Способ переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов

 

Изобретение относится к способам термической переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, стройиндустрии и металлургии. Изобретение направлено на создание высокоэффективной технологии переработки шлаков, образующихся от сжигания ТБО, обеспечивает высокую степень извлечения железа и цветных металлов, снижение расхода электроэнергии и получение шлаков, пригодных для стройиндустрии. Способ переработки шлаков, образующихся от сжигания ТБО, включает загрузку их в дуговую электропечь при температуре 600-900^oC и плавку с подачей восстановителя в количестве 100 - 125% от стехиометрически необходимого. Кроме того, плавку ведут с получением шлака, имеющего химический состав, мас.%: 53,3-58,1SiO₂; 8,8-10,8 Аl₂O₃; 13,9-16,8 СаО; 4,8-6,9 MgO; 0,5-1,0 TiO₂; 0,3-0,4 Fe; 0,8-1,6 K₂O; 3,5-4,3 Na₂O. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способам термической переработки шлаков, образующихся при сжигании твердых бытовых отходов, и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве, стройиндустрии и металлургии.

Задача защиты окружающей среды и снижения топливно-энергетических затрат в производстве промышленной продукции остается по-прежнему актуальной для народного хозяйства России. Это в особой мере относится к различного вида отходам, хранение и переработка которых тесно связаны с экологическими задачами, а их химический состав позволяет при определенных условиях энергетически и экономически весьма выгодно проводить их переработку и утилизацию. К таким отходам относятся твердые бытовые отходы (ТБО).

Решение проблемы ТБО приобрело в настоящее время глобальное значение. Практически повсеместный вывоз ТБО на мусорные свалки не является радикальным решением проблемы, поскольку при этом не только продолжается загрязнение окружающей среды (процессы испарения, разложения, проникновения вредных веществ в почву), а также изымаются из земельного пользования огромные площади.

К решительным мерам следует отнести переработку и комплексное использование минеральной части ТБО с учетом их состава, используя при этом собственные горючие составляющие, извлечение ценных металлов, максимальное использование других продуктов переработки и вторичного тепла.

Наиболее распространенным в мире способом переработки ТБО является их сжигание на колосниковой решетке топочных устройств специальных котлоагрегатов, конструкция которых учитывает специфические свойства ТБО: высокая влажность (до 65%); широкое разнообразие компонентов, включая черные и цветные металлы, строительный мусор, пластмассу, древесину, текстиль, высоковязкие вещества и т.д.

Сжигание ТБО ведется при относительно низких температурах (до 900^oC) без дополнительного ввода топлива. При этом сгорает примерно 70-75% составляющих ТБО. Несгоревшие твердые остатки (шлаки) требует специального обезвреживания или захоронения, что является большим недостатком этой технологии. При этом естественно теряются содержащиеся в них ценные металлы и шлакообразующая составляющая.

Химический состав шлаков, образующихся от сжигания ТБО, мас.%: 0,25 - 0,40 Cu; 0,90 - 1,12 Zn; 0,80 - 1,2 Pb; 0,02 - 0,10 Ni; 0,05 - 0,12 Sn; 0,25 - 0,45 Cr; 0,045 - 0,10 Mn; 7,2 - 9,5 Fe; 53,0 - 59,5 SiO₂; 12,0 - 15,7 CaO; 4,60 - 9,4 Al₂O₃; 0,50 - 0,80 TiO₂; 1,60 - 2,1 MgO; 0,1 - 1,0 K₂O; 0,4 - 4,8 Na₂O.

В них также содержатся литий, бериллий, ванадий, кобальт, стронций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и установка для переработки шлака и других горючих остатков, получаемых в мусоросжигательной печи, известный из патента США N 5027722, который включает в себя грубую очистку несгоревшего материала и магнитных частиц от шлака. Сухой грубоочищенный шлак снова нагревается до 800^oC, а затем расплавляется с образованием жидкого шлака.

Недостатком выбранного в качестве прототипа способа является сложность технологического процесса, который заключается в специальной сортировке горючих отходов после мусоросжигательной печи на несгоревший грубый материал, магнитные частицы и шлак. При осуществлении сортировки отходов на вышеуказанные классы при повышенной температуре требуется весьма герметичное дорогостоящее оборудование, которое предотвращает выброс пыли в атмосферу.

Вторым недостатком названного способа является повторное нагревание шлака до 800^oC и его последующее плавление до жидкотекучего состояния, что вызывает повышенный расход энергетических затрат.

Третий недостаток - специальная переработка грубого материала и магнитных частиц, требующая дополнительного оборудования и энергетических затрат.

Изобретение направлено на создание высокоэкономичной технологии переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов, обеспечивающей высокую степень извлечения железа и цветных металлов, снижение расхода электроэнергии, полное использование минеральной части ТБО и получение шлаков, пригодных для нужд стройиндустрии (щебень для отсыпки дорог, плитки для полов химических и пирометаллургических производств, дренажные трубы, черепица для крыш и т.д.).

Осуществление изобретения в промышленных условиях позволяет создать высокоэффективную экологически чистую технологию термической переработки твердых бытовых отходов.

Технический результат, отмеченный выше, достигается тем, что шлаки, образующиеся от сжигания твердых бытовых отходов, загружают в дуговую электропечь при температуре 600-900^oC и плавят с подачей восстановителя в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого.

Кроме того, плавку ведут на шлак, имеющий химический состав, мас.%: 53,3 - 58,1 SiO₂; 8,8 - 10,8 Al₂O₃; 13,9 - 16,8 CaO; 4,8 - 6,9 MgO; 0,5 - 1,0 TiO₂ 0,3 - 0,4 Fe; 0,8 - 1,6 K₂O; 3,5 - 4,3 Na₂O.

Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.

Проведенные исследования позволили установить, что при переработке данных шлаков заявляемым способом основная масса ценных компонентов, содержащихся в шлаке (цветных металлов и железа), восстанавливается, переходит в металлическую фазу и коллектируется в ней.

Восстановление высшего оксида железа Fe₂O₃ до металлического железа происходит через промежуточные оксиды уже при температуре более 570^oC по следующим реакциям: 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, (1) Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂, (2) F_eO + CO = Fe + CO₂. (3) Загрузка в электропечь шлаков от сжигания ТБО с температурой 600-900^oC и последующее их плавление в среднем за плавку экономит 36-42% электроэнергии. Получение шлаков указанного состава позволяет направить их на дальнейшую переработку с целью получения различных строительных материалов: аглопорита, керамзита, кровельной черепицы, дренажных труб, плитки для полов, химически стойких материалов и т.д.

В исходных шлаках, образующихся от сжигания ТБО, содержание CaO и MgO ниже требуемых последующей технологии их переработки количеств, поэтому в процессе электроплавки они корректируются до заданного количества 12,9 - 16,8% CaO и 4,8-6,9% MgO за счет подачи в шихту извести CaO или известняка CaCO₃ и доломита MgCO₃·CaCO₃. Это позволяет получить из таких шлаков высококачественные строительные материалы, упомянутые выше.

Изучение научно-технической и патентной литературы не привело к обнаружению аналогичной с заявленной совокупности отличительных признаков, что свидетельствует о соответствии заявленного способа критерию "новизна".

Способ осуществляется следующим образом.

В разобранную электропечь при снятом своде (температура стенок печи и пода 1250 - 1300^oC) мостовым краном из специального контейнера выгружают горячий шлак ТБО при температуре 600-900^oC, потом на этот слой шлака краном загружают известь (известняк) и доломит в количестве, обеспечивающем содержание MgO 4,8-6,9% и CaO 12,9-16,8%. Заданное количество оксидов магния и кальция окончательно корректируется в конце расплавления шлака ТБО. Подача восстановителя в шихту во время плавки производится в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого количества для восстановления оксидов железа и цветных металлов.

В процессе восстановления металлов в первую очередь идет восстановление железа ввиду его физико-химических свойств и повышенной концентрации в минеральной части ТБО, причем процесс протекает в три стадии по цепочке: Fe₂O₃_→ Fe₃O₄_→ FeO _→ Fe и по реакциям (1)-(3).

Никель обладает сравнительно малым сродством к кислороду, поэтому его восстановление протекает легко и с большой полнотой, несмотря на его низкие концентрации в шлаке ТБО. Наряду с никелем практически полностью восстанавливаются оксиды Cu и Co, чему способствуют высокая температура процесса и наличие избытка восстановителя. Восстановленные до металлического состояния Cu, Co, Ni растворяются в жидком железе.

Жидкое железо способно растворять углерод и по мере насыщения железа углеродом (Fe₃C) температура его плавления снижается до 1360-1380^oC. Это и используется с целью снижения температуры расплава и расхода электроэнергии в период наплавления жидкой ванны расплава.

После полного набора объема ванны шлакового расплава идет глубокое восстановление оксидов Fe, Cu, Ni, Co, Pb и других цветных металлов. После слива готового шлака из электропечи в специальные изложницы сливается полученный железный сплав, легированный цветными металлами. Полученный в электропечи шлак мостовым краном сливается в отапливаемый копильник шлака, из которого он разливается на специальные литьевые машины, где получают плитку с заданными свойствами. После полного слива шлака и металлического расплава из электропечи технологический цикл переработки шлаков ТБО повторяется вновь.

Загрузка в электропечь шлаков ТБО с температурой 600-900^oC позволяет сэкономить за плавку 36-42% электроэнергии по сравнению с плавкой холодных шлаков. Кроме того, переработка горячих шлаков позволяет полностью ликвидировать два передела - охлаждение и сушку шлака, что также приносит значительный экономический эффект.

Осуществление электроплавки шлаков ТБО с расходом восстановителя в количестве 100-125% от стехиометрически необходимого позволяет добиться высокого извлечения металлов, %: 95,0 Fe; 80,0 Cu; 92,2 Zn; 92,5 Pb; 50,0 Ni. Дальнейшее увеличение расхода восстановителя нецелесообразно, так как это удорожает плавку и не повышает извлечение вышеупомянутых металлов.

Плавку шлаков ТБО ведут на шлаки следующего химического состава, мас.% 53,3-58,1 SiO₂; 8,8-10,8 Al₂O₃; 13,9-16,8 CaO; 4,8-6,9 MgO; 0,5-1,0 TiO₂ ; 0,3-0,4 Fe; 0,8-1,6 K₂O; 3,5-4,2 Na₂O. Получение таких шлаков позволяет получить из них высококачественные строительные материалы - дренажные трубы, фасадные изделия, химически стойкие материалы, плитку для металлургических и химических цехов и т.д.

При осуществлении электроплавки особое внимание уделяется содержанию в шлаках перед их сливом диоксидов кремния, кальция и магния.

Осуществление способа проводили в дуговой сталеплавильной печи (ДСП-25) с емкостью садки 25 т и номинальной мощностью 10 кВт, в которой перерабатывали шлак, образующийся от сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) состава, мас. %: 0,25 Cu; 0,9Zn; 0,8Pb; 0,02Ni; 0,05Sn; 7,6Fe; 12,0 CaO; 53,0 SiO₂; 4,7 Al₂O₃; 1,9 MgO; 1,0 K₂O; 4,8 Na₂О; 0,92 ТiO₂.

Способ осуществляли следующим образом.

Шлак ТБО в количестве 25 т загружали в ДСП-25 при температуре 800^oC. Процесс плавки осуществляли при температуре 1450^oC. Подачу восстановителя (угля Кузбасского бассейна) проводили в процессе расплавления шлака на поверхность шлакового расплава.

Восстановитель подавали в количестве, равном 1,25 от стехиометрически необходимого, что составило 764,1 кг. Через 3,5 ч после начала плавки взяли пробу шлака на экспрессное определение химического состава, мас.%: 0,912 Fe; 15,1 CaO; 35,1 SiO₂; 4,95 Al₂O₃; 2,25 MgO; 1,36 K₄O; 4,98 Na₂O; 0,95 TiO₂.

Для получения шлака заданного состава в расплав ввели 1043,0 кг доломита.

Технологический процесс переработки шлака ТБО осуществлялся в течение 5 ч.

В результате переработки были получены: железный сплав, мас.%: 95,6 Fe; 3,2 C; 0,8 Cu; 0,11 Zn; 0,1 Pl; 0,1 Ni; 0,09 Sn в количестве 1900 кг; шлак состава, мас.%: 0,4 Fe; 15,8 CaO; 54,8 SiO₂; 8,85 Al₂O₃; 4,9 MgO; 1,4 K₂O; 4,8 Na₂O и 1,0 TiO₂ в количестве 23100 кг.

Снижение в шлаках SiO₂ менее 53,3% приводит к повышенному содержанию тугоплавких оксидов алюминия, кальция и магния, что вызывает повышенный расход электроэнергии и увеличение вязкости шлака. Содержание в шлаках SiO₂ более 58,1% также приводит к повышению вязкости шлаков. Все эти факторы резко ухудшают условия разлива таких шлаков на литьевые машины через фидерные устройства.

Содержание в шлаках CaO менее 13,9% приводит к увеличению вязкости шлака, а более 16,8% - экономически не выгодно, так как вязкость шлака при этом не снижается, а расход электроэнергии увеличивается при плавке дополнительного количества CaO или CaCO₃. При этом необходимо учесть и стоимость CaCo₃ или CaO как покупного шихтового материала.

Содержание в шлаках MgO менее 4,8% приведет после разлива шлака в то или иное изделие при его отжиге к возникновению внутренних напряжений, способных вызвать появление трещин. Увеличение содержания MgO более 6,9% нецелесообразно, так как не приводит к улучшению литейных качеств и технологическим условиям отжига изделий, а лишь к увеличению расхода электроэнергии при плавке за счет повышения температуры расплава и к удорожанию процесса переработки шлака ТБО в электропечи.

Проведена серия лабораторных плавок шлака ТБО. Плавки осуществлялись в силитовой печи.

Результаты десяти плавок сведены в таблицу.

Плавка 1 осуществлялась в атмосфере воздуха с целью определения химического состава шлака ТБО. Как видно из таблицы, шлак ТБО представляет значительный интерес для металлургов ввиду высокого содержания Fe, Cu, Zn и Pb, поэтому следует рассматривать эти шлаки как ресурс для черной и цветной подотраслей металлургии.

Плавки 2-10 осуществлялись в восстановительной атмосфере при различном расходе восстановителя (углерода) от стехиометрического количества. Шлак ТБО при температуре 1250^oC - жидкий с вязкостью ≈ 11-13 П, а при температуре 1310^oC и выдержке 15 мин вязкость шлака снизилась до 9-10 П.

Охлаждение шлака после достижения заданной температуры вели при отключенной печи в токе аргона до температуры 800^oC, затем на воздухе при комнатной температуре.

После разделки тигля, взвешивания извлеченного из шлака королька металла, часть пробы шлака разделывали и отдавали на анализ.

Химический анализ плавок 2-7 показал, что извлечение железа и цветных металлов в металлическую фазу повышается с увеличением восстановителя (при содержании углерода 100% от стехиометрии извлечение железа составляет 80%, а при 125% составляет 95%).

Извлечение железа и цветных металлов в донную металлическую фазу падает при содержании углерода 130% от стехиометрии и выше. Это объясняется тем, что в период плавления и нахождения шлака в жидкотекучем состоянии происходит бурное выделение CO₂ и CO, пузырьки которых флотируют мелкодисперсные частицы восстановленного металла в верхнюю часть шлака.

В промышленных условиях при переработке шлака ТБО в дуговой электропечи достигаются более высокие показатели по извлечению железа и цветных металлов, нежели это можно достичь в лабораторных плавках.

На электропечи всегда вовремя можно откорректировать состав шлака перед последним восстановлением, перегреть шлак до нужной температуры и произвести его отстой перед сливом. Отстой шлака крайне необходим для того, чтобы мельчайшие корольки металла после бурления расплава могли осесть на подину печи, тем самым увеличивая извлечение железа и цветных металлов.

Как видно из данных, приведенных в таблице (плавка 7) максимальное извлечение железа и цветных металлов из шлака ТБО в металлический расплав достигает при расходе восстановителя 125% от стехиометрически необходимого количества и составляет, %: 95,0 Fe; 80,0 Cu; 92,2 Zn; 92,5 Pl и 50,0 Ni. Дальнейшее увеличение расхода восстановителя приводит к снижению извлечения железа и цветных металлов, увеличению стоимости переработки шлаков ТБО.

Кроме того, способ позволяет осуществить комплексное использование минеральной части шлаков ТБО, получить шлаковые расплавы для нужд стройиндустрии и создать безотходную технологию.

Формула изобретения

1. Способ переработки шлаков, образующихся от сжигания твердых бытовых отходов, включающий загрузку шлаков в плавильную печь и их плавку, отличающийся тем, что в качестве плавильной печи используют дуговую электропечь, загрузку шлаков в печь осуществляют при 600 - 900^oС, а при их плавке подают восстановитель в количестве 100 - 125% от стехиометрически необходимого и флюсующие добавки в виде извести, или известняка, или доломита, и получают железный сплав и шлак.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу флюсующих добавок в виде извести, или известняка, или доломита осуществляют в количестве, необходимом для получения шлака следующего состава, мас.%: SiO₂ - 53,3 - 58,1 Al₂O₃ - 8,8 - 10,8
CaO - 13,9 - 16,6
MgO - 4,8 - 6,9
TiO₂ - 0,5 - 1,0
Fe - 0,3 - 0,4
K₂O - 0,8 - 1,6
Na₂O - 3,5 - 4,3о

РИСУНКИ

Рисунок 1