Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов

Косых, Виталий Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов"

На правах рукописи

КОСЫХ ВИТАЛИЙ АНДРЕЕВИЧ

Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии) Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

З М А Я 2072

005016489

Работа выполнена в федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»),

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Гонопольский Адам Михайлович кандидат технических наук, профессор Николабкина Наталья Евгеньевна

Официальные оппоненты:

Профессор кафедры «Инженерная экология городского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»), доктор технических наук, Вальдберг Арнольд Юрьевич

Зам. генерального директора ФГУП "Государственный научный центр РФ - Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского" (г. Обнинск) доктор технических наук, профессор Мартынов Петр Никифорович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Всероссийский теплотехнический институт» (ОАО «ВТИ»)

Защита состоится «17» мая 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.145.03 при Московском государственном университете инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).

Автореферат разослан «/■#> апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Е С. Гриднева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов находят все более широкое распространение в мире, в силу их экологической безопасности, доказанной многолетней успешной практикой на тысячах мусоросжигательных заводах. Однако, проблема обезвреживания золы (относящейся к третьему классу опасности), улавливаемой рукавными фильтрами на финишной стадии очистки газов МСЗ, остается нерешенной и в настоящее время. Летучие золы входят в состав твердых отходов газоочистки МСЗ и, наряду с активированным углем и частицами гашеной извести, представляют собой высокодисперсные сложные минеральные композиции с широким спектром основных компонентов. На поверхности частиц золы и активированного угля адсорбируются ионы тяжелых металлов, токсичные хлорсодержащие соединения - вторичные рекомбинантные диоксины и пр. Концентрация их может достигать 10-20 мкг/кг. Проблем)' детоксикации и обезвреживания золы решают химическими, биологическими и термическими методами переработки.

Вместе с тем, в технической литературе отсутствуют достоверные данные, характеризующие влияние термических параметров аппаратов переработки золы на процессы десорбции токсичных соединений с поверхности частиц, что естественно может повлиять на достоверность очистки продукта и эффективность работы аппаратов, также опасно и возможное образование вторичных диоксинов на стадии охлаждения дымовых газов.

Отсюда, возникает задача создания технологии переработай твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ, устройства и инженерной методики расчета для ее реализации, чему и посвящена настоящая работа. Цель работы

Разработка научных основ технологии гарантированной деструкции диоксинов из частиц золы мусоросжигательных заводов (МСЗ), разработка рекомендаций по созданию промышленного оборудования и технологии термической обработки твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ.

При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработать математическое описание процесса десорбции диоксинов с поверхности частиц твердых отходов газоочистки фильтров МСЗ при термической обработке.

2. Разработать термический метод детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ обеспечивающий их гарантированную и долговременную детоксикацию.

3. Разработать технические решения и технологические схемы детоксикации твердых отходов газоочистки адаптированные к промышленным МСЗ.

Научная новизна работы:

1. Расчетно-теоретически доказано, что процесс термической десорбции диоксинов с поверхности частиц золы заканчивается до начала плавления золы, поэтому все технологии термического обезвреживания золы в открытых устройствах неэффективны.

2. Разработана математическая модель десорбции токсичных веществ при термической обработке твердых отходов газоочистки МСЗ, описывающая экспериментальные данные с погрешностью не более 10% во всем диапазоне температур существования диоксинов.

3. Экспериментально разработан новый технологический процесс синтеза из твердых отходов газоочистки МСЗ стабильных природных нетоксичных минералов в вытеснительной печи с инертной атмосферой.

Практическая значимость:

1. Разработана принципиальная схема термической детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ за счет теплоты сгорания ТБО непосредственно в печи сжигания МСЗ.

2. Разработаны номограммы параметров технологического процесса и шнекового реактора для термической детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ.

3. Разработана конструкция и инженерная методика расчета шнекоаого реактора для детоксикации твердых отходов газоочистки в подовой части печи МСЗ за счет теплоты сгорания ТБО.

Результаты диссертационной работы получены при выполнении государственного контракта от 11 октября 2011 г. № 16.515.12.5014 «Исследование процесса и устройств для производства энергии из твёрдых коммунальных отходов экологически безопасными и энергоэффективными сателлитными агрегатами в городских котельных», в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Достоверность полученных результатов: обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методов экспериментальных исследований, использованием поверенных приборов и результатами внедрения.

Личпыб вклад: состоит в проведении экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов. Апробация работы: результаты диссертационной работы докладывались на: Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, 2010 г. X Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», Тульский государственный университет, 2011г. 7-ой Международной научно-практической конференция «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» 2011г. На Всероссийской научно-практической

конференции с элементами научной школы для молодёжи «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)», Санкт-Петербургский государственный Горный университет 2011 г.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в том числе 2 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах, содержит 28 рисунков, 14 таблиц; состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы (101 наименований) и приложения.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Техника и технология переработки отходов» Московского государственного университета инженерной экологии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится аналитический обзор методов детоксикации вторичных твердых отходов образующихся в системах газоочистки мусоросжигательных заводов, приведены основные свойства и состав твердых отходов газоочистки МСЗ, описание и сравнение методов определения состава и концентрации токсичных компонентов (диоксинов) в твердых отходах газоочистки. Из обзора следует, что для создания экологически безопасных и экономически эффективных технологий детоксикации твердых отходов газоочистки необходимо учитывать способность диоксинов десорбироваться с поверхности частиц твердых отходов газоочистки и возможное образование вторичных диоксинов на стадии охлаждения дымовых газов. Также из обзора следует, что для определения наличия диоксинов в твердых отходах газоочистки рационально использовать методы рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного анализа.

Во второй главе приводятся:

Результаты экспериментальных исследований процессов десорбции и разрушения диоксинов с поверхности частиц твердых отходов газоочистки мусоросжигательных заводов, при их термической обработке в среде инертного газа — аргона.

Как показал ситовый анализ золы (рисунок 1), распределение частиц по размерам имеет три хорошо выраженных максимума, характерных для логнормального Гауссова распределения при трех состав твердых отходов газоочистки IV различных процессах, что, по-видимому, обусловлено наличием в пробе не только золы, но и смеси частиц активированного угля и гашеной извести, выносимых потоком отходящих газов из газоочистного тракта.

В лабораторных условиях процесс детоксикации был реализован на созданной установке, представленной на рисунке 2. Исследуемая навеска засыпалась в вытеснительную камеру,

Фракционный состав золы

30 ,

25 ;

Ї 20

15 і Шй

§■ 10

и 5 : ж

Щ "Щ.....ІР Я......9

Ш!. . Ш. .. ЇШ. ІШ

0,5 0,18 0,12 0,08 0,05 0,01 Диаметр частиц Э (мм)

Рисунок. 1 Усредненный фракционный

помещенную в муфельную печь, и закрывалась защитным устройством (рисунок 3), с подведенными к нему двумя трубопроводами. По первому, в зону термообработки подается инертный газ (аргон), для создания защитной атмосферы, оголовок трубопровода перфорирован, имеет 20 отверстий 01 мм для лучшего распределения газа над поверхностью навески. По второму осуществляется отбор проб воздуха через газоанализатор для контроля содержания кислорода и хлора в отходящих газах из вытеснительной камеры. Регламент исследования термического метода детоксикации твердых отходов газоочистки включает в себя три серии экспериментов с 10-ю навесками по 50 мл каждая: нагрев до 300°С, выдержка 5 мин. нагрев до 600°С выдержка 5 мин и нагрев до 900°С выдержка 5 мин.

Как показали результаты наших исследований, при прокаливании твердых отходов газоочистки МСЗ потеря массы составляет 15-20% при нагреве до 1000°С, что обусловлено частичным выгоранием активированного угля, и испарением влаги, сконцентрировавшейся на частицах при охлаждении. В диапазоне температур 300-900°С в атмосфере аргона при давлении, превышающем давление насыщения диоксинов, происходит дестру кция диоксинов в частицах твердых отходов газоочистки МСЗ с образованием стабильных природных не токсичных минералов при термообработке не менее 180 секунд.

По окончании каждой серии экспериментов образцы твердых отходов газоочистки из лабораторной установки были подвергнуты анализу на предмет наличия соединений хлора. Для получения качественного анализа твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ проводился

Рисунок 2. Схема экспериментального стенда: 1- печь муфельная марка 81МОЬ 30/1100 температура нагрева макс. - 1200°С, скорость нагрева 50°С/мин„ 2 — расходомер ОПЧАИС N2 0-32, 3 - баллон с инертным газом (У=45л, Р=130 атм), 4- газоанализатор

Элан 02/С1

Рисунок 3. Вытеснительная камера. 1-тигель, 2- защитный кожух, 3-трубопровод на газоанализатор, 4-трубопровод подачи аргона.

Рисунок 4. Микроснимок и спектр, выполненные спектрометром, поверхности частиц твердых отходов газоочистки до термообработки.

Рисунок 5. Микроснимок и спектр, выполненные спектрометром, поверхности частиц твердых отходов газоочистки после термообработки в среде инертного газа при

Таблица 1. Качественный анализ твердых отходов

газоочистки.

Качественный анализ Качественный анализ

исходных твердых твердых отходов

отходов газоочистки газоочистки после

термической обработке

900°С в среде инертного

газа

Element Wt% Element Wt%

О Ка 33.40 ока 30.13

ск„ 00.95 AI Ка 03.56

А1Ка 01.19 Si Ка 04.12

Si Ка 05.05 РКа 01.03

PK« 01.20 SK„ 10.62

SKU 12.01 CI К а 07.31

CI К а 07.30 кка 02.30

К ка 01.56 Ca К а 33.41

СаК„ 35.54 Fe К а 01.24

Ті К а 00.47 Ті К а 00.39

Fe К« 00.24 Си К„ 01.96

Си К а 00.49 Zn Ка 03.93

Zn Ка 00.60

На снимках золы после термообработки заметно наличие дендритов — сложнокристаллических образований древовидной ветвящейся структуры, что, по-видимому, обуславливается спеканием частиц золы и образованием новых минеральных солей. Из результатов качественного анализа видно, что концентрация хлора в камере до и после обработки остается постоянной, из чего можно сделать предположение о том, что диоксины не десорбировались с частиц твердых отходов газоочистки и не попали в окружающую среду, в то время как наличие концентраций кислорода и

рентгенофлуоресцентный анализ на электронном сканирующем микроскопе Philips SEM505, оснащенным системой захвата изображения Micro Capture SEM З.ОМ, и системой элементного микроанализа EDAX с энергодисперсионным детектором SAPHIRE Si(Li) тип SEM10. Результаты исследований показаны на рисунках 4 и 5. Качественный состав твердых отходов газоочистки до и после термообработки в среде инертного газа при температуре 900°С приведен в таблице 1.

серы свидетельствует об образовании сернистых газов в отходящем потоке из вытеснительной камеры.

Для получения точных данных о концентрации и составе хлорсодержащих компонентов в твердых отходах газоочистки МСЗ, при их детоксикации новым термическим способом в среде инертного газа аргона, образцы отходов исследовались методом рентгенофазового анализа. Исследованию подвергались по 5 навесок из отходов прошедших термообработку при температуре 300°С , 600°С и 900°С.

На рисунке 6 показаны обобщенные рентгеновские дифрактограммы твердых отходов газоочистки МСЗ при термической обработке в среде инертного газа, каждой фазе при каждой температуре соответствует определенный набор пиков (на всех дифрактограммах каждой фазе присвоен номер).

Все дифракционные измерения, представленные на рентгеновских дифрактограммах, проведены на дифрактометре Bruker D8 Advance (ЦСиКа] = 1.54184 А) в интервале углов 26 5—100°, с шагом 0.02° и временем экспозиции 16 с на шаг при комнатной температуре, с вращением образца.

r,JI>0°C-

1 - Halite NaCI

2 - Syhlte КС 1

J - СЫвгеШШич CJ.»$O,ms;O<>

4 - ChittreUsladilcS С a-. JS 0,)j{£ Ю,/--

5 - CaCWH

6 - Wmlalirr С1а<А1ж£илОаУС1ы

7 - Органическим хаорсодерлк— Ijiuiti (JlUUKC-mtMj

Рисунок 6. Рентгеновские дифракторграммы золы МСЗ при термической обработке в

инертной среде

Результаты анализа экспериментов показали отсутствие на рентгеновской дифрактограмме пиков, соответствующих органическим хлорсодержащим компонентам, уже при температуре 300 "С, при неизменной концентрации общего хлора в исследуемом образце твердых отходов газоочистки и отсутствии хлора в отходящем газ аргоне.

Отсутствие органических хлорсодержаших компонентов в золе после термообработки в инертной среде и образование природного минерала Са12(А1ю,б81з,40з2)С15,б - Вадалита, при постоянном материальном балансе хлора в золе и при отсутствии хлора в отходящих газах -позволяет сделать вывод о том, что диоксины не десорбировались с поверхности частиц золы МСЗ в газовую фазу, а произошло разрушение токсичных соединений и переход образовавшегося свободного хлора в идентифицированные природные, нетоксичные минералы.

Следует отметить, что образование природных минералов оказалось возможным только благодаря присутствию в твердых отходах газоочистки соединений кальция, которые входят в состав минералов, а также оксидов серы и кремния, паров алюминия, калия и натрия. Наличие

этих компонентов в твердых отходах газоочистки корреспондирует с элементным и морфологическим составом исходных твердых бытовых отходов. Концентрация и состав золы показаны в таблице 2.

Таблица 2. Концентрация и состав хлорсодержаших компонентов в твердых отходах газоочистки МСЗ при термической обработке в среде инертного газа.

Состав золы Концентрация хлорсодержащих компонентов в твердых отходах газоочистки МСЗ при термической обработке, масс. % Содержание С1 в хлорсодержащих компонентах в твердых отходах газоочистки МСЗ при термической обработке, масс. %

20°С 300°С 600°С 900°С 20°С 300°С 600°С 900°С

NaCl 7,14 6,63 7,48 6,65 4,33 4,02 4,53 4,03

KCl 3,07 1,88 3,08 5,41 1,46 0,89 1,46 2.57

Clorellstadite Ca10(SO4)3(SiO4)3Cl2 7,15 6,61 4,88 0 0,42 0,41 0,31 0

Clorellstadit2 Ca9,4(S04)3(Si04)3Clo,8 5,62 0,17 13,1 25,97 0,15 0,0047 0.35 0,69

Wadalite Саі2(А1іо,б8із,40з2)СІ5,б 0 0 0 10,07 0 0 0 0,12

CaClOH 3,18 4,21 1,27 1,816 1,21 1,61 0,49 0,69

Органическием хлорсодержащие соединения <0.2 0 0 0 <0.05 0 0 0

Итого: 100 % 7.57 6.937 7.14 7.25

На рисунке 7 показано изменение концентраций хлорсодержаших веществ при линейном

увеличении температуры с 22 до 1000 °С.

Концентрацию общего хлора в исследуемых интервалах температур определили балансовым методом по итогам рентгенофазового анализа. Как показано на рисунке 8, общее

содержание хлора в пробах не изменялось при нагреве. Это свидетельствует о том, что десорбции хлорсодержащих компонентов, в том числе диоксинов, не происходило, ибо батане массы хлора по всем соединениям соблюдался с погрешностью измерений.

с,

- NaCl

.......КС1

■ — Clorellstdite 2 .

------ ____

— ■—J

—_ ----- 1 .....

¡ - • -V»

" Т —J

1 . ------

О 200 400 600 800 1000

г. °С

Рисунок 7. Изменение относительной концентрации хлорсодержащих компонентов твердых остатков газоочистки МСЗ при нагреве в вытеснительной камере в аргоне

С1, %

_1--------i---1-l_i---—1--I,

о Л00 400 600 SOO 1000

г. "С

Рисунок 8. Концентрация общего хлора при прокаливании Для определения времени необходимого для полной гарантированной детокикации твердых отходов газоочистки МСЗ был проведен ряд экспериментальных исследований, при которых образцы отходов подвергались термообработке при температуре 900°С с различным временным интервалом нахождения образцов золы в печи. Первые три образца находились в печи 30 секунд, вторая партия из трех образцов подвергалась термообработке 60 секунд, третья партия 120 секунд, четвертая - 180 секунд, пятая - 240 секунд и шестая - 300 секунд. Все эксперименты проводились в среде инертного газа - аргона, температура в печи поддерживалась постоянной на протяжении всего цикла испытаний. После термообработки образцы золы упаковывались в герметичные контейнеры и отправлялись в лабораторию для качественного ренгенофазового анализа, при котором главной задачей было показать наличие

или отсутствие токсичных компонентов в образцах обработанной золы. Исследования показали, что в образцах, время обработки которых составляло менее 180 секунд, были обнаружены органические хлорсодержащие компоненты (рисунок 9).

Рисунок 9. Определение времени детоксиказии золы МСЗ. п -количество образцов золы из трех, в которых было диагностировано наличие органических хлор-содержащих компонентов, t - время в минутах.

п, ооразиое

3 Ш

0.5

В остальных исследуемых образцах золы, с более длительным временем термообработки, такие компоненты диагностированы не был Исходя из экспериментальных исследований, можно сделать вывод о том, что необходимое время термической обработки для обезвреживания продуктов газоочистки МСЗ от токсичных загрязнителей, составляет не менее 180 секунд.

Третья глава содержит результаты расчетно-теоретического анализа процесса десорбции диоксинов с поверхности частиц твердых отходов газоочистки мусоросжигательных заводов. В качестве объекта исследования взяты твердые отходы газоочистки с фильтров МСЗ.

Для моделирования кинетики десорбции молекул диоксинов, адсорбированных на поверхности золы авторы воспользовались основным кинетическим уравнением Вигнера-Поляни - дифференциальным уравнением описывающим кинетику термической десорбции молекул, адсорбированных на поверхности твердого тела.

= (i)

где Q - поверхностная концентрация адсорбированных молекул (моль/м2), или степень заполнения поверхности, к - константа скорости десорбции, А - предэкспоненциальный множитель, Еа - энергия активации, R - универсальная газовая постоянная, Т - термодинамическая температура, п - порядок процесса

В случае линейного повышения температуры Т = То + /St, где /? - скорость нагрева (град/мин), уравнение (1) примет традиционный вид:

Для получения интегральной формы уравнения Вигнера-Поляни, необходимо взять интеграл от обоих частей от температуры начала процесса То до некоторой температуры Т. Строго нижний предел должен быть нулем температуры, но скорость термодесорбции при низких температурах настолько мала, что ею можно полностью пренебречь

Т Т . Е.

{от У (

Интеграл в левой части легко берется аналитически, в зависимости от порядка десорбции п:

'[(Г =,П(Ш0? даяп=1

1 ( 1__.

I о" -п+\ 0(та)"~х о(ту{

Интеграл от выражения в правой части, является трансцендентным и его значения определим с помощью аппроксимирующей функции:

т А Е" /?Т2 Е"

\—е кгата^—е™ (л) {р Еа (4)

С использованием выражений (3) и (4), и учитывая что б(То) = 00 , т.е. равно первоначальному значению, получаем решение в интегральной форме:

пгтл , (п-1)-ЯТ , &П = - - +---ехр| - кт

(5)

Для исследования кинетики поверхностной концентрации молекл'л диоксинов на частицах твердых отходов газоочистки МСЗ при термической десорбции, согласно ряду публикаций (Гонопольский А.М., Дыган М.М., Тимофеева АА Некоторые физико-химические свойства золошлаковых отходов мусоросжигательных заводов II Экология и промышленность России. - 2008. № 7. - с. 36-39.) примем, что концентрация диоксинов на частицах золы: С = 12 мкг/кг. Энергия активации ароматических галоген содержащих углеводородов, адсорбированных на поверхности твердых сорбентов, при их термической обработке температурами до 600 С, Еа = 26,4 - 33,7 кДж/моль также заимствована из литературных данных («Термодинамические и кинетические расчеты для выбора процессов обезвреживания диоксиногенных отходов методом сжигания» В.Г. Петров, Институт прикладной механики УрО РАН). Порядок десорбционной кинетики: п = 2, так как частицы десорбируются в том виде, в котором они находятся на поверхности.

Численное моделирование процесса десорбции проводилось в системе Ма&са<1 С помощью этой компьютерной программы реализуется алгоритм расчета по уравнению (5) для разных размеров частиц золы при их термической обработке с постоянным темпом нагрева.

Кинетика десорбции диоксинов с поверхности частиц золы МСЗ различных размеров, при исходном содержании диоксинов в пробе 12 мкг/кг представлена ниже (рисунок 10).

Как видно из графиков, в исследованном интервале температур десорбционные зависимости для всех размеров частиц золы имеют три температурные зоны: зону исходной концентрации диоксинов, зону активной десорбции и зону с нулевой концентрацией. Из представленных расчетов следует, что скорость десорбции молекул диоксинов уменьшается при уменьшении размеров частиц золы. При этом все десорбционные процессы протекают при температурах в несколько раз меньших температурного диапазона плавления золы 1 (1100... 1300°С).

С. мы" кг 4

0= с

0=0.? ММ

п = ос 8 м>

1 / *

0 = 0.15м?. \

—_ V.

0 = 0.1. мм

\ V

0 = 0.05 мм

Рисунок 10. Кинетика десорбции диоксинов с поверхности частиц твердых отходов газоочистки МСЗ различных размеров, при исходном содержании

диоксинов в пробе 12 мкг/кг,: С, мкг/кг - концентрация адсорбированных молекул диоксинов на частицах отходов; 1,°С — температура нагрева образцов при термической детоксикации в среде инертного газа - аргона.

300

360

480

540

600 г. "С

Исходя из результатов расчета, можно сделать выводы о том, что существующие термические методы переработки твердых отходов газоочистки МСЗ малоэффективны, так как значительная часть диоксинов успевает десорбироваться с поверхности частиц до их плавления, делая дальнейший процесс обжига при более высоких температурах бессмысленным. Поэтому для обезвреживания твердых отходов с фильтров МСЗ необходимы термические технологии, обеспечивающие гарантированную деструкцию молеку л диоксинов.

Представленная выше модель процесса детоксикации твердых токсичных остатков газоочистки действующего МСЗ была проверена экспериментально методом рентгенофазового анализа (РФА) путем их сопоставления с результатами расчетов по температуре процесса и концентрации компонентов. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 20% во всем исследованном диапазоне параметров.

В четвертой главе показана возможность использования известной методики расчета шнекового транспортера, применяемая для создания технологии термической детоксикации твердых отходов газоочистки в шнековом вытеснительном реакторе

Предлагаемая технология переработки твердых отходов газоочистки (золу с фильтров) МСЗ от сжигания ТБО заключается в том. что золу, имеющую удельную поверхность 2000-4000 см2/г, размер частиц от 0.001-0.5 мм, с содержанием диоксинов 10-20 мкг/кг подвергают термической обработке 900°С теплом продуктов сгорания ТБО в течении 180-200 с, в среде инертного газа-аргона при давлении, превышающем давление насыщения диоксинов.

Устройство для реализации указанного способа детоксикации токсичных продуктов газоочистки МСЗ, состоит из размещенного над последними секциями переталкивающих решеток печи сжигания ТБО МСЗ, шнекового реактора, оборудованного атмосферными шлюзами, устройством подачи аргона и электродвигателем (рисунок 11).

Метод детоксикации токсичных отходов газоочистки с фильтров МСЗ включает в себя

подачу инертного газа-аргона и токсичной золы в шнековый реактор (5), установленный в

подовой части печи (1) сжигания отходов мусоросжигательного завода под переталкивающими

решетками. Твердые отходы газоочистки, двигаясь по реактору, нагреваются до температуры

900°С при которой происходит процесс детоксикации, инертный газ-аргон подается под

давлением, превышающем давление насыщения токсичных хлорсодержащих компонентов

згаы,_препятствуя десорбции этих компонентов с поверхности частиц золы.

Рис. 11. Схема оборудования для детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ в подовой части печи сжигания отходов, (1) - корпус печи сжигания отходов, (2) - трубопровод подачи инертного газа аргона, (3) -трубопровод подачи золы с фильтров, (4) (8) - шлюз, (5)(6) - герметичный шнековый реактор (вал, кожух), (7) -переталкивающие решетки, (9) — оборотный аргон.

Отходы после термообработки смешиваются со шлаком, образующимся после сжигания ТБО в печи МСЗ, и поступают на дальнейшую обработку. Шнековый транспортер (реактор) оборудован, атмосферным шлюзом (4,8) для его герметизации и электродвигателем. Отходящий нагретый газ-аргон поступает на газоочистку, где очищается от пыли и вновь возвращается в реактор для создания защитной инертной атмосферы. Следует отметить, что реализация данного метода не требует дополнительных энергетических затрат,

так как для достижения температуры, необходимой для процесса детоксикации, достаточно температуры в подовой части печи.

Для расчета шнекового реактора использована методика расчета шнекового транспортера. На рисунке 12 показана зависимость диаметра и частоты оборотов вала шнекового реактора от его производительности. Из рисунка видно, что для переработки твердых отходов газоочистки от 0.1 т/час до 1.2 т/час (верхняя ось абсцисс), потребуется шнек диаметром 320 мм (ось ординат), с частотой вращения вала от 0.9 об/мин до 1.2 об/мин (нижняя ось абсцисс). Стандартный шаг винта для указанного диаметра является шаг равный 320 мм и

Рисунок 12. Зависимость диаметра шнека от количества твердых отходов газоочистки поступающих на термообработку. D - диаметр шнека, мм; Q - количество обрабатываемой золы т/час;

п - частота вращения вала, об/мин.

На рисунке 13 приведены расчетные зависимости времени термообработки t (ось ординат) от производительности реактора Q (верхняя ось абсцисс) при диаметре и длине шнекового реактора равных 320 мм и 5 м (выбирается по размерам подовой части печи), с частотой вращения п (нижняя ось абсцисс), для различных значений шага винта S. Как показали экспериментальные исследования детоксикации золы с фильтров МСЗ, для полного гарантированного термического обезвреживания твердых отходов газоочистки потребуется время термической обработки от 180 до 200 секунд. Из рисунка видно, что это время термообработки может быть достигнуто при производительности реактора от 0.1 т/час до 0.8 т/час,. Детоксикация золы с фильтров МСЗ начинается после ее попадания в герметичный шнековый реактор, нагреваемый снаружи за счет теплоты сгорания ТБО на последних секциях колосниковой решетки печи, в атмосфере аргона, протекающего через реактор по замкнутому контуру. Технология детоксикации золы методом термической обработки в среде инертного газа, может быть использована для печей с различными габаритными размерами.

В an

ID 0 0

----

0.1 02 03 ОД П.5 0.5 0.7 00 0.9 1 1.1 12 13 1Л 15 16 1.7 IS 1.9

Рисунок 13. Номограмма определения времени секунд) термической обработки золы ((У, т/час), частоты вращения вала (п, об/мин) при длине транспортера 5 м, диаметре вала 320 мм. Для вала с различным шагом винта 5: 1450мм, 2 - 400мм, 3 - 320мм 4 -250мм, 5 - 150мм

Из результатов исследований видно, что установка разработанного оборудования для детоксикации твердых отходов газоочистки в подовую часть печи МСЗ обеспечит полное обезвреживание отходов с фильтров от диоксинов, а увеличение числа оборотов шнека реактора позволит обезвреживать зол}', и с других производств.

Выводы по диссертации

1. Экспериментально доказано, что существующие термические методы переработки твердых отходов газоочистки МСЗ малоэффективны, так как значительная часть диоксинов успевает десорбироваться с поверхности частиц при температурах в 2—3 раза меньших, чем температура плавления этих отходов.

2. Экспериментально доказано, что в диапазоне температур 300—900°С в атмосфере аргона при давлении, превышающем давление насыщения диоксинов, происходит деструкция диоксинов в частицах твердых отходов газоочистки МСЗ с образованием стабильных природных не токсичных хлорсодержащих минералов.

3. На основе кинетического уравнения Вигнера-Поляни проведено численное исследование процессов термической десорбции хлорсодержащих соединений с поверхности частиц твердых отходов газоочистки МСЗ.

4. Разработана технология и принципиальная схема процесса детоксикации твердых отходов газоочистки в шнековом реакторе печи МСЗ за счет теплоты сгорания ТБО, что обеспечивает полное обезвреживание отходов с фильтров от диоксинов.

5. Разработана экспериментальная технология термической обработки токсичных высокодисперсных отходов газоочистки в вытеснительной камере с контролируемой атмосферой.

6. Разработана конструкция и инженерная методика расчета шнекового реактора для детоксикации твердых отходов газоочистки в подовой части печи МСЗ за счет теплоты сгорания ТБО.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Гонопольский A.M. Косых В.А. Исследование процесса термической детоксикаии твердых остатков газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов. Химическое и нефтегазовое машиностроение №7, 2011, стр. 40-43.

2. Гонопольский А.М. Косых В.А. Моделирование кинетики десорбции диоксинов с поверхности частиц золы мусоросжигательных заводов. Химическое и нефтегазовое машиностроение №11, 2010, стр. 5-7.

3. Гонопольский A.M. Косых В.А. «Исследование процесса термической детоксикации твердых остатков газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов (МСЗ)» Сборник трудов 7-ой Международной научно-практической конференция «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» 2011г.

4. Гонопольский A.M. Косых В.А. «Синтез природных минералов из техногенных отходов» Сборник докладов X ВСЕРОССИЙСКОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ПРИОРИТЕТНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ», Тульский государственный университет, 2011г.

5. Гонопольский A.M. Косых В.А. «Обеспечение экологической безопасности процесса газоочистки мусоросжигательных заводов за счет детоксикации золы с фильтров путем синтеза природных минералов» Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодёжи «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)», Санкт-Петербургский государственный Горный университет 2011г.

Подписано в печать 16.04.2012 Формат 60X84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ 105066 Москва, ул Старая Басманная,21/4

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Косых, Виталий Андреевич, Москва

61 12-5/2514

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Н^г правах рукописи

КОСЫХ ВИТАЛИЙ АНДРЕЕВИЧ

Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров

мусоросжигательных заводов.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Гонопольский Адам Михайлович, кандидат технических наук, профессор Николайкина Наталья Евгеньевна.

Москва 2012г.

СОДЕРЖАНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНА ЧЕНИЯИ СОКРАЩЕНИЯ.................................... 6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ................................................. 7

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ГАЗООЧИСТКИ МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ................................................. 11

1.1. Обзор свойств твердых отходов газоочистки МСЗ........................... 11

1.2. Состав твердых отходов газоочистки МСЗ..................................... 14

1.2.1. Диоксины в твердых отходах газоочистки МСЗ...................... 18

1.3. Существующие отечественные способы и технологии термической переработки твердых отходов газоочистки МСЗ........................................ 22

1.3.1. Технология детоксикации твердых отходов газоочистки в двухкамерной электропечи шлакового переплава...................................... 22

1.3.2. Технология детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ в расплаве шлака (и металла) в электродуговой плазменной печи при высоких температурах............................................................. 23

1.3.3. Технология и оборудование для переработки золы в печи Ванюкова....................................................................................... 26

1.3.4. Технология депонирования капсулированных твердых отходов газоочистки совместно с твердыми бытовыми отходами (ТБО) на одном полигоне........................................................................................................................................................................27

1.3.5. Технология детоксикации и утилизации твердых отходов газоочистки путем их обработки микродозами органических активированных кислот при последующем добавлении минеральных вяжущих............................ 29

1.3.6. Технология обезвреживания и утилизации твердых отходов газоочистки путем смешения их с известью с последующими процессами активации смеси при помоле, автоклавной обработке и прессовании материала......................................................................................................................................................................32

1.3.7. Технология обезвреживания твердых отходов газоочистки с применением гуминовых кислот............................................................ 32

1.4. Эколого-экономическое сравнение методов детоксикации твердых отходов газоочистки МСЗ.......................

........................................................ 34

1.5. Основные методы определения концентрации токсичных компонентов в твердых отходах газоочистки М...................................

1.5.1. Методика рентгенофазового анализа состава и концентрации токсичных хлорсодержащих соединений применительно к твердым отходам газоочистки МСЗ...................................................................................

1.5.2. Рентгеновские дифрактометры для определения состава твердых отходов газоочистки МСЗ.....................................................................

1.5.3. Способы получения, описания и анализ рентгенограмм образцов твердых отходов газоочистки...........................................

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕСОРБЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ДИОКСИНОВ С ЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ГАЗООЧИСТКИ МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ............ 45

2.1. Разработка экспериментальной установки для исследования процесса детоксикации твердых отходов газоочистки МСЗ....................................

2.2. Технологическая схема лабораторной установки.......................... 45

2.2.1 Технологические характеристики лабораторной установки. 45

2.3. Методика отбора и подготовки проб твердых отходов систем газоочистки мусоросжигательных заводов.............................................. ^

2.4. Описание технологического эксперимента по исследованию термической детоксикации твердых отходов газоочистки МСЗ.................... 5 ^

2.5. Обсуждение результатов технологических экспериментов.................. 52

2.6. Рентгенофлуоресцентный анализ твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ................................................................................. ^ ^

2.7. Приготовление поликристаллических образцов твердых отходов газоочистки МСЗ для рентгенофазового анализа....................................... ^

2.8. Рентгенофазовый анализ твердых отходов газоочистки МСЗ.............. 59

2.9. Определение времени термообработки твердых отходов газоочистки МСЗ для их полной детоксикации......................................................... ^

ГЛАВ АЗ. АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ МОДЕЛИ ВИГНЕРА-ПОЛЯНИ К ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ДЕСОРБЦИИ ДИОКСИНОВ С ПОВЕРХНОСТИ ЧАСТИЦ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ГАЗООЧИСТКИ МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ............................................... 67

3 Л. Уравнение Вигнера-Поляни для линейного нагрева................. 67

3.2. Интегральная форма уравнения Вигнера-Поляни для определения концентрации токсичных компонентов в твердых отходах газоочистки МСЗ. 68

3.3. . Результаты численного исследования...................................... 69

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГО-РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЕТОКСИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ГАЗООЧИСТКИ МУСОРОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ЗАВОДОВ.......................................

4.1. Предлагаемый способ детоксикации твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов в шнековом реакторе..................... 73

4.2. Методика расчета шнекового конвейера для реализации метода детоксикации зольных отходов с фильтров МСЗ...................................... 75

4.3. Разработка номограмм для определения основных геометрических параметров шнекового реактора...

................................................... 78

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ........................................................... 84

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................

Приложение А. Каталожное описание хлоросодержащих минералов синтезированных из твердых отходов газоочистки МСЗ............................. 97

Приложение Б. Расчет шнекового реактора установленного в подовой части 104 печи при реконструкции МСЗ №2...............................................

Приложение В. Отчеты по рентгенофазовому анализу золы МСЗ после термообработки..............................................................................................^ ^

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ГОС — газоочистная система;

ЗВ - загрязняющие вещества;

КПД - коэффициент полезного действия;

МСЗ - мусоросжигательный завод;

МСУ - мусоросжигательные установки;

ОПС - окружающая природная среда;

ОТГ - отходящие топочные газы;

ПДК - предельно допустимые концентрации;

ПТУ - паротурбинная теплоутилизационная установка;

ПХДД - полихлорированные дибензодиоксины;

ПХДФ - полихлорированные дибензофураны;

РФА - рентгенофазовый анализ

ТБО - твердые бытовые отходы;

ТЛ - технологическая линия;

ЭБ - экологическая безопасность;

ЛЗПГ - летучие зольные продукты газоочистки.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Термические методы обезвреживания твердых бытовых отходов находят все более широкое распространение в мире, в силу их экологической безопасности, доказанной многолетней успешной практикой на тысячах мусоросжигательных заводах. Однако, проблема обезвреживания золы (относящейся к третьему классу опасности), улавливаемой рукавными фильтрами на финишной стадии очистки газов МСЗ, остается нерешенной и в настоящее время. Летучие золы входят в состав твердых отходов газоочистки МСЗ и, наряду с активированным углем и частицами гашеной извести, представляют собой высокодисперсные сложные минеральные композиции с широким спектром основных компонентов. На поверхности частиц золы и активированного угля адсорбируются ионы тяжелых металлов, токсичные хлорсодержащие соединения - вторичные рекомбинантные диоксины и пр. Концентрация их может достигать 10-20 мкг/кг. Проблему детоксикации и обезвреживания золы решают химическими, биологическими и термическими методами переработки.

Отсюда, возникает задача создания технологии переработки твердых отходов газоочистки с фильтров МСЗ, устройства и инженерной методики расчета для ее реализации, чему и посвящена настоящая работа.

Цель работы

При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:

Научная новизна работы:

3. Разработана конструкция и инженерная методика расчета шнекового реактора для детоксикации твердых отходов газоочистки в подовой части печи МСЗ за счет теплоты сгорания ТБО.

Результаты диссертационной работы получены при выполнении государственного контракта от 11 октября 2011г. №16.515.12.5014 «Исследование процесса и устройств для производства энергии из твёрдых коммунальных отходов экологически безопасными и энергоэффективными сателлитными агрегатами в городских котельных», в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы».

Личный вклад: состоит в проведении экспериментальных исследований, обработке, интерпретации и обобщении полученных результатов, а также в формулировке выводов. Апробация работы:

результаты диссертационной работы докладывались на:

1. Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ, 2010 г.

2. X Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий», Тульский государственный университет, 2011г.

3. 7-ой Международной научно-практической конференция «Рециклинг, переработка отходов и чистые технологии» ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ»

4. 2011г. На Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодёжи «Комплексное использование вторичных ресурсов и отходов (рециклинг отходов)», Санкт-Петербургский государственный Горный университет 2011г.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ГАЗООЧИСТКИ МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНЫХ ЗАВОДОВ

1.1 Обзор свойств твердых отходов газоочистки МСЗ.

Термическая переработка твердых бытовых отходов (ТБО) приводит к образованию вторичных отходов (шлака и летучей золы), обезвреживание и утилизация которых становится одной из актуальных задач, связанных с мусоросжиганием, если учесть, что доля термической переработки ТБО в различных странах изменяется от 5 до 79% [43,86]. Строительство МСЗ в России при ужесточении экологических требований приводит к необходимости рационального решения рассматриваемой задачи.

Большинство исследователей сходятся во мнении, что летучая зола представляет собой известную опасность, поскольку содержит значительное количество тяжелых металлов, относящихся к первому классу опасности. Как доказано многочисленными исследованиями[8,17,23,37,52 и др.], летучая зола содержит, кроме тяжелых металлов, диоксины и фураны. Поэтому летучая зола и твердый остаток с фильтров газоочистки рассматривается как опасный отход образующие твердые отходы газоочистки.

Если содержание тяжелых металлов золе зависит от исходного содержания металлов в ТБО и может быть уменьшено при предварительной сортировке ТБО, то на образование повышенных доз диоксинов влияют и другие факторы, кроме содержащихся в ТБО хлорсодержащих полимеров типа ПВХ. Из летучих металлов свинец и кадмий образуют хлориды, уносящиеся с дымовыми газами. При охлаждении дымовых газов до 200°С они конденсируются и улавливаются вместе с золой на стадии газоочистки [36,64]. В то же время один из наиболее токсичных металлов - ртуть и ее

соединения остаются главным образом в газовой фазе и при более низких температурах. За последнее десятилетие содержание в золе от сжигания ТБО тяжелых металлов резко повысилось за счет отработанных сухих гальванических элементов, аккумуляторов, ламп накаливания, люминесцентных ламп, синтетических материалов (красители, стабилизаторы), металлических покрытий кожи и др [32]. При сжигании ТБО 90% кадмия попадает в дымовые газы и осаждается в основном на мелких (менее 2 мкм) частицах летучей золы[36]. Поэтому при газоочистке задача во многом сводится к максимально полному улавливанию летучей золы, которая характеризуется не только высоким содержанием кадмия, но и свинца и других металлов. Концентрация металлов в отходящих газах при сжигании исходных ТБО в 10 - 100 раз превосходит концентрацию металлов в отходящих газах энергетических установок, работающих на каменном угле, то есть тяжелые металлы являются специфическими выбросами мусоросжигательных заводов и большая их часть осаждается на золе уноса[26].

В процессе сжигания ТБО, особенно в условиях недожога, на

сажистых частицах золы адсорбируются токсичные соединения -

полихлордибензодиоксины и полихлордибензофураны (ПХДД и ПХДФ),

которые и составляют основную опасность золы уноса с фильтров МСЗ. При

этом следует иметь в виду, что в газоочистных сооружениях улавливают

вторичные (рекомбинантные) диоксины, ибо первичные диоксины

содержавшиеся в исходных ТБО полностью разлагаются в топочном

пространстве при температуре более 750°С [36]. В процессах образования

вторичных диоксинов на стадии охлаждения дымовых газов, в

экономайзерной части котлоагрегата, соединения меди (и железа) играют

роль катализаторов, а углеродсодержащие частицы золы вступают в

реакцию гетерогенного оксихлорирования частиц, т.е. сорбируют диоксины [43].

Количество образующихся продуктов реакции в топке, в системе газоочистки, зависит от исходного состава ТБО. Среднее количество золошлаковых отходов, образующихся при сжигании несортированных ТБО в топке с наклонной секционированной колосниковой решеткой, составляет до 24% (по массе) от исходного количества отходов при удалении сухого шлака; если последний увлажняется (при охлаждении в водяной камере), то вторичные отходы составляют д

Информация о работе

Косых, Виталий Андреевич
кандидата технических наук
Москва, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы