Екологічні аспекти термічного знешкодження непридатних отрутохімікатів. Монографія / Петрук В.Г., Яворська О.Г.,  Васильківський І.В., Ранський А.П., Іщенко В.А., Петрук Р.В., Петрук Г.Д., Тхор І.І., Кватернюк С. М. / Під ред. д.т.н., проф.Петрука В.Г. – Вінниця: Універсум-Вінниця, 2006. –254 с.

Розділ І Сучасні термічні методи знезараження та  деструкції пестицидів
Розділ ІІ Технологічні, конструктивні  та експлуатаційні особливості печей для термічного розкладання непридатних пестицидів
Розділ ІІІ Експериментальні дослідження процесів розкладу пестицидних препаратів
Розділ ІV Нові способи термічного знезараження та шляхи практичного використання продуктів переробки непридатних пестицидів
Розділ V Санітарно-гігієнічне та техніко-економічне обгрунтування стаціонарних і мобільних систем термічного знешкодження непридатних пестицидів

 

 

РОЗДІЛ ІV

НОВІ СПОСОБИ ТЕРМІЧНОГО ЗНЕЗАРАЖЕННЯ ТА ШЛЯХИ ПРАКТИЧНОГО ВИКОРИСТАННЯ ПРОДУКТІВ ПЕРЕРОБКИ НЕПРИДАТНИХ ПЕСТИЦИДІВ (за матеріалами патентного пошуку)

4.1 Спосіб термохімічного знешкодження високотоксичних речовин і пристрій для його здійснення

Відомий спосіб знешкодження токсичних речовин вищих класів небезпеки: хімічної зброї, пестицидів, поліхлорбіфенілів, ціанідів і т.п. в оболонці або в текучому вигляді (рідкому, порошкоподібному і газоподібному), який може бути ефективно використаний при здійсненні заходів захисту навколишнього середовища від забруднення, а також при створенні ресурсозберігаючих технологій. Сутність способу полягає у здійсненні процесів термічного розкладання, окиснення і ступінчастої нейтралізації кінцевих продуктів реакції у високошвидкісному трансзвуковому потоці робочого газу з числом Маха М³1 при коефіцієнті надлишку окиснювача a ³ 1,1. В даному способі використовують пристрій, що містить камеру згорання ракетного двигуна і змішувальні надзвукові струминні апарати.

Відомий спосіб оснований на тому, що знешкоджувану речовину завантажують у порожнину термічної камери, де з нею здійснюють ряд послідовних операцій: руйнування оболонки контейнера, перемішування знешкоджуваної речовини з високотемпературним робочим газом, з наступним її хімічним перетворенням (відбувається повне окиснення речовини - спалювання), після чого продукти реакції, що являють собою малотоксичні чи нетоксичні сполуки, розділяють на фракції і після повного знешкодження їх утилізують чи викидають у навколишнє середовище.

Пристрій для здійснення цього способу містить маніпулятор (пристосування для завантаження знешкоджуваної речовини), допоміжний плазмотрон для порізки оболонки контейнера, основний плазмотрон, малий плазмотрон, термічну камеру, центрифугу, окисну камеру, систему евакуації шлаків, вихлопну систему аерозолей з утилізацією тепла, систему очищення газів, систему утилізації аерозолей, вихлопну трубу розсіювання газових викидів.

Технічний результат досягається тим, що перемішування знешкоджуваної речовини з високотемпературним газом здійснюють діючи на знешкоджувану речовину трансзвуковим і надзвуковим потоком з числом Маха М = 0,9-2,0 при ³ 2000°С, після чого в реакційній камері доопалюють отриману суміш з коефіцієнтом надлишку окиснювача a £ 1,1 до утворення кінцевих продуктів реакції, а потім поступово вводять хімічні реагенти, які після перемішування з кінцевими продуктами реакції поглинають водним розчином.

Пристрій містить змішувальну камеру у вигляді надзвукового ежектора, а джерело високотемпературного газу виконано у вигляді камери згорання ракетного двигуна, герметично з’єднаного соплом з вузькою частиною ежектора, вихід якого скріплений з реакційною камерою, виконаною за формою сопла Лаваля, вихідний торець якого з’єднаний із вхідною частиною багатоланкової системи нейтралізації, а її вихідна частина виконана із звуженим по довжині перетином і розміщеним усередині блоком для уловлювання кінцевих продуктів реакції, заповненого водним поглинаючим розчином.

На рис. 4.1 зображений пристрій, який містить 1 – джерело високотемпературного газу, 2 – механічний маніпулятор для введення знешкоджуваної речовини в оболонку або гідравлічну систему подачі в рідкому вигляді, змішувальний пристрій 3, 4 – системи введення додаткових хімічних реагентів, 5 – реакційну камеру, 6 – багатоланкову систему очищення, 7 – систему уловлювання, 8 – систему нейтралізації й утилізації твердих речовин, 9 – газову систему вихлопу.

Спосіб і пристрій для його реалізації дозволяють істотно інтенсифікувати виконання всіх операцій технологічного процесу знешкодження високотоксичних речовин. Зокрема, контейнер із знешкоджуваною речовиною, що вводиться в трансзвуковий потік робочого об’єму, протягом десятих долі секунди руйнується, а сама речовина активно перемішується з робочим газом. Таким чином, відпадає необхідність у використанні допоміжного плазмотрона і центрифуги для перемішування знешкоджуваної речовини. При цьому конструкція термічної камери істотно спрощується, а її габарити різко скорочуються.

 

4.2 Камера спалювання відходів 

Винахід відноситься до пристроїв для термічної переробки відходів і може використовуватися в хімічній промисловості і комунальному господарстві для зниження токсичності викидів реакторів термічної обробки відходів.

Камера допалювання відходів містить металевий циліндричний корпус з торцевими фланцями і футеровкою з вогнетривкого матеріалу. Корпус має сорочку зі штуцерами для подачі охолоджуючого агента.

Технічний результат досягається тим, що в камері допалювання відходів, що містить металевий корпус у вигляді циліндра з торцевими фланцями, внутрішня поверхня камери забезпечена футеровкою з вогнетривкого матеріалу з центральним осьовим каналом діаметром d не менше 70 мм із отворами введення і виведенням газів діаметром (0,3-l,0)d, заповненими насадкою з матеріалу футеровки розміром кожного елемента (0,15-0,3)d.

Технічний результат, крім того, досягається тим, що насадка виконана у вигляді кілець Рашига, циліндрів, чи куль кускового матеріалу, внутрішній діаметр D камери має розмір не менше 200 мм і довжину L (2-10)D, а корпус камери має сорочку для охолодження.

 На рис. 4.2 показаний загальний вигляд запропонованого пристрою в поздовжньому перетині.

Рисунок 4.2 – Камера спалювання відходів

Пристрій містить металевий циліндричний корпус 1 із внутрішнім діаметром D не менше 200 мм і довжиною L, рівною від двох до десяти D із фланцями 2 на торцях, має внутрішню теплоізоляцію з футеровкою товщиною до 0.4D з корозійно- і жаростійкого матеріалу з центральним внутрішнім каналом діаметром d не менше 70 мм, у торцях якого знаходяться вхідний і вихідний отвори для газу, що доопалюється, діаметром від 0,3 до 1d. Вхідним отвором за допомогою фланця доопалювач з’єднаний із джерелом високотемпературного газу, наприклад, з камерою спалювання відходів. Корпус може мати сорочку 4 із штуцерами 5 для подачі холодного агента, наприклад, води чи повітря. Внутрішній канал доопалювача заповнений насадкою 6 з того ж матеріалу, з якого виготовлена футеровка, розміром кожного елемента (0,15-0,30)d. Насадка може бути виконана у вигляді куль, циліндрів, кілець Рашига, кускового матеріалу.

Пристрій працює в такий спосіб. У вхідний отвір подають гази і проводять спалювання відходів із середньою температурою 1000-3000 К і зі швидкістю не нижче 30 м/с. Потік газів розбивається насадкою 6 на окремі струмені, що під різними кутами зіштовхуються між собою і зі стінкою футеровки 3 по всій довжині камери, не даючи стабілізуватися пристінному шару. Розмір насадки 6 у межах 0,15-0,3d забезпечує можливість рівномірного її укладання. Крім того, при швидкості потоку не нижче 30 м/с потоки газу при русі до стінки через насадку зберігають достатній напір для дестабілізації процесу формування холодного пристіночного шару, що забезпечує ефективність роботи доопалювача. Футеровка знижує втрати тепла в навколишнє середовище і захищає корпус камери від дії високої температури й агресивного середовища. З камери газ через вихідний отвір направляють на подальшу обробку. Запропонований пристрій дозволяє при правильному виборі товщини і матеріалу футеровки і насадки робити обробку агресивних газів при температурі вище 1250 К, насадка сприяє відносній затримці в камері твердих вуглецевих часток, що є основним вихідним матеріалом при ресинтезі діоксинів і тим самим їх активному випалюванню, відсутність холодного пристіночного шару сприяє кращому випалювання термостійких органічних сполук, необхідний час контакту забезпечується вільним вибором обсягу внутрішнього каналу футеровки. Ремонт зводиться до дозаповнення каналу спеціальною насадкою.

4.3  Спосіб знищення високотоксичних органічних сполук

Даний спосіб використовується для термічного розкладання органічних сполук і може бути використаний для знищення високотоксичних органічних відходів. Даний спосіб базується на піролізі високотоксичних органічних сполук без доступу кисневмісних газів з наступним очищенням отриманого піролізного газу твердим лужним адсорбентом, процес піролізу проводять в один ступінь у циклічному режимі до заданого значення ступеня розкладання органічної сполуки з використанням регенеративного теплообміну на нерухомій теплоакумулюючій насадці, а піролізний газ після очищення твердим адсорбентом додатково очищають органічним розчинником і після спалювання виділене тепло повертають у процес піролізу для обігріву нерухомої насадки.

Способи термічного розкладання органічних сполук, засновані на спалюванні, мають ряд недоліків: недостатня екологічна чистота, недостатня надійність, високий рівень капітальних і експлуатаційних витрат.

При спалюванні 1 т іприту на установці АО “Лургі” витрачається 4,4т умовного палива, 3,2 т NaOH, 6250 кВт?год електроенергії.

Утворюється 94000 дм³ забруднених SO₂ і НС1 супутних газів, очищення яких ускладнюється абсорбцією CO₂ і приводить до одержання 83 дм³ сольового стоку, що містить Na₂SO₃, NaCl і Na₂CO₃. Відзначається, що при ситуаціях, що ведуть до припинення горіння палива в топці, неминучі забруднення системи і викид сполук, що не розклалися, в атмосферу. У зв’язку з цим для підвищення надійності рекомендується накопичувати топкові гази в газгольдерах і скидати в атмосферу після контрольного аналізу. Реалізація подібної рекомендації при великому об’ємі топкових газів потребує значного збільшення капітальних витрат.

Найближчим за технічною сутністю є спосіб термічного розкладання гетероатомних органічних сполук без використання кисневмісних газів, заснований на двоступінчастому піролізі з водяною парою.

На першому етапі при температурі піролізу t = 500-600°С відбувається часткове розкладання сполуки з одночасною адсорбцією кислих газів, що утворюються, циркулюючим твердим лужним адсорбентом. На другому етапі досягається глибоке розкладання сполуки при t = 1150 – 1500°С в апараті з електричним обігрівом, виготовленим з жаростійкої кераміки. Остаточне очищення піролізного газу відбувається на активованому вугіллі і цеолітах. Використання піролізу без кисневмісного газу дозволяє усувати ряд недоліків способу. Наприклад, піроліз 1 т іприту за рівнянням

S(CH₂ -СН₂С)₂ + 4Н₂0 = Н₂S + 2НС1 + 4CO + 6Н₂

дає 1840 дм³ піролізного газу, що підлягає очищенню від Н₂S і НС1, або ≈ в 50 разів менше, ніж на установці АО "Лургі". Крім того, у газі відсутній CO₂. Усе це різко знижує витрати на очищення газу, наприклад витрата лугу в 2 - 2,5 рази менша. Більша частина сольових відходів виходить у твердому вигляді, що знижує об’єм сольового стоку. Відсутність у піролізному газі вільного кисню виключає утворення діоксинів і фуранів.

У той же час, спосіб має недоліки, деякі з яких можуть обмежити чи цілком виключити його використання, особливо для розкладання високотоксичних сполук. На рис. 4.3 подана схема даного процесу.

Рисунок 4.3 – Схема установки для термічного розкладання гетероатомних органічних сполук

4.4  Спосіб переробки токсичних промислових продуктів і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі термічної переробки токсичних і екологічно небезпечних промислових продуктів. Сутність винаходу полягає в нагріванні промислових токсичних відходів у присутності газоподібного окисника і розплаву неорганічних сполук, що вступають у хімічну взаємодію з продуктом, який переробляється, з наступним видаленням продуктів реакції. Нагрівання ведуть при 1300-2000 К, як окиснювач використовують кисневмісний газ, розплав використовують зі вмістом лужноземельних металів, продукт, що переробляється, подають у розплав з кисневмісним газом, попередньо нагрітим до 250-600 К, а газоподібні продукти реакції, що виділяються, перед видаленням з реакційного простору пропускають через шар розплаву. Пристрій містить реакційну і барботажні камери, розділені перегородкою з прорізом у придонній частині, нагрівачі газу-окисника в реакційній камері, дозатори регульованої подачі речовини, що переробляється, лоток в барботажній камері. Причому реакційна камера виконана з патрубками, нижні торці яких розміщені на рівні нижче верхнього краю прорізу в перегородці, а нагрівачі газу-окисника розміщені на верхніх торцях патрубків (рис. 4.5). У табл. 4.1 представлена експлікація обладнання до рис. 4.5.

Рисунок 4.5 - Установка для переробки токсичних промислових продуктів

Таблиця 4.1 – Експлікація обладнання

Даний спосіб призначений для термічної переробки токсичних і екологічно небезпечних промислових продуктів, наприклад, отруюючих речовин (ОР), інсектицидів, дефоліантів і побічних продуктів хімічної промисловості.

Відомий спосіб переробки токсичних продуктів, зокрема фосфоровмісних ОР, шляхом їхнього розкладання в плазменому реакторі при температурі 1000-2000 K. У розплаві, що утвориться при такій температурі, розкладаються шкідливі сполуки важких кольорових металів, і металовмісні продукти піролізу видаляються зі шлаком після охолодження і затвердіння останнього. Одержані в результаті піролізу газоподібні продукти окисляють у закритій камері в потоці кисню, після чого суміш, що утворилася, подають у триступінчасту установку для відмивання екологічно шкідливих домішок. Недоліками способу є його багатоступеневість і висока вартість за рахунок значного питомого енергоспоживання.

Відомий пристрій для переробки токсичних продуктів і речовин, зокрема для переробки побутових відходів і побічних продуктів металургійної промисловості. Пристрій являє собою двокамерну піч, причому в першій, реакційній, камері (шахті), пристосованій для утворення в ній жужільного розплаву, відбувається горіння і розкладання відходів, що переробляються, із плавленням неорганічних компонентів. Друга, барботажна камера (ванна) відділена від шахти перегородкою з прорізом (вікном) у придонній частині, що служить для барботажу газів, що утворюються в шахті, через шар розплаву у ванну, чим забезпечується більш повна переробка твердих відходів. Пристрій має пристиковані до шахти засоби для нагрівання газу-окисника і регульованої подачі в неї відходів, що переробляються, а в барботажній камері є газохід для видалення газів, що відходять, і льотка для безупинного зливу жужільного розплаву. Необхідна температура в печі забезпечується встановленими в надгорновій частині шахти по її периметру плазменними пальниками і теплом від згорання речовин, що переробляються.

Недоліком цього пристрою є подача сировини, що переробляється, і окиснювача над поверхнею розплаву, що не забезпечує повноту переробки газоподібних і рідких легковипаровуваних речовин через малий час перебування їх у зоні розплаву. Другий недолік полягає в тім, що використовувані електродугові плазмотрони мають обмежений ресурс роботи (100-500 годин), а їхня заміна неминуче зв’язана з розгерметизацією реакційного простору чи печі і вимагає припинення процесу переробки на невизначений тривалий період для повного знищення розплаву матеріалів у реакційній зоні і продуктів неповної переробки ОР. При переробці високотоксичних речовин, особливо ОР, це неприпустимо.

Метою пропонованого винаходу є поліпшення економічних показників процесу за рахунок використання дешевої і доступної сировини для утворення розплаву й одержання придатного для промислового застосування продукту, зокрема для виробництва добрив при переробці фосфоровмісних речовин, а також спрощення технології і створення пристрою для реалізації процесу, що забезпечує повне і надійне знищення високотоксичних продуктів, зокрема отруйних речовин, з гарантованим запобіганням вилучення шкідливих речовин у навколишнє середовище.

Відповідно до винаходу зазначена мета досягається тим, що переробку токсичних промислових продуктів, у тому числі отруйних речовин, проводять шляхом їхнього нагрівання в присутності газоподібного окиснювача в розплаві неорганічних сполук, що вступають у хімічну взаємодію з речовиною, що переробляється, при цьому процес ведуть при температурі 1300-2000 K, у якості утворюючих розплав компонентів використовують оксиди лужноземельних металів. Промислові продукти вводять у розплав з потоком попередньо нагрітого до 2500-6000 K кисневмісного газу, а газову суміш, що утворюється в процесі, перед видаленням з робочої зони вдруге пропускають через шар цього ж розплаву.

Висока температура газу-окиснювача в потоці із сировиною, що переробляється, забезпечує більш ранній початок процесів піролізу й окиснення, високу швидкість хімічних реакцій, змішування реагентів, а також сприяє нагріванню розплаву до необхідної температури, що підвищує його рідинотекучість і хімічну активність.

Запропонований пристрій схематично поданий рис. 4.5 – 4.7, на яких показані подовжній і поперечний розрізи і план печі.

Рисунок 4.6

Рисунок 4.7

Корпус печі 1 розділений на реакційну 2 і барботажну камеру 3 перегородкою 4. До кожної з камер примикають відсіки відповідно 5 і 6, відділені від робочих просторів камер сифонними перегородками 7 і які мають графітові електроди 8,  для прямого нагрівання жужільного розплаву з електроприводами осьового переміщення по типу стандартних сталеплавильних і руднотермічних електропечей. До верху відсіку 5 примикає канал 9 для регульованого завантаження шлакоутворювачів, а відсік 6 має лоток 10 для безупинного зливу насиченого продуктами переробки жужільного розплаву. Розташування верхніх рівнів придонних прорізів у перегородках і рівня сифонного лотка видно на рис. 4.5: різниця в рівнях лотка і верхнього краю створу в перегородці 4 складає 150- 300 мм, що обмежує підвищення тиску в камері 2, забезпечуючи достатній контакт барботуючих газів з розплавом. Газохід для відводу газоподібних продуктів процесу переробки розміщений у верхній частині камери 3 на дальньому її кінці від перегородки 4, щоб уникнути великого викиду крапель шлаку з потоком газів, що відходять. У придонній частині одного з відсіків (рис. 4.5, відсік 6) для зливу всього розплаву 12 з печі у випадку її зупинки (вироблення сировини, ремонт) передбачений лоток 13. Електронагрівники газу-окиснювача 14 (плазмотрони) встановлені на патрубках 15, вварених у корпус печі в протилежних бічних стінках камери 2, причому вони можуть розташовуватися в різних площинах, забезпечуючи круговий рух розплаву, і їхня кількість визначається потужністю нагрівачів і необхідною продуктивністю агрегату. На патрубках розташовуються вводи 16 для подачі речовини, що переробляється, у нагрітий струмінь газу-окиснювача. Для подачі додаткової кількості газу-окиснювача в камери 2 і 3 передбачені вхідні патрубки 17.

Всередині корпус печі може бути футерований вогнетривкою цеглою. Наявність сифонних перегородок 7 перед відсіками 5 і 6 не вимагає герметизації останніх.

У верхній частині камери 2 для робіт при запуску печі і ремонті може бути передбачений спеціальний люк 18, що закривається герметично перед початком кінцевого процесу.

Пристрій працює в такий спосіб. У початковий період розігріву печі на її піддон засипається шар коксу, через який по електродах 8 пропускається електричний струм. В міру розігріву печі в неї по каналу 9 порціями завантажують шлак і набирають ванну розплаву до рівня трохи вище верхнього краю прорізу в перегородці 4, після чого вводять у роботу електронагрівники газу 14 і продовжують додавати шлакоутворювачі до початку зливу розплаву через лоток 10, після цього в патрубки 17 і 15 починають подавати газ-окиснювач і сировину, що переробляється, контролюючи їхню витрату, тиск у камері 2, температуру і склад газів на вході в газохід і на виході з теплообмінного апарата і системи газоочистки, а також температуру і склад шлаку, і коректуючи за отриманими даними режимні керовані параметри процесу (потужність, що вводиться, витрати речовини, що переробляється, окиснювача і шлакоутворювачів) до виходу на стаціонарний режим процесу з необхідними результатами.

4.5 Спосіб спалювання відходів будь-якого походження, що містять токсичні речовини, і продукт випалювання

Даний спосіб відноситься до галузі переробки відходів шляхом спалювання, зокрема його можна застосовувати для спалювання відходів і сумішей відходів будь-яких видів (як твердих, так і рідких), будь-якої природи (міського, промислового, лікарняного і т.п. походження), і які можуть становити небезпеку для навколишнього середовища (токсичні, радіоактивні і т.п. відходи).

Відомі способи спалювання промислових відходів мають у даний час визначене число недоліків. Серед останніх можна вказати:

- обмеженість застосування, тому що печі для спалювання відходів звичайно переробляють тільки визначені типи і визначені форми відходів;

- незадовільне зв’язування продуктів спалювання, зокрема, галогенів, ангідридних газів, кислот, оксидів азоту, а також важких металів;

- незадовільне розкладання таких стабільних продуктів як, наприклад, хлорвмісні органічні сполуки;

- швидке руйнування вогнетривких стінок, зумовлене, зокрема, присутністю розплавлених солей лужних металів;

- невисока годинна продуктивність, з огляду на труднощі з видаленням тепла;

- необхідність застосовувати часту подачу повітря, збагаченого киснем. Хоча використання печей для спалювання відходів у киплячому шарі забезпечують коректне розкладання визначених відходів, однак необхідно, щоб відходи були утворені дрібнодисперсними частками з однорідною гранулометрією і, щоб композиція містила тільки невелику частку легкоплавких продуктів, таких як, зокрема, солі лужних металів. На практиці мало відходів відповідають цим умовам, крім, наприклад, мулових відходів, що утворюються на станціях біологічного очищення міських стоків.

Відомий спосіб спалювання відходів, що містять токсичні речовини, шляхом здрібнювання відходів до розміру часток менш 5 мм, додавання рідких відходів до одержання пастоподібної маси і наступного її нагрівання до температури спалювання. Однак цей метод спалювання не може переробляти відходи будь-яких видів, такі як рідкі чи пастоподібні, а також приводить до шкідливих газоподібних викидів, що містять такі сполуки, як HCl, N_УO_X, SO₂, SO₃ і т.д.

Одержані продукти спалювання вимагають додаткової обробки за допомогою вапна з утворенням нових відходів.

В основу винаходу поставлена задача створення способу спалювання відходів будь-якого походження, що містять токсичні речовини, що забезпечує можливість переробки в одній і тій же печі для спалювання різноманітних видів відходів різного походження і розмірів, а також у різних станах (пастоподібних, твердих, рідких), з одночасним зниженням викидів забруднюючих речовин, а також в одержанні твердого продукту, що легко переробляється.

Крім того, як реагент використовують мергель, чи суміш вапняку і глини зі вмістом вапняку не менше 70%, чи суміш вапняку і кварцового піску.

Поставлена задача вирішується тим, що продукт випалу від спалювання відходів будь-якого походження, що містять токсичні речовини, у тому числі сполуки галогенів, що включає клінкерні мінерали у вигляді твердих розчинів, відповідно до винаходу, містить клінкерні мінерали у вигляді сульфоалюмінату кальцію (СаО)₄Аl₂О₃SO₄, фероалюмінату кальцію (СаО)₄Аl₂О₃Fe₃О₄, а також мінерали (Ca)₅Si₄SО₄ і (Ca)₁₂(А1₂O₃)₇ X, де X – галоген і додатково метакаолін і діоксид кремнію, і отриманий шляхом здрібнювання зазначених відходів до розміру часток 5 мм, додавання рідких відходів і реагенту на основі карбонату кальцію, що містить оксид кремнію, оксид алюмінію і, можливо, оксид заліза в кількості, що забезпечує в продукті випалу таке співвідношення оксидів:

до одержання пастоподібної маси і наступного її нагрівання до температури спалювання 900-1100°С.

Отриманий продукт може містити також хлорований двокальційовий силікат.

Подібні реагенти мають, зокрема, перевагу в тому, що вони не є дорогими й у ході згорання відходів приводять до сильно ендотермічних реакцій (через декарбонізацію вапняку) на відміну від способів спалювання з використанням вапна чи цементу. З цього випливає, що спалювання здійснюють при істотно нижчих температурах і, отже, для даної печі при тому самому капіталовкладенні можна спалювати набагато більше відходів.

На практиці зазначений реагент, названий тут R₁, генерує в ході спалювання реагент R₂, що містить в основному СаО (у результаті декарбонізації СаСО₃), модифікований у кристалографічному плані діоксид кремнію, оксид алюмінію і, можливо, оксид заліза (тривалентного). Цей реагент R₂ зв’язує шляхом капсулювання забруднюючі елементи відх одів і, крім того, у ході перетворення в золу він трансформується в продукти R₃, що можуть містити, наприклад, метакаолін (Ca, SiО₂), діоксид кремнію з активованою поверхнею, такі продукти, як: (СаО)₄ Аl₂О₃ SO₄, (СаО)₄ Аl₂О₃, Fe₃О₄, (CaO)₅, (SiO₂)₂SО₄, (CaO)₁₂(Аl₂O₃)₇X, (X – галоген), хлорований (CaO)₂SiO₂ (якщо відходи хлоруються), а також значне число твердих розчинів, що уловлювали метали, серед яких важкі і токсичні метали.

Як відомо, перетворення в золу відходів приводить до утворення трьох великих груп “напівпродуктів”, а саме: шлаків, летких зол (кіптяви, ЛЗ) і відходів очищення димів (BОД).

Завдяки використанню продуктів (R₁), багатих вапняком і діоксидом кремнію, можна позбутися від додавання іншого реагенту для одержання нерозчинних і інертних твердих речовин. Досить лише додати небагато води чи водних відходів.

Як приклад здійснення цього способу нижче описується переробка одного типу відходів, відомих як такі, що дуже важко піддаються коректному перетворенню в золу, а саме: промислові відходи, що містять хлоровані органічні речовини.

Приклад:

Застосовують ротаційну піч, укомплектовану пристроєм для додаткового згорання (постзгорання), але можна також використовувати піч циклонного типу. Тверду фракцію відходів, що підлягають переробці, направляють у подрібнювач, потім на млин для одержання часток із середнім розміром менше 5 мм. Потім додають (у змішувач) рідкі відходи (бруд після обробки води) так, щоб одержати пастоподібну масу. Потім додають тонко подрібнений реагент R₁ з розмірами часток менше 200 мкм. Цей реагент R₁, в суміші вапняку і глини, має такий склад: 77,1% СаСО₃; 13,9% SiО₂; 2,6% Al₂O₃; 2,3% Fе₂O₃, а залишок складається, в основному, з оксидів лужних металів. Відходи переробляють зі швидкістю 3 тонни за годину при таких співвідношеннях компонентів (табл. 4.2):

 

Таблиця 4.2 – Внутрішня теплота згорання (ВТЗ)

Відходи вводять у піч через один чи кілька пальників переважно коаксіального типу, причому особливий пальник, крім того, може використовуватися для хлорвмісних відходів, наприклад, типу піралена. Температура полум’я складає порядка 1000°С.

В одержуваних кінцевих продуктах відзначено, що дими мають значно нижчий вміст по Cl₂, SO₂, SО₃ і т.д., ніж дими, отримані при звичайній переробці відходів за допомогою вапна чи цементу. Вміст HCl був нижче 100 мг/м³. Композиція містить, в основному, описані вище продукти типу R₃ і невеликі кількості R₁, і R₂.

З метою перетворення цих відходів у нерозчинний і компактний матеріал їх обробляють невеликою кількістю води чи водомісткого продукту, відповідно до відомої методики.

Наприклад, додають до 150 зважених частин R₃ 20 частин BОД, що виходять у класичних печах по спалюванню побутових відходів, потім енергійно змішують з 100 частинами суміші пастоподібних промислових відходів (як джерело води), що має хімічну потребу в кисні (ХПК) 9000 мг/л, рН=7 і такий вміст металів – Рb : 0,5 ррm; Сu : 90; Cd : 2; Zn : 3; Fe : 0,4 і Al : 20 (кількості в ppm : частин на мільйон). Вони тверднуть менше, ніж за одну годину. Через 10 днів, твердий матеріал був підданий експерименту по перколяції (вилужуванню) у відповідності зі стандартом Д1№ 38414. Були отримані такі результати: ХПК : 200 мг/л; Рb : 0,2; Сu : 0,1; Cd : 0,1; Zn : 0,1; Fe : 0,1; Al менше 0,5 (усі кількості виражені в ррm).

Відзначено, що кінцевий продукт типу R₃, отриманий по закінченні перетворення в золу і, у разі потреби, після камери допалювання складається частково з тонкодисперсних часток (ЛЗ, BОД) і частково з розплавленого некристалізованого шлаку внаслідок швидкого охолодження на виході з печі, що відіграє роль гартування. Цей шлак має гідравлічні пуцоланові властивості і, отже, швидко поглинає воду.

Спосіб може бути застосований для  будь-якого існуючого типу печі по спалюванню відходів без модифікації конструкції.

4.6 Спосіб знищення токсичних речовин

Сутність способу полягає в термічному розкладанні хлор-, азот-, сірко- чи фосфорорганічних пестицидів у середовищі склоутворюючої шихти такої сполуки, мас. %:

Пестицид                                                              5-25

Двоокис кремнію                                                 40-60

Карбонат чи оксид кальцію                                 5-10

Карбонат натрію чи їдкий натр                           15-25

Перед початком термообробки шихту змішують з  водою чи відпрацьованою робочою рідиною зі стадії абсорбції газів, що відходять, хлорид, фосфат чи сульфат натрію, у кількості, необхідній для утворення консистенції густої маси (15-20 масових частин рідини на 100 масових частин шихти). Склад шихти, використаної для знищення пестицидів, наведено у табл. 4.3.

Зазначена шихта забезпечує повне хімічне і термічне розкладання діючої речовини пестицидів при їхній взаємодії спочатку з гарячим йодним розчином лужних компонентів шихти (гідроліз), а потім, після випаровування води, з масою розплавленої шихти з утворенням після охолодження твердого безпечного залишку (скла). При цьому мінеральні наповнювачі препаративних форм пестицидів беруть участь у хімічному процесі склоутворення.

Процес знищення пестицидів був досліджений на лабораторній установці періодичної дії, що складається з послідовно з’єднаних муфельних печей, санітарної смолоскипової печі допалювання газоподібних продуктів знешкодження, скрубера для поглинання кислих газів, зрошуваного 10% водним розчином їдкого натру, і санітарного водяного скрубера. Шихту зі знищуваним пестицидом в спеціальних лотках з вогнетривкої цегли поміщають у робочу зону муфельної печі з температурою 1000-1500ºС, де витримують протягом 1-8 годин. Газоподібні продукти розкладання компонентів шихти проходять санітарну смолоскипову піч допалювання з робочою температурою 900-1100°С, два скрубери і скидаються в атмосферу. Вміст хлористого водню, хлору, окислів азоту, пятиокису фосфору і пилу не перевищував значень відповідних ГДК у повітрі робочої зони. Тверді продукти знищення пестицидів аналізувалися на гідролітичну стійкість і, вибірково, на вміст знищуваних пестицидів. Паралельно для обраних дослідів проводився аналіз змісту пестицидів у робочій рідині останнього санітарного скрубера, що дозволяло оцінити викиди незнищених пестицидів в атмосферу. Для випробування була використана стандартна методика НДІ скла “Випробування  скла на    гідролітичну   стійкість” зерновим    методом. У табл. 4.4 подані технологічні параметри знищення пестицидів і дані по гідролітичній стійкості твердих продуктів знешкодження.

У табл. 4.5 подані результати вибіркових аналізів вмісту знищуваних пестицидів у твердому залишку знешкодження, його водному екстракті і робочій рідині (воді) останнього санітарного скрубера. Водний екстракт одержують шляхом кип’ятіння 10 кг подрібненого твердого залишку знешкодження в 250 мл дистильованої води протягом 1 години. Визначення пестицидів проводять газорідинною і тонкошаровою хроматографією за відповідними методиками.

Залишковий вміст гексахлорану в робочій рідині останнього санітарного абсорбера (менше 5-10^-5 мг/л), що визначається чутливістю використаного методу, відповідає максимальному вмісту пестициду в газових викидах в атмосферу з урахуванням витрати газу і робочої рідини абсорбера за один цикл знешкодження менше 8-10 мг/л. Хлорофос у газових викидах в атмосфері не виявлений.

Таким чином, даний спосіб знищення пестицидів забезпечує повне розкладання діючих речовин пестицидів, а також зв’язування мінерального наповнювача і твердих продуктів хімічного і термічного розкладання в інертну водонерозчинну склоподібну масу, що не містить вихідних пестицидів і безпечну для навколишнього середовища у випадку захоронення чи іншого практичного використання.

Таблиця 4.3 – Склад шихти, використаної для знищення пестицидів

 

Таблиця 4.4 – Технологічні параметри знищення пестицидів і властивості отриманого скла

Таблиця 4.5 – Вміст пестицидів у продуктах знешкодження

4.7 Спосіб переробки високотоксичних речовин

Даний спосіб відноситься до переробки високотоксичних речовин, зокрема пестицидів, у корисні і більш нешкідливі, а саме, у речовини, що можуть бути використані в малотонажній хімії як поліфункціональні добавки до індустріальних олій, ультраприскорювачів вулканізації ненасичених каучуків, у кабельній і гумотехнічній промисловості.

Найближчим за технічною сутністю і результатом, що досягається, є спосіб знищення токсичних речовин шляхом уведення їх у скляну шихту з наступною обробкою при температурі 1000-1500°С протягом 1-8 годин [Авт.св. СРСР 1768875. кл. F 23 G 7/00. 15.10.92. бюл. № 38]. Так, наприклад, непридатний пестицид вводять у шихту, що містить двоокис кремнію і карбонат або гідроксид натрію при такому співвідношенні компонентів, мас. %:

Діоксид кремнію                                                  40-60

Карбонат чи гідроксид натрію                                      15-25

Пестицид                                                              5-25

Недоліком цього способу є низький ступінь знешкодження високотоксичних речовин, зумовлений тим, що на першій стадії термообробки шихти, що включає непридатні хлор-, сірко-, фосфор- і азотомісткі пестициди, утворюються леткі високотоксичні органічні продукти розкладання, включаючи і діоксини. Крім того, необхідно подальше знешкодження води чи відпрацьованої рідини, що містить солі хлоридів, сульфатів чи фосфатів лужних металів. До недоліків також варто віднести високу енергоємність процесу і час їхньої утилізації.

Задача винаходу – безвідхідна переробка високотоксичних речовин, зокрема пестицидів, у корисні і більш нешкідливі продукти шляхом реагентної обробки пестицидів.

Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі переробки високотоксичних речовин, що включає термічну обробку їх, відповідно до винаходу, пестициди обробляють сульфідно-лужною сумішшю з концентрацією лугу 8-12 мас. % при температурі 55-65°С протягом 20-30 хв із наступною обробкою реакційної маси еквівалентною кількістю солі металу з утворенням метал-хелатів загальної формули

Істотною ознакою способу є реагентна обробка пестицидів, що прийшли в непридатність, з виділенням диметилдитіокарбаматів металів і їх наступним корисним використанням у гумо-технічній промисловості.

Відповідно до запропонованого способу для регенерації пестициду (тіурама) останній обробляють сульфідно-лужним розчином згідно схеми

Наприклад, диметилдитіокарбамат цинку одержують додаванням солі цинку в цьому ж реакторі без виділення натрієвої солі диметилдитіокарбамата за схемою

 

При цьому проходить небажана побічна реакція, зв’язана з розкладанням тіураму при нагріванні в лужному розчині:

З метою досягнення максимального виходу N,N-диметилдитіокарбамату натрію визначають технологічні параметри, що дозволяють одержати, наприклад, цинкову сіль дитіокарбонової кислоти з максимальним виходом.

Кількість тіураму, що розклалась, визначають по кількості виділеного CS₂ (метод Гофмана).

У способі, що пропонується, кількість CS₂ визначають модифікованим методом Гофмана. Модифікація методу полягає в тому, що на першій стадії реакційну систему попередньо продувають інертним газом (азот, аргон) протягом 30 хвилин. Це дозволяє забрати з першої поглинальної склянки ацетат кадмію і барієву сіль ЕДТА, використовувані по класичному методу Гофмана визначення сірковуглецю.

Сірковуглець, що утвориться в результаті розкладання тіурама,

поглинають у перших двох склянках метанольно-лужним розчином їдкого натру. 

Третя і четверта поглинальні склянки служать для поглинання залишків сірковуглецю. Надалі метанольно-лужні розчини ксантогената натрію першої і другої поглинальних склянок поєднують і відтитровують спиртовим розчином йоду. При цьому відбувається утворення діксантогената натрію за схемою

По кількості йоду, що витратили на титрування, визначають кількість тіураму за формулою

                          (4.1)

де N – нормальність розчину; Е – еквівалентна маса йоду; М_(Е)J2 – 254 в.о., V – об’єм розчину 0,2Н йоду, витраченого на титрування, мл; М_(Е)ТМТД = 240 в.о.

Приводимо приклади конкретного виконання.

Приклад 1. Шихту, що складається з 10,0 г тіурама, 60,0 г двоокису кремнію, 20,0 мл лугу і 10,0 г карбонату кальцію в спеціальному лотку з вогнетривкої цегли поміщають у робочу зону муфельної печі з температурою 1000°С, де витримують протягом 5 годин. Газоподібні продукти розкладання компонентів шихти проходять санітарну смолоскипову піч допалювання з робочою температурою 900°С з кінцевим утворенням оксидів розкладання шихти: оксидів сірки, азоту і вуглецю, що утворилися. Кислі оксиди проходять два скрубери, де поглинаються лужним розчином до утворення відповідних натрієвих солей, інші газоподібні продукти розкладання пестицидів викидаються в атмосферу. Потім гарячі робочі розчини лужних компонентів подають у зону шихти, де після випаровування води сульфати і фосфати натрію розкладалися з утворенням оксиду натрію і кислотних оксидів сірки і фосфору. Останні обдувають інертним газом з робочої зони і фіксують індикаторним методом.

Приклад 2. Наважку 10,0 г технічного пестициду (тіурама) поміщають у перший реактор, і потім додають туди ж послідовно сульфід натрію у вигляді кристалогідрату Na₂S?H₂O кількістю 10,0 г і 10%-ний розчин лугу NaOH. Відновлення дисульфіду до натрієвої солі тіураму здійснюють на водяній бані при температурі 65°С.

Температурний режим підтримують автоматичним регулятором температури і контактним термометром. Реакційна вода конденсується холодильником, а сірковуглець, що утворився в результаті розкладання тіураму, обдувають інертним газом (азот) у другий реактор, куди з мірників подають розчин лугу і необхідну кількість водного розчину диметиламіну. Утворення, наприклад, цинкової солі тіураму в першому і другому реакторах проводять через 30 хвилин після початку реакції додаванням кристалогідрату ZnCl₂ масою 4 г.

Реакційну масу в реакторах з’єднують, а осад, що випав, відфільтровують, промивають холодною водою і сушать у сушильній шафі.

Аналогічним чином одержують інші метал-хелати на основі N,N-диметилдитіокарбамату натрію додаванням еквівалентної кількості відповідної солі металу.

У табл. 4.6 подані технологічні параметри сульфідно-лужної обробки непридатних до подальшого використання пестицидів “Тіурам” і “Фентіурам”. При цьому змінювалися такі параметри: температура процесу, час проведення обробки, концентрація використовуваного розчину їдкого натру.

Результати, отримані при титруванні спиртовим розчином йоду, приведені в табл. 4.7.

У результаті обробки даних, приведених на прикладі цинкової солі тіураму, були визначені оптимальні параметри реагентної обробки непридатних до подальшого використання пестицидів. Так, обробка проби пестициду масою 10,0 г в умовах малих концентрацій (2-6 мас. % NаОН) і в інтервалі температур 30-50°С за 5-15 хвилин приводить у кращому випадку лише до сумарного утворення цинкової солі тіураму в кількості 46,5% від максимально можливого. Проведення цієї ж обробки у більш жорстких умовах: температура 70-85°С, концентрація їдкого натру 14-20 мас. % за час 35-50 хвилин приводить до утворення цинкової солі тіураму в кількості 73,4-66,3 мас. %.

З наведеного прикладу видно, що запропонована високотемпературна технологія утилізації непридатних пестицидів у складі шихти зв’язана з утворенням великої кількості кислотних оксидів, інших газоподібних продуктів термічного розкладання органічних речовин, серед яких можуть знаходитися і високотоксичні. Запропонована технологія уловлювання кислих оксидів у скруберах може бути прийнятною лише у випадку низькотемпературного випарювання води й окремого виділення натрієвих солей: хлоридів, сульфатів і фосфатів. У тому випадку, коли гаряча технічна вода розчинів знову подається в робочу зону муфельної печі, перераховані вище солі піддаються повторній термічній дисоціації з утворенням кислих оксидів, що не дозволяє вирішити поставлену задачу.

Запропонована нами технологія сульфідно-лужної обробки непридатних пестицидів не пов’язана з деструкцією діючої речовини пестицидів і з утворенням кислих оксидів і інших газоподібних продуктів лужного гідролізу. Вона проста в технологічному й апаратурному оформленні і може бути впроваджена на типовому хімічному устаткуванні діючих очисних споруд. З іншого боку, у випадку існуючого дефіциту хімічної сировини на Україні ця технологія дозволяє рекуперувати дорогі хімічні сполуки з метою їхнього ефективного використання в гумо-технічній промисловості.

Таблиця 4.6 – Умови виділення діючої речовини з пестициду “Тіурам”, “Фентіурам”

 

Таблиця 4.7 – Результати титрування розчинів ксантогената натрію 0,2Н спиртовим розчином йоду і кількість диметилдитіокарбаматів металів (на прикладі Zn-солі)

 

Таблиця 4.8

4.8  Спосіб знищення високотоксичних органічних сполук

Спосіб знищення високотоксичних органічних сполук шляхом піролізу без доступу кисневмісних газів з наступним очищенням отриманого піролізного газу твердим лужним адсорбентом відрізняється тим, що процес піролізу проводять в один ступінь у циклічному режимі до заданого значення ступеня розкладання органічної сполуки з використанням регенеративного теплообміну на нерухомій теплоакумулюючій насадці, а піролізний газ після очищення твердим адсорбентом додатково очищають органічним розчинником і після спалювання виділене тепло повертають у процес піролізу для обігріву нерухомої насадки.  

4.9  Спосіб знешкодження фторхлорвуглеводнів

Спосіб знешкодження промислових відходів, що містять хлор-фторвуглеводні, включає їхню термічну обробку в струмі продуктів згорання органічного палива при надлишку повітря й у присутності гідрату окису кальцію відрізняється тим, що термічну обробку проводять при 1400-1500°С при коефіцієнті надлишку повітря стосовно стехіометричного співвідношення для палива 1,15 - 1,20 протягом 2 год, причому гідрат окису кальцію використовують у вигляді 30 - 35%-ної водної суспензії.

4.10 Спосіб знешкодження отруйних речовин і пристрій для його здійснення

1. Спосіб знешкодження отруйних речовин (ОР) шляхом термічного розкладання в зоні горіння рідкого органічного пального з киснем, введення в потік продуктів згорання і розкладання сполук кальцію в кількості, яка перевищує необхідну кількість для стехіометричного перетворення продуктів згорання, і уловлювання твердих продуктів, що утворилися, відрізняється тим, що, з метою скорочення часу процесу знешкодження і зменшення викидів в атмосферу, температуру в зоні горіння доводять до 2200 – 3200 K, а як сполуки кальцію використовують водний розчин ацетату кальцію.

2. Спосіб по п.1 відрізняється тим, що в якості рідкого органічного пального використовують гас у масовому співвідношенні до знешкоджу-ваних ОР – 4:1, а ОР подають у вигляді розчину в гасі.

3. Пристрій для знешкодження отруйних речовин (ОР), що включає реактор з камерою, на одному торці якої розташоване днище, а на іншому торці виконане вихідне критичне сопло і форсунки для введення пального, кисню, ОР і сполук металу, відрізняється тим, що, з метою підвищення ефективності знешкодження, камера розділена на зону термічного розкладання ОР, що примикає до днища, і зону нейтралізації, що примикає до вихідного критичного сопла, при цьому форсунки для введення пального, кисню і ОР розташовані в днищі, а форсунки для введення сполук металу – на межі зазначених зон.

4. Пристрій по п.3 відрізняється тим, що форсунки для введення ОР розташовані в центрі днища, форсунки для введення пального – по периферії, а форсунки для введення окиснювача – рівномірно по всій площі днища.

4.11  Спосіб знищення твердих відходів

Спосіб знищення твердих відходів відбувається так: в обертовій печі тверді відходи піддають примусовому капсулюванню, причому у якості матеріалу, що покриває, використовують речовину із температу­рою плавлення 1250-1450°С при такому співвід­ношенні її з твердими відходами, мас. % :

– тверді відходи                        4-40

– речовина, що покриває                 60-96

Співвідношення твердих відходів і матеріалу, що покриває, вибирається таким чином, щоб ви­ключити вихід речовини відходу на поверхню кап­сули. Це співвідношення (при встановленій експе­риментальній оптимальній товщині прошарку ре­човини, що покриває, 1мм) залежить від початко­вих розмірів твердих відходів, предметів переробки. З 95% рівнем значимості радіус часток токсичних відходів можна прийняти в межах 0,1- 3 мм. При їхньому радіусі 0,1мм кількість речовини, що по­криває, з урахуванням кулеподібної форми капсул повинна перевищувати масу відходів у 24 рази, а при радіусі часток 3 мм - у 1,5 рази. Цим і обумов­лені межі, що з’являються, співвідношеням твердих відходів, і речовини, що їх покриває. При інших розмірах часток відходів, співвідношення, що з’являється, забезпечується зміною товщини про­шарку, що їх покриває.

Ефективність додаткової операції капсулю­вання підвищується зі збільшенням щільності прошарку, що покриває, перешкоджаючому ранньому виходові з капсули продуктів термічного розкладання відходів. Важливо в цьому зв’язку, щоб самий верхній прошарок капсул був зацементований в’язкою речовиною, що набрала до моме­нту подачі капсул у пічний агрегат визначену трив­кість і щільність. У той же час речовина внутрішнього прошарку, що покриває, повинна добре гра­нулюватися. Поєднання цієї вимоги з межами температури плавлення речовини, що покриває, обумовило вибір його складових.

Для внутрішнього прошарку, що наноситься на тверді відходи в процесі першої стадії капсулю­вання, найбільшою мірою підходить пил електро­фільтрів обертової печі для випалу портландце­ментного клінкера. Природна каолінова глина сприяє гарній грануляції матеріалу і достатній три­вкості гранул, спроможних без руйнації витримати другий етап капсулювання. На другій стадії в якос­ті речовини, що покриває капсулу, можуть бути ви­користані звичайний цемент або пил рукавних фі­льтрів цементного млина. Маса зовнішнього (це­ментного) прошарку складає не більш 10% усієї маси речовини, що покриває капсулу. З огляду на близькість хімічних складів цементу, пилу елект­рофільтрів (у розрахунку на прожарену речовину) і портландцементного клінкера, введення в пічний агрегат капсул не позначиться негативно на якості і складі основного продукту - клінкера.

Приклад здійснення.

Дослідження проводилися в лабораторних умовах із використанням у якості твердого відходу 300г дихлордифенілтрихлорметиліану (ДДТ), який являє собою білий порошок із середнім радіусом часток 1мм і різким запахом. Кількість матеріалу, що покриває капсулу, з урахуванням заданої тов­щини прошарку 1мм перевершує масу ДДТ у 7 разів, тобто складає 2100г. Таким чином кількість твердого відходу склала 12,5%, а матеріалу, що покриває – 87,5%, тобто їх співвідношення знахо­диться в межах, що заявлені. З 2100г матеріалу, що покриває капсулу, 1800г припадає на пил елек­трофільтрів клінкеровипалювальної печі, відібра­ної із системи очищення газів печі №2 Балаклійського цементно-шиферного комбінату, а 300г скла­дає рядовий портландцемент марки 500. Рідка фаза в пилу електрофільтрів за даними прямого визначення за допомогою конусів Зегера зафіксо­вана при температурі 1280°С. Температура появи розплаву в цементі 1315°С.

На першій стадії переробки використаний та­рілчастий гранулятор, налагоджений на отримання гранул із радіусом 1,8-2,5мм. Вологість гранул під­тримується на рівні 12-14%. Процес грануляції ведеться періодично: спочатку на гранулятор по­дається порція ДДТ, а потім поступово разом із водою розрахована (у співвідношенні до твердого відходу 6:1) кількість пилу електрофільтрів. Це дає можливість здійснити початкову присадку пилу безпосередньо на поверхню часток ДДТ. Гранули, що утворюються і збільшуються, згодом практично цілком покриті пилом електрофільтрів. Наявність у її складі глини і до 5% вільного оксиду кальцію СаО забезпечує достатню тривкість гранул.

На другій стадії отримані гранули поміщаються в барабанний гранулятор, куди подається порт­ландцемент. У барабанному грануляторі при міні­мальній кількості води відбувається остаточне покриття гранул в’язким матеріалом, у якому на виході з гранулятора починають протікати гідрата­ційні явища, що супроводжуються ростом тривкос­ті. Збереження продукту (капсул) у повітряне – во­логих умовах сприяє поряд із підвищенням тривкості підвищенню монолітності зовнішнього про­шарку гранул. Отриманий продукт характеризуєть­ся повною відсутністю запаху, властивого ДДТ, що свідчить про досягнення заданого ефекту блоку­вання токсичних відходів усередині капсул. Аналіз хімічного складу капсул полягає у визначенні утримання іона хлору.

Випал капсул, що містять ДДТ, відбувався в силітній печі в діапазоні температур 1050-1450°С. У силітній печі до температури 1050°С опікалася сировинна суміш традиційного хімічного складу з відомою масовою часткою іона хлору. По досяг­ненні зазначеної температури в прошарок забра­ної з печі сировинної суміші поміщалися капсули, що містять ДДТ. Співвідношення маси сировинної суміші і капсул складало 10:1, що відповідало кіль­кості чистого ДДТ у складі матеріалу, що обпіка­ється, 1,5%. Капсули і частково обпалена сиро­винна суміш перемішувалися, після чого отрима­ний матеріал поміщався знову в силітну піч, де й опікався до температури 1450°С з одержанням  портландцементного клінкера. Таким чином, як за режимом випалу, так і за кількістю ДДТ, що спалю­ється в печі, експеримент відповідав виробничому режиму.

Контроль повноти термічного розкладання ДДТ здійснювався за даними аналізу складу проб обпаленого матеріалу, відібраних із різних проша­рків. Баланс масової частки іонів хлору в системі сировина суміші - капсули, що містять ДДТ - клі­нкер показав, що 97,0-99,1% хлору засвоюється клінкерними мінералами в процесі клінкероутворення. Інша незначна частина хлору, взаємодіє із СаО і СаСО_з та перетворюється в хлористий кальцій СаСl₂.

Таким чином, у результаті проведеного експе­рименту підтверджено досягнення поставленої мети - повний термічний розпад токсичних відходів і поглинання продуктів термічного розпаду клінке­рними мінералами. Це забезпечує повну безпеку процесу знищення твердих відходів, що містять токсичні матеріали.

4.12  Установка для термічної переробки твердих відходів

Поставлена задача вирішується тим, що в установці для термічної переробки твердих відхо­дів, що включає вузол завантаження шихти, каме­ру піролізу з електродами й отворами для випуску газів і розплаву, згідно винаходу, камера піролізу усередині по периметру обладнана радіально орієнтованими вогнетривкими ребрами, установле­ними на подині з рівним інтервалом між електро­дами, а в центрі подини містить кругову порожнину, що з’єднує камеру піролізу з камерою стерилізації, причому, довжина вогнетривких ре­бер складає 0,5 - 0,9 радіуса камери піролізу, а кругова порожнина співпадає з кругом, вписаним між торцевими стінками ребер.

Доцільно висоту камери стерилізації виконува­ти рівною частці від ділення 2 - 2,5 продуктивності установки по газу на площу живого поперечного перетину камери стерилізації, а над отвором для випуску розплаву установити допоміжні електроди.

Приведені вище ознаки складають суть вина­ходу. Технічна сутність винаходу пояснюється рисунками 4.8 і 4.9, на яких: 1 – вузол завантаження шихти, 2 – камера піролізу, 3 – електроди, 4 – отвір для випус­ку газів, 5 – отвір для випуску розплаву, 6 – вогне­тривкі ребра, 7 – кругова порожнина, 8 – камера стерилізації, 9 – допоміжні електроди.

Перераховані вище конструктивні елементи виконані в такий спосіб.

Завантажувальний вузол 1 являє собою гер­метизований шлюзовий пристрій, що забезпечує порціонне завантаження шихти без контакту з ат­мосферою. Камера піролізу 2 виконана круглого перетину, футерована вогнетривкого цеглою і об­ладнана розташованими по периметру на подині графітовими електродами 3. Між електродами 3 вертикально, з рівним інтервалом по периметру камери на подині встановлені орієнтовані радіаль­но вогнетривкі ребра 6. Довжина ребер складає 0,5 - 0,9 радіуса камери, їхня кількість дорівнює числу електродів, а подовжня осьова лінія кожного ребра поділяє простір камери між суміжними елек­тродами на дві рівновеликі частини. Виготовля­ються ребра з матеріалів підвищеної вогнетривко­сті, наприклад, з мулітокорунду.

Установка працює в такий спосіб. Камера піролізу 2 і камера стерилізації 8 запо­внюються коксом 10 розміром кусків 70 - 100мм до рівня, що покриває електроди 3. Після цього на електроди, приєднані до різних фаз пічного трансформатора, подається напруга, а зверху на шар коксу завантажується порція шихти. В резуль­таті проходження струму між електродами в шарі коксу виділяється Джоулеве тепло по всій довжині шляху струму. Наявність вогнетривких ребер 6 між електродами виключає протікання струму по найкоротшій відстані між ними і визначає шлях струму в радіальному напрямку через геометричний центр камери піролізу.

Крім цього, осьове розташування зони макси­мальної теплогенерації дозволяє здійснювати безперешкодне завантаження шихтових матеріа­лів 11 безпосередньо в епіцентр підвищених тем­ператур і в такий спосіб інтенсифікувати процес. Високий рівень температур в осьовій зоні, від­сутність вільного кисню в камері піролізу цілком виключають процеси окислювання, і створюють ідеальні умови для інтенсивного відновлення ме­талів і протікання чистого процесу піролізу – термі­чного розкладання (температура 500 - 1100°С) органічної частини відходів на газоподібний про­дукт – пірогаз і вуглецевий залишок.

В інтервалі температур 1200 - 1500°С практи­чно всі метали, що містяться у вихідній сировині, цілком відновлюються, а вуглецевий залишок - газифікується в синтез - газ (суміш СО і Н₂). Далі – в інтервалі 1700 - 1800°С мінеральні складові від­ходів розплавляються до рідкого стану і виводять­ся з камери піролізу через кругову порожнину 7 та випускний отвір 5, розташований в придонній зоні камери стерилізації 8. Оскільки сполучувальна кругова порожнина 7 виконана в межах зони максимального тепловиді­лення й одночасно є верхнім відкритим входом в камеру стерилізації, то всі без винятку продук­ти термічної деструкції відходів, як газоподібні, так і рідкі, проходять зону максимальних температур, створену між електродами, і далі додаткову тер­мообробку в камері стерилізації 8. У камері стери­лізації здійснюється остаточне гарантоване знешкодження всіх отриманих продуктів. Шлаково-металічні складові, пройшовши через відновне середовище, створене коксом, виводяться у ви­гляді відновлених металів і екологічно стерильного шлаку. Газоподібні продукти також набувають еко­логічно безпечних властивостей, оскільки висота і перетин камери стерилізації встановлюються як­раз з розрахунку виконання екологічного правила “двох секунд”, тобто виведені гази, піддаються високотемпературній обробці (вище 1200°С) про­тягом не менше 2 секунд.

Таким чином, у результаті переробки відходів в установці, що заявляється, досягається практич­но стовідсоткова деструкція матеріалів, що пере­робляються, з високим ступенем використання матеріально- енергетичного ресурсу відходів – метали, шлак, пірогаз.

При цьому, конструкцією установки забезпечу­ється не тільки підвищена ефективність переробки відходів, але і гарантована екологічна безпека, як самого процесу, так і отриманих продуктів. В процесі випробування установки вогнетривкі ребра змінювали, встановлюючи їх різної довжини. Результати випробування з варіюванням довжини вогнетривких ребер приведені в таблиці 4.9.

Таблиця 4.9 – Залежність технологічних показників роботи установки від довжини вогнетривких ребер

З таблиці видно, що оптимальною за техноло­гічними показниками є довжина ребер рівна 0,7Р. Зменшенням довжини ребер знижується концент­рація теплової потужності в заданому об’ємі, а збільшенням – зменшується відносний обсяг зони теплогенерації. Як у першому, так і в п’ятому ви­падках питома продуктивність установки знижу­ється. Що стосується підвищення ступеня утиліза­ції відходів, то зі збільшенням довжини стінок, а отже, з підвищенням концентрації потужності і те­мператури, вона росте.

Рисунок 4.8 – Установка для термічної переробки твердих відхо­дів

Рисунок 4.9 – Установка для термічної переробки твердих відхо­дів

4.13  Спосіб утилізації органічних відходів

Суть винаходу полягає у тому, що в способі утилізації органічних відходів, який включає піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при темпе­ратурі 400 - 980°С з отриманням твердого вугле­цевого залишку та багатокомпонентної парогазо­вої суміші, подальше її охолодження в багатоконтурній циркуляційній системі охолоджен­ня з розрахунковими кількістю контурів і темпера­турами їх охолоджувачів, відбір важкої рідкої фра­кції та отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою, згідно винаходу, здійснюють контроль значень молеку­лярної маси (М) рідкої фракції, отриманої на кінце­вому контурі системи охолодження; при М > 150 температуру охолоджувачів кожного контуру, по­чинаючи з першого, зменшують від розрахункової максимум на 50°С, а при М < 150 - збільшують на 50°С, починаючи з останнього контура, а якщо значення М < 150 не змінилося, тоді зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання темпера­тур сусідніх контурів, починаючи з температури першого контура.

Установка для реалізації способу складається з реактора 1, бункера 2 для завантаження відходів та бункера 3 для відвантаження пірокарбону, пат­рубок 4 для відведення парогазової суміші з реак­тора 1 в багатоконтурну циркуляційну систему, яка має, наприклад, три контури Ік, ІІк, IIIк. Кожний ко­нтур має охолоджувачі 5, 6, 7 з повітряним охоло­дженням за рахунок вентиляторів відповідно 8, 9, 10 з індивідуальними електроприводами, які дають направлений потік холодного повітря на охоло­джувачі, а також трубопроводами 11, 12, 13 для повернення у реактор 1 важкої рідкої фракції.

Охолоджувачі кожного контура мають датчики температури 14, 15, 16, при цьому параметр фун­кції зміни температури і(і) від кожного контура пе­редається на блок управління 17 по зв’язкам 18, 19, 20. Останній охолоджувач 7 з’єднаний з вихід­ним конденсатором 21 з водяним охолодженням. Індикатор 22 виробляє сигнал пропорційно пара­метру функції зміни молекулярної маси вихідного рідкого палива і передає на блок управління 17 по зв’язку 23, а електроприводи повітряного охолодження 8, 9, 10 управляються з блоку управ­ління 17 по зв’язкам 24, 25, 26. Реактор 1 постача­ється шнеком 27 з приводом 28.

Спосіб реалізують таким чином

Подрібнені органічні відходи (В) завантажують у бункер 2 з наступною подачею їх у реактор, в якому вони пересуваються шнеком 27 з приводом 28. Відходи в реакторі 1 піддаються піролізу без доступу повітря при температурі 400 - 980°С з отриманням багатокомпонентної парогазової суміші (ПГС) та твердого вуглецевого залишку - пірокарбону (С), який відвантажується у бункер 3. Отриману ПГС через патрубок 4 з реактора 1 по­дають в багатоконтурну циркуляційну систему з охолоджувачами 5, 6, 7, в яких підтримується роз­рахункова температура, наприклад, на першому контурі Ік - 350°С, на ІІк - 250°С, на IIIк - 150°С.

Запропонований спосіб має велике народно­господарське значення як у плані покращання еко­логії, так і в економіці. Він дозволяє утилізувати відходи, які в природних умовах практично не роз­кладаються, наприклад, гума, полімери, та забру­днюють навколишнє середовище. Крім цього, з даних відходів можна отримати енергоресурси у вигляді рідкого палива для двигунів внутрішнього згоряння або котельне паливо, які являються гост­родефіцитними у період енергетичної кризи.

Рисунок 4.10 – Установка для утилізації органічних відходів

4.14 Cпосіб термічної утилізації суміші високомолекулярних органічних побутових та промислових відходів і установка для його здійснення

Винахід відноситься до термічної утилізації суміші високомолекулярних органічних побутових та промислових відходів, зокрема для утилізації суміші: полімерних і паперових відходів, зношених автошин, нафтошламів, відпрацьованих машинних олій, забруднених неорганічними домішками: піском, землею, дрантям, та ін., пести­цидів і т. д. і може бути використаний в комуналь­ному господарстві, хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості і для регенерації відходів вуглеводнів у рідкі, тверді і газоподібні палива масою М<750, і забезпечують багаторазову ре­циркуляцію цієї рідини усередині рециркуляційної колони до її глибокого термічного розкладання, важку складову сконденсованої рідкої фракції, що залишилася, з М>750 разом із гранулами повер­тають у реактор на сухий твердий вуглецевий за­лишок з температурою 600-980°С і витримують у реакторі до повного випарування важкої рідкої фракції з гранул і утворення парогазової суміші, яку подають у рециркуляційну колону, де її охо­лоджують потоком гранул, сконденсовану при цьому рідку фракцію при температурі 350-500°С піддають багаторазовій рециркуляції усередині реактора і глибокому термічному розкладанню до одержання вторинної парогазової суміші з молеку­лярною масою складових М<750, яку з’єднують з первинною парогазовою сумішшю, що надходить у верхню частину колони, і процес повторюють.

Установка для термічної утилізації суміші високомолекулярних органічних побутових та промис­лових відходів, яка включає реактор із системою зовнішнього обігріву, бункери для завантаження і розвантаження і вихідний конденсатор з водяним охолодженням, яка відрізняється тим, що вона обладнана рециркуляційною колоною, установле­ною вертикально в середній частині реактора, пристроєм, що регулює подачу гранул, розташо­ваним у верхній частині рециркуляційної колони, та циклоном, вхід якого з’єднаний з верхньою час­тиною рециркуляційної колони, а вихід – з вихідним конденсатором. Відомий спосіб утилізації відходів полімерних матеріалів, який включає термічне розкладання відходів при температурі 400-980°С і з утворенням парогазових продуктів і твердого вуглецевого залишку, наступне охолод­ження парогазових продуктів, розподіл їх на рідку і газоподібну фази і твердий вуглецевий залишок, який подрібнюють і гранулюють разом зі змочу­вальною рідиною, потім сушать гранули, при цьо­му рідку фазу розділяють шляхом відстоювання на легкі вуглеводні і суміш важких вуглеводнів і води. Зазначену суміш використовують як змочувальну рідину для гранулювання. Термічне розкладання забезпечують піролізом без доступу кисню і утво­ренням багатокомпонентної парогазової суміші, охолоджують її та одержують на вихідному кон­денсаторі рідку і газоподібну фракції. Ознаки, що збігаються з істотними ознаками способу:

- процес термічного розкладання органічних відходів методом піролізу в реакторі без доступу кисню при температурі 400-980°С з утворенням багатокомпонентної парогазової суміші і твердого вуглецевого залишку, який гранулюють;

- охолодження багатокомпонентної парогазо­вої суміші;

- одержання на вихідному конденсаторі рідкої і газоподібної фракції.

В основу даного винаходу поставлена задача удосконалити спосіб термічної утилізації суміші високомолекулярних органічних побутових та про­мислових відходів шляхом створення в рециркуляційній колоні різних температурних режимів кон­денсації важких складових парогазової суміші, що дозволить забезпечити саморегулюючий процес глибокого термічного розкладання сконденсованих важких складових рідкої фракції, що дозволить підвищити коефіцієнт корисної дії процесу на 30 % за рахунок використання утилізованого тепла.

В основу даного винаходу поставлена також задача удосконалити установку для реалізації способу термічної утилізації суміші високомолеку­лярних органічних побутових на промислових відходів шляхом введення нових конструктивних елементів, які дозволяють забезпечити саморегу­люючий процес глибокого термічного розкладання сконденсованих важких складових рідкої фракції за рахунок цього збільшивши продуктивність установки на 10-15%. Суть винаходу полягає в тім, що в способі те­рмічної утилізації суміші високомолекулярних ор­ганічних побутових та промислових відходів, що включає глибоке термічне розкладання відходів методом піролізу в реакторі без доступу повітря при температурі 400-980ºС, одержання сухого твердого вуглецевого залишку, ніролізного газу і первинної багатокомпонентної парогазової суміші, охолодження парогазової суміші до конденсації важкої рідкої фракції та одержання на вихідному конденсаторі легкої рідкої фракції з заданою моле­кулярною масою, відповідно до винаходу, багато­компонентну парогазову суміш подають у вертика­льну рециркуляційну колону, охолодження парогазової суміші здійснюють потоком гранул вуглецевого залишку, попередньо нагрітих до тем­ператури і 20-350°С, які подають зверху колони назустріч потоку парогазової суміші, змінюють кі­лькісний потік гранул і знижують температуру па­рогазової суміші на виході з рециркуляційної коло­ни до початкової температури гранул, усередині рециркуляційної колони підтримують температурні рівні конденсації: верхній у межах 120-150°С, нижній - 250-300°С для сконденсованої рідкої фракції з молекулярною масою М<750 і забезпечують бага­торазову рециркуляцію цієї рідини усередині ре­циркуляційної колони до її глибокого термічного розкладання, важку складову сконденсованої рід­кої фракції з М>750, що залишилася, разом із гра­нулами повертають у реактор на сухий твердий вуглецевий залишок з температурою 600-980°С і витримують у реакторі до повного випарування важкої рідкої фракції з гранул і утворення парога­зової суміші, яку подають у рециркуляційну коло­ну, де її охолоджують потоком гранул, сконденсо­вану при цьому рідку фракцію при температурі 350-500°С піддають багаторазовій рециркуляції усередині реактора і глибокому термічному роз­кладанню до одержання вторинної парогазової суміші з молекулярною масою складових М<750, яку з’єднують з первинною парогазовою сумішшю, що надходить у верхню частину колони, і процес повторюють.

Суть винаходу полягає також у тому, що уста­новка для термічної утилізації суміші високомоле­кулярних органічних побутових та промислових відходів, яка включає реактор із системою зовніш­нього обігріву, бункери для завантаження і розван­таження і вихідний конденсатор з водяним охоло­дженням, відповідно до винаходу, обладнана рециркуляційною колоною, установленою верти­кально в середній частині реактора, пристроєм, що дозує подачу гранул, розташованим у верхній час­тині рециркуляційної колони і циклоном, вхід якого з’єднаний з верхньою частиною рециркуля­ційної колони, а вихід – з вихідним конденсатором.

Суть винаходу пояснюється кресленнями, де:

на рис. 4.11 представлено схему установки для реалізації запропонованого способу.

На рисунку стрілками позначені потоки:

А – відходи, що утилізуються; С – сухий вугле­цевий залишок; В – гранульований твердий зали­шок; ПГС – парогазова суміш; ПГ – піролізний газ; ВО – водяне охолодження; Р – вихідна рідка фракція з заданою молекулярною масою; СП – вуглеце­вий пил; ДГ – димові гази.

Установка для реалізації способу (рис. 4.11) включає реактор 1 із системою зовнішнього обігрі­ву 2, що включає пальник (на кресленні не показа­но) і димохід газів, що обігрівають реактор, бунке­ри для завантаження 3 і розвантаження 4 і вихідний конденсатор 5 з водяним охолодженням. Установка обладнана рециркуляційною колоною 6, установленою вертикально в середній частині ре­актора 1, пристроєм 7, який дозує подачу гранул, що містить бункер 8 і діафрагмений розподільник 9, встановлений у нижній частині бункера 8, ци­клоном 10, вхід 11 якого з’єднаний з верхньою час­тиною рециркуляційної колони 6, а вихід 12 – з вихідним конденсатором 5. Усередині реактора 1 установлено шнек 13 з електроприводом 14. Вихідний конденсатор 5 обладнаний нижнім тру­бопроводом 15 для відбору легкої рідкої фракції і верхнім трубопроводом 16 для добору піролізного газу. Усередині рециркуляційної колони 6 зазна­чені потоки рециркуляції 17 і 18 важких рідких фракцій з молекулярною масою М<750 і потоки рециркуляції 19 і 20 важких рідких фракцій з М>750, які повертаються в реактор 1.

Із даних розрахунків видно, що ККД запропонованого способу більше ніж на 30%. Спосіб здійснюють в установці таким чином:

Відходи дроблять і подають у завантажуваль­ний бункер 3, і якого вони надходять у реактор 1, де переміщаються по довжині реактора шнеком 13 з електроприводом 14. Попередньо реактор 1 нагрівають системою зовнішнього обігріву 2 за рахунок тепла димових газів, що проходять по димоходу реактора, який охоплює зовнішню обо­лонку реактора 1. Під дією підвищеної температу­ри в реакторі, у межах 400-980°С, відходи нагріваються, і всі летучі з них випаровуються, утворюючи первини) багатокомпонентну парогазову суміш, що з температурою 400-600°С  надходить у рециркуляційну колону.

Охолодження висхідної багатокомпонентної парогазової суміші здійснюють спадним потоком гранул вуглецевого залишку, що попередньо на­грівають до температури 120-150°С і завантажу­ють у бункер 8. За допомогою діафрагменного розподільника 9 регулюють кількісний потік гранул, які поступають зверху колони назустріч потоку парогазової суміші, тим самим знижують темпера­туру парогазової суміші на виході з рециркуляцій­ної колони до початкової температури гранул 120-150°С. При цьому ПГС по всій висоті рециркуляційної колони віддає своє тепло гранулам вугле­цевою залишку і охолоджується, а гранули у свою чергу нагріваються. У результаті, в рециркуляційній колоні від верху до низу температура плавно підвищується від 120-150°С до 400-600°С.

Як показали дослідження, по даному способу і на даній установці можна утилізувати в екологічно безпечному режимі такі небезпечні відходи як пес­тициди, хлоровані трансформаторні олії та інші.

Рисунок 4.11 – Установка для термічної утилізації суміші високомолекулярних органічних побутових та промислових відходів

4.15 Спосіб спалювання твердих відходів та установка для його

здійснення

Поставлене завдання вирішене тим, що в ус­тановці для спалювання ТВ, яка складається з транспортного приймальника з бункером, сміттєвої шахти, живильника, а також сміттєспалюючої печі, системи шлаковидалення та очистки газоподібних продуктів згоряння, згідно з винаходом, система очистки газоподібних продуктів згоряння зроблена у вигляді енергетичного котла, який з’єднано з си­стемою підготовки та подавання палива та повітря і системою шлаковидалення, а між сміттєспалюючою піччю та енергетичним котлом розташовано рекуператор для охолодження газоподібних про­дуктів згорання та попереднього нагрівання повіт­ря, що подається на спалювання ТВ. Відрізняючі ознаки запропонованого способу дозволяють вирішити поставлену задачу спалення ТВ, тому що спалення здійснюють при більш висо­ких температурах, ніж у відомих способах, і в кіль­кості, яка є оптимальною для повного спалення ТВ. При цих умовах токсичні органічні мікродомішки, які містяться у ТВ, вигорають більш по­вно і якість допалювання підвищується. Відрізняючі ознаки запропонованої установки дозволяють вирішити поставлену задачу вдоско­налення таких пристроїв тому, що котел, який є в її складі, забезпечує підвищену температуру до палення токсичних органічних мікродомішок, в ре­зультаті їх концентрація у газоподібному викиді зменшується і тим самим відпадає потреба у гро­міздкому обладнанні для очистки димових газів.

Спосіб спалення ТВ здійснюють так. ТВ заван­тажують у бункер, звідки їх подають на спалення без попереднього підігріву в сміттєспалюючу піч з додаванням природного газу для розпалення і з додаванням попередньо підігрітого повітря для підтримання горіння в печі при температурі 800-1000°С. Повітря, яке потрібне для спалювання ТВ і природного газу в режимі розпалення, попередньо подають у рекуператор, де його нагрівають до те­мператури 80-100°С газами, що виходять із сміт­тєспалюючої печі. Після спалення ТВ твердий за­лишок видаляють у шлакоприймальник, а газопо­дібні продукти згоряння охолоджують у рекупера­торі, де їх тепло використовують для попередньо­го підігріву повітря, яке подається на спалювання ТВ у сміттєспалюючій печі, й спрямовують на допалення в енергетичний, промисловий або опалю­вальний котел, у який газоподібні продукти зго­ряння об’ємом V_г подають в кількості 5-25% від за­гальної кількості повітря V_п + V_г, яке потрібне для  згорання палива у котлі. Основним параметром, який визначає співвідношення об’єму газоподібних продуктів згоряння V_г і об’єму повітря V_п, є ступінь розбавлення:

r=V_г•100/(V_г+V_п), %                                    (4.2)

Приклад 1. Спалення твердих відходів у про­тотипі здійснюють у такий спосіб. ТВ завантажують у бункер, звідки їх подають на спалювання без по­переднього підігріву в сміттєспалюючий котел з додаванням природного газу для підтримання те­мператури горіння у котлі в межах 1000-1100°С. Повітря для спалювання ТВ і природного газу по­передньо нагрівають. Після спалення ТВ твердий залишок видаляють у шлакоприймальник, а газо­подібні викиди видаляють в атмосферу, попере­дньо пропустивши їх крізь системи очистки газових викидів. Концентрації основних органічних компо­нентів у газовому викиду сміттєспалюючого котла (до систем очистки) надані в табл. 4.10.

Приклад 2. Спалення твердих відходів згідно з запропонованим способом здійснюють так. ТВ за­вантажують у бункер, звідки їх подають на спалю­вання без попереднього підігріву в сміттєспалюючу піч з додаванням природного газу для роз­палу та попередньо нагрітого повітря для підтри­мання горіння у печі при температурі 800-1000°С. Повітря, потрібне для спалювання ТВ та природ­ного газу в режимі розпалювання, попередньо по­дають у рекуператор, де це повітря нагрівають до температури 80-100°С газами, які відходять від сміттєспалюючої печі. Після спалення ТВ твердий залишок видаляють у шлакоприймальник, а газо­подібні продукти згорання охолоджують у рекупе­раторі, де їх тепло використовують для попере­днього підігріву повітря, яке подається на спалю­вання ТВ у сміттєспалюючій печі, а далі направ­ляють в енергетичний котел на допалення зі сту­пенем розбавлення r=3%. Газоподібні продукти згорання сміттєспалюючої печі разом з основним повітрям проходять крізь ядро факелу горіння у топці енергетичного котла, де їх допалюють знову при температурі 1300-1700°С протягом 1-2 с. В умовах режиму повторного допалювання в ядрі факелу органічні сполуки, які є в газових викидах сміттєспалюючої печі, згорають. Результаті вимірів концентрацій основних органічних компонентів на­ведені в табл. 4.10.

Приклад 3. Спалювання твердих відходів згід­но з запропонованим способом здійснюють анало­гічно прикладу 2. Газоподібні продукти згорання сміттєспалюючої печі направляють на допалюван­ня в енергетичний котел зі ступенем  розбавлювання r=5%. Результати вимірювань наведені також у табл. 4.10.

Приклад 4. Спалювання твердих відходів згід­но з запропонованим способом здійснюють анало­гічно прикладу 2. Газоподібні продукти згорання сміттєспалюючої печі направляють на допалюван­ня в енергетичний котел зі ступенем розбавлювання r=15%. Результати вимірювань наведені також у табл. 4.10.

Приклад 5. Спалювання твердих відходів згід­но з запропонованим способом здійснюють анало­гічно прикладу 2. Газоподібні продукти згоряння сміттєспалюючої печі направляють на допалюван­ня в енергетичний котел зі ступенем розбавлювання r=25%. Результати вимірювань наведені також у табл. 4.10.

Приклад 6. Спалювання твердих відходів згід­но з запропонованим способом здійснюють анало­гічно прикладу 2. Газоподібні продукти згоряння сміттєспалюючої печі направляють на допалюван­ня в енергетичний котел зі ступенем розбавлювання r=28%. Результати вимірів наведені також у табл. 4.10.

Як видно з прикладів 1-6, концентрації органі­чних мікродомішок у газоподібних продуктах зго­рання для прототипу (табл. 4.10) і для сміттєспалюю­чої печі (табл. 4.10) суттєво (на 1-4 порядки) переви­щують концентрації тих самих мікродомішок для запропонованого способу (у газових викидах енер­гетичного, промислового або опалювального кот­ла). Ці результати підтверджують основну концеп­цію запропонованого винаходу щодо суттєвого зниження концентрацій органічних мікродомішок у газових викидах після допалення їх у ядрі факела енергетичного чи іншого котла. При ступеню розба­влення r=3-25% (приклади 2-5) це зниження суттє­ве, при ступеню розбавлення r=28% (приклад 6) зниження концентрацій також має місце, але воно недостатнє.

 

Таблиця 4.10 – Концентрації органічних та інших домішок у газо­вих викидах, мг/м³

На рис. 4.12 представлено схему установки для спалювання твердих відходів згідно із запропоно­ваним способом. Винахід містить транспортний приймальник 1, до якого приєднано бункер подачі ТВ 2 і сміттєву шахту 3, у верхній частині якої встановлено кран з грейфером 4 для подавання сміття. Поряд встановлений живильник 5, який з’єднано з сміттєспалюючою піччю 6, у якій на фронтальній стіні розташовано газовий пальник 7 для розпалювання ТВ та підтримання їхнього го­ріння. До сміттєспалюючої печі 6 приєднано послі­довно рекуператор 8, вентилятор 9, енергетичний чи інший котел 10, електрофільтр 11, димосос 12, охолоджувач 13, сухий скрубер 14, димову трубу 15. До котла 10 приєднана система підготовки та подавання основного палива, яка має вугільний пальник 16, живильник сирого вугілля 17, бункер сирого вугілля 18. До сміттєспалюючої печі 6 та енергетичного котла 13 приєднано систему шлаковидалення 19, яка розташована під ними.

Установка працює так. Тверді відходи подають у транспортний приймальник 1 і вивантажують в бункер подавання ТВ 2, через який сміття надходить у сміттєву шахту 3. Далі за допомогою грей­фера 4 сміття подають у живильник сміттєспа­люючої печі 5. З живильника 5 ТВ надходять в сміттєспалюючу піч 6, куди також подають повітря для горіння та природний газ для розпалювання ТВ і підтримання його горіння (пальник 7). Повітря для горіння попередньо підігрівають у рекуперато­рі 8 газоподібними продуктами горіння зі сміттєспалюючої печі. Шлак, який утворюється при спа­люванні ТВ у сміттєспалюючій печі, видаляють че­рез систему шлаковидалення. Газоподібні продук­ти горіння сміттєспалюючої печі V_г проходять ре­куператор 8 і вентилятором 9 разом з основним потоком повітря V_п, яке потрібне для горіння пали­ва в котлі 10, подають як частину дуттьового пові­тря у топку котла зі ступенем розбавлення r=5-25%. В енергетичному котлі 10 при спалюванні па­лива відбувається допалювання органічних домі­шок, які є в газоподібних продуктах згорання сміт­тєспалюючої печі 6. При проходженні крізь ядро факелу топки енергетичного котла, де температу­ра становить 1300-1700°С і вище, органічні сполу­ки, які є в газоподібних продуктах згоряння сміттє­спалюючої печі 6, згорають. Таке допалення суттєво знижує токсичність газових викидів з установ­ки. Після виходу з котла газові викиди проходять очистку в електрофільтрі 11 та скрубері 14.

Перевагами способу та установки спалювання ТВ є зменшення токсичності газоподібних продук­тів горіння у запропонованій установці; повна де­зодорація газових викидів установки; економія па­лива, тому що органічні сполуки, які містяться в га­зоподібних продуктах горіння сміттєспалюючої пе­чі, при допалюванні в котлі виділяють додаткове тепло, що знижує витрати палива для котла; спрощення установки, оскільки відпадає потреба у громіздких системах очистки газових викидів, якими звичайно укомплектовані сміттєспалюючі установки.

4.16 Спосіб утилізації органічних відходів

В основу запропонованого винаходу постав­лено задачу створити спосіб утилізації органічних відходів, в якому застосування нових технологіч­них прийомів при багатоконтурному піролізі дозво­лить збільшити рівень розкладу відходів у безпе­рервному технологічному процесі, що забезпечить екологічну чистоту процесу та підвищить його про­дуктивність.  Суть винаходу полягає у тому, що в способі утилізації органічних відходів, який включає пер­винний піроліз відходів у реакторі без доступу по­вітря при температурі 400-980°С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонен­тної парогазової суміші, подальше охолодження парогазової суміші в багатоконтурній циркуляцій­ній системі охолодження з відбиранням важкої рід­кої фракції на кожному контурі системи та подачу її для піролізу у реактор до отримання на кінцевому контурі газоподібної фракції та рідкої фракції з за­значеною молекулярною масою, згідно з винахо­дом, відібрану важку рідку фракцію подають у реа­ктор на рівень з температурою відходів, яка відпо­відає температурі рідкої фракції даного контуру, піроліз проводять у дві стадії, на першій стадії на­гріті відходи перемішують з важкими рідкими фра­кціями, що подаються у реактор, до отримання од­норідної маси, а на другій – з однорідної маси від­діляють твердий залишок і ведуть процес піролізу до отримання сухого пірокарбону.

Рисунок 4.12 – Установка для спалювання твердих відходів

Суть винаходу пояснюється кресленням (рис. 4.13), де показана схема установки для реалізації за­пропонованого способу (стрілками зображені по­токи):

В – відходи; С – пірокарбон; ПГС – парогазова суміш; ВРФ – важка рідка фракція відповідного ко­нтуру; І к, II к, III к – контури циркуляційної системи; ВО – вода для охолодження вихідного конденсато­ра; ПГ – піролізний газ; РП – вихідна фракція рідкого палива. Установка складається з реактора 1, який зна­ходиться під кутом, має шнек 2 з електроприводом 3, шнек 4 з електроприводом 5, бункер 6 для по­дачі відходів (В), бункер 7 для видалення пірокар­бону (П) та патрубок 8 для відбору ПГС, яка пода­ється в парогазову циркуляційну систему, що має, наприклад, три контури І к, II к, III к. Кожний контур має індивідуальні ступені охолодження 9, 10, 11, які з’єднані трубопроводами 12, 13, 14 з ре­актором 1. Останній ступінь і 1 з’єднаний з вихід­ним конденсатором 15, який охолоджується водою (ВО) і має трубопроводи для виходу піролізного газу (ПГ) та рідкого палива (РП).

Спосіб здійснюють таким чином:

Подрібнені органічні відходи (В) завантажують у бункер 6, а потім у реактор 1, де без доступу по­вітря при температурі 400-980°С відбувається пе­рвинний піроліз відходів з утворенням багатоком­понентної парогазової  суміші (ПГС) та твердого ву­глецевого залишку. Утворену парогазову суміш виводять з реактора 1 через патрубок 8 та охоло­джують на ступенях 9, 10, 11 багатоконтурної цир­куляційної системи з пониженням температури на кожному контурі, наприклад, для 3-х контурної си­стеми 350°С; 250°С; 150°С. На першому контурі (І к) у відповідному ступені охолодження 9 конден­суються у рідку фракцію найбільш важкі складові з високою температурою кипіння (ВРФ), які неповні­стю пройшли деструкцію і мають молекулярну ма­су, набагато перевищену, ніж потрібно для рідкого палива (РП), тобто 100-200. Утворену важку рідку фракцію (ВРФ) подають трубопроводом 12 у реак­тор на рівень з температурою відходів, яка дорів­нює температурі рідкої фракції (350°С). Залишену більш легку частину ПГС подають на другий кон­тур (II к) системи охолодження 10 з температурою 250°С, де також утворюються ВРФ, більш легкі, ніж на І контурі, але які ще не задовольняють вимогам вихідного РП. Їх подають трубопроводом 13 у реа­ктор 1, але на рівень з температурою відходів, яка дорівнює 250°С. Ще легшу ПГС, яка залишається, подають на контур (III к) з температурою 150°С. Утворену ВРФ трубопроводом 14 теж подають у реактор 1, на рівень з температурою відходів, яка дорівнює 150°С. Легку ПГС подають на кінцевий конденсатор 15, що охолоджується водою до температури не більше 50°С, звідки виходить рід­ке паливо з заданою молекулярною масою та пі­ролізний газ (ПГ).

Таким чином, запропонований спосіб дозволяє збільшити рівень розкладу відходів у безперерв­ному технологічному процесі та підвищити проду­ктивність.

Запропонований спосіб має велике народно­господарське значення як у плані покращення еко­логії, так і в економіці. Він дозволяє утилізувати відходи, які в природних умовах практично не роз­кладаються, наприклад, гума, полімери, та забру­днюють навколишнє середовище. Крім цього, з даних відходів можна отримати енергоресурси у вигляді рідкого палива для двигунів внутрішнього згоряння або котельне паливо, які являються гост­ро дефіцитними у період енергетичної кризи.  

Рисунок 4.13 – Установка для утилізації органічних відходів

4.17 Спосіб термічної переробки твердих органічних відходів та установка для його здійснення

В основу винаходу поставлена задача вдосконалити спосіб і установку для 45 термічної переробки твердих побутових і промислових відходів шляхом створення умов, за яких досягається деструкція всієї маси відходів і виключається розрідження парогазової суміші продуктами спалювання 50 піролізних газів. Процес переробки мусить задовольняти екологічні вимоги, бути високоефективним і забезпечуватися простим апаратурним оформленням. Поставлена задача досягається тим, що в способі переробки твердих побутових промислових відходів, що містить в собі подачу відходів у вертикальну шахту-реактор, сушіння і нагрівання відходів до температури піролізу газоподібним теплоносієм, виведення парогазових продуктів піролізу і твердого залишка, в якості газоподібного теплоносія для піролізу застосовані циркулюючі гази піролізу, які нагрівають в автономній топці-теплообміннику продуктами спалювання піролізного газу, а для сушіння і нагрівання відходів до температури початку піролізу продукти спалювання піролізного газу, які відходять від топки-теплообмінника. При цьому  для   збільшення   ступеню   використання тепла продуктів спалення, які відходять від топки-теплообмінника, і спрощення конструкції установки сушіння і нагрівання відходів до температури початку деструкції здійснюють в режимі прямотечії-протитечії.

Для здійснення способу в установці для термічної переробки твердих побутових і промислових відходів, що містить в собі вертикальний реактор з пристроями для завантажування відходів, вивантажування твердого залишку (відведення парогазової суміші) в камеру спалювання, камера спалювання розташована автономно, а реактор виконано у вигляді двох шахт, сполучених звуженою горловиною. Крім того, верхня шахта забезпечена пристроями  для підведення   від  камери  спалювання продуктів спалювання і відведення їх, а нижня шахта – пристроями для підведення від топки-теплообмінника піролізного газу і відведення  парогазової суміші. Для збільшення економічності, поліпшення умов теплопередачі верхня шахта забезпечена рядами відкритих знизу коробів, по яких підводять до шахти і відводять від неї відпрацьовані гази.

Установка містить в собі реактор 1, виконаний в вигляді шахти 2 і шахти 3, сполу­чених між собою звуженою горловиною 4, пристрої 5 і 6 для завантажування твердих відходів вивантаження твердого залишку, топку-теплообмінник (камера спалювання піролізного газу) 7, пристрій для розподілення продуктів спалювання піролізного газу 8, пристрій для, відведення відпрацьованих продуктів спалювання піролізного газу 9, розподільну колону 10, звиходами фракцій конденсату 11, 12, 13 і виходу піролізного газу 14, розподільні колектори 15, 16, збірні колектори 17, 18,  теплообмінники повітря 19 і піролізного газу 20, системи підведення піролізного газу до ка­мери спалювання 21 і теплоприймальника 22, системи підведення повітря до тепло­обмінника 23 і відведення нагрітого повітря до камери спалювання 24. В шахті 2 розташовані перемінні між собою ряди підвідних продуктів спалювання піролізних газів і відвідних коробів 25 і 26. Ці короби відкриті знизу. Установка забез­печена системою очистки відвідних від шах­ти 2 газів, системами розподільної арматури і контрольно-вимірювальних приборів.

Спосіб здійснюється таким чином. Роздрібнені тверді органічні промислові і побутові відходи, зокрема зношені шини, пристроєм 5 подаються в шахту 2 реактора 1. Опускаючись по шахті 2 під власною ва­гою, відходи проходять стадії сушіння і нагрівання до температури початку піролізу. Тепло­носієм для сушіння і нагрівання відходів є продукти спалювання піролізного газу, які надходять від топки-теплообмінника 7 до пристрою для розподілення продуктів спа­лювання 15 і далі до підвідних коробів 23. Після виходу із підвідних коробів гази проходять крізь шар відходів і надходять до ближніх відвідних коробів 24. Оскільки короби 23, 24 обмежені зверху двома похилими гранями, відходи вільно, без затримки проходять між коробами. Віддавши тепло твердим відходам, гази із коробів поступають в пристрій для відведення відпрацьованих газів 9. Далі гази проходять систему очистки (на кресленні не зображено) і викидаються в атмосферу. Нагріті до температур початку піролізу відходи поступають в шахту 3 через звужену горловину 4. Геометричні розміри горловини (поперечний переріз і висота) вибрані із умов створення необхідного гідравлічного опору перетечії газів із шахти 2 в шахту 3 і навпаки. В шахті 3 відбувається швидкісне термічне розкладання відходів в наслідок контакту його з циркулюючим газо­подібним теплоносієм, в якості якого ви­користовується піролізний газ, нагрітий в топці-теплоообміннику до потрібних тем­ператур. В процесі термічного розкладання утворюється парогазова суміш, яка надхо­дить до розподільної колони 10, де відбувається конденсація бензинових фракцій і мазутів, які через виходи 11, 12 і 13 подаються в збірні ємкості. Газ, який не сконденсувався через вихід 14 надходить ча­стково по системі підведення 21 до камери спалювання 7, частково по системі підведення 22 до теплообмінника 20, частко­во споживачу. Потрібне для спалювання піролізного газу повітря по системі підводу 23 надходить в теплообмінник 19, а потім по системі 24 до камери спалювання 7.

Нагрітий в теплообміннику 20 до потрібних температур піролізний газ надхо­дить в нижню частину шахти 3. Твердий за­лишок із шахти 3 евакуюється за допомогою пристрою для відвантаження 6.

Рисунок 4.14 – Установка для термічної переробки твердих органічних відходів