Исследование процесса и разработка реактора вращающегося кипящего слоя для термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Бернадинер, Игорь Михайлович

• Бернадинер, Игорь Михайлович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бернадинер, Игорь Михайлович

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).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса и разработка реактора вращающегося кипящего слоя для термического обезвреживания твердых и пастообразных органических отходов»

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 диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Бернадинер, Игорь Михайлович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бернадинер, Игорь Михайлович, 2000 год

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.