Способ переработки твердых отходов

 

Изобретение относится к способам переработки твердых отходов и может быть использовано в коммунально-бытовом хозяйстве, металлургии, химии и др. отраслях промышленности, деятельность которых связана с необходимостью переработки большого количества твердых бытовых и промышленных отходов. Производят подготовку шлакового расплава, подают в шлаковый расплав твердые отходы, продувают расплав кислородсодержащим газом, вводят в расплав углеродсодержащие и шлакообразующие материалы. В процессе переработки твердых отходов в расплав подают основные и кислые газообразующие и разжимающие материалы и создают и поддерживают слой газошлаковой эмульсии, при этом одновременно производят перемешивание этого слоя верхними и тангенциально направленными газовыми струями. При этом объемную плотность газошлаковой эмульсии поддерживают в пределах 0,8 - 0,95 объемной плотности твердых отходов, поддерживают основность газошлаковой эмульсии в пределах 0,6 - 0,9 посредством соответствующего соотношения массы подаваемых основных и кислых газообразующих и разжижающих материалов, периодически изменяют глубину погружения струй кислородсодержащего газа в пределах 0,1 - 0,9 толщины слоя газошлаковой эмульсии. Кроме того, в качестве газа, подаваемого тангенциально направленными струями, используют отходящий газ после газоочистки. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к способам переработки твердых отходов и может быть использовано в коммунально-бытовом хозяйстве, металлургии, химии и других отраслях промышленности, деятельность которых связана с необходимостью переработки большого количества твердых бытовых и промышленных отходов.

Известен способ переработки твердых отходов, включающий подготовку и загрузку их в шахту, нагрев в плазменных струях в окислительной среде. Весь процесс переработки отходов ведут в герметизированном реакционном пространстве с пропусканием газов через расплав, при этом шлак перед выпуском дополнительно подогревают [1] Недостатком известного способа является неудовлетворительная эффективность процесса, т. к. он не позволяет получить достаточно хорошие технологические и экологические показатели вследствие того, что продуктами переработки этого процесса остаются трудноразлагаемые токсичные соединения в виде шламов газоочистки, требующих специального захоронения, а также повышенное количество токсичных газов в виде CO и CO₂. Кроме того, этот процесс требует сложного оборудования и соответственно больших капитальных вложений.

Наиболее близким по технической сущности является способ переработки твердых отходов, включающий подготовку шлакового расплава, подачу отходов в шлаковый расплав, ввод углеродсодержащих и шлакообразующих материалов, продувку кислородсодержащим газом в режиме барботажа с интенсивностью 150 - 2200 нм³/час·м², причем в загружаемой шихте содержание углерода равно 2 25% а на каждый процент увеличения содержания углерода в шихте выше 10% вводят оксиды металлов или металлом соответственно 0,25 5% и 0,5 15% от массы загружаемой шихты [2] Недостатком известного способа является неудовлетворительная производительность процесса переработки твердых отходов, неполный перевод в шлак перерабатываемых твердых отходов, повышенная зольность отходящих газов, неполное дожигание выделяющихся газов, необходимость значительных капитальных вложений в оборудование. Это объясняется тем, что в процессе переработки твердых отходов и барботажа кислородосодержащим газом происходит ускоренное образование и выделение пузырьков газа вместе с продуктами горения. При этом происходит вынос твердых частиц в газоход. В результате продуктами переработки известного способа остаются трудноразлагаемые токсичные соединения в виде шламов в газоочистке, требующие специального захоронения. Кроме того, при известном способе образуется повышенное количество токсичных газов в виде CO₂ и CO.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении производительности и эффективности процесса переработки твердых отходов, исключающего их наличие в образующемся шлаке, уменьшении вредных газообразных выбросов, а также в уменьшении капитальных затрат и улучшении экологических условий переработки твердых отходов.

Указанный технический эффект достигают тем, что производят подготовку шлакового расплава, подают в шлаковый расплав твердые отходы, вводят в расплав углеродсодержащие и шлакообразующие материалы, продувают расплав кислородсодержащим газом.

В процессе переработки твердых отходов в расплав подают основные и кислые газообразующие и разжижающие материалы и создают и поддерживают слой газошлаковой эмульсии, при этом одновременно производят перемешивание этого слоя верхними и тангенциально направленными газовыми струями.

При этом объемную плотность газошлаковой эмульсии поддерживают в пределах 0,8 0,95 объемной плотности загружаемых твердых отходов, поддерживают основность слоя газошлаковой эмульсии в пределах 0,6 0,9 посредством поддержания соответствующего соотношения массы подаваемых основных и кислых газообразующих и разжижающих материалов, периодически изменяют глубину погружения струй кислородсодержащего газа в пределах 0,1 0,9 толщины слоя газошлаковой эмульсии.

Кроме того, в качестве газа, подаваемого тангенциально направленными струями, используют отходящий газ после газоочистки.

Повышение производительности и эффективности процесса переработки твердых отходов будет происходить вследствие образования и поддержания на поверхности шлакового расплава высокотемпературного вспененного слоя газошлаковой эмульсии посредством его вспенивания добавками основных и кислых газообразующих и разжижающих материалов. В этих условиях ускоряется процесс поглощения продуктов переработки твердых отходов слоем газошлаковой эмульсии, их перевод в шлаковый расплав и уменьшается процесс сжигания продуктов переработки над поверхностью шлакового расплава, что исключает вынос их зольной части в газоход и далее в газоочистку. При этом в слое газошлаковой эмульсии повышается интенсивность пиролиза продуктов переработки отходов и ускоряется процесс перехода их минеральной и металлической составляющих в расплав. Оптимальная величина основности газошлаковой эмульсии обеспечивает ее необходимую жидкоподвижность и позволяет уменьшить температуру перехода минеральной составляющей загружаемых в расплав твердых отходов в жидкое состояние. Подача кислородсодержащего газа в расплав производится в количествах, необходимых для сжигания углерода, находящегося в твердых отходах, и дожигания CO и CO₂.

Эффективность процесса переработки твердых отходов повышается также за счет возврата и подачи отходящего газа и шлама после газоочистки под уровень поверхности слоя газошлаковой эмульсии. Сказанное позволяет увеличить приход тепла за счет дожигания дополнительного количества CO и CO₂ и практически ликвидировать твердые составляющие продуктов переработки твердых отходов. В этих условиях улучшается окружающая экологическая обстановка.

Диапазон значений объемной плотности газошлаковой эмульсии в пределах 0,8 0,95 от объемной плотности загружаемых твердых отходов объясняется закономерностями погружения продуктов переработки твердых отходов в слое газошлаковой эмульсии. При меньших значениях увеличивается скорость погружения твердых отходов в слое газошлаковой эмульсии сверх допустимых значений, что приводит к уменьшению времени переработки твердых отходов и, как следствие, к снижению эффективности процесса. При больших значениях плотность твердых отходов и плотность газошлаковой эмульсии становятся соизмеримыми. Это приводит к уменьшению скорости погружения твердых отходов в слое газошлаковой эмульсии. В этих условиях происходит сгорание твердых отходов на поверхности расплава и их вынос в виде золы в газоочистку.

Указанный диапазон устанавливают в прямой пропорциональной зависимости от объемной плотности загружаемых твердых отходов.

Диапазон значений основности шлака в слое газошлаковой эмульсии в пределах 0,6 0,9 объясняется закономерностями вспенивания газошлаковой эмульсии и перехода продуктов переработки твердых отходов в газовую и жидкую фазы. При меньших значениях газошлаковая эмульсия будет подвижной сверх допустимых пределов. При этом будет увеличиваться разъедание футеровки, а также появляются выбросы расплава и вынос в газоочистку неусвоенной части продуктов переработки твердых отходов. Кроме того, в этом случае увеличивается необходимая доля подаваемых кислых материалов, что требует дополнительных расходов тепла для восполнения тепловых потерь и, следовательно, нецелесообразно экономически.

При больших значениях снижается жидкоподвижность газошлаковой эмульсии, уменьшается температура плавления твердой составляющей подаваемых материалов, ухудшаются условия формирования вспененного слоя газошлаковой эмульсии, уменьшается интенсивность диффузионных процессов усвоения продуктов переработки твердых отходов.

Значение основности в указанных пределах устанавливают в прямой пропорциональной зависимости от температуры приготовленного шлакового расплава.

Диапазон значений периодического изменения глубины погружения струй кислородсодержащего газа в пределах 0,1 0,9 от толщины слоя газошлаковой эмульсии объясняется закономерностями проработки газовыми струями слоя газошлаковой эмульсии. При больших значениях происходит захват шлака слоем газошлаковой эмульсии из нижележащей отстойной зоны шлакового расплава и окисление его металлической составляющей. При меньших значениях будет происходить перерасход газа вследствие его выхода за поверхность слоя газошлаковой эмульсии.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.

Способ переработки твердых отходов осуществляют следующим образом.

Пример.

Перед началом процесса переработки твердых отходов в футерованный конвертер емкостью 100 т загружают шихты, состоящую из 12 т доменного твердого шлака и 5 т угля. Затем зажигают загруженную шихту факелом и расплавляют ее до жидкого состояния при помощи подачи сверху кислорода из фурмы с широко раскрывающимся факелом. Расход кислорода из фурмы с широко раскрывающимся факелом. Расход кислорода устанавливают в пределах 300 400 м³/час. Расплав нагревают до температуры 1450 1600^oC. При этом доменный шлак расплавляется, образуя шлаковый расплав.

После подготовки шлакового расплава в конвертер подают основные газообразующие материалы, например, известняк, уголь и др. и кислые разжижающие материалы, например, плавиковый шпат. При этом количество подаваемых материалов обеспечивает необходимую объемную плотность образующейся газошлаковой эмульсии в зависимости от объемной плотности подаваемых твердых отходов. Далее производят перемешивание слоя газошлаковой эмульсии тангенциально направленными газовыми струями с одновременной подачей в конвертер твердых отходов в виде пищевых, бытовых и промышленных отходов, предварительно пропущенных через магнитный сепаратор. Отходы подают с расходом 40 т/час. Плотность газошлаковой эмульсии определяют опытным путем по величине уровня слоя газошлаковой эмульсии над первоначальным уровнем шлакового расплава в конвертере. Уровень слоя газошлаковой эмульсии определяют, например, при помощи ультразвукового датчика.

Тангенциально направленные газовые струи образуют при помощи 6-ти боковых фурм, установленных в стенках конвертера, с общим расходом газа в пределах 1800 2000 м³/час. Одновременно с тангенциально направленными газовыми струями подают через верхнюю фурму с раскрывающимся факелом кислород с расходом 500 800 м³/час. При этом периодически изменяют глубину погружений струй кислорода в слой газошлаковой эмульсии в пределах 0,1 0,9 его толщины посредством перемещения фурмы с частотой 1 10 раз в мин. В общем случае подача тангенциально направленных и вертикальных струй может производиться из специальной одной фурмы с различным направлением истекающих факелов газа.

В процессе переработки твердых отходов производят химанализ шлака, находящегося в слое газошлаковой эмульсии и определяют величину ее основности. При увеличении значения основности от заданной величины в конвертер подают шлакообразующие материалы, содержащие окислы кремния. При уменьшении основности от заданного значения в конвертер подают шлакообразующие материалы, содержащие окислы кальция. Величину основности поддерживают в пределах 0,6 - 0,9. Объемную плотность слоя газошлаковой эмульсии поддерживают в пределах 0,8 0,95 от объемной плотности подаваемых твердых отходов. В качестве газа, подаваемого тангенциальными струями, используют отходящие в газоход газы посредством их возврата в боковые фурмы вместе с содержащимся в них шламом.

По истечении одного часа от начала загрузки в конвертер твердых отходов из него через горловину сливают слой газошлаковой эмульсии и шлака, оставляя при этом в конвертере шлаковый расплав в количестве 12 т. После этого процесс повторяют. Слитый шлак используют в дальнейшем для переработки в строительные материалы.

В таблице приведены примеры осуществления способа переработки твердых отходов с различными технологическими параметрами.

В первом примере вследствие низкого значения объемной плотности слоя газошлаковой эмульсии происходит быстрое погружение твердых отходов в этом слое. В этих условиях из-за малого времени нахождения твердых отходов в слое газошлаковой эмульсии их переработка происходит не полностью. При этом повышается расход необходимых присадочных материалов для вспенивания слоя газошлаковой эмульсии. Недостаточная глубина погружения струй кислородсодержащего газа под поверхность слоя газошлаковой эмульсии приводит к выносу шлака и твердых отходов в газоход газоочистки. Это приводит к увеличению зольности отходящих газов до 5 7% и неэффективному использованию кислородсодержащего газа. Низкое значение основности слоя газошлаковой эмульсии приводит к повышенной ее жидкотекучести, что сопровождается усиленным разъеданием футеровки конвертера. Кроме того, это способствует появлению выбросов расплава и неудвоенной части твердых отходов из конвертера в газоход.

В пятом примере плотность слоя газошлаковой эмульсии становится соизмеримой с плотностью твердых отходов на поверхности слоя газошлаковой эмульсии, что приводит к их сгоранию и выносу в виде золы в газоход газоочистки. Повышенная глубина погружений струй кислородсодержащего газа под уровень слоя газошлаковой эмульсии приводит к захвату шлака из нижележащего шлакового расплава, что сопровождается окислением металлической части шлакового расплава. Это приводит к неэффективному использованию кислородсодержащего газа. Высокая основность слоя газошлаковой эмульсии снижает его жидкоподвижность, ухудшает условия формирования вспененного слоя газошлаковой эмульсии и его перемешивания, снижается эффективность диффузионных процессов усвоения твердых отходов. Это приводит к их сгоранию над поверхностью слоя газошлаковой эмульсии и выносу в виде золы в газоход газоочистки.

В шестом примере, прототипе, вследствие отсутствия формирования слоя газошлаковой эмульсии происходит неполный перевод в шлак перерабатываемых твердых отходов, повышается зольность отходящих газов в газоход газоочистки. В результате продуктами переработки твердых отходов остаются трудноразлагаемые токсичные соединения в виде шламов в газоочистке, требующие специального захоронения.

В примерах 2 4 вследствие образования и поддержания на поверхности шлакового расплава высокотемпературного вспененного активного слоя газошлаковой эмульсии с оптимальными параметрами повышается производительность и эффективность процесса переработки твердых отходов. В этих условиях ускоряется процесс поглощения продуктов переработки твердых отходов слоем газошлаковой эмульсии, перевод их в шлаковый расплав и уменьшается процесс сжигания продуктов переработки над поверхностью шлакового расплава, что исключает вынос их зольной части в газоход и далее в газоочистку, а также исключает образование и вынос токсичных газов.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить производительность и эффективность процесса переработки твердых отходов на 80 90% увеличить перевод в шлак твердых отходов до 98% снизить газообразные выбросы в 2 3 раза, уменьшить удельные капитальные затраты в 1,5 1,8 раза.

Формула изобретения

1. Способ переработки твердых отходов, включающий подготовку шлакового расплава, подачу в шлаковый расплав твердых отходов, подачу в расплав в процессе переработки твердых отходов углеродосодержащих и шлакообразующих материалов, а также продувку расплава сверху кислородосодержащим газом, отличающийся тем, что после подготовки шлакового расплава в него подают основные и кислые газообразующие и разжижающие материалы, создают и поддерживают слой газошлаковой эмульсии, причем производят перемешивание этого слоя тангенциально направленными газовыми струями с одновременной подачей твердых отходов, при этом периодически изменяют глубину погружения струй кислородосодержащего газа в пределах 0,1 0,9 толщины слоя газошлаковой эмульсии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе переработки твердых отходов основность шлака в газошлаковой эмульсии поддерживают в пределах 0,6 0,9 посредством соответствующего соотношения массы подаваемых основных и кислых газообразующих и разжижающих материалов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объемную плотность слоя газошлаковой эмульсии устанавливают в пределах 0,8 0,95 объемной плотности твердых отходов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газа, подаваемого тангенциально направленными струями, используют отходящий газ после газоочистки.

РИСУНКИ

Рисунок 1