Способ термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве и печь для его осуществления

Изобретение относится к мусоросжигательным печам, предназначенным для сжигания отходов или низкосортных топлив. Техническим результатом является упрощение технологии подготовки материалов к переработке. В способе термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве, включающем загрузку подготовленной шихты в рабочую камеру, ее сжигание с образованием ванны шлакового расплава, барботирование расплава продуктами сгорания природного газа через погружные фурмы, выпуск продуктов плавки и очистку газов после термического разложения шихты, термическое обезвреживание отходов осуществляют непосредственно в ванне шлакового расплава за счет загрузки шихты непосредственно на уровень расплавленной шлаковой ванны и подачи в расплав воздуха, подогретого до 500°С, с коэффициентом избытка воздуха α≤1,3 через фурмы, расположенные на боковых стенах рабочей камеры, при этом температуру шлаковой ванны поддерживают в интервале 1400-1600°С, природный газ сжигают в выносных топочных камерах при α≤0,9, а продукты сгорания природного газа для барботирования шлаковой ванны и поддержания ее температуры подают под уровень расплава через сопла, установленные на топочных камерах, размещенных на боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно сопел, расположенных на противоположной стене. Печь для осуществления способа содержит кессонированную рабочую камеру, оснащенную выносными топками и фурмами для подачи воздуха в расплав, которые расположены на боковых стенах выше сопел выносных топок; сопла выносных топок размещены на противоположных боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно друг друга; верхние части боковых стен рабочей камеры выполнены наклонными; а загрузочное устройство размещено выше уровня осей выходных сопел топочных камер на расстоянии не более 40 диаметров выходного сечения сопла топочной камеры. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 9 табл.

 

Область техники

Заявляемые способ термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве и печь для его осуществления относятся к способам и устройствам, например мусоросжигательным печам, специально предназначенным для сжигания отходов или низкосортных топлив.

Уровень техники

Известен способ термической переработки твердых бытовых (коммунальных) и промышленных отходов в шлаковом расплаве по патенту Российской Федерации №2079778 (опубл. 20.05.1997), включающий подачу в рабочую камеру печи шихты, состоящей из углеродсодержащих твердых отходов или биогаз полигонов твердых бытовых отходов, и кислородсодержащего газа через фурмы в шлаковый расплав с определенной интенсивностью дутья, плавку шихты с образованием шлака с температурой 1250-1400°С и выпуск продуктов плавки.

Известна печь для плавки в жидкой ванне (Ванюков А.В. и др. Плавка в жидкой ванне. - М.: Металлургия, 1988, с. 208), содержащая рабочую камеру с кессонированными стенами, фурменный пояс для подачи в расплав кислородсодержащего газа, шлаковый сифон, устройство газоочистки.

Недостатками известного способа и печи для его реализации является необходимость использования для продувки ванны шлакового расплава кислородсодержащего газа, следствием чего является достаточно высокая стоимость переработки отходов за счет использования кислорода, значительный недожог горючих компонентов шихты и невозможность обеспечения экологической безопасности жидких и газообразных продуктов переработки отходов.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемым изобретениям являются «Способ переработки твердых отходов в шлаковом расплаве» по патенту Российской Федерации №2451089 (опубл. 27.01.2011) и «Печь для непрерывной плавки материалов в шлаковом расплаве по патенту Российской Федерации №9472 (опубл. 10.06.2010).

Известный способ термической переработки твердых бытовых (коммунальных) отходов в шлаковом расплаве включает подсушку и подачу шихты минимальными порциями в разные места шлаковой ванны, где сжигают и плавят ее в барботируемом шлаковом расплаве. Продувку расплава осуществляют путем подачи в расплав продуктов сгорания природного газа из циклонных топок, расположенных соосно на противоположных боковых стенах рабочей камеры печи. Продукты сгорания отходов термически разлагают и промывают под обтекателем с помощью газопромывателей многозонной печи при температуре 1350°С, что позволяет избавиться от галогенов в отходах и диссоциированного хлора по тракту до турбинного охлаждения газа. Промывка печного газа производится газожидкостной средой, выбрасываемой барботируемым расплавом, который содержит избыточный водород и СО. За счет управляемого синтеза в зонах печи создаются новые вещества, которые нейтрализуют в распылительном абсорбере сухой очистки газов. Охлаждение дымового газа производится в 3 этапа и завершается в электрофильтре, дымососе и дымовой трубе.

Известная печь для непрерывной плавки материалов в шлаковом расплаве содержит кессонированную шахту, оснащенную циклонными топками, узел загрузки шихты, свод, перегородки и пылеосадительную камеру с горловиной, котел-утилизатор.

К основным недостаткам известных способов термического обезвреживания коммунальных отходов в первую очередь можно отнести недостаточную эффективность протекания процессов в шлаковой ванне расплава, высокие финансовые затраты на реализацию переработки, а также несоответствие современным требованиям к охране окружающей среды, обусловленное, в основном, за счет относительно низкой температуры их переработки и малого объемного теплосодержания (МДж/м³) в зоне протекания технологических процессов. Известные способы термического обезвреживания отходов и устройства для их осуществления не позволяют осуществить в полной мере процесс дожигания СО и подавления NO_x в рабочей камере.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема, решаемая заявленными изобретениями, состоит в разработке и реализации таких способа термического обезвреживания коммунальных отходов и устройства для его осуществления, которые бы позволили обеспечить простую и дешевую технологию подготовки материалов к переработке, высокую удельную производительность процесса за счет организации оптимальных режимов протекания технологических процессов в барботируемой шлаковой ванне расплава, а также соблюдение требований к экологической безопасности и дополнительное сбережение ресурсов и энергии, в том числе за счет исключения использования для продувки шлаковой ванны кислородсодержащего газа и возможности получения на выходе из агрегата расплава, который по его химическому составу позволяет рассматривать его как товар (например, в виде минеральной ваты).

Сущность заявленных изобретений заключается в том, что кардинальное улучшение технико-экономических и экологических показателей термической переработки отходов может быть обеспечено при температурах протекания процесса выше 1200°С (температуры разложения органических составляющих коммунальных отходов) и при проведении операций термической переработки отходов в зоне, теплосодержание в которой на несколько порядков выше, чем в действующих печах. В заявленной группе изобретений поставленная задача в отличие от технических решений, известных из уровня техники, в том числе из прототипа, решается путем создания такой технологии термического обезвреживания твердых коммунальных отходов, при которой зона термического обезвреживания локализована непосредственно в шлаковом расплаве.

Технический результат, обеспечиваемый заявленными изобретениями, заключается в создании эффективной технологии термического обезвреживания коммунальных отходов с высокой удельной производительностью процесса, с соблюдением экологических требований и дополнительным сбережением ресурсов и энергии, в частности, за счет исключения использования кислородсодержащего дутья.

Существующая техническая проблема решается за счет того, что в известном способе термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве, включающем загрузку подготовленной шихты в рабочую камеру, сжигание и плавку шихты с образованием ванны шлакового расплава, барботирование ванны расплава продуктами сгорания природного газа через погружные фурмы, выпуск продуктов плавки и очистку газов, образовавшихся после термического разложения шихты, с последующим охлаждением, термическое обезвреживание (сжигание) твердых коммунальных отходов осуществляют непосредственно в ванне шлакового расплава за счет загрузки шихты непосредственно на поверхность расплавленной шлаковой ванны и подачи в расплав воздуха, подогретого до 500°С, с коэффициентом избытка воздуха α≤1,3 через фурмы, расположенные на боковых стенах рабочей камеры под уровнем расплава в шахматном порядке относительно фурм, расположенных на противоположной стене, температуру шлаковой ванны поддерживают в интервале 1400-1600°С, при этом природный газ сжигают в выносных топочных камерах при α≤0,9, а продукты сгорания природного газа для барботирования шлаковой ванны и поддержания ее температуры подают под уровень расплава через сопла, установленные на топочные камеры, размещенные на боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно сопел, расположенных на противоположной стене.

В предложенном способе предусмотрена подача воздуха для сжигания твердых коммунальных отходов через фурмы, размещенные на боковой стене рабочей камеры со стороны загрузочного отверстия над уровнем осей сопел, установленных на камерах сгорания природного газа на высоте 5-8 диаметров выходных сечений сопел.

В заявленном способе в верхнюю часть рабочей камеры может дополнительно подаваться воздух через фурмы, расположенные на боковых наклонных стенах рабочей камеры.

В заявленном способе расход воздуха, подаваемого на фурмы, установленные на наклонных боковых стенах рабочей камеры, составляет 0,3 от расхода воздуха, подаваемого на фурмы нижнего ряда.

В заявленном способе в шихту для обеспечения заданных вязкости и кислотности продуктов плавки добавляют флюсы. Например, на тонну минерального остатка твердых коммунальных отходов при производстве (использовании) расплава для производства минеральной ваты в качестве флюсов используют магнезит и мел в количествах 117,24 кг и 55,56 кг соответственно.

Предлагаемый способ высокотемпературного термического обезвреживания твердых коммунальных отходов имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с известными способами. В частности, при реализации заявленного способа обеспечивается возможность простой и дешевой подготовки материалов к переработке. При этом варьирование состава отходов в широких пределах не препятствует их последующему использованию.

В отличие от известного способа термического обезвреживания, при котором технологический процесс протекает в восстановительной газовой среде надслоевого пространства над уровнем барботажного слоя, в предложенном способе процесс термического обезвреживания осуществляется непосредственно в объеме расплава шлаковой ванны, барботируемого продуктами сгорания природного газа и подогретым воздухом. Совместная продувка расплава продуктами сгорания природного газа и подогретым воздухом позволяет существенным образом интенсифицировать технологический процесс термического разложения. С этой целью в рабочую камеру подают воздух в объеме, до 30%. превышающем объем, необходимый для сжигания твердых коммунальных отходов. Подача в шлаковую ванну расплава продуктов сгорания природного газа и воздуха обеспечивает ее интенсивное перемешивание, результатом которого являются создание надежного контакта частиц отходов и высокотемпературного расплава и равномерного распределения температуры расплава в объеме ванны. Выполнение этих условий исключает наличие в ванне областей с относительно невысокой температурой (ниже, например, 1400°С), при которой в ванне расплава могут оставаться органические соединения, не подвергнувшиеся термическому разложению.

Сжигание природного газа осуществляют независимо от сжигания твердых коммунальных отходов в выносных топках с коэффициентом α≤0,9. Таким режимом сжигания природного газа предотвращают образование оксидов азота и обеспечивают температуру продуктов его сгорания на выходе из сопел, установленных на выносных топках, на уровне 1750-1800°С. Барботирование ванны шлакового расплава высокотемпературными продуктами сгорания природного газа позволяет поддерживать температуру ванны расплава в интервале 1400-1600°С.

Поддержание температуры ванны расплава в указанном интервале позволяет обеспечить нейтрализацию и разложение органических соединений, входящих в состав отходов.

Барботажный слой шлакового расплава является основной технологической зоной, в которой осуществляют процесс термического обезвреживания твердых коммунальных отходов. В этой зоне за счет подачи в расплав высокотемпературных продуктов сгорания природного газа через сопла, расположенные в шахматном порядке на противоположных боковых стенах рабочей камеры, и обеспечения соприкосновения реакционных зон, образованных при внедрении в расплав струй продуктов сгорания и воздуха, создаются предельная для заданной температуры шлакового расплава объемная тепловая нагрузка и наиболее благоприятные условия для протекания технологических процессов термического обезвреживания.

Высокая удельная производительность процесса обеспечивается мощным перемешиванием ванны расплава дутьем, что существенно ускоряет протекающие массо- и теплообменные процессы.

Реализация технологии высокотемпературного термического обезвреживания отходов в расплаве позволяет обеспечить высокую удельную производительность, лучшие экологические показатели, дополнительное сбережение ресурсов и энергии.

Разработанный способ высокотемпературного обезвреживания коммунальных отходов реализуется в печи заявленной конструкции.

Для осуществления заявленного способа согласно изобретению разработана конструкция печи для термического обезвреживания твердых коммунальных отходов. В заявленном устройстве, содержащем кессонированную рабочую камеру, оснащенную выносными топками, узлом загрузки шихты, шлаковым сифоном с выпускным отверстием, рабочая камера печи снабжена фурмами для подачи воздуха в расплав, которые расположены на боковых стенах выше уровня осей сопел, установленных на выносных топках, при этом сопла выносных топок размещены на противоположных боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке; верхние части боковых стен рабочей камеры выполнены наклонными, а загрузочное устройство размещено выше уровня осей сопел, установленных на выносных топках, на расстоянии не более 40 диаметров выходного сечения сопла выносной топки.

Основные технологические процессы протекают в барботажном слое в зоне интенсивного перемешивания шлакового расплава высокотемпературными продуктами сгорания природного газа, подаваемыми через установленные на выносных топках сопла, и воздуха, подаваемого через фурмы, размещенные выше уровня осей сопел выносных топок. Размещение загрузочного отверстия на уровне 40 диаметров сопел, установленных на выносных топках, является оптимальным с точки зрения обеспечения возможности осуществлять загрузку отходов непосредственно на поверхность «вспененной» ванны расплава. Это позволяет избежать присущее известным способам сжигание отходов в восстановительной атмосфере и, как следствие, исключить наличие токсичных веществ в отходящих газах.

Для обеспечения оптимального режима обезвреживания твердых коммунальных отходов фурмы для подачи воздуха в расплав размещены выше уровня осей сопел выносных топок на 5-8 диаметров сопел, установленных на топочных камерах.

Заявленный диапазон расстояний между осями воздушных фурм и осями сопел, установленных на выносных топках, обусловлен необходимостью разнести в барботажном слое зоны восстановительного и окислительного реагирования. Оптимальный режим обезвреживания коммунальных отходов в барботажном слое обеспечивается за счет локализации зон окислительного и восстановительного реагирования непосредственно в барботажном слое и организации раздельного (последовательного) протекания процессов в этих зонах. Размещение фурменного ряда на высоте 5-8 диаметров сопел выносных топок от уровня их осей позволяет в верхней части барботажного слоя, куда загружаются твердые коммунальные отходы, создать зону с высоким содержанием кислорода и высокой температурой, результатом чего является создание оптимальных условий для сжигания коммунальных отходов. При этом в нижней части барботажного слоя, расположенной ниже уровня размещения воздушных фурм, куда поступают продукты неполного сгорания природного газа (т.к. α<1), созданы условия, исключающие образование ядовитых оксидов азота.

В заявленной печи рабочая камера может быть снабжена дополнительными фурмами, размещенными в верхней части рабочей камеры на ее наклонных стенах. Наличие этих фурм позволяет обеспечивать дополнительную подачу воздуха, необходимого для дожигания продуктов неполного сгорания топлива.

Защитное покрытие кессонов рабочей камеры заявленного устройства выполнено в виде коррундовой набивки, которая обеспечивает огнеупорную тепловую защиту, а также исключает протекание химических реакций с расплавом.

Заявленное устройство снабжено котлом-утилизатором, размещенным над рабочей камерой и соединенным с ней через песочный затвор, а размещенный у торцевой стены рабочей камеры шлаковый сифон соединен с ней переточным каналом.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фиг. 1. Печь для термического обезвреживания твердых коммунальных отходов состоит из кессонированной шахты с рабочей камерой 1, в боковых продольных стенах которой размещены выносные топки нижнего ряда 2, предназначенные для сжигания природного газа. Топки снабжены выходными соплами. На боковой продольной стене рабочей камеры со стороны загрузочного отверстия 6 выше уровня осей выходных сечений сопел, установленных на выносных топках, размещены фурмы 3, предназначенные для подачи воздуха для сжигания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве. Кессонированная шахта снабжена аптейком 5 и загрузочным отверстием 6. Печь также снабжена сифоном 7, примыкающим к торцевой стене шахты. Загрузочное отверстие располагается на своде у торцевой стенки, противоположной стенке, примыкающей к сифону.

Подача твердых отходов и флюсов в устройство для термического обезвреживания твердых коммунальных отходов осуществляется из расходных бункеров с весовыми дозаторами. Дозированные компоненты шихты подаются на сборный конвейер и транспортируются к загрузочному отверстию.

В рабочем режиме сопла выносных топок и фурмы нижнего ряда постоянно погружены в расплав. Для прекращения подачи дутья в расплав их сопловые отверстия перекрываются стальной пробкой - «притычкой». Воздушные фурмы нижнего и верхнего рядов размещены на противоположных стенах рабочей камеры печи выше уровня осей сопел выносных топок.

Горн печи представляет собой огнеупорную кирпичную кладку коробчатого типа, заключенную в стальной кожух. Профиль подины плоский на одном уровне в рабочем пространстве и сифоне.

Шахта печи по высоте имеет переменное сечение. Кессоны боковых и торцевых стен шахты выполнены из котельных труб. Первый ряд кессонов установлен вертикально. Второй и третий боковые ряды установлены с расширением кверху. Торцевые кессоны установлены вертикально. В вертикальных стеновых кессонах установлены выносные топки и фурмы нижнего ряда. В наклонных стеновых кессонах установлены фурмы верхнего ряда.

Над шахтой печи установлен котел-утилизатор.

Котел-утилизатор установлен на собственных опорах и соединен с шахтой печи через песочный затвор.

Оборудованный у торцевой стены шахты печи шлаковый сифон соединен с рабочей камерой переточным каналом. Шлак непрерывно выпускается через щелевую летку сифона.

Донная часть сифона оборудована шпурами для частичного и полного выпуска расплава из печи.

Подина и стены ванны до охлаждаемых элементов, а также подина и стены сифона выполнены из огнеупорных материалов.

Подина рабочего пространства и сифона имеет три слоя. Нижний, примыкающий к каркасу теплоизоляционный слой выкладывается из волокнистого материала. Второй арматурный слой выкладывается из шамота марки ША. Рабочий слой выкладывается из периклазошпинелидных огнеупоров.

В торцевой стене рабочей камеры агрегата над уровнем пода имеется канал для соединения сифона с плавильной камерой. Поэтому каналу шлак перетекает в сифон. Шлак удаляется из сифона через выпускное отверстие по желобу для рабочего выпуска шлака. Кладка стен сифона по периметру выполняется трехслойной. Наружный, примыкающий к каркасу теплоизоляционный слой выкладывается из волокнистого материала. Второй арматурный слой - из шамота марки ША. Рабочий слой стен выкладывается из безобжигового периклазохромита ПХБ.

Отверстия в сифоне для полного выпуска шлака забиваются пробками из огнеупорной массы.

Для компенсации температурного расширения огнеупорной кладки как в продольном, так и в поперечном направлении предусматриваются температурные швы, которые заполняются минеральной ватой.

Осуществление изобретения

Реализация заявленного способа термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в печи заявленной конструкции осуществляется следующим образом.

Перед пуском агрегата производят сушку и разогрев футеровки путем сжигания природного газа с помощью пусковых горелок и выносных топок.

В процессе сушки и разогрева футеровки происходит постепенный нагрев воздуха, используемого для сжигания природного газа, в соответствующих воздухонагревателях газоотводящего тракта, что обеспечивает постепенный рост температуры факела.

Запуск печи начинают с остановки пусковых горелок и удаления их из горна печи. Выпускные отверстия горна закрывают штатными стопорами.

Топки печи продолжают работать в режиме разогрева. Далее регулируют тягу дымососа таким образом, чтобы в загрузочном отверстии печи было нулевое избыточное давление.

Затем осуществляют наплавление шлаковой ванны за счет расплавления гранулированного доменного шлака с размерами частиц минус 5 мм. Его подача в агрегат производится из бункера, предназначенного для хранения шлака.

Сжигание природного газа в выносных топках производится с коэффициентом расхода воздуха α=1,0-1,2. При этом загрузку шлака осуществляют дискретными порциями и следят за тем, чтобы очередная порция шлака загружалась в полностью расплавленную ванну. При наборе расплава до сопел топок переходят к непрерывной загрузке доменного шлака. При подъеме уровня шлака к соплам выносных топок будет наблюдаться его интенсивное разбрызгивание на стены агрегата. В режиме интенсивного разбрызгивания необходимо подать в агрегат и расплавить там такое количество доменного шлака, которого хватило бы для достижения уровня расплава на 150-200 мм выше уровня нижних воздушных фурм. В этот период, несмотря на загрузку шлака в агрегат, его уровень не будет изменяться. Весь загруженный материал в виде гарниссажа отложится на охлаждаемых стенах в верхней части агрегата.

После этого топки переводятся в рабочий режим и загрузка доменного шлака продолжается непрерывно до тех пор, пока давление на манометре, установленном на воздуховоде, не повысится на 0,3 атм. Затем на верхние фурмы подается расчетное количество нагретого воздуха, а выносные топки переводятся в рабочий режим работы с коэффициентом расхода воздуха 0,9. В результате основная зона тепловыделения смещается выше шлаковой ванны, что позволяет оплавить избытки застывшего на верхних кессонах гарниссажа и таким образом быстро сформировать рабочий уровень шлакового расплава. После набора необходимой высоты расплава печь готова к эксплуатации.

После формирования шлаковой ванны начинают осуществлять загрузку шихты в зависимости от режима работы. Температуру ванны поддерживают, регулируя расход загружаемого материала, расход природного газа и расход нагретого воздуха.

Загрузка отходов в агрегат осуществляется через загрузочное отверстие.

При продувке продуктами сгорания и воздухом шлаковой ванны происходит ее интенсивное перемешивание, что обеспечивает надежный контакт отходов с высокотемпературным расплавом. При этом исключается наличие в ванне расплава областей с относительно невысокой температурой, при которой могут существовать органические соединения.

Непосредственно в ванне расплава при температуре 1450-1500°С и подаче в нее флюсов протекают среди других реакции, переводящие вредные вещества, входящие в состав ТКО, в расплав:

СаСО₃→СаО+СO₂-Q₁

SO₂+СаО+1/2O₂→CaSO₄+Q₂

2НСl+СаО→СаСl₂+Н₂O+Q₃

2HF+CaO→CaF₂+H₂O+Q₄

Таким образом, в ванне расплава в основном достигается нейтрализация токсичных и коррозионно активных кислотных компонентов.

Ниже приведены состав и физические свойства компонентов шихты и минерального рецикла для двух режимов осуществления способа и печи для его реализации.

1. Базовый 1. Загрузка: Твердые коммунальные отходы (ТКО) - 7000 кг/ч; флюсы (магнезит - 346 кг/ч; мел - 110 кг/ч) - 456 кг/ч; обороты (пыль 1 ступени газоочистки; отходы производства минеральной ваты) - 100 кг/ч; влажность ТКО - 38%.

2. Базовый 1 без оборотов. Загрузка: ТКО - 7000 кг/ч; флюсы (магнезит - 346 кг/ч; мел - 110 кг/ч) - 456 кг/ч; влажность ТКО - 38%.

При работе по первому режиму расплав в ванне формируется из минеральной части ТКО, флюсов, отходов производства минеральной ваты и пылей первой ступени газоочистки.

При работе по второму режиму в ванну не загружаются отходы производства минеральной ваты и пыли первой ступени газоочистки.

Расплав должен обладать определенными, наперед заданными, свойствами в том числе:

- кислотностью Mk=2	(1)
- соотношение CaO/MgO=2.1	(2)

Ниже представлен требуемый химический состав расплава в соответствии с заданием на проектирование: SiO₂ - 48,63; ТiO₂ - 0,452; Аl₂O₃ - 7,726; Fe₂O₃ - 3,34; CaO - 19,023; MgO - 9,064; К₂O - 1,267; Na₂O 3,348; SO₃ - 2,986; Р₂O₅ - 3,585.

Принятый для расчетов состав твердых коммунальных отходов (ТКО) приведен в таблице 1. Состав минеральной части отходов - в таблице 2. Состав горючей массы ТКО приведен в таблице 3.

Влажность поступающих отходов принята равной W^p=38%.

Низшая теплота сгорания ТКО: Q^p_н=6,36 МДж/кг.

Зола - минеральная часть ТКО.

Плотность золы ρ_ш=2800 кг/м³. Температура ликвидуса (полное расплавление) 1250-1350°С.

Удельная теплоемкость золы - С_ш=0,837+0,105⋅10^-3-Т кДж/кг⋅К.

Скрытая теплота плавления золы - r_пл^м=377 кДж/кг.

Химические составы используемых флюсов приведены в таблицах 4 и 5.

Плотность магнезита = 2970 кг/м³; теплота разложения магнезита: q_энд=1440 кДж/кг.

Плотность мела = 2710 кг/м³; теплота разложения мела: q_энд=1779,5 кДж/кг

Расход каждого из флюсов определяется исходя из необходимости получения расплава пригодного для производства минерального волокна.

Из условий (1) и (2) следует, что к 100 кг золы необходимо добавить 17,724 кг необожженного магнезита и 5,636 кг мела. В пересчете на проектную производительность печи по твердым коммунальных отходам по 1 и 2 режимам работы расход флюсов равен: магнезита 346,15 кг/ч и мела 110,07 кг/ч. Помимо флюсов в печь предполагается загружать минеральный рецикл общей массой до 700 кг/ч. Принимаем, что химический состав минерального рецикла соответствует химическому составу расплава в ванне.

Согласно статистическим данным о составе ТКО морфологический состав загружаемого материала в каждом из режимов содержит:

в 1 режиме: золы 85,7%, магнезита 7,4%, мела 2,8%, отходов производства минеральной ваты 1,9% пыль первой ступени газоочистки 2,2%;

во 2 режиме: золы 89,4%, магнезита 7,7%, мела 2,9%.

Расчетные материальный и тепловой балансы технологического режима приведены в таблицах 6 и 7.

Материальный баланс процесса переработки твердых коммунальных отходов в проектном режиме

В качестве энергоносителя используется воздух. Весь воздух, подаваемый в рабочее пространство печи, подогревается до 500°С в котле.

Расход воздуха на сжигание природного газа при работе в проектном режиме - 7029 нм³/час, или 168696 нм³/сутки, или 5,567⋅10⁷ нм³/год.

Объем воздуха, подаваемого на фурмы для сжигания горючей массы ТКО в слое, составляет 19390 нм³/час, или 465360 нм³/сутки, или 13,96 10⁷ нм³/год.

Объем воздуха для дожигания горючих компонентов в надслоевом пространстве печи составляет 5817 нм³/час, или 139608 нм³/сутки, или 4,19 10 нм³/год.

Общий часовой расход нагретого воздуха составляет 32236 нм³/час, или 773664 нм³/сутки, или 23,21⋅10⁷ нм³/год. Давление нагретого воздуха перед входным коллектором 1,5⋅10⁵ Па

Химический состав образующегося расплава приведен в таблице 8.

При работе агрегата в проектном режиме с загрузкой твердых коммунальных отходов 7 т/ч и 658,146 кг/ч известняка образуется 2278 кг расплава в час. Суточный выход расплава - 54,67 т/сутки.

Температура плавления шлака 1130-1200°С, плотность шлака при температуре 1300-1400°С - 2,7-2,9 т/м³. Средняя удельная теплоемкость - С_р=1,0174+1,0258⋅10^-4⋅Т_р кДж/кг⋅К. Средняя теплопроводность - λ_p=3,852 Вт/(м⋅К). Степень черноты при 1400°С - ε_р=0,7.

Кислотность расплава - K=(SiO₂+TiO₂+P₂O₅)/(CaO+MgO+K₂O+Na₂O)=1,76.

Вместе с отходящими газами из ванны уносятся 2-3% от массы загруженного материала. При работе в проектном режиме (7000 кг ТКО+658 кг известняка) унос составит 140-230 кг/час или 3,67-5,52 т/сутки.

Расчетный химический состав пыли приведен в таблице 9.

Образующиеся при сжигании отходов и топлива дымовые газы направляются в водогрейный котел, в котором расположено оборудование для подогрева воздуха до 500°С и элементы подачи в газовый поток реагентов для их обезвреживания.

После охлаждения дымовые газы подвергаются каталитической и механической очистке и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

С отходящими газами из печи уносится 102 ГДж тепла в час.

С водоохлаждаемых элементов печи снимается 10 ГДж тепла/час.

Для нагрева до 500°С воздуха, используемого для сжигания отходов и природного газа, затрачивается 21,7 ГДж/час тепла отходящих газов.

Количество тепла, которое может быть получено в виде горячей воды: 102+10-9,23-21,7=81,07 ГДж/час, где 9,23 ГДж/час - тепло, уносимое газами при температуре 180°С.

1. Способ термического обезвреживания твердых коммунальных отходов в шлаковом расплаве, включающий загрузку подготовленной шихты в рабочую камеру, сжигание и плавку шихты с образованием ванны шлакового расплава, барботирование ванны расплава продуктами сгорания природного газа через погружные фурмы, выпуск продуктов плавки и очистку газов, образовавшихся после термического разложения шихты, с последующим охлаждением, отличающийся тем, что термическое обезвреживание твердых коммунальных отходов осуществляют непосредственно в ванне шлакового расплава за счет загрузки шихты на поверхность расплавленной шлаковой ванны и подачи в расплав воздуха, подогретого до 500°C, с коэффициентом избытка воздуха α≤1,3 через фурмы, расположенные на боковых стенах рабочей камеры при этом температуру шлаковой ванны поддерживают в интервале 1400-1600°C, природный газ сжигают в выносных топках при α≤0,9, а продукты сгорания природного газа для барботирования шлаковой ванны и поддержания ее температуры подают под уровень расплава через сопла, установленные на топочные камеры, размещенные на боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно сопел, расположенных на противоположной стене.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу воздуха для обезвреживания твердых коммунальных отходов осуществляют через фурмы, размещенные над уровнем осей сопел, установленных на камерах сгорания природного газа, на высоте 5-8 диаметров выходных отверстий сопел.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в верхнюю часть рабочей камеры дополнительно подают воздух через фурмы, расположенные на боковых наклонных стенах рабочей камеры.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что расход воздуха, подаваемого на фурмы, установленные на наклонных боковых стенах рабочей камеры, составляет 0,3 от расхода воздуха, подаваемого на фурмы нижнего ряда.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в шихту для обеспечения заданных вязкости и кислотности продуктов плавки добавляют флюсы.

6. Печь для термического обезвреживания твердых бытовых отходов, содержащая кессонированную рабочую камеру, оснащенную выносными топками, узлом загрузки шихты, шлаковым сифоном с выпускным отверстием, отличающаяся тем, что рабочая камера снабжена фурмами для подачи воздуха в расплав, расположенными на боковых стенах выше сопел выносных топок; сопла выносных топок размещены на противоположных боковых стенах рабочей камеры в шахматном порядке относительно друг друга; верхние части боковых стен рабочей камеры выполнены наклонными; загрузочное устройство размещено выше уровня осей выходных сопел выносных топок на расстоянии не более 40 диаметров выходного отверстия сопла топки.

7. Печь по п. 6, отличающаяся тем, что фурмы для подачи воздуха в расплав размещены выше сопел выносных топок на 5-8 диаметров выходных отверстий топок.

8. Печь по п. 7, отличающаяся тем, что рабочая камера печи снабжена фурмами, размещенными в верхней части рабочей камеры на ее наклонных стенах.

9. Печь по п. 7, отличающаяся тем, что защитное покрытие кессонов рабочей камеры выполнено в виде коррундовой набивки, обеспечивающей отсутствие химических реакций с расплавом.

10. Печь по п. 9, отличающаяся тем, что снабжена котлом-утилизатором, размещенным над рабочей камерой и соединенным с ней через песочный затвор.

11. Печь по п. 10, отличающаяся тем, что размещенный у торцевой стены рабочей камеры шлаковый сифон соединен с ней переточным каналом.

12. Печь по п. 8, отличающаяся тем, что защитное покрытие кессонов рабочей камеры выполнено в виде коррундовой набивки, обеспечивающей отсутствие химических реакций с расплавом.

13. Печь по п. 12, отличающаяся тем, что снабжена котлом-утилизатором, размещенным над рабочей камерой и соединенным с ней через песочный затвор.

14. Печь по п. 13, отличающаяся тем, что размещенный у торцевой стены рабочей камеры шлаковый сифон соединен с ней переточным каналом.