Способ сжигания стойких органических загрязнителей
Владельцы патента RU 2399837:
Национальный университет водного хозяйства и природопользования (UA)
Украинский государственный научно-технический центр по технологии и оборудованию, обработке металлов, защите окружающей среды и использованию вторичных ресурсов для металлургии и машиностроения "Энергосталь" (UA)
Изобретение относится к экологически безопасным способам уничтожения стойких органических загрязнителей и может быть использовано при сжигании непригодных и/или запрещенных к применению химических средств защиты растений и подобных им органических веществ. Способ включает предварительную подготовку стойких органических загрязнителей, их смешивание с воздухом, подачу смеси в печь и ее сжигание в печи, пропускание газообразных продуктов сгорания через теплообменные аппараты и газоочистку. Органические загрязнители смешивают с воздухом непосредственно в горелочном устройстве печи, при этом органические загрязнители в печь подают путем их вдувания сжатым воздухом в виде образующейся дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители". Воздух и дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подают в печь при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1, поддерживая температуру факела газов, выходящего из горелочного устройства печи, на уровне 1400-1650°С. Технический результат: полное и безопасное разложение стойких органических загрязнителей с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Заявляемое изобретение относится к экологически безопасным способам уничтожения стойких органических загрязнителей и может быть использовано при сжигании непригодных и/или запрещенных к применению химических средств защиты растений и подобных им органических веществ, в состав которых как индивидуальный компонент и/или как группа компонентов могут входить альдрин, эндрин, дильдрин, хлордан, ДДТ, токсафен, мирекс, гептахлор, гексахлорбензол, полихлорированные дифенилы, а также полихлорированные дибензолдиоксины, дибензолфураны и другие хлорорганические соединения.
Известен способ термической переработки отходов (Патент Российской Федерации №2303746, МПК8 F23G 5/14, опубл. 27.07.2007), включающий предварительную подготовку отходов, подачу отходов в печь, их сжигание при подаче предварительно нагретого воздуха дутья двумя раздельными потоками, пропускание продуктов сгорания через теплообменный аппарат для подогрева воды и газоочистку, дожигание продуктов сгорания с последующим их пропусканием через теплообменный аппарат для подогрева воды, два теплообменных аппарата для подогрева воздуха дутья, подаваемого двумя раздельными потоками в печь, и выбросом продуктов сгорания в атмосферу через дымовую трубу с фильтром.
К недостаткам такого способа можно отнести сложность и высокую стоимость осуществления, что обуславливается необходимостью подачи предварительно нагретого воздуха дутья двумя раздельными потоками, используя для подогрева два теплообменных аппарата, а также дополнительный расход топлива на дожигание продуктов сгорания. Кроме того, такой способ характеризуется неполным разложением токсичных компонентов, что приводит к их повторной регенерации, обуславливая низкую эффективность защиты окружающей природной среды.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и результату, который может быть получен при его использовании, является способ сжигания стойких органических загрязнителей (Патент Российской Федерации №2249766, МПК7 F23G 5/00, опубл. 10.04.2005), включающий предварительную подготовку стойких органических загрязнителей, их смешивание с предварительно нагретым воздухом дутья, подачу образовавшейся смеси "воздух-органические загрязнители" в печь, сжигание смеси "воздух-органические загрязнители" в печи, дожигание газообразных продуктов сгорания в камере каталитического дожигания, каталитическую обработку продуктов сгорания в камере декарбонизации известняковой муки, пропускание через теплообменные аппараты, газоочистку и выброс очищенных продуктов сгорания в атмосферу. В качестве теплообменных аппаратов используются воздухоподогреватель для предварительного нагревания воздуха дутья, который специальным нагнетателем подается на смешивание с органическими загрязнителями, и теплообменник в виде парового или водогрейного котла для нагревания воды или пара. При этом предварительно нагретый воздух дутья используют, с одной стороны, для образования смеси "воздух-органические загрязнители", а с другой стороны, используют как транспортирующее средство для подачи в печь путем вдувания смеси "воздух-органические загрязнители".
К недостаткам такого способа можно отнести сложную схему его осуществления, которая для гарантированного уничтожения вредных веществ предусматривает использование камеры каталитического дожигания и камеры декарбонизации известняковой муки, а также использования дефицитных и дорогостоящих катализаторов, требующих периодической замены, что, в свою очередь, приводит к удорожанию осуществления способа по прототипу. Использование предварительно нагретого воздуха дутья в качестве транспортирующего средства для подачи смеси "воздух-органические загрязнители" в печь обуславливает необходимость использования специальных высокопроизводительных нагнетательных аппаратов, работающих при высоких температурах, и специальное аппаратное обеспечение, что также приводит к удорожанию осуществления способа и усложнению осуществления такого способа. Кроме того, использование камеры каталитического дожигания и камеры декарбонизации известняковой муки не позволяет обеспечить полное и безопасное разложение стойких органических загрязнителей с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача создать такой способ сжигания стойких органических загрязнителей, который за счет введения новой совокупности действий и последовательности их выполнения позволит обеспечить достижение технического результата, заключающегося в полном и безопасном разложении стойких органических загрязнителей путем сжигания с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе сжигания стойких органических загрязнителей, включающем предварительную подготовку стойких органических загрязнителей, их смешивание с воздухом дутья, подачу смеси в печь и ее сжигание в печи, пропускание газообразных продуктов сгорания через теплообменные аппараты и газоочистку, согласно изобретению, органические загрязнители смешивают с воздухом непосредственно в горелочном устройстве печи, при этом органические загрязнители в виде образующейся дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" подают в горелочное устройство печи с помощью сжатого воздуха, воздух дутья и дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подают в горелочное устройство печи при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1, а сжигание осуществляют в выходящем из горелочного устройства печи факеле газов, температуру которого поддерживают на уровне 1400-1650°С.
В отдельных случаях заявляемый способ характеризуется тем, что:
- стойкие органические загрязнители сжигают в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1400-1650°С в течение 7-8 с;
- дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" предварительно подогревают путем ее пропускания через теплообменный аппарат, например воздухоподогреватель;
- воздух дутья для смешивания с дисперсной смесью "воздух-органические загрязнители" предварительно подогревают путем его пропускания через теплообменный аппарат, например воздухоподогреватель;
- в качестве печи для сжигания стойких органических загрязнителей используют барабанную вращающуюся противоточную обжиговую печь, например барабанную вращающуюся противоточную обжиговую цементную печь.
Смешивание предварительно подготовленных стойких органических загрязнителей с воздухом дутья непосредственно в горелочном устройстве печи, подача органических загрязнителей виде образующейся дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство печи с помощью сжатого воздуха путем вдувания, а также подача воздуха дутья и дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство печи при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1 и сжигание в выходящем из горелочного устройства печи факеле газов, температуру которого поддерживают на уровне 1400-1650°С, позволяет без использования дополнительной каталитической обработки обеспечить достижение технического результата, заключающегося в полном и безопасном разложении токсичных компонентов стойких органических загрязнителей с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды. При этом упрощается аппаратурно-технологическая схема обеспечения заявляемого способа сжигания стойких органических загрязнителей, сокращаются энергетические затраты на их сжигание, а также снижаются затраты на изготовление, монтаж и эксплуатацию оборудования для осуществления заявляемого способа, снижается уровень загрязнения окружающей природной среды.
За счет взаимодействия сжатого воздуха и предварительно подготовленных стойких органических загрязнителей с образованием дисперсной смеси "воздух - органические загрязнители", а также благодаря подаче образовавшейся дисперсной смеси "воздух - органические загрязнители", которая образуется путем ее вдувания в горелочное устройство печи с использованием энергии сжатого воздуха, обеспечивается возможность сжигания стойких органических загрязнителей, находящихся как в твердом, так и в жидком состоянии.
Смешивание органических загрязнителей, подаваемых в печь на сжигание в виде образующейся дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители", с воздухом дутья непосредственно в горелочном устройстве печи позволяет разделить и упростить способ подвода органических загрязнителей и воздуха дутья, а также повысить эффективность сжигания при полном и безопасном разложении токсичных компонентов, кроме того, обеспечивается экономия первичного топлива.
Подача воздуха дутья и дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство печи при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1 и сжигание органических загрязнителей в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1400-1650°С в течение 7-8 с обеспечивает полное и безопасное разложение токсичных компонентов стойких органических загрязнителей при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды. Такое сжигание в течение 7-8 с обеспечивается за счет увеличения длины факела газов. Горение органической фазы стойких органических загрязнителей в факеле сокращает удельный расход первичного топлива на их уничтожение, а также позволяет использовать дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" в качестве вторичного топлива для отопления печи.
Подача воздуха дутья и дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство печи при их массовом соотношении, меньшем чем 1:0,01, является нецелесообразным, так как незначительное содержание стойких органических загрязнителей в дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" не позволяет использовать данную смесь в качестве дополнительного компонента для горения, а значит, не обеспечивается экономия первичного топлива (газ, мазут и др.).
Подача воздуха дутья и дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство печи при их массовом соотношении, большем чем 1:0,1, приводит к переобогащению смеси стойкими органическими загрязнителями и не обеспечивает полное и безопасное их уничтожение. Кроме того, при таком соотношении в отходящих из печи газах сохраняется повышенная концентрация стойких органических загрязнителей, что приводит к загрязнению окружающей природной среды.
Сжигание органических загрязнителей в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре менее 1400°С не обеспечивает полного разложения стойких органических загрязнителей.
Сжигание органических загрязнителей в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре выше 1650°С приведет к перерасходу первичного топлива и загрязнению окружающей природной среды повышенным уровнем выбросов. Кроме того, повышение температуры приведет к повышению тепловых нагрузок на печь и вспомогательное оборудование, а также к повышенным требованиям по взрывобезопасности осуществления способа, что обусловит необходимость использования термостойких материалов с повышенными требованиями к взрывобезопасности, а следовательно, приведет к удорожанию осуществления заявляемого способа.
При пребывании стойких органических загрязнителей в факеле газов менее 7 с при температуре 1400-1650°С не обеспечивается полное и безопасное разложение токсичных компонентов стойких органических загрязнителей, а также обуславливается возможность повторной их регенерации на последующих после сжигания операциях заявляемого способа, а именно при газоочистке.
Пребывание стойких органических загрязнителей в факеле газов более 8 с при температуре 1400-1650°С приводит к необходимости увеличения зоны печи с повышенными тепловыми нагрузками и увеличению размеров печи для обеспечения такого пребывания, а также обуславливает перерасход первичного топлива на обеспечение сгорания в течение такого времени.
Предварительное подогревание дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" перед подачей в горелочное устройство обеспечивает подачу в печь подогретой смеси для эффективного и наиболее полного ее сжигания при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды. Предварительное подогревание способствует наиболее эффективному и равномерному рассредоточению частиц стойких органических загрязнителей в сжатом воздухе с образованием подогретой однородной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" и способствует полному и безопасному ее сжиганию.
Предварительное подогревание воздуха дутья для смешивания с дисперсной смесью "воздух-органические загрязнители" перед подачей в горелочное устройство обеспечивает подачу в печь подогретого воздуха дутья для эффективного перемешивания непосредственно в горелочном устройстве нагретого воздуха и дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители", способствующего наиболее полному и безопасному сжиганию стойких органических загрязнителей при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды.
При этом для подогрева дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" и воздуха дутья могут быть использованы как два отдельных теплообменных аппарата, так и один теплообменный аппарат с раздельными контурами подогрева. В таком теплообменном аппарате в качестве теплоносителя для подогрева может быть использовано, в зависимости от особенностей осуществления способа, тепло отходящих от печи газов.
Подогрев как дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители", так и воздуха дутья путем пропускания через теплообменный аппарат, например, в виде воздухоподогревателя, использующего в качестве теплоносителя тепло отходящих от печи газов, обеспечивает, в частности, и утилизацию химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, и охлаждение отходящих газов перед газоочисткой.
Использование барабанной вращающейся противоточной обжиговой печи, например барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи в качестве печи для сжигания стойких органических загрязнителей, позволяет обеспечить полное и безопасное разложении стойких органических загрязнителей путем сжигания с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды.
Стойкие органические загрязнители используются для отопления барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи в качестве вторичного топлива (дополнительный источник горения), обеспечивающего создание повышенных температур с использованием химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, для обжига, например, цементного клинкера при экономии первичного топлива (газа, мазута и др.) и защите окружающей природной среды.
Принципиальная технологическая схема осуществления заявляемого способа представлена на чертежах:
- фиг.1 - технологическая схема процесса сжигания твердых стойких органических загрязнителей;
- фиг.2 - технологическая схема процесса сжигания жидких стойких органических загрязнителей.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Сначала осуществляют предварительную подготовку стойких органических загрязнителей, находящихся в твердом или жидком состоянии, к сжиганию. Затем осуществляют смешивание предварительно подготовленных стойких органических загрязнителей со сжатым воздухом с образованием дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители". Одновременно с образованием дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" с помощью энергии сжатого воздуха осуществляют подачу дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" на подогрев в теплообменный аппарат, использующий тепло отходящих от печи газов, с последующим вдуванием нагретой дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи, в которой осуществляют обжиг цементного клинкера по известной технологии. Одновременно с вдуванием в горелочное устройство печи нагретой дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" осуществляют подачу в горелочное устройство печи предварительно нагретого в теплообменном аппарате, использующем тепло отходящих от печи газов, воздуха дутья, обеспечивая их смешивание непосредственно в горелочном устройстве печи. Нагретый воздух дутья и нагретую дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подают в горелочное устройство печи при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1. После чего указанную смесь сжигают в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1400-1650°С в течение 7-8 с. Далее продукты сгорания пропускают через теплообменные аппараты, например теплообменник в виде котла-утилизатора для нагрева воды или пара, подаваемых по назначению, а также воздухоподогреватель для нагревания дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" и воздуха дутья. После чего осуществляют газоочистку продуктов сгорания и выброс очищенных газов в атмосферу.
В конкретном примере сжигание твердых стойких органических загрязнителей (СОЗ) осуществляли так (фиг.1). Сначала осуществляли предварительную подготовку СОЗ (например, линдана (С6Н6Сl6), находящихся в твердом состоянии, путем их измельчения до крупности частиц не более 300 мкм. Затем измельченные частицы дозировали и смешивали со сжатым воздухом. После чего образовавшуюся пылевоздушную дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" пневмотранспортом за счет энергии сжатого воздуха подавали на подогрев в теплообменный аппарат, использующий тепло отходящих от печи газов, с последующим вдуванием нагретой пылевоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи, в которой осуществляли обжиг цементного клинкера по известной технологии. Одновременно с вдуванием в горелочное устройство печи нагретой пылевоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" осуществляли подачу в горелочное устройство печи воздуха дутья, предварительно нагретого в теплообменном аппарате, использующем тепло отходящих от печи газов, обеспечивая их смешивание непосредственно в горелочном устройстве печи. Нагретый до температуры 400°С воздух дутья и нагретую пылевоздушную дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подавали в горелочное устройство печи при их массовом соотношении 1:0,015. После чего указанную смесь сжигали в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1600°С в течение 7 с. При этом СОЗ использовали для отопления барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи в качестве вторичного топлива (дополнительный источник горения), обеспечивающего создание повышенных температур для обжига цементного клинкера при экономии первичного топлива (газа, мазута и др.). Далее продукты сгорания пропускали через теплообменные аппараты, например теплообменник в виде котла-утилизатора для нагревания подаваемых по назначению воды или пара, а также воздухоподогреватель для нагревания пылевоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" и воздуха дутья. После чего осуществляли газоочистку продуктов сгорания и выброс очищенных газов в атмосферу.
В конкретном примере сжигание жидких СОЗ осуществляли так (фиг.2). Сначала осуществляли предварительную подготовку СОЗ (например, токсафена (C10H10Cl8), находящихся в жидком состоянии, путем их дозирования и распыления с образованием капель размером не более 400 мкм. Одновременно с распылением осуществляли смешивание со сжатым воздухом. После чего образующуюся капельновоздушную дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" пневмотранспортом за счет энергии сжатого воздуха подавали на подогрев в теплообменный аппарат, использующий тепло отходящих от печи газов, с последующим вдуванием нагретой капельновоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" в горелочное устройство барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи, в которой осуществляли обжиг цементного клинкера по известной технологии. Одновременно с вдуванием в горелочное устройство печи нагретой капельновоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" осуществляли подачу в горелочное устройство печи воздуха дутья, предварительно нагретого в теплообменном аппарате, использующем тепло отходящих от печи газов, обеспечивая их смешивание непосредственно в горелочном устройстве печи. Нагретый до температуры 300°С воздух дутья и нагретую капельновоздушную дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подавали в горелочное устройство печи при их массовом соотношении 1:0,07. После чего указанную смесь сжигали в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1450°С в течение 8 с. При этом СОЗ использовали для отопления барабанной вращающейся противоточной обжиговой цементной печи в качестве вторичного топлива (дополнительный источник горения), обеспечивающего создание повышенных температур для обжига цементного клинкера при экономии первичного топлива (газа, мазута и др.). Далее продукты сгорания пропускали через теплообменные аппараты, например теплообменник в виде котла-утилизатора для нагревания подаваемых по назначению воды или пара, а также воздухоподогреватель для нагревания капельновоздушной дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" и воздуха дутья. После чего осуществляли газоочистку продуктов сгорания и выброс очищенных газов в атмосферу.
В результате осуществления заявляемого способа обеспечивается полное разложение токсичных компонентов стойких органических загрязнителей, а также исключается возможность повторной их регенерации в газоходах и системе газоочистки после сжигания в печи.
Исходя из вышеизложенного и с учетом раскрытой причинно-следственной связи между совокупностью признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом можно утверждать, что задача, поставленная в основу создания нового способа сжигания стойких органических загрязнителей, решена полностью, так как использование изобретения позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в полном и безопасном разложении стойких органических загрязнителей путем сжигания с обеспечением утилизации химического тепла, вносимого стойкими органическими загрязнителями, при экономии первичного топлива и защите окружающей природной среды.
1. Способ сжигания стойких органических загрязнителей, включающий предварительную подготовку стойких органических загрязнителей, их смешивание с воздухом, подачу смеси в печь и ее сжигание в печи, пропускание газообразных продуктов сгорания через теплообменные аппараты и газоочистку, отличающийся тем, что органические загрязнители смешивают с воздухом дутья непосредственно в горелочном устройстве печи, при этом органические загрязнители в виде образующейся дисперсной смеси "воздух-органические загрязнители" подают в горелочное устройство печи с помощью сжатого воздуха, воздух дутья и дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" подают в горелочное устройство печи при их массовом соотношении от 1:0,01 до 1:0,1, а сжигание осуществляют в выходящем из горелочного устройства факеле газов, температуру которого поддерживают на уровне 1400-1650°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стойкие органические загрязнители сжигают в факеле газов, выходящем из горелочного устройства печи, при температуре 1400-1650°С в течение 7-8 с.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсную смесь "воздух-органические загрязнители" предварительно подогревают путем ее пропускания через теплообменный аппарат.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве печи для сжигания стойких органических загрязнителей используют барабанную вращающуюся противоточную обжиговую печь.
