Установка для термической переработки твердых отходов

 

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых отходов с получением в качестве конечных продуктов экологически чистых дымовых газов, шлака и металла и может быть использовано в коммунальном хозяйстве и в промышленности. Технический результат: повышение степени очистки выпускаемого из электропечи шлака от вредных и токсичных составляющих и увеличение теплового КПД процесса переработки отходов. Установка, включающая блок предварительной сушки, термический реактор, выполненный в виде пиролизной камеры с примыкающей к ней плавильной электропечью с электродами и отверстиями для раздельного выпуска металла и шлака, последовательно соединенные между собой камеры дожигания, нейтрализации и восстановления окислов азота, рекуператор, скруббер и систему пылегазоочистки, снабжена генератором парогазовой смеси, а рабочее пространство электропечи разделено вертикальной примыкающей к стенке и своду печи перегородкой на две имеющие общую подину и сообщающиеся сифоном камеры, одна из которых, окислительная, примыкает к пиролизной камере и оборудована соплами острого дутья, а другая, восстановительная, оборудована электродами и отверстиями для выпуска металла и шлака, при этом окислительная камера через установленную над ней с образованием единого газового пространства камеру дожигания, камеру нейтрализации, камеру восстановления окислов азота и рекуператор соединена со входом генератора парогазовой смеси, выход которого соединен со входом блока предварительной сушки отходов. 18 з.п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых отходов с получением в качестве конечных продуктов экологически чистых дымовых газов, шлака и металла и может быть использовано в коммунальном хозяйстве и промышленности.

Эффективность работы установок огневого обезвреживания отходов во многом зависит от принятой энерготехнологической схемы и типа применяемых реакторов.

Известен способ термической переработки отходов, в котором используется установка, содержащая блок предварительной сушки отходов, вертикальную пиролизную камеру, соединенную с расположенной под ней электропечью с электродами и отверстиями для раздельного выпуска металла и шлака, соединенные последовательно ловушку, газовую магистраль и систему пылегазоочистки. (Патент РФ N 2104445, МПК F 23 G, 5/027 от 20.05.93 г.).

Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности регулирования тепловых процессов, происходящих в блоке подогрева отходов и в пиролизной камере, возможность возгорания отходов в блоке подогрева, невозможность отделения несгоревшего полностью углеродного остатка от выпускаемого из печи шлака, большие эксплуатационные затраты.

Известна установка для термической переработки отходов, включающая блок предварительной сушки, термический реактор, выполненный в виде пиролизной камеры с примыкающей к ней плавильной электропечью с электродами и отверстиями для раздельного выпуска металла и шлака, последовательно соединенные между собой камеры дожигания, нейтрализации, восстановления окислов азота, рекуператор, скруббер и систему пылегазоочистки. (Патент РФ N 2135895 МПК F 23 G 5/00 от 30.09.98 г.).

Недостатками данной установки являются следующие факторы. В блоке предварительной сушки отходы подвергаются тепловому воздействию высокотемпературных газов, поступающих сюда противотоком из пиролизной камеры. Происходит не только нагрев отходов, но и их частичное сгорание, вследствие чего большая часть тепла выносится из блока сушки с отходящими газами в камеру дожигания и не используется в процессе термической обработки отходов. Это значительно снижает тепловой коэффициент полезного действия установки. Кроме того, после разложения отходов в пиролизной камере на углеродистый остаток и газовую составляющую углеродистая составляющая попадает в плавильную электропечь на шлаковый расплав. Часть углерода окисляется, часть идет на восстановление окислов, но большая часть углерода остается неиспользованной и плавает на поверхности шлака. За счет сильной адсорбционной способности углерод поглощает значительное количество вредных и токсичных веществ. Выпускаемый из печи шлак, содержащий такой токсичный углерод, не может быть направлен для дальнейшего промышленного использования и должен быть либо подвергнут очистке, либо передан на депонирование.

Изобретением решается задача повышения степени очистки выпускаемого из электропечи шлака от вредных и токсичных составляющих и увеличение теплового коэффициента полезного действия процесса переработки отходов.

Сформулированная задача решается за счет того, что установка для термической переработки твердых отходов, включающая блок предварительной сушки, термический реактор, выполненный в виде пиролизной камеры с примыкающей к ней плавильной электропечью с электродами и отверстиями для раздельного выпуска металла и шлака, последовательно соединенные между собой камеры дожигания, нейтрализации и восстановления окислов азота, рекуператор, скруббер и систему пылегазоочистки, снабжена генератором парогазовой смеси, а рабочее пространство электропечи разделено вертикальной примыкающей к стенке и своду печи перегородкой на две имеющие общую подину и сообщающиеся сифоном камеры, одна из которых, окислительная, примыкает к пиролизной камере и снабжена соплами острого дутья, а другая, восстановительная, оборудована электродами и отверстиями для выпуска металла и шлака, при этом окислительная камера через установленную над ней с образованием единого газового пространства камеру дожигания, камеру нейтрализации, камеру восстановления окислов азота и рекуператор соединена со входом генератора парогазовой смеси, выход которого соединен со входом блока предварительной сушки отходов.

Кроме того, пиролизная камера может быть выполнена в виде барабанной печи. Кроме того, пиролизная камера может быть выполнена в виде слоевой печи с керамической колосниковой решеткой. Кроме того, подина электропечи может быть выполнена наклонной в сторону отверстия для выпуска металла. Кроме того, камера дожигания может быть установлена вертикально над окислительной камерой электропечи. Кроме того, камера дожигания может быть выполнена цилиндрической. Кроме того, камера дожигания может быть установлена соосно с окислительной камерой электропечи. Кроме того, камера дожигания может быть снабжена соплами острого дутья, расположенными в ее стенках. Кроме того, сопла острого дутья могут быть расположены в камере дожигания тангенциально по отношению к ее стенкам. Кроме того, сопла острого дутья могут быть расположены в камере дожигания радиально. Кроме того, сопла острого дутья могут быть расположены в камере дожигания в горизонтальной плоскости. Кроме того, сопла острого дутья могут быть расположены в камере дожигания под углом к горизонту. Кроме того, камера дожигания может быть снабжена горелками для сжигания газообразного, пылевидного твердого или жидкого топлива или горючих отходов, расположенными над окислительной камерой электропечи ниже уровня сопел острого дутья. Кроме того, окислительная камера электропечи может быть снабжена фурмами для продувки расплава газом или пылегазовой смесью. Кроме того, стенки печи, в которых установлены фурмы для продувки расплава, могут быть выполнены охлаждаемыми. Кроме того, восстановительная камера электропечи может быть снабжена фурмой для ввода в расплав пылегазовой смеси, например, из системы газоочистки. Кроме того, нижний торец перегородки, разделяющей рабочее пространство электропечи на две камеры, может быть расположен ниже уровня отверстия для выпуска шлака, но выше уровня отверстия для выпуска металла. Кроме того, нижний торец перегородки может быть выполнен в виде арки. Кроме того, перегородка может быть выполнена с возможностью разъема по вертикали.

Снабжение установки для термической переработки отходов генератором парогазовой смеси, разделение рабочего пространства электропечи вертикальной примыкающей к стенке и своду печи перегородкой на две имеющие общую подину и сообщающиеся сифоном камеры, одна из которых снабжена соплами острого дутья и является окислительной, а другая снабжена электродами и отверстиями для выпуска металла и шлака и является восстановительной, и соединение при этом окислительной камеры через установленную над ней с образованием единого газового пространства камеру дожигания, камеру нейтрализации, камеру восстановления окислов азота и рекуператор со входом генератора парогазовой смеси, выход которого соединен со входом блока предварительной сушки отходов с образованием прямоточного по отношению к технологическому ходу отходов движения сушильного агента, а именно парогазовой смеси, многоразовое использование газовой составляющей пиролиза, а также снабжение электропечи фурмами для продувки расплава и соплами острого дутья обеспечивают благоприятные с точки зрения тепловой работы установки в целом условия, что приводит к значительному повышению теплового коэффициента полезного действия установки, снижению эксплуатационных затрат и исключает попадание углерода в выпускаемый из печи шлак.

Совокупность отличительных признаков предложенной установки поможет обеспечить снижение эксплуатационных затрат при использовании установки и повысит качество и экологическую чистоту выпускаемого шлака.

На чертеже изображена схема предлагаемой установки для термической переработки твердых отходов.

Установка содержит блок предварительной сушки отходов, например, барабанную печь 1, загружаемую отходами через бункер 2. Барабанная печь 1 соединена с пиролизной камерой 3, которая может быть выполнена как в виде слоевой печи с керамической колосниковой решеткой 4, в которой выполнены отверстия 5 для подачи окислителя, так и в виде футерованной огнеупором барабанной печи. К пиролизной камере 3 примыкает плавильная электропечь 6 с электродами 7, связанными короткой сетью с источником питания (на чертеже не показаны). Рабочее пространство электропечи 6 разделено вертикальной перегородкой 8, герметично соединенной со стенками и сводом печи, на две камеры: окислительную 9 и восстановительную 10, имеющие общую подину 11 и соединенные между собой сифоном 12. Окислительная камера 9 снабжена соплами острого дутья 13. Восстановительная камера 10 оборудована отверстиями для выпуска металла 14 и шлака 15. Над окислительной камерой 9 установлена с образованием единого газового пространства камера дожигания 16. Наличие единого газового пространства камеры дожигания 16 и окислительной камеры 9 позволяет полезно использовать большую долю тепла, выделяемого в камере дожигания 16 при сжигании продуктов неполного горения, образовавшихся как в пиролизной камере 3, так и в окислительной камере 9. Камера дожигания 16 может быть выполнена любой формы, но предпочтительно иметь ее цилиндрической. Для обеспечения полного дожигания горючих компонентов отходящего из термического реактора газа камера дожигания 16 снабжена соплами острого дутья 17, расположенными по ее периметру либо радиально, либо тангенциально. Угол наклона сопел острого дутья 17 подбирается в процессе эксплуатации установки. Для повышения температуры в области окислительной камеры 9 камера дожигания в нижней ее части оборудована горелками 18 для сжигания газообразного, пылевидного твердого или жидкого топлива или горючих отходов. Окислительная камера 9 оборудована фурмами 19 для продувки расплава газом или пылегазовой смесью. Стенки окислительной камеры, в которых установлены фурмы 19 для продувки расплава, могут быть выполнены водоохлаждаемыми. Восстановительная камера 10 оборудована фурмой 20 для продувки расплава пылегазовой смесью, например, собираемой в системе пылегазоочистки. Нижний торец перегородки 8 находится ниже уровня отверстия 15 для выпуска шлака, но выше уровня отверстия 14 для выпуска металла. Торец перегородки 8 может быть выполнен как горизонтальным, так и в виде арки. Сама перегородка 8 может быть выполнена как сплошной, так и разъемной по вертикали. Камера дожигания 16 соединена газоходом с камерой нейтрализации 21, оборудованной форсунками 22 для вдувания в нее щелочного реагента. Камера нейтрализации 21 соединена газоходом с камерой восстановления 23 окислов азота до газообразного азота. Камера восстановления 23 снабжена форсунками 24 для подачи карбамида. Камера восстановления 23 соединена газоходом с рекуператором 25, где за счет тепла, отходящего от термического реактора газа, подогревают воздух, который затем используют в качестве окислителя в пиролизной камере. Очищенный от вредных и токсичных примесей газ из рекуператора 25 частично поступает на вход 26 генератора 27 парогазовой смеси, а остальная часть газа, минуя генератор 27 парогазовой смеси, подается в скруббер 28 и оттуда поступает в систему пылегазоочистки 29. Очищенный от пыли газ поступает в атмосферу.

В генератор 27 парогазовой смеси через форсунки 30 впрыскивается техническая вода, которая вместе с газом образует парогазовую смесь. Парогазовая смесь с выходом 31 генератора 27 парогазовой смеси через трубопровод подается на вход блока 1 предварительной сушки отходов.

Предложенная установка для термической переработки твердых отходов работает следующим образом.

Переработке подвергают твердые бытовые отходы следующего состава: влажность - до 50%, углеродистая составляющая (органика), включая пластики - до 30%, керамика - до 16%, металлы - до 4%. Отходы загружают в приемную воронку 2, откуда они через шлюзовую камеру попадают в барабанную печь 1. В барабанной печи 1 проводят предварительную сушку отходов парогазовой смесью, подаваемой на вход барабанной печи из генератора парогазовой смеси 27. Парогазовая смесь при температуре 400-450^oC имеет следующий химический состав: H₂O - 48,0%, N₂ - 43,0%, CO₂ - 5,0%, O₂ - 4,0%, SO₂ + HCl ≤ 10 мг/м³. При нагреве отходов парогазовой смесью исключается их возгорание в объеме барабанной печи. Это позволяет провести горение углеродистой составляющей отходов в термическом реакторе: пиролизной камере 3 и окислительной камере 9 электропечи 6, и значительно повысить тепловой коэффициент полезного действия установки.

Вследствие наклона барабанной печи в сторону пиролизной камеры 3 подсушенные отходы поступают самотеком из барабанной печи в пиролизную камеру 3 и перемещаются постепенно вниз по наклонному керамическом поду 4. Температуру в пиролизной камере 3 поддерживают на уровне 1200-1400^oC за счет подачи подогретого воздуха из рекуператора 25, вдуваемого через сопла 5. В пиролизной камере протекают следующие процессы: полное удаление влаги в дымовые газы; окисление углеродистой части отходов на 80-90%; доокисление углеводородов; полное выделение хлора и фтора благодаря деструкции пластиков с одновременным доокислением углеводородов; термическая деструкция солей, в том числе солей тяжелых металлов, на оксиды металлов и кислотные остатки; перевод серы и фосфора в газообразное состояние. Практически к концу пиролизной камеры на ее наклонном керамическом поду образуются остатки углеродистой составляющей отходов, оксиды металлов и керамическая составляющая отходов в сыпучем или вязком состоянии, которые из пиролизной камеры 3 попадают на поверхность шлаковой ванны, наведенной в окислительной камере 9 электропечи 6. Газовая составляющая отходов, содержащая галогены (хлор и фтор), оксид и диоксид углерода, водяные пары, сажистый углерод, кислотные остатки солей, включающие оксиды серы и фосфора, некоторое количество углеводородов, диоксинов, фуранов и пыли, подаются в окислительную камеру 9 электропечи 6. Перед подачей в электропечь 6 продуктов деструкции отходов, образовавшихся в пиролизной камере 3, на поду 11 электропечи 6 с помощью электродов 7 наводят шлакометаллический расплав до уровня нижнего торца перегородки 8, разделяющей электропечь 6 на две камеры: окислительную 9 и восстановительную 10. Поэтому поступающие из пиролизной камеры 3 продукты разложения отходов подвергаются термической обработке в основном в окислительной камере 9, исключая попадание неусвоенного металлом углерода и газов в восстановительную камеру 10. В окислительной камере 9 осуществляют высокотемпературную обработку газовой и минеральной составляющей отходов перегретым до температуры 1400- 1450^oC шлакометаллическим расплавом при введении в окислительную камеру щелочноземельных реагентов. Высокая температура шлака и мощное электромагнитное воздействие проходящего через ванну тока обеспечивает полную возможность проведения диффузионных реакций взаимодействия кальция и других компонентов шлака с пиролитическими газами, остатками углеродистой составляющей и оксидами металлов. На поверхности шлака благодаря низким скоростям газового потока и высоким температурам происходят следующие процессы: соединение хлора, фтора, серы, фосфора, кислотных остатков солей тяжелых металлов с кальцием и натрием с образованием соответствующих соединений и их сплавлением с оксидами кремния и алюминия шлаковой ванны; усвоение углерода металлом шлакометаллической ванны и полное выжигание остатков углерода кислородом, подаваемым с помощью сопел острого дутья 13. Процессы, происходящие в окислительной ванне 9, могут быть значительно интенсифицированы путем вдувания в расплав газовой или пылегазовой смеси с помощью фурм 19. Недостаток тепла в окислительной камере 9 компенсируют с помощью сжигания в ней топлива, подаваемого горелками 18. Соединения окислительной 9 и восстановительной 10 камер сифоном 12 способствует растеканию металла и шлака по общей для камер подине 11. Но в восстановительную камеру 10 вредные газы и неусвоенный углерод уже не попадают из-за наличия перегородки 8. Нагрев шлакометаллического расплава в восстановительной камере 10 ведут с помощью энергии, выделяемой электродами в шлаковой ванне в бездуговом режиме. Здесь за счет углерода графитовых электродов протекают углетермические реакции восстановления оксидов тяжелых металлов в присутствии железа, которое понижает температуру проведения этих реакций на 200-300^oC и увеличивает их полноту за счет изъятия восстановленных металлов из зоны реакции путем их растворения в железе. Кроме того, идут углетермические реакции восстановления оксидов летучих "тяжелых" металлов (цинка, олова, свинца, кадмия) с их возгонкой в газовую фазу. Процессы восстановления оксидов могут быть интенсифицированы путем вдувания в расплав с помощью фурмы 20 пылегазовой смеси, которую могут забирать, например, после системы пылегазоочистки 29. Жидкофазное разделение базальтоподобного шлака и чугуна позволяет проводить раздельный выпуск из электропечи шлака через отверстие 15 и металла (чугуна) из отверстия 14. Жидкий шлак при сливе из печи гранулируют и используют при производстве бетонов. Металл в виде чушек передают на переплав. Обработанный в окислительной печи газ направляют в камеру дожигания 16, где с помощью сопел острого дутья проводят дожигание остатков сажистого углерода и окиси углерода до двуокиси углерода. При этом большая часть тепла излучением поступает в окислительную камеру вследствие наличия единого газового пространства окислительной камеры 9 и камеры дожигания 16. Далее газ поступает в камеру 21, где проводят нейтрализацию и связывание в прочные соединения хлористого водорода, фтористого водорода, сернистых и фосфористых кислотных остатков подачей и распылением через форсунки 22 содового раствора с получением порошков соответствующих натриевых солей. Далее газ поступает в камеру 23, где он с помощью форсунок 24 обрабатывается карбамидом для восстановления оксидов азота до азота. Очищенный газ подается затем в рекуператор 25, где проводят подогрев воздуха до 400-450^oC, который подают затем в пиролизную камеру. Из рекуператора 25 часть газа подают на вход 26 генератора парогазовой смеси 27, а другую часть передают в скруббер 28, где во избежание образования диоксинов газ быстро охлаждают до температуры 180-250^oC путем впрыскивания мелкодисперсных капель воды в газовую смесь. Затем газ из скруббера 28 попадает в систему пылегазоочистки 29 и выбрасывается через трубу в атмосферу. В генераторе 27 парогазовой смеси с помощью форсунок 30 впрыскивают техническую воду, вследствие чего в нем образуется парогазовая смесь, которую через выход 31 генератора 27 парогазовой смеси подают на вход блока предварительной сушки отходов в барабанную печь 1.

Снабжение установки для термической переработки твердых отходов парогазогенератором, разделение рабочего объема печи перегородкой на две соединенные сифоном герметичные сверху камеры: окислительную и восстановительную, и расположение камеры дожигания непосредственно над окислительной камерой с образованием единого газового пространства позволило значительно повысить тепловой коэффициент полезного действия установки и полностью исключить попадание нерастворенного в металле углерода в шлак, что обеспечило его экологическую чистоту.

Формула изобретения

1. Установка для термической переработки твердых отходов, включающая блок предварительной сушки, термический реактор, выполненный в виде пиролизной камеры с примыкающей к ней плавильной электропечью с электродами и отверстиями для раздельного выпуска металла и шлака, последовательно соединенные между собой камеры дожигания, нейтрализации и восстановления окислов азота, рекуператор, скруббер и систему пылегазоочистки, отличающаяся тем, что она снабжена генератором парогазовой смеси, а рабочее пространство электропечи разделено вертикальной примыкающей к стенке и своду печи перегородкой на две имеющие общую подину и сообщающиеся сифоном камеры, одна из которых, окислительная, примыкает к пиролизной камере и оборудована соплами острого дутья, а другая, восстановительная, оборудована электродами и отверстиями для выпуска металла и шлака, при этом окислительная камера через установленную над ней с образованием единого газового пространства камеру дожигания, камеру нейтрализации, камеру восстановления окислов азота и рекуператор соединена со входом генератора парогазовой смеси, выход которого соединен со входом блока предварительной сушки отходов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пиролизная камера выполнена в виде барабанной печи.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пиролизная камера выполнена в виде слоевой печи с керамической колосниковой решеткой.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что подина электропечи выполнена наклонной в сторону отверстия для выпуска металла.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что камера дожигания установлена над окислительной камерой электропечи вертикально.

6. Установка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что камера дожигания выполнена цилиндрической.

7. Установка по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что камера дожигания установлена соосно с окислительной камерой электропечи.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что камера дожигания снабжена соплами острого дутья, расположенными в ее стенках.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что сопла острого дутья расположены в камере дожигания тангенциально по отношению к ее стенкам.

10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что сопла острого дутья расположены в камере дожигания радиально.

11. Установка по п.8, отличающаяся тем, что сопла острого дутья расположены в камере дожигания в горизонтальной плоскости.

12. Установка по п.8, отличающаяся тем, что сопла острого дутья расположены в камере дожигания под углом к горизонту.

13. Установка по п.8, отличающаяся тем, что камера дожигания снабжена горелками для сжигания газообразного, или пылевидного, или жидкого топлива, или горючих отходов, расположенными над окислительной камерой электропечи ниже уровня сопел острого дутья.

14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что окислительная камера электропечи снабжена фурмами для продувки расплава газом или пылегазовой смесью.

15. Установка по п.14, отличающаяся тем, что стенки окислительной камеры электропечи, в которой установлены фурмы для продувки расплава, выполнены охлаждаемыми.

16. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что восстановительная камера электропечи снабжена фурмой для вдувания в расплав пылегазовой смеси, например, из системы газоочистки.

17. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нижний торец перегородки, разделяющей рабочее пространство на две камеры, расположен ниже уровня отверстия для выпуска шлака, но выше уровня отверстия для выпуска металла.

18. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нижний торец перегородки выполнен в виде арки.

19. Установка по п.1, отличающаяся тем, что перегородка выполнена с возможностью разъема по вертикали.

РИСУНКИ

Рисунок 1