Способ уменьшения выброса вредных продуктов горения в окружающую среду при сжигании обезвоженного осадка сточных вод

Изобретение относится к области экологии и защиты окружающей среды, а точнее к способам обработки осадка сточных вод. Для уменьшения выброса вредных продуктов горения в окружающую среду при сжигании обезвоженного осадка сточных вод перед подачей обезвоженного осадка в камеру сгорания его смешивают с наночастицами гидроксида магния - Mg(OH)2, после чего подают в камеру сгорания и нагревают до температуры сгорания осадка. Образовавшиеся вредные газы в результате химических реакций преобразуются в безвредные соли. Способ обеспечивает снижение вреда окружающей среде, упрощение состава необходимого оборудования за счет отказа от сложных систем дальнейшей газоочистки и снижение уровня коррозии.

 

Изобретение относится к области экологии и защиты окружающей среды, а точнее к способам обработки осадка сточных вод.

Развитие водопроводно-канализационного хозяйства, ужесточение нормативов по сбросу условно очищенных сточных вод в водные объекты, приводит к образованию большого количества осадка сточных вод (далее ОСВ), который необходимо в дальнейшем подвергать переработке.

Одно из основных направлений утилизации ОСВ является сжигание, в результате которого выделяются вредные выбросы, главным образом в виде NO2, SO2, SO3, HCl.

На практике для этого широко применяется способ сжигания ОСВ в псевдоожиженном слое, для чего используют специальные печи.

Конструкция печи псевдоожиженного слоя являет собой металлическую обечайку, обмурованную изнутри тяжелым огнеупорным кирпичом. Внутренняя полость печи разделена на две части сводом псевдоожижения - дутьевую камеру и реактор. Свод псевдоожижения выполнен из огнеупорных кирпичей, оборудован стальными соплами, на него нагружается подушка высокопрочного кварцевого песка. В дутьевую камеру подается большой расход воздуха, нагретого отходящими дымовыми газами. Конструкция сопел такова, что они позволяют воздуху подниматься в реактор, но удерживают песок от попадания в дутьевую камеру. Частицы песка в высокоскоростном турбулентном потоке воздуха находятся во взвешенном состоянии, не опускаясь на свод, но и не поднимаясь под купол реактора, образуя так называемый псевдоожиженный слой.

Обезвоженный осадок подается непосредственно в слой песка, смешиваясь с ним. Частицы осадка, попадая в зону высоких температур, отдают остаточную влагу и, стираясь в турбулентном потоке частиц песка, превращаются в мелкодисперсную пыль. Удельный вес частиц осадка меньше, чем таковой у песка, поэтому они поднимаются в верхнюю часть реактора, где и происходит горение. Органическая составляющая осадка активно окисляется в избытке кислорода и превращается в газообразные продукты горения, а минеральная - выносится потоком дымовых газов в газоход в виде мелкодисперсной золы.

Непосредственно в слой песка предусматривается и подача дополнительного топлива, предназначенного для регулировки температуры слоя песка, а также для поддержания рабочей температуры при временном прекращении подачи осадка. Эля этого обычно используется природный газ или дизельное топливо, в зависимости от географических и экономических особенностей региона, в котором расположена установка.

Главное преимущество такой печи - отсутствие движущихся механических деталей в зоне горения, что обеспечивает длительный срок эксплуатации установок в целом. Кроме того, широкий диапазон регулировки расхода и температуры дутьевого воздуха, расхода осадка и дополнительного топлива системой управления позволяет обеспечить поддержание жесткого температурного режима и оптимального состава продуктов горения.

Образующиеся дымовые газы, в основном, состоят из СО2, СО, Н2О, O2, N2. Также присутствуют кислотные соединения, такие как SO2, SO3, HCl, NOx. Их концентрации изменяются с содержанием серы и хлора в органических веществах. Часть HCl может образовываться в процессе разложения неорганических веществ или в результате реакции между хлором и оксидом алюминия или кремния, содержащихся в сухом веществе осадка.

Присутствие NOx и СОх является результатом кинетики горения и содержания азотосодержащих соединений в осадке. Концентрация загрязняющих веществ зависит от турбулентности потока, времени контакта и температуры сжигания.

В системе горения оксиды азота образуются либо за счет сгорания азота, содержащегося в воздухе, с кислородом (термическое образование), либо за счет окисления азота, присутствующего в продуктах, подлежащих сжиганию.

При очень высоких температурах (около 1800°C) основной причиной их образования является термическое. Однако при более низких температурах образование NOx, главным образом, происходит из органического азота. Содержание NOx 100 мг/м3 соответствует с органическим окислением азота примерно 2%.

Зола представляет собой неорганическую часть осадка. Нижеприведенная таблица представляет примерный состав золы (в %). Естественно, что состав золы может изменяться в зависимости от очистки воды и обработки осадка (см. таблицу 1).

Золы являются сильно щелочными, что позволяет нейтрализовать часть кислотных газов, образующихся в процессе сжигания. Эти реакции активируются в псевдоожиженном слое печи (высокая турбулентность и продолжительное время контакта).

Известняк, присутствующий в осадке, преобразуется в известь за счет тепловой энергии и частично взаимодействует с диоксидом серы.

CaCO3 + Тепло ⇒ СаО + CO2

СаО + SO2 + 1/2 О2 ⇒ CaSO4

Несмотря на то, что часть металлов удаляется в процессе очистки сточных вод, большая их часть все же остается и концентрируется в осадке.

При температуре сжигания и в присутствии кислорода металлы, присутствующие в осадке, окисляются. Кроме того, некоторые оксиды или металлы переходят в газообразное или аэрозольное состояние. Обычно, металлы относятся к трем классам в зависимости от их летучести или токсичности.

При применении данной технологии в связи с образованием большого числа газообразных продуктов горения необходимо использовать дополнительное оборудование для газоочистки. На практике используются следующие средства.

Электрофильтр предназначен для удаления пыли из отходящих дымовых газов. Создание электрического поля от заряда трансформаторов заряжает взвешенные частицы и способствует их перемещению к осадительным электродам. Система встряхивания этих электродов приводит к падению золы в приемные бункеры.

Рукавный фильтр предназначен для удаления пыли из дымовых газов за счет прохождения потока через пористую ткань. Пыль образует на ткани фильтрационный осадок, который в действительности осуществляет адсорбцию и фильтрацию. Этот осадок периодически удаляется при помощи пульсирующего потока сжатого воздуха, подаваемого в рукавный фильтр и вызывающего быстрое расширение рукавов фильтра.

Печи такой конструкции начали активно внедрять на коммунальных очистных сооружениях крупных европейских городов уже в 1950-1960-е гг. и используются в настоящее время.

Данная технология обезвреживания ОСВ обладает существенным недостатком, который заключается в образовании большого количества дымовых газов, вредящих окружающей среде. Для их обезвреживания приходится использовать дорогостоящее сложное оборудование и производить дополнительные операции. При этом из-за агрессивности дымовых газов, которые являются причиной коррозии, резко уменьшается срок эксплуатации оборудования для их очистки и всех трубопроводов, по которым они проходят из-за значительного количества образующихся трудноудаляемых отложений. В низкотемпературной части газового тракта (экономайзер, пароперегреватель, дымоходы, фильтры, дымовая труба) при температурах ниже 250°C и наличии серы в топливе возникает опасность образования паров сернистой и серной кислоты (SO2+H2O=H2SO3; SO3+H2O=H2SO4) и развития низкотемпературной коррозии на поверхностях нагрева (Fe+H2SO4=FeSO4+H2). Точка росы SO2, SO3 – температура, при которой начинается конденсация кислот, для высокосернистых топлив может достигать 160°C. При сжигании серы появляются окислы серы SO2, SO3. Соотношение между ними 93-95% SO2 и 5-7% SO3 в зависимости от содержания кислорода, температуры сжигания. Наличие таких катализаторов, как V2O5, может значительно увеличить долю SO3.

Существует широко известный традиционный способ борьбы с вредными газами, который основан на том, что в зону горения при сжигании ОСВ подают гранулы порошка оксида магния - MgO, который в результате химического взаимодействия с горячими газами превращает вредные газообразные вещества в безвредные твердые соли на основе магния, которые в дальнейшем с потоком газов попадают в очистительные приспособления.

Данный способ выбран в качестве прототипа и является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.

Данный способ имеет существенный недостаток.

Оксид магния представляет собой кристаллы белого цвета. Так как эффективность применения оксида магния по способу-прототипу напрямую зависит от площади поверхности вещества, то гранулы порошка делают максимально меньшего размера с тем, чтобы увеличить площадь. Для этого необходимо использовать механические приспособления (например, дробилки), что, однако, оказывается недостаточным, чтобы большая часть MgO включилась в химическую реакцию. Теоретически такого можно было бы добить при достижении температуры плавления в зоне горения. Однако высокая температура плавления оксида магния - 2825°С, делает это на практике не достижимым и/или экономически не эффективным. В результате значительная часть вредных газов не нейтрализуется и требует дальнейшей очистки и агрессивно воздействует на трубопроводы и оборудование, в том числе провоцирует коррозию, а большая часть молекул MgO не вступает в реакцию.

Задачей предлагаемого технического решения является сведение к минимуму появления газообразных продуктов горения, что позволяет добиться технического эффекта: снижения вреда окружающей среде, упрощения состава необходимого оборудования за счет отказа от сложных систем газоочистки, снижения коррозионного воздействия на оборудование и трубопроводы.

Топливные присадки - это химические элементы, соединения или вещества, вводимые непосредственно в сжигаемое топливо с целью улучшения его эксплуатационных, экологических и других свойств. Они различаются по функциональности и агрегатному состоянию, могут воздействовать как на одно свойство топлива, так и на ряд его свойств, в последнем случае присадку принято называть комплексной.

Присадки, поступая в зону горения, нагреваются до топочных температур, под действием которых ослабевают и рвутся межмолекулярные связи. В результате разрыва образуются свободные электроны и протоны, которые перескакивают на орбиты других химических элементов и соединений, этот процесс сопровождается многочисленными микровзрывами и выделением дополнительной энергии [1, 2]. Наличие химических элементов и соединений, поставляемых в зону горения в процессе термической трансформации присадки, интенсифицирует и активизирует процесс горения; изменяет соотношение реагирующих элементов, соединений и веществ; разбавляет действующие концентрации участвующих в реакциях компонентов; вносит в зону горения дополнительные кислород, водород и воду.

Наиболее эффективными из твердых присадок по совокупности показателей оказались соединения, содержащие в своем составе магний [3, 4]. Из твердых присадок наиболее широко использовался каустический магнезит (MgO) и доломит (MgCO⋅CaCO).

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Современные технологии позволили получить наночастицы гидроокиси магния (один из примеров таких наночастиц и способ их получения изложен в патенте на изобретение RU 2561379), первичные частицы которого имеют продольный размер от 150 до 900 нм и толщину от 15 до 150 нм, а вторичные диаметр примерно 2 мкм. Такие наночастицы Mg(OH)2 помимо своих обычных свойств обладают уникально большой площадью поверхности, позволяющей активно взаимодействовать частице с другими веществами (удельная площадь составляет порядка 15-20 м2/г при определении методом БЭТ). Большая поверхность частиц позволяет до нагрева обеспечить большую площадь соприкосновения Mg(OH)2 с осадком и обеспечивает высокую эффективность взаимодействия с дымовыми газами при сжигании, а также исключает образование непрореагированных зон при сжигании, что могло бы произойти при подаче обычного, а не наноструктурированного Mg(OH)2.

По способу при подачи ОСВ и наночастиц Mg(OH)2 в зону горения и при нагревании до топочных температур происходит образование молекул MgO и высвобождение воды из гидроокиси магния. При горении ОСВ образуются вредные газы на основе азота и серы, а также пары соляной кислоты. При их взаимодействии с оксидом магния образуются безвредные соли на основе магния.

Попробуем проанализировать комплексность влияния и механизм действия присадок на основе наночастиц Mg(OH)2 на эффективность сжигания осадка с точки зрения уменьшения образования вредных газов.

Предлагаемый способ реализуется на практике следующим образом.

В осадок сточных вод добавляют присадку - наночастицы Mg(OH)2, которая под воздействием температуры разлагается на молекулы MgO и воду. При попадании ОСВ с присадкой в камеру сгорания печи происходит нагрев до температуры сгорания осадка. При этом не имеет значения, применяется ли для этого обычная печь или печь с кипящим слоем. Далее за счет взаимодействия окислов серы (SO2, SO3), азота (NO2) и соляной кислоты (HCl) в дымовых газах с оксидом магния образуются соли на основе магния и, следовательно, снижается интенсивность их (газов) выброса во вне:

MgO+SO2=MgSO3

MgO+SO3=MgSO4

2MgO+4NO2=2Mg(NO3)2+O2

MgO+2HCl=MgCl2+H2O

В дальнейшем получившиеся продукты вместе с оставшимися/образовавшимися газами (например, парами воды) турбулентным потоком увлекаются в системы дальнейшей обработки.

Таким образом, образовавшиеся вредные газы в результате химических реакций преобразуются в безвредные соли, что позволяет добиться технического эффекта: снижения вреда окружающей среде, упрощения состава необходимого оборудования за счет отказа от сложных систем дальнейшей газоочистки и снижения уровня коррозии. Как следствие, повышается эффективность сжигания ОСВ, снижение образования отложений на поверхностях нагрева, снижение объемов проектирования строительно-монтажных работ при проектировании новых заводов по сжиганию ОСВ, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дубровин Е.Р., Дубровин И.Р. Использование присадок к угольному топливу. Энергетика и промышленность России, №21(257), 2014.

2. Данилов A.M. Тенденции в разработке и применении присадок к топливам: Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Новые горючие и смазочные материалы с присадками» - Санкт-Петербург, 2010, 7-16 с.

3. Зверева Э.Р., Фарахов Т.М. Энергоресурсосберегающие технологии и аппараты ТЭС при работе на мазутах. Учебно-справочное пособие, Москва, 2012.

4. Иванов К.И., Зегер К.Е., Чмовж В.Е О предотвращении загрязнения поверхностей нагрева мазутных котлов с помощью присадок. Теплоэнергетика. 1969 №1 с 13-17.

5. Патент RU 2561379.

Способ уменьшения выброса вредных продуктов горения в окружающую среду при сжигании обезвоженного осадка сточных вод, заключающийся в том, что осадок сточных вод помещают в камеру сгорания и нагревают до температуры сгорания осадка, отличающийся тем, что в осадок сточных вод перед подачей в камеру сгорания подают наночастицы гидроксида магния - Mg(OH)2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для термокаталитической очистки газообразных выбросов и может использоваться в машиностроении, энергетике, различных отраслях химической промышленности, в нефтехимической и нефтегазовой, в газоперекачивающих агрегатах (ГПА).

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к способам утилизации хлорбензолов и полихлорбифенилов с помощью контактных низковольтных электрических разрядов.

Изобретение может быть использовано при обезвреживании твердых продуктов сгорания, образующихся в процессе утилизации твердого ракетного топлива. Способ получения оксида алюминия включает промывку, очистку от оксидов металлов с помощью соляной кислоты и сушку.

Изобретение относится к установке для очистки газов дыхания наливных терминалов нефтепродуктов и иных отходящих газов, содержащих летучие органические соединения, пары углеводородов, оксид углерода (II) и другие вещества, опасные в пожарном или токсическом отношении, при утилизации хвостовых и сдувочных газов в процессе нефтедобычи и нефтепереработки, при очистке от растворителей вентиляционных выбросов окрасочных производств, при утилизации побочного метана и т.п.

Предложен способ обеспечения теплом и электричеством компактных автономных объектов, расположенных в полевых условиях. Согласно способу в пиролизном котле, установленном в автономном объекте, сжигают твердое топливо в верхней части котла 1 с недостаточным количеством окислителя и дожигают пиролизный газ в нижней части котла 2, где подогревают теплоноситель замкнутой системы отопления 10, при этом часть пиролизного газа из верхней части котла 1 выводят наружу, отчищают от примесей и подают в двигатель внутреннего сгорания 8, на валу которого установлен электрогенератор 9.

Изобретение относится к способам высокотемпературного обезвреживания жидких, пастообразных, их смесей и твёрдых промышленных и медицинских отходов I – IV классов опасности.

Изобретение относится к области ликвидации крупногабаритных зарядов твердого ракетного топлива на стенде, а именно к способам сжигания канальных зарядов твердого ракетного топлива непосредственно в корпусах ракетных двигателей.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для подготовки твердого топлива к сжиганию на тепловых электрических станциях (ТЭС). Установка подготовки твердого топлива к сжиганию содержит технологически соединенные между собой тракт сырого топлива, бункер сырого топлива, обезвоживающее устройство, соединенное с трактом горячего воздуха, бункер запаса топлива, измельчающее устройство, тракт топливоподачи, соединенный с бункером запаса топлива.

Изобретение относится к области производства биотоплив на основе возобновляемого органического сырья и может быть использовано для целей транспортной отрасли и в энергетике.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для совместного и раздельного сжигания газовых и жидкостных сбросов. Техническим результатом является повышение эффективности и полноты процесса сжигания газовых и жидкостных сбросов.

Изобретение относится к способам и устройствам для сжигания топлива переменного состава. Изобретение предназначено преимущественно для сжигания топлива (смесей углеводородов) неопределенного состава, таких как попутный газ, отходы нефтегазопереработки, и может найти применение для оптимизации процесса сжигания или дожигания топлив неопределенного состава на предприятиях для выработки тепловой или электрической энергии.

Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар. Горелочное устройство содержит цилиндрический корпус, пароперегреватель, установленный на корпусе, распылительную паровую форсунку, топливопровод, камеру газогенерации, дополнительные паровые форсунки, сопло для выхода продуктов горения.

Изобретение относится к печи для проведения эндотермического процесса. Печь содержит трубы (2) для подачи газообразного сырья сверху вниз, заполненные катализатором для преобразования газообразного сырья в конечный продукт в виде синтез-газа с отведением его и топочных газов.

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения носителей для катализаторов, обладающих высокой площадью поверхности и термостабильностью в условиях сверхвысоких температур, например, в процессах сжигания монотоплива, в том числе "зеленого топлива" на основе водометанолового раствора нитрата гидраксиламмония.

Изобретение относится к устройствам для нагрева воздуха путем смешения с продуктами полного окисления углеводородного газа и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к области энергетики и металлургии. Способ отопления шахтных агрегатов включает подачу газообразного топлива и воздуха в разогретый продуваемый слой кусковых материалов, их перемешивание в межкусковом пространстве с образованием исходной холодной газовоздушной смеси и ее воспламенение в межкусковом пространстве, при этом в разогретый продуваемый слой кусковых материалов подают отдельными струями с параметрами крутки от 0,1 до 5,0 смесь газа и воздуха при отношении количества кислорода к количеству горючих газов от 0,1 до 7,0, а воспламенение газовоздушной смеси осуществляют ее подогревом до температуры 800-1050°C.

Изобретение относится к котлу и способу его работы. Котел содержит вертикальную призматическую топку для комбинированного сжигания в факеле пыли твердого топлива и приготавливаемой на ее основе и распыливаемой форсунками водоугольной суспензии с вертикальной осью в центре, ограждающими фронтовой, задней и боковыми стенами, потолочным и подовым перекрытиями, экранирующими стены и перекрытия трубами с циркулирующей пароводяной средой, размещенными на стенах вдоль потолочного перекрытия горелками, по крайней мере, в один горизонтальный ряд, имеющими вертикально-щелевые конфузорные сопловые насадки для раздельного вывода воздушных потоков вдоль стен и топливных пылеугольных потоков вдоль вертикальной оси топки и форсунки для распыливания и вывода топливных распыленных водоуглесуспензионных потоков также вдоль вертикальной оси топки, установленными на стенах в несколько горизонтальных рядов дополнительными соплами с двумя каналами для вывода в топку вдоль ограждающих стен и вертикальной оси топки охлаждающих факел газообразных потоков продуктов сгорания и топливодожигающих и защищающих от шлакового загрязнения дополнительных воздушных потоков, окном в подовом перекрытии для вывода образующихся кусков шлака и сепарирующих крупных золотопливных частиц, примыкающим к подовому перекрытию окном в задней стене для вывода зологазовых продуктов, а также горизонтальный газоход с ограждающими боковыми и задней стенами, потолочным и подовым перекрытиями, последовательно установленными пучками труб пароперегревателя, экономайзера и размещенными в шахматном порядке в несколько рядов швеллерковыми вертикальными золоотделительными ловушками, окном для ввода зологазового потока, совмещенным с зологазовыводящим окном топки, окнами в подовом перекрытии для отвода золы из трубных пучков и ловушек, окном в задней стене, примыкающим к потолочному перекрытию для вывода очищенного от золы газового потока в газоход с воздухоподогревателем, дымовую трубу и сброса в атмосферу, подключенный к дополнительным соплам и горизонтальному газоходу перекачивающий охлажденные продукты сгорания газоход с вентилятором.

Способ относится к сжиганию низкореакционного топлива, преимущественно растительных отходов, и может быть применен в сельском хозяйстве, в деревообрабатывающей промышленности.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое.

Группа изобретений может быть использована в горной, пищевой промышленности, на водоканалах, предприятиях агропромышленного комплекса. Способ включает сбор пенного концентрата и нанесение его на подвижный носитель с последующим обезвоживанием и удалением сухого концентрата.

Изобретение относится к области экологии и защиты окружающей среды, а точнее к способам обработки осадка сточных вод. Для уменьшения выброса вредных продуктов горения в окружающую среду при сжигании обезвоженного осадка сточных вод перед подачей обезвоженного осадка в камеру сгорания его смешивают с наночастицами гидроксида магния - Mg2, после чего подают в камеру сгорания и нагревают до температуры сгорания осадка. Образовавшиеся вредные газы в результате химических реакций преобразуются в безвредные соли. Способ обеспечивает снижение вреда окружающей среде, упрощение состава необходимого оборудования за счет отказа от сложных систем дальнейшей газоочистки и снижение уровня коррозии.

Наверх