Термические методы переработки отходов

Методы термической переработки твердых отходов основаны на гетерогенных процессах в системе твердое - газ, твердое - жид­кость - газ и многофазных, осуществляемых при повышенных и вы­соких температурах.

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердого или пастообразного влажного материала путем испарения содержа­щейся в нем жидкости за счет подведенной к материалу теплоты и от­вода образующихся паров. Это термический процесс, требующий значительных затрат теплоты.

Сушку широко применяют в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Относительно широкое распространение сушка получила в области обработки осад­ка городских сточных вод (барабанные сушилки, сушка во встречных струях). Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также применяться при обработке промышленных отходов, которые необходимо подго­товить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы), а также при обработке некоторых отходов химической, пищевой и других отраслей промышленности.

Сушка - процесс тепломассообменный. Удаление влаги с по­верхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Схема перемещения влаги из твердой фазы может быть представлена следующим образом. В начальный момент времени концентрация распределяемого вещества (влаги) постоянна во всем объеме. По­верхность омывает поток воспринимающей фазы (воздух), и концен­трация растворяемого вещества в ядре омывающей фазы постоянна в течение процесса.

Сушка в технике осуществляется следующими способами: кон­тактная сушка - нагрев влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку; конвективная (газовая) суш­ка - нагрев влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем; радиационная - нагрев инфракрасными лучами; диэлектрическая - нагрев СВЧ-полем.

Способ сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических пока­зателей.

Пиролиз. При утилизации и переработке твердых отходов исполь­зуют различные способы термохимической обработки исходных твердых материалов и полученных продуктов: это различные приемы пиролиза, переплава, обжига и огневого обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на органической основе.

Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода без доступа воздуха, сопровождаемое глубоки­ми деструктивными химическими превращениями компонентов от­ходов. Пиролиз одного и того же вида сырья может проводиться при различных температурах. Химические превращения при пироли­зе - это в основном расщепление крупных молекул и вторичное пре­вращение продуктов расщепления - полимеризация, конденсация, деалкилирование, ароматизация и др.

Пиролиз характеризуется протеканием реакций взаимодействия и уплотнения остаточных фрагментов исходных молекул, в резуль­тате чего происходит расщепление органической массы, рекомбина­ция продуктов расщепления с получением термодинамически ста­бильных веществ: твердого остатка, смолы, газа. Применяя термин "пиролиз" к термическому преобразованию органического материа­ла, подразумевают не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимно связаны и протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температуры или времени.

В зависимости от вида и степени превращения отходов пиролиз можно проводить в различных интервалах температур. Низкотемпе­ратурный пиролиз (полукоксование) осуществляют при нагреве от­ходов до конечной температуры 500...580 °С, а высокотемпературный пиролиз (коксование) - при нагревании до 900...1050 °С.

Непосредственные продукты низкотемпературного пиролиза - слабо спекшийся твердый продукт, смола и газы, высокотемператур­ного пиролиза - твердый остаток и летучие вещества.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению со сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании от­ходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпе­ратурного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый ос­таток можно использовать в промышленности (сажа, активирован­ный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.

Высокотемпературный пиролиз по сравнению с другими метода­ми имеет ряд преимуществ:

при нем происходит более интенсивное преобразование исходно­го продукта;

скорость реакций возрастает с экспоненциальным увеличением температуры, в то время как тепловые потери возрастают линейно; увеличивается время теплового воздействия на отходы; происходит более полный выход летучих продуктов; сокращается количество остатка после окончания процесса. Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газифика­ции.

Газификация - термохимический высокотемпературный процесс взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими агентами, в результате чего орга­ническая часть или продукты ее термической переработки обраща­ются в горючие газы путем частичного окисления. В качестве газифи­цирующих агентов применяют воздух, кислород, водяной пар, диок­сид углерода, а также их смеси. В зависимости от состава отходов, природы окислителя, температуры и давления газы, полученные в результате газификации, различны по составу. Скорость газифика­ции зависит от свойств твердых отходов, размера их частиц, темпера­туры, газифицирующего реагента. Чем меньше размеры частиц отхо­дов, тем выше скорость газификации, так как при этом увеличивается поверхность контакта отходов с окислителем.

Процессы пиролиза отходов получили большее распространение, чем газификация. Пиролизу подвергаются твердые бытовые и близ­кие к ним по составу промышленные отходы, отходы пластмасс, ре­зины (в том числе автомобильные покрышки), другие органические отходы.

Окускование отходов. Укрупнение мелкодисперсных частиц вто­ричных материальных ресурсов имеет как самостоятельное, так и вспомогательное значение и объединяет различные приемы гранули­рования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературной агломерации. Его используют при переработке в строительные мате­риалы ряда компонентов отвальных пород добычи полезных иско­паемых, хвостов обогащения углей и золы, в процессах утилизации фосфогипса, при подготовке к переплаву мелкокусковых и дисперс­ных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, сажи, пылей и древесной мелочи, при обработке шлако­вых расплавов в металлургических производствах и в других процес­сах переработки вторичных материальных ресурсов.

Различают высокотемпературные (агломерация, обжиг окаты­шей) и низкотемпературные (без обжига) методы окускования.

Агломерация состоит в том, что мелкие зерна шихты нагревают до температуры, при которой они размягчаются и частично плавятся. При этом зерна слипаются, последующее быстрое охлаждение приво­дит к их кристаллизации и образованию пористого, но довольно прочного кускового продукта, пригодного для металлургического пе­редела.

Обжиг окатышей проводят при окусковании железорудных мел­кодисперсных концентратов с размером частиц менее 100 мкм. Мате­риалы такой крупности хорошо окомковываются, особенно при вве­дении в шихту 0,5...2,0% пластичной связующей добавки - бентони­та (особого сорта высококачественной глины). С целью получения офлюсованных окатышей в шихту вводят также необходимое количе­ство известняка.

Высокотемпературная агломерация используется при переработке пылей, окалины, шламов в металлургических производствах, пиритных огарков и других дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения агломерации на основе таких вторичных материальных ресурсов (BMP) приготовляют шихту, включающую твердое топливо (коксовая мелочь6...7 % по массе) и другие компоненты (концентрат, руда, флюсы). Усредненную и увлажненную до 6...8 % шихту разме­щают в виде слоя определенной высоты, обеспечивающей оптималь­ную газопроницаемость шихты, на расположенные на решетках дви­жущихся обжиговых тележек (палет) агломерационной машины слои возвратного агломерата крупностью 12... 18 мм, предотвращающие спекание шихты с материалом тележек и прогар решеток. Воспламе­нение и нагрев шихты обеспечивают просасыванием через ее слой продуктов сжигания газообразного или жидкого топлива и воздуха. Процесс спекания минеральных компонентов шихты идет при горе­нии ее твердого топлива (1100... 1600 °С).

Гранулирование - большая группа процессов формирования агре­гатов шарообразной или (реже) цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приемах обработки материалов.

Брикетирование находит широкое применение в практике утили­зации твердых отходов в качестве подготовительных (с целью прида­ния отходам компактности, обеспечивающей лучшие условия транс­портирования, хранения, а часто и саму возможность переработки) и самостоятельных (изготовление товарных продуктов) операций.

Сжигание твердых отходов. Как правило, по сравнению с углем твердые бытовые отходы содержат большее количество золы, кисло­рода, влаги, металлов и хлора, а теплота сгорания, содержание серы, углерода и водорода у отходов меньше. Максимальная теплота сгора­ния отходов 1560...3500 ккал/кг. Массовая доля компонентов в отхо­дах составляет, %: влага 8...40; летучие вещества 37...65; связанный уг­лерод 0,6...15; зольность 11...39; хлор 0,01...0,41; сера 0,06...0,28; ме­таллы 0,01... 6,6.

Наиболее важные элементы, содержащиеся в твердых бытовых отходах и подлежащие сжиганию, - это углерод, водород, а также сера, хлор и азот. В результате эффективного сжигания углерод, со­держащийся в отходах, переходит в диоксид углерода, а водород - в воду. Сера превращается в оксиды серы (преимущественно в S0₂), некоторое количество азота в оксиды азота, а хлорорганические ве­щества переходят в хлористый водород.

Весь процесс в горящем слое отходов можно условно разделить на три основных периода (стадии): подготовка отходов к горению, соб­ственно горение (окислительная и восстановительная зоны), дожига­ние горючих и очаговых остатков.