Установка сжигания отходов с утилизацией тепла на обжиг известняка

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу обеспечения эффективной утилизации сбросного тепла установки термической переработки и уничтожения отходов за счет применения усовершенствованного устройства обжига известняка в сочетании с паросиловой установкой для обеспечения собственных нужд по электроэнергии и теплу, оптимизации процесса обжига для производства извести высокого качества, и обеспечения защиты окружающей среды в соответствии с требованиями строительных норм и правил РФ, и Европейской комиссии, по установкам для бездиоксинового сжигания токсичных отходов. Установка содержит устройство сжигания отходов, устройство обжига известняка теплом продуктов сгорания отходов, и очистки выхлопных газов от поллютантов благодаря связыванию их известью в нелетучие соединения, при том, что оборудование для сжигания отходов и обжига известняка функционально разделено так, что для высокотемпературного окисления отходов установлен конвертор с регулируемой подачей окислителя в соотношении к расходу горючих отходов менее или равном стехиометрическому, с температурой на выходе конвертора 1100-1200°С, с образованием при этом в горячих продуктах реакции горючих компонентов СО и Н₂ , а для обжига известняка за конвертором установлен реактор переменной производительности с распределенными по длине и регулируемыми вводами окислителя для дожигания СО и Н₂, с обеспечением близкого к изотермическому режима мягкого обжига, с установленным после реактора циклоном предварительной очистки газов с выхода реактора обжига, направляемых в установленный далее по тракту продуктов сгорания паросиловой блок получения электроэнергии и тепла для собственных нужд, и установленной за ним, при необходимости, дополнительной системой пылегазоочистки. Илл. 1.

Полезная модель относится к области энерготехнологий, конкретно к установкам сжигания отходов, оснащенным оборудованием для утилизации тепла продуктов сгорания отходов с целью теплофикации, выработки электроэнергии или осуществления энергоемких технологических процессов получения товарной продукции.

Крупные мусоросжигательные заводы, как правило, оснащают утилизационными паровыми или водогрейными котлами, однако их применение на установках сжигания токсичных отходов представляется нецелесообразным из-за сравнительно малого масштаба последних, нерегулярного по составу, теплотворной способности и количеству поступающего сырья, а также дорогой инфраструктуры указанных систем утилизации тепла. Наряду со сложностью защиты котла от коррозии, работающего с возможно весьма агрессивными продуктами сгорания токсичных отходов, весьма дорого создавать теплофикационные сети в отдаленных от поселений местах размещения установок токсичных отходов. А для выработки пара с целью производства электроэнергии необходимо стабильное поступление тепла в пределах не более допустимого регулирования паропроизводительности котлов, как правило, 100-70%. Таким образом, традиционные средства использования этого энергетического ресурса малопригодны.

Из примеров использования иного оборудования для реализации нетрадиционных способов использования тепла сжигания токсичных отходов отметим такие, как подачу отходов в качестве части замещающего топлива в обжиговые печи производства цемента (L.P.Brzuzy, R.A.Hites, Global Mass Balance for Polychlorinated Dibenzo-p-dioxins and Dibenzofurans, Environmental Science & Technology, Vol.30, No. 6, 1996, p 1801), или такой специфический вариант, как применение оборудования энерготехнологического цикла опреснения морской воды. (Богоявленский Р.Г., Гнеденко В.Г., Пономарев-Степной Н.Н., Сурис А.Л., Хмельник В.А., Щеголев В.И., патент РФ 2143086, Установка для плазменной переработки отходов). Указанные примеры можно рассматривать как аналоги. Причем в первой из цитированных публикаций отмечается, что применение цементных печей для сжигания отходов сопровождается угрожающим загрязнением окружающей среды диоксинами и фуранами и должно быть исключено. Второе не может быть широко применено в силу специфичности.

Наиболее близким к техническому решению предлагаемой модели является патент РФ 2265773: Арсентьев В.А., Петров А.В., Способ и устройство для сжигания твердых бытовых отходов (прототип). В этом устройстве сбросное тепло установки сжигания отходов используется для обжига известняка, при котором попутно связываются поллютанты в продуктах сгорания. Для этого в устройстве сжигания отходов создается зона слоевого горения, размещенная поверх слоя подвергаемого обжигу известняка, размещенного на колосниках. Но из-за совмещения зон горения и обжига технологические процессы осуществляются непроизводительными и почти неконтролируемыми способами, что не соответствует ни требованиям по защите окружающей среды, ни качеству получаемого в процессе продукта.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу обеспечения существенно более высокой степени утилизации сбросного тепла установки термической переработки и уничтожения отходов за счет усовершенствованного устройства обжига известняка в сочетании с паросиловой установкой для обеспечения собственных нужд по электроэнергии и теплу, оптимизации процесса обжига для производства извести высокого качества, и обеспечения гарантированной защиты окружающей среды в соответствии с требованиями Отечественного СНИП'а (строительных норм и правил), и Европейской комиссии по установкам для бездиоксинового сжигания токсичных отходов.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в установке сжигания отходов с утилизацией тепла на обжига известняка, содержащей устройство сжигания отходов, устройство обжига известняка теплом продуктов сгорания отходов, и, одновременно, очистки выхлопных газов от атмосферных поллютантов благодаря связыванию их известью в нелетучие соединения, оборудование для сжигания отходов и обжига известняка функционально разделено и изменено так, что для высокотемпературного окисления отходов установлен конвертор с регулируемой подачей окислителя в соотношении к расходу горючих отходов менее или равном стехиометрическому при температуре на выходе конвертора 1100-1200°С, с образованием при этом в горячих продуктах реакции горючих компонентов СО и Н₂, а для обжига известняка за конвертором установлен реактор переменной производительности с распределенными по длине и регулируемыми вводами окислителя для дожигания СО и Н₂ с обеспечением близкого к изотермическому режима мягкого обжига, с установленным за реактором циклоном предварительной очистки газов с выхода реактора обжига, направляемых в установленный далее по тракту продуктов сгорания паросиловой блок получения электроэнергии и тепла для собственных нужд, с установленной за ним, при необходимости, дополнительной системой пылегазоочистки.

В практическом отношении принятие указанного технического решения диктуется рядом весьма важных обстоятельств. Многие отходы содержат в своем составе полихлорированные органические соединения, например, поливинилхлоридные пластики, продуцирующие при сжигании в условиях традиционных мусоросжигающих заводов исключительно опасные диоксиноподобные токсичные вещества, для разрушения которых необходимо, как отмечено выше, термическое воздействие по нормативам Европейской комиссии и/или Отечественного СНИП'а: 1100-1200°С при заданном времени выдержки при этой температуре 2-1 сек. Если отходы не обладают достаточной для достижения этой температуры теплотворной способностью, могут быть использованы известные дополнительные возможности увеличения энергии рабочей массы в реакторе окисления - предварительная сушка рабочей массы, регенеративный подогрев или обогащение кислородом окислителя, добавка высококалорийного топлива, введение плазменной струи и так далее. Заметим, указанная температура несколько выше оптимального уровня технологий мягкого обжига известняка на активную известь, и дальнейшее ее повышение не оправдано. Однако отходы могут содержать минеральные компоненты, вязкие при этих условиях, и для вывода их из конвертора могут понадобиться средства периодического удаления шлаков в расплаве, создаваемом с помощью плазменного или огневого перегрева. Такие известные технические решения могут, а при необходимости, должны быть использованы в дополнение к предлагаемому основному решению. Также как и выбор из числа известных конструкции конвертора, или газификатора, на данный уровень температур с выводом жидкого шлака. Второе важное обстоятельство в основе предлагаемого технического решения состоит в том, что ограничение температуры горячих газов за счет перевода части располагаемой энергии рабочей массы в конверторе в химическую энергию продуцируемых компонентов синтез-газа, СО и Н₂, не уменьшает потенциальной доли тепла, поступающего на обжиг, а напротив, позволяет реализовать близкий к изотермическому режим обжига в реакторе обжига с подводом тепла по мере его расходования на эндотермическую реакцию разложения известняка при температуре около или несколько выше 900°С. Для этого предлагается использовать реактор обжига зонного типа, в котором по ходу процесса осуществляется регулируемый распределенный ввод окислителя на дожигание компонентов синтез-газа. Отметим, что зонный реактор обжига принципиально уже существует - шахтная газовая печь обжига имеет влеты для распределенного подвода газа, она отличается только тем, что в центральное пространство шахты вводится воздух, то есть окислитель, а газ подается на влетах, тогда как в данном устройстве в шахту поступает горючий газ, а окислитель - на влетах. В такой же роли зонного реактора обжига может быть вращающаяся печь, включенная за конвертором, если в ней организован спутный ввод известняка и газов из конвертора, а окислитель подается распределенным по длине печи с помощью регуляторов расхода, и за счет регулировки на участке обжига поддерживается оптимальная для мягкого обжига температура. Такую подачу окислителя во вращающейся обжиговой печи можно организовать, например, аксиальным подводом со стороны входа и его раздачей по трубам разводки, закрепленным на вращающемся корпусе печи, через регулирующие заслонки в соответствующие зоны обжига. Естественно, применение технического решения предлагаемой полезной модели по организации близкого к изотермическому обжига требует некоторых изменений традиционных конструкций печей обжига в части подводов и вывода рабочих сред. А при работе печи, в зависимости от расхода, теплотворной способности отходов и ряда других упомянутых факторов, следует корректировать расход сырья в печи для поддержания необходимого теплового баланса установки и обеспечения тепловой мощности, передаваемой котлу паросиловой энергетической установки. Необходимо иметь в виду, что для обеспечения указанного баланса не весь синтез-газ может и должен быть полностью сожжен в обжиговой печи. Кроме того, на эффективность обжига и баланс тепла может повлиять использование в установке известных методов регенерации тепла, сбрасываемого после обжиговой печи, например, подогрев окислителя, что увеличивает тепловую эффективность установки.

Обоснованием включения в состав установки по настоящему техническому решению паросилового энергетического блока на невысокие параметры пара является то обстоятельство, что на осуществление термического разложения известняка требуется почти вдвое больше энергии, чем на нагрев до температуры разложения около 900°С. Это значит, что большая доля тепла не могла бы быть использована в отсутствие такого блока, не говоря о целесообразности иметь недорогой источник покрытия собственных энергетических нужд при размещении установки в удаленном месте.

Учитывая, что реакция разложения известняка обратима и достаточно эффективна, настолько, что обратная реакция в ряде технологических процессов используется для обеспечения их энергией, продукт обжига следует выводить из газового тракта сразу после его завершения - в качестве твердой массы и пыли, используя циклоны, и охлаждать на воздухе или потоком воздуха. Температура, указанная выше в качестве оптимальной для изотермического обжига, и понижающаяся далее по тракту к котлу, по литературным данным является также оптимальной для сухого, горячего связывания и удаления из газовой фазы поллютантов, таких как сера, хлор, фтор, фосфор. Безусловно, этому будет активно способствовать наличие пыли извести, которая не вся может быть уловлена в циклоне на выходе устройства обжига. А это значит, что в составе установки уничтожения отходов должно быть устройство обеспыливания. Для удаления из продуктов выхлопа других, специфичных загрязнений, может быть использован фильтр с активированным углем.

Последнее замечание касается обозначенных выше параметров обжига. Известно, что при температуре выше 1000°С становится заметен рост кристаллов окиси кальция, СаО, при котором происходит снижение активности полученной извести, и следует всемерно избегать ее пережога. Хотя в реальных процессах обжига температура на поверхности кускового известняка приходится держать не менее 1200°С, чтобы реакция разложения шла с технически приемлемой скоростью. Поскольку это так, то ясно, что вращающаяся обжиговая печь, в которой можно использовать мелочь известняка, с зонной организацией обжига, как описано выше, больше соответствует возможностям получения продукта наивысшего качества.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется структурной схемой Фиг.1 установки термического уничтожения отходов с утилизацией тепла на обжиг известняка в зонном изотермическом реакторе обжига и с паросиловым блоком получения электроэнергии и тепла для собственных нужд. Установка содержит устройство дозированной подачи отходов 1, высокотемпературный конвертор 2, устройство подачи окислителя в конвертор 3, секцию вывода твердого шлака или золошлакового расплава в конверторе 4, зонный реактор обжига 5, устройство подачи известняка в реактор обжига 6, систему подачи и регулирования окислителя в зонном реакторе 7, горячий циклон для вывода пыли извести за реактором 8, устройство удаления извести из установки 9, паросиловой энергетический блок 10, систему дополнительной пылегазоочистки 11, дымосос с выхлопной трубой 12.

Установка работает следующим образом. Отходы подаются на вход конвертора, температура в котором поддерживается на требуемом высоком уровне за счет тепла частичного их окисления, или возможно полного сгорания, а при недостаточной теплоте сгорания - с добавлением высококалорийного топлива. Ограничение температуры в конверторе на заданном уровне достигается за счет снижения расхода окислителя в сравнении со стехиометрическим, и в газах на выходе конвертора появляются компоненты синтез-газа. Зола и шлаки удаляются, а горячие газы поступают в реактор обжига, куда подается известняк. После прогрева сырья в реакторе начинается высокотемпературный обжиг, температура обжигаемой массы контролируется, и выравнивается до требуемого уровня за счет дожигания горючих компонентов в поступающем в реактор газе. Регулировка расхода поступающего в реактор известняка позволяет контролировать тепловой баланс установки таким образом, чтобы поток тепла на выходе реактора обжига обеспечивал номинальный режим работы паросилового блока, без необходимости занижения производительности по отходам при подаче высококалорийных отходов из-за перегрузки котла, или нехватки тепла при недостаточной калорийности отходов. Удаление большинства поллютантов предусматривается их связыванием известью, но для очистки выхлопа от пыли и специфических токсикантов, например, паров ртути, установлена дополнительная система очистки.

Таким образом, использование в полезной модели совершенного оборудования для безопасного уничтожения токсичных отходов при высокой температуре не приводит к растрате энергии и потери высокого потенциала тепла, напротив, сбросное тепло используется в высокотемпературном процессе зонного мягкого обжига энергоемкого производства активной извести, и лишь остающееся тепло вторичного сброса после реактора обжига используется в традиционном паросиловом энергетическом блоке с невысокими параметрами пара для покрытия собственных нужд установки. Как сырье - известняк, так и продукт - известь, являются компактными и удобными в хранении и использовании материалами, и потому утилизация тепла сгорания отходов в зонном реакторе обжига с регулируемой производительностью способствует достижению наивысшей производительности установки по отходам независимо от качества отходов.

Установка сжигания отходов с утилизацией тепла на обжиг известняка, содержащая устройство сжигания отходов, устройство обжига известняка теплом продуктов сгорания отходов и одновременно очистки выхлопных газов от поллютантов благодаря связыванию их известью в нелетучие соединения, отличающаяся тем, что оборудование для сжигания отходов и обжига известняка функционально разделено и изменено так, что для высокотемпературного окисления отходов установлен конвертор с регулируемой подачей окислителя в соотношении к расходу горючих отходов менее или равном стехиометрическому, при температуре на выходе конвертора 1100-1200°С, с образованием в горячих продуктах реакции горючих компонентов СО и Н₂, а для обжига известняка за конвертором установлен реактор переменной производительности с распределенными по длине и регулируемыми вводами окислителя для дожигания СО и Н₂, с обеспечением близкого к изотермическому режима мягкого обжига и установленным после реактора циклоном предварительной очистки газов с выхода реактора обжига, направляемых в установленный далее по тракту продуктов сгорания паросиловой блок получения электроэнергии и тепла для собственных нужд, с установленной за ним, при необходимости, дополнительной системой пылегазоочистки.