых и пастообразных токсичных отходов.

6. Разработаны воздушные модели и методики исследования гидродинамики ВКС. Изучены особенности структуры топочного процесса во ВКС.

7. Определены основные оптимальные и конструктивные параметры РВКС, такие как:

- угол установки решетки -(Зреш = 7-12°

- Ндеф / £реш = 0,4 — 0,6

8. Моделированием на воздушных моделях доказано, что основным фактором, влияющим на эффективность внедрения обрабатываемых отходов с малой плотностью, является циркуляция ВКС в зоне загрузки материала. Показано, что наиболее легкие типы отходов можно обрабатывать в слое только при циркуляции ВКС во всем объеме.

9. Разработан и смонтирован огневой стенд РВКС с удельной нагрузкой по отходам до 50 кг/ч.

10. Впервые проведены опыты по обезвреживанию твердых и пастообразных сера -хлорсодержащих отходов в РВКС с двухступенчатой топочной нейтрализацией. Экспериментально показано, что данная технология может дать высокие экологи

1. Шестаков В.М. Депонирование промышленных отходов в заглубленных шахтах. // Экология и Промышленность России. 2000. - март. - С.41-42.

2. J. Martens, R. Sieksmeyer. Mechanisch biologische Abfallbehandlung mit Biostabilator // Entsorg. Prax. - 1998. - 16, № 11. - C. 23-25.

3. Бернадинер M.H., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М."Химия, 1990. - 304 с.

4. Пушкин И.А. Проблемы уничтожения (утилизации) химического оружия в Российской Федерации. //Экология и Промышленность России. 1998-декабрь. - С.37-38.

5. Матросов А.С. Управление отходами . М.: Гардарики, 1999. 480 с.

6. Федоров Л.А. ,Яблоков А.В. Пестициды токсический удар по биосфере и человеку - М.: Наука, 1999. - 464 с.

7. Бернадинер М.Н. Термическая переработка шламов предприятий химчистки с извлечением ценных компонентов// Современная Химчистка и Прачечная. -1999,-№6.-С. 36-38.

8. Giannoni М. La geston des d'echets d'hospitaux // Secur. Environ. 1992. - № 2. -c. 59 - 62.

9. Glasser H, Chang D.P.Y., Hickman D.C. An analysis of biomedical waste incineration // J. Air and Waste Manag.Assoc. 1991. - № 9. - p. 1180 - 1188.

10. Greene M. Approaches to medical waste characterization // Incinerat. Conf.:"Therm.

11. Treat. Radioact. , Hazardous Chem., Mixeed and Med.Waste". Knoxville. - May 13-17.-1991.-Proc.

12. Dagnall S. Health anthordies use waste as a fuel // Energy Manag. 1991. - № 31 - p. EM 55.

13. Brennpunkt Klinikmiill // Umweltmagazin. 1991. - 20. - № 12. - s. 22-25.

14. Tata A., Beone F. Hospital Waste Sterilisation A Tecnical and Economic Comparison Between Radiation and Microwaves Treatments // Radiation Physics and Chemistry. - 1995. - Vol 46, Iss.4-6. - P. 1153 - 1157.

15. Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes mmissionsshutzgesetzes (Verordnung über Verbrennungsanlagen für Abfälle und ähnliche brennbare Stoffe -17. BimSchV). Abfallwirtschaftsjournal 3 (1991),-Nr. 3, - s. 110-119.

16. Волохонский JI. А., Киссельман М.А., Попов А.Н. Обезвреживание и переработка твердых отходов с использованием электрометаллургических процессов и оборудования.// Электрометаллургия. 1998. - №0. - С. 32-35.

17. Е. Wogrolly. Schadstofffreie Verbrennung von Abfällen in technisch und wirtschaftlich durchführbar// Müll und Abfall. 1992. - 3. - s. 1-10.

18. Двоскин Г.И., Константинова Т.Н., Клюев H.A. Уничтожение твердых отходов в малых мусоросжигательных установках.// Экология и Промышленность России.- 1999.- август. С. 14-15.

19. Молчанова И.В., Двоскин Г.И., Старостин А.Д., Чивикина Т.П. Малые установки для термического обезвреживания органосодержащих отходов.// Чистый город . 1999. - №3 (7), июль-сентябрь - С. 31-36.

20. Rostfeuerungen zur Abfallverbrennung / D.O. Reimann. Berlin: EF Verlag für Energie und Umwelttechnik, 1991, 647s.

21. Thermische Abfallbehandlung / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie und Umwelttechnik, 1994, 1081s.

22. F. Vollhardt. Anlagen zur Sondermüllverbrennumg. Chem. Ing. - Techn. 59, №8, 1987. s. 622-628.22. 25 Years Rotary Kiln" Incineration of waste as part of BASF's waste management concept" BASF Symposium, 18 September, 1989, 27s.

23. Türkisches Entsorgungszentrum // Energ. Spektrum. 1997, 12, №9. - s.46.

24. Sonderabfallverbrennungs anlage in Brynsbüttel / Brenstoff - Warme - Kraft, 48, 1996,-№10.- s.29

25. Noell Konversionsverfahren zur Verwertung und Entsorgung von Abfällen / J. Carl, P. Fritz. - Berlin: EF - Verlag für Energie - und Umwelttechnik, 1994, 154.S.

26. Reaktoren zur thermischen Abfallbehandlung / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF- Verlag für Energie und Umwelttechnik, 1993, 287.S.

27. Pyrolise von Abfällen / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie und Umwelttechnik, 1985, 318 s.

28. Термические процессы в технолонии переработки твердых бытовых отходов: аналитическая оценка и практические рекомендации., Москва ГП "Экотехпром", 1998.-76с.

29. Иванов В.В., Бернадинер М.Н. Состояние и перспективы термического обезвреживания промышленных отходов Московского региона.// Чистый город. -1999.- №2(6) апрель-июнь.- С.38-42.

30. Thermoselect Verfahren zur Ent und Vergasung Von Abfällen / F. J. Schweitzer. -Berlin: EF - Verlag für Energie und Umwelttechnik, 1994. 213s.

31. Thermoselect / Der neue Weg. Restmüll umweltgerecht zu behandeln / G. Häpler, 1995, 238s.

32. Richard L. Gay. Molten Salt Oxidation of Hazardous Waste. Bangkok, Thailand. -1992.-April 6-10.

33. Зефиров H.C., Матвеева Е.Д., Проскурина H.B. Уничтожение OB в расплавах неорганических солей.// Химия и жизнь. 1995 - №9 - С.57.

34. Мечев В.В., Гречко A.B., Денисов В.Ф., Быстров В.П., Калнин Е.И., Шишкина Л.Д. Экологически чистая технология переработки бытовых отходов в печи Ванюкова. //Цветныеметаллы. 1992-№12 -С. 9-10.

35. Усачев А.Б., Роменец В.А., Баласанов A.B., Вереин В.Г., Быстров В.П. Пилотная установка для переработки отходов в шлаковом расплаве.// Экология и Промышленность России. 1999 - июнь.- С. 8-10.

36. Усачев А.Б., Роменец В.А., Баласанов A.B., Вереин В.Г., Чугрель В.О., Быстров В.П. Переработка промышленных и бытовых отходов в агрегатах с жидкой ванной расплава.//Экология и промышленность России.-1998.-ноябрь С.27-30.

37. Гречко A.B., Денисов В.Ф., Федоров Л. А. Региональный характер проблемы твердых бытовых и промышленных отходов и ее решение пирометаллургическим методом. //Экология и Промышленность России,- 1997. -октябрь-С. 13-16.

38. Гречко A.B., Денисов В.Ф., Калнин Е.И. О новой отечественной технологии переработки твердых бытовых отходов в барботируемом расплаве шлака (в печи Ванюкова).// Энергетик. -1996. -№12 С.15-16.

39. Гонопольский A.M., Федоров O.JI. Обезвреживание отходов медицинских учреждений в герметичной плазменной печи. //Чистый город. 1999. №1. - С. 28-31.

40. Гонопольский A.M., Федоров О.Л. Экологические аспекты плазменной технологии обезвреживания медицинских отходов. //Чистый город. 1999. -№2.-С. 27-35.

41. Cyclone Combustor Converts Ash to Environmentally Inert Slag. PETC Review. September, 1990.

42. Cyclone Furnace Soil Vitrification Technology. Demonstration Bulletin. EPA /540/MR 92/011, March 1992.

43. J.M. Czuczwa, H. Farzan, S.J. Vecci, T.J. Warachol. Cyclone Furnace vor Vitrification of Contaminated Soil and Wastes. Incinerat. Conf "Treat of Radioact., Hazardous Chem., Mixed and Med. Wastes'" Knoxville, Tenn. May 13-17, 1991. p. 613-620.

44. Сидельковский Л.Н., Юренев B.H. Котельные установки промышленных предприятий-М.: Энергоатомиздат, 1988. 528 с.

45. U. Didas, U. Stoll, Klärschlammvverbrennung in der Wirbelschicht. Perspektiven für Dentschland, Erfahrungen aus den USA. Wasser + Boden №4, 1992.

46. Rückstände aus der Müllverbrennung / M. Faulstich.- Berlin: EF Verlag für Energie -und Umwelttechnik, 1992, 957s.

47. Müllverbrennung und Umwelt 4 / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie - und Umwelttechnik, 1991, 555.s.

48. Müllverbrennung und Umwelt 4 / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie - und Umwelttechnik, 1990, 367.s.

49. Müllverbrennung und Umwelt 3 / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie - und Umwelttechnik, 1989, 903.s.

50. Müllverbrennung und Umwelt 2 / K. Thome Kozmiensky. - Berlin: EF - Verlag für Energie - und Umwelttechnik, 1987, 829.s.

51. Brownfield site reclamed as culm fired CFB cogen plant // Power - 1997. - /4/, №2. -p. 83,84,86.

52. Wirbelschichtverbrennung gut für die Umuelt // Stahlmarkt. 1998. - 48, №1. - s. 64-65.53.