Разработка технологии и оборудования для экологически безопасной переработки твердых органосодержащих отходов коммунального хозяйства с использованием среднетемпературного пиролиза

• Автор: Копачёв, Алексей Геннадиевич
• Шифр специальности: 05.02.13, 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 169 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность работы Проблема отходов как основных загрязнителей окружающей среды во всех странах стала остро актуальной. В конечном итоге все, что производит человек, превращается в категорию отходов.
Многие проблемы, возникающие на стадии производства продукции и связанные с образованием отходов, являются отраслевыми и в основном решаются на отраслевом уровне. Вместе с тем, образуется весьма большая группа отходов непроизводственной деятельности человека, одним из видов которой являются отходы потребления и, в частности, многотоннажные твердые бытовые отходы (ТБО).
Первой задачей в решении проблемы ТБО является разработка оптимальных систем их сбора и удаления (удаляют ТБО либо на полигоны захоронения, либо на специальные объекты для переработки и обезвреживания). В качестве критерия оптимальности принимается степень утилизации ТБО (количество ресурсов выделенных из ТБО для вторичного использования) и затраты на транспортировку отходов (минимизация затрат за счет снижения количества отходов и повышения степени их уплотнения перед вывозом). *
Подавляющее количество ТБО в мировой практике до настоящего времени продолжают вывозить на свалки (полигоны): ;в СНГ захоронению подвергают около 99% ТБО, в США - около 80%, в Европе - 60-70%. Рост затрат на захоронение ТБО и их доставку к местам захоронения, наличие постоянной экологической опасности, связанной с захоронением больших объемов отходов, а также сложность выделения и обустройства новых полигонов стимулируют во всех странах переход к промышленной переработке ТБО как способу, в наибольшей степени учитывающему требования экономики, экологии и ресурсосбережения и решающему в совокупности вопросы обезвреживания, утилизации и ликвидации отходов. Промышленная переработка ТБО делает возможным экономию земельных ресурсов, использование ряда компонентов ТБО (прежде всего металлов, по содержанию которых ТБО сопоставимы с добываемыми рудами) в качестве вторичного сырья, производство из отходов новой продукции (тепловой и электрической энергии, материалов строительного назначения и других), решает экологические проблемы, позволяет сократить расходы на транспортировку отходов. Постепенный переход от полигонного захоронения к промышленной переработке является основной тенденцией решения проблемы ТБО в мировой практике.
Наиболее сложно вовлечь в переработку приравненные к ТБО малотоннажные отходы, образующиеся в специфических условиях функционирования, например аэропортов, железных дорог, отдельных предприятий небольшой мощности, удаленных от городской территории или выпадающих из системы централизованного сбора и транспортировки ТБО.

Специфичность проблемы таких отходов заключается в том, что их целесообразно вовлекать в переработку периодически, по мере накопления, в связи с чем, не может быть использовано распространенное в практике термическое оборудование непрерывного действия и большой мощности.
В связи с изложенным, основной задачей диссертации является разработка и апробация технологии и технических средств для переработки малотоннажных органосодержащих отходов, без негативного экологического влияния и с наименьшими экономическими затратами.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской программой «Эффективные технологии утилизации, обезвреживания и захоронения отходов Н.Т. 485», 1998г.
Цель работы
Цель работы - разработка и совершенствование технологии и оборудования для экологически безопасной переработки твердых органосодержащих отходов коммунального хозяйства методом среднетемпературного пиролиза.
Объект исследования
Процесс пиролиза твердых органосодержащих отходов.
Методы исследования
При исследовании зависимостей тепло- и газовыделения применяли методы физического моделирования процесса на экспериментальных установках. Для регистрации показателей процесса использовали измерительные приборы прямого действия. Для определения содержания компонентов в отходящих газах использовали электрохимический газоанализатор, а также методы физико-химического анализа продуктов.
Полученные результаты обрабатывали с использованием методов статистической и математической обработки данных.
Научная новизна диссертационной работы заключена в следующем:
- Разработана методика экспериментальных исследований процесса термического разложения твердых органосодержащих отходов, основанная на моделировании процесса и получены экспериментальные данные по выходу и теплосодержанию пирогаза для различных материалов.
- Установлены зависимости процессов тепловыделения при термическом разложении органических отходов:
- установлена зависимость выхода пирогаза от скорости нагрева различного твердого органосодержащего материала при его пиролизе;
- установлена зависимость теплосодержания пирогаза от теплосодержания исходного материала и конечной температуры процесса, что позволяет

определять количество тепла, выделяющегося при пиролизе смеси твердых отходов.
- Научно обоснованы параметры автоматизации процесса пиролиза: количество поступающего в горелочное устройство воздуха; тепловая нагрузка камеры термического разложения; разрежение в топке и расход топлива подсветки.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод термической переработки, обеспечивающий соответствующую экологическим нормативам ликвидацию многокомпонентных твердых органосодержащих отходов.
2. Физическая модель тепло- и массообменных процессов в термореакторе и методика расчета теплофизических процессов в термореакторе пиролиза.
3. Установленные зависимости процесса пиролиза отходов и сформулированные на их основе требования к термореактору и техническим режимам:
- зависимость удельного выхода пирогаза от скорости нагрева материалов;
- зависимость теплосодержания пирогаза от теплосодержания исходного материала и конечной температуры процесса;
- зависимость количества выделяющегося при пиролизе тепла от характеристики перерабатываемого сырья и режима процесса (температура, продолжительность).
4. Конструктивное оформление установки термической переработки отходов и элементы схемы автоматизации технологического процесса.
Практическая ценность работы
Сформулированы базовые принципы организации термической переработки малотоннажных органосодержащих бытовых отходов характерных как для коммунального хозяйства, так и для отдельных производств: переработка отходов в местах их образования; минимальная сортировка; двухступенчатая схема процесса; обязательное огневое обезвреживание продуктов пиролиза; возможность утилизации тепла.
Разработано конструктивное оформление процесса и предложен алгоритм расчета теплофизических параметров процесса в термореакторе.
Разработана, испытана и освоена в опытно-промышленном масштабе (производительность 30-60 кг/цикл) технология термической переработки твердых органосодержащих отходов (на основе использования процесса среднетемпературного пиролиза).
Разработаны элементы схемы автоматизации технологического процесса термической переработки отходов.

инертного теплоносителя. Удельная теплота сгорания углеродного компонента составляет 19100 кДж/кг.
Возможность применения углеродного остатка в качестве твердого топлива ограничена из-за высокой зольности.
В России и за рубежом проводятся работы по получению активного угля из углеродного остатка пиролиза. Разработанная в ВИВРе технология позволяет получить активный уголь, не уступающий по свойствам активному углю марки УАФ. Расчетная стоимость активного угля, полученного из твердых бытовых отходов, значительно ниже, чем угля марки УАФ [75].
1.6. Классификация методов термической переработки ТБО
В настоящее время для практического использования предложены десятки вариантов термических технологий, большинство из которых рекламируются как лучшие в мировой практике. Поэтому весьма важно определить оптимальную область применения каждого метода и его реальную практическую ценность.
Критический анализ и сопоставление термических технологий невозможны без их четкой классификации.
В зависимости от температуры процесса, все методы термической переработки ТБО, нашедшие промышленное применение или прошедшие опытную апробацию, можно разделить на две большие группы: процессы при температурах ниже температуры плавления шлака и процессы при температурах выше температуры плавления шлака. В свою очередь, по принципиальному характеру процесса из этих групп можно выделить по три подгруппы, которые поддаются детальной классификации по конкретному виду применяемой технологии (табл. 1.4).
Основные факторы, влияющие на выбор термической технологии -степень готовности процесса к промышленному использованию, допустимая производительность оборудования, эколого-экономические критерии (экологическое влияние, капитальные и эксплуатационные затраты), эксплуатационные критерии (кампания печи, межремонтный пробег вспомогательного оборудования, ремонтопригодность, надежность в работе, возможности автоматизации) [116].
1.7. Отечественные термические технологии
1.7.1. Сжигание в слое шлакового расплава
В России для широкого практического применения предложена технология «Пироксэл» (разработка АО «ВНИИЭТО» испытанная на опытной установке в Москве и названная пиролизно - металлургической переработкой) [25,26].
Технология «Пироксэл» предполагает трехстадийную термическую обработку отходов:
- сушка (до содержания влаги 20%);