Сжигание-газификация в плотном слое кускового материала без принудительного перемешивания и перемещения материала

Газификация ТБО - превращение органических компонентов в го­рючий газ, состоящий главным образом из СО и Н2 , при высокой тем­пературе в присутствии окислителя (газифицирующего агента).

Газификацию можно рассматривать как процесс неполного окисле­ния углерода. Наиболее часто окислителями служат О2 и водяной пар:

С + 0,5О₂ —> СО

С + Н₂О —> СО + Н₂

Наряду с основными реакциями осуществляются и другие:

С + О₂ —> СО ₂

СО + Н₂О —> С0₂ + Н₂

С + 2Н₂ —> СН₄

СО + 3Н₂ —> СН₄+ Н₂О

Таким образом, продукт-газ всегда содержит некоторые количества СО₂, Н₂О и СН₄; иногда содержатся высшие углеводороды. Поскольку некоторые компоненты ТБО содержат атомы серы и азота, образуются H₂S иNО₂.

Скорость реакций неполного окисления углерода существенно зави­сит от температуры, которую устанавливают, обычно исходя из техноло­гических соображений (в зависимости от способа удаления шлака и т.п.).

Необходимую температуру процесса можно обеспечить, изменяя состав дутья (в частности, соотношение водяного пара и О₂) и его на­чальную температуру.

Продукт-газ служит топливом (в котлах электростанций, в техноло­гических топках, в отопительных котельных установках), при сжигании которого выделяется незначительное количество соединений, загрязня­ющих окружающую среду.

Институтом проблем химической физики Российской академии на­ук (ИПХФ РАН) в Черноголовке разработан процесс сжигания отходов на основе газификации с последующей утилизацией газа в обычных энергетических установках. Процесс характеризуется высокой степе­нью использования энергетического потенциала сырья, подвергаемого термообработке (процесс назван авторами сверхадиабатическим горением). Технология газификации продана в Финляндию и в 1998 г. реа­лизована в промышленном масштабе при переработке ТБО.

Процесс осуществляется в реакторе (рис. 5.133) типа вертикальной шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м (внешний диаметр — 2,5 м) и высотой 7,3 м. Корпус реактора представляет собой трубу со стенкой толщиной 6 мм. Внутри труба изолирована слоем шамота (~ 0,5 м), сна­ружи покрыта слоем изоляции и алюминиевым кожухом (в процессе ра­боты печи кожух нагревается до 50°С). Загрузка реактора осуществля­ется сверху с помощью цилиндра с поршнем, выгрузка шлака из реак­тора — с помощью вращающегося конуса с ребрами (на конус приходит­ся почти вся нагрузка находящегося в реакторе материала). Отходы по­даются в реактор в соотношении 1:0,4 с инертным материалом типа ша­мота. Регламентируемая крупность отходов - 200 мм (допускаются от­дельные куски макулатуры и пластмассы крупностью до 250 мм); регламентируемая крупность инертного материала (шамот) -1201-70 мм. Шамот выполняет функцию теплоносителя и создает оптимальные ус­ловия для реакции газификации. В качестве газифицирующего агента используется паро-воздушная смесь (температура 60-80°С), которая по­дается в реактор снизу.

Процесс газификации проводится при относительно малых линей­ных скоростях газового потока и лимитируется сопротивлением прохож­дению газа сквозь толщу материала. Зона газификации расположена не­сколько ниже середины реактора. Максимальная температура в зоне гази­фикации составляет 1200°С. В зоне газификации концентрируется выде­ляющееся при горении отходов тепло. Оно используется на получение водорода из воды и оксида углерода из угперодосодержащих соединений.

Продукты газификации (газ и шлак) выводятся из реактора при тем­пературе менее 150°С, что характеризует весьма высокий тепловой КПД реактора.

Полученный синтез-газ (смесь водорода, оксида и диоксида угле­рода, азота и водяного пара, присутствуют углеводороды и аэрозоли пиролизных смол), имеющий теплотворную способность около 1200 ккал/кг, направляется на сжигание в паровом котле с топкой при избытке вторичного воздуха. Мощность на горелке — 10 МВт. Перегре­тый пар из котла может являться питанием паровой машины с элек­трогенератором.

Поскольку процесс паро-воздушной газификации проводится в плотном слое кускового материала при относительно малых ли­нейных скоростях потока, в синтез-газе, который выводится из ре­актора сверху, практически отсутствует золоунос. Перемещение твердого материала в реакторе происходит под действием силы тяжести. Перемещаясь сверху вниз, материал последовательно проходит зоны подогрева, сушки, пиролиза и газификации. Полу­чаемый в результате процесса шлак практически не содержит не­дожога и после выгрузки из реактора подвергается грохочению для отделения инертного материала, используемого в качестве оборотного.

По данным эксперимента и расчетов, производительность одного реактора — 1,8 т/час (по рабочей массе исходных ТБО), в случае газифи­кации обогащенной фракции ТБО производительность реактора возрас­тает до 2,7 т/час.

Удельные расходы воздуха, некоторых материалов и энергии в про­цессе газификации обогащенной фракции ТБО:

• дутьевой воздух - около 5000 м³/т (в том числе первичное ду­тье - 1000 м3/т, вторичное дутье при сжигании синтез-газа - около 4000 м³/т);
• водяной пар - около 300 м³/т;
• электроэнергия - около 40 кВт-ч/т.

Объем отходящих газов - около 5000 м³/т. Выход синтез-газа при термообработке 1 т отходов составляет 2,3 т.

По расчетам, производство электроэнергии составляет 330 кВт-ч/т газифицируемых отходов, производство пара - 2,3 т/т.

Ориентировочный материальный баланс процесса термообработки обогащенной фракции ТБО (в расчете на один час работы одного реактора газификации):

Основные требования к отходам, направляемым в процесс газификации - крупность не более 200 мм (допускается, как отмечено, крупность 250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки), теплотворная способность не менее 1500 ккал/кг. Эти требования обеспечивается на стадии обогащения отходов введением в технологическую схему соответствующих операций, которые позволяют также предотвратить попадание в процесс металлов, экологически опасных компонентов и, при необходимости, мелкой фракции ТБО.

Усреднение состава горючих отходов и их равномерная подача в процесс термообработки являются необходимыми условиями обеспече­ния стабилизации термического процесса, повышения эффективности этой операции и последующей газоочистки.

Стабильность процесса обеспечивается автоматическим регулиро­ванием четырех параметров процесса:

• температуры (регулируется с помощью изменения подачи водяного пара);
• расположения фронта зоны газификации по высоте реактора (регулируется с помощью изменения скорости выгрузки шлака, при не­изменном расходе дутьевого воздуха);
• расхода вторичного дутьевого воздуха (регулируется по остаточному содержанию кислорода в дымовом газе);
• уровня загружаемого материала.

Российский процесс газификации имеет следующие экологические преимущества:

• поскольку процесс проводится в плотном слое кускового ма­териала при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез- газе, который выводится из реактора сверху, практически отсутствует золоунос (газы, поднимаясь в стесненных условиях, по пути движения проходят своеобразный фильтр); учитывая, что на частицах летучей зо­лы осаждается большая часть вредных примесей, в том числе тяжелых металлов (металлы в виде изделий в термический процесс после сорти­ровки не попадают, но в небольших количествах они могут входить в состав макулатуры, синтетических материалов и др.), предотвращение золоуноса с газами представляется важным преимуществом реализуе­мого процесса газификации (по сравнению с традиционными термиче­скими технологиями);
• температура отходящего из реактора синтез-газа не превышает 150°С; при этой температуре летучие тяжелые металлы (Cd, As, РЬ, Zn) находятся в сконденсированном виде и по условиям процесса практически не выносятся с газами;
• температура в зоне газификации составляет 1200°С, что обеспечивает полное разложение опасных органических соединений (в том числе диоксинов и фуранов) до безвредных и нейтральных; как от­мечено выше, существуют два основных пути образования ди­бензодиоксинов и дибензофуранов: первичное образование в тер­мическом процессе при температуре 300-600°С и вторичное об­разование на стадии охлаждения дымовых газов при температурах от 250°С до 450°С (реакции их образования происходят на поверхности частиц летучей золы в присутствии соединений хлора при катализе со­единениями железа и меди). Быстрое охлаждение от 1200°С до 150°С сводит к минимуму вторичное образование диоксинов. Учитывая малый золоунос, а также восстановительную атмосферу в реакторе (выше зоны газификации), можно констатировать, что вероятность повторного образования диоксинов на поверхности частиц летучей зо­лы очень мала. Одновременно восстановительная атмосфера предот­вращает образование оксидов азота;
• в соответствии с данными опробования промышленного процесса (г. Лапеенранта, Финляндия) отходящие газы характеризуют­ся низким по сравнению с традиционными технологиями, содержанием токсичных веществ, не превышающим по многим показателям лимити­руемых пределов даже без газоочистки (до газоочистки содержание со­ставляет, мг/м3: оксида углерода - 14, хлористого водорода - 6, окси­дов серы - 170, тяжелых металлов - 0,7; вынос летучей золы практиче­ски отсутствует);
• шлак не содержит недогоревшего углерода.

Прямым следствием названных экологических преимуществ явля­ется возможность реализации значительно упрощенной (и менее доро­гой) по сравнению с традиционным слоевым сжиганием ТБО газо­очистки. Еще одна возможность упрощения и снижения стоимости га­зоочистки состоит в очистке синтез-газа на выходе из реактора газифи­кации (его объем составляет 1000 м3/т отходов, что в 4-5 раз меньше объема отходящих газов при традиционном слоевом сжигании).