|
Газификация ТБО - превращение
органических компонентов в горючий газ, состоящий главным образом из СО и Н2,
при высокой температуре в присутствии окислителя (газифицирующего агента).
Газификацию можно рассматривать как процесс неполного
окисления углерода. Наиболее часто окислителями служат 02 и водяной пар: С +
0,502 СО С + Н20 -> СО + Н2
Наряду с основными реакциями осуществляются и другие:
С + о2 со2 со + Н20 со2 + н2 С + 2Н2 СН4 СО + ЗН2 сн4+ н2о
Таким образом, продукт-газ всегда содержит некоторые
количества С02, Н20 и СН4; иногда содержатся высшие углеводороды. Поскольку
некоторые компоненты ТБО содержат атомы серы и азота, образуются H2S и N02.
Скорость реакций неполного окисления углерода существенно
зависит от температуры, которую устанавливают, обычно исходя из
технологических соображений (в зависимости от способа удаления шлака и т.п.).
Необходимую температуру процесса можно обеспечить, изменяя
состав дутья (в частности, соотношение водяного пара и 02) и его начальную
температуру.
Продукт-газ служит топливом (в котлах электростанций, в
технологических топках, в отопительных котельных установках), при сжигании
которого выделяется незначительное количество соединений, загрязняющих
окружающую среду.
Институтом проблем химической физики Российской академии
наук (ИПХФ РАН) в Черноголовке разработан процесс сжигания отходов на основе
газификации с последующей утилизацией газа в обычных энергетических
установках. Процесс характеризуется высокой степенью использования
энергетического потенциала сырья, подвергаемого термообработке (процесс
назван авторами сверхадиабатическим горением). Технология газификации продана
в Финляндию ив 1998 г. реализована в промышленном масштабе при переработке
ТБО.1
Процесс осуществляется в реакторе ( 5.133) типа
вертикальной шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м (внешний диаметр - 2,5 м) и высотой 7,3 м. Корпус реактора представляет собой трубу со стенкой
толщиной 6 мм. Внутри труба изолирована слоем шамота (~ 0,5 м), снаружи покрыта слоем изоляции и алюминиевым кожухом (в процессе работы печи кожух
нагревается до 50°С). Загрузка реактора осуществляется сверху с помощью
цилиндра с поршнем, выгрузка шлака из реактора - с помощью вращающегося
конуса с ребрами (на конус приходится почти вся нагрузка находящегося в
реакторе материала). Отходы подаются в реактор в соотношении 1:0,4 с инертным
материалом типа шамота. Регламентируемая крупность отходов - 200 мм (допускаются отдельные куски макулатуры и пластмассы крупностью до 250 мм); регламентируемая крупность инертного материала (шамот) -120+70 мм. Шамот выполняет функцию теплоносителя и создает оптимальные условия для реакции газификации. В
качестве газифицирующего агента используется паро-воздушная смесь
(температура 60-80°С), которая подается в реактор снизу.
Процесс газификации проводится при относительно малых
линейных скоростях газового потока и лимитируется сопротивлением прохождению
газа сквозь толщу материала. Зона газификации расположена несколько ниже
середины реактора. Максимальная температура в зоне газификации составляет
1200°С. В зоне газификации концентрируется выделяющееся при горении отходов
тепло. Оно используется на получение водорода из воды и оксида углерода из
углеродосодержащих соединений.
Продукты газификации (газ и шлак) выводятся из реактора
при температуре менее 150°С, что характеризует весьма высокий тепловой КПД
реактора.
Полученный синтез-газ (смесь водорода, оксида и диоксида
углерода, азота и водяного пара, присутствуют углеводороды и аэрозоли
пиролизных смол), имеющий теплотворную способность около 1200 ккал/кг,
направляется на сжигание в паровом котле с топкой при избытке вторичного
воздуха. Мощность на горелке - 10 МВт. Перегретый пар из котла может являться
питанием паровой машины с электрогенератором .
Поскольку процесс паро-воздушной газификации проводится в
плотном слое кускового материала при относительно малых линейных скоростях
потока, в синтез-газе, который выводится из реактора сверху, практически
отсутствует золоунос. Перемещение твердого материала в реакторе происходит
под действием силы тяжести. Перемещаясь сверху вниз, материал последовательно
проходит зоны подогрева, сушки, пиролиза и газификации. Получаемый в
результате процесса шлак практически не содержит недожога и после выгрузки из
реактора подвергается грохочению для отделения инертного материала,
используемого в качестве оборотного.
По данным эксперимента и расчетов, производительность
одного реактора - 1,8 т/час (по рабочей массе исходных ТБО), в случае
газификации обогащенной фракции ТБО производительность реактора возрастает до
2,7 т/час.
Удельные расходы воздуха, некоторых материалов и энергии в
процессе газификации обогащенной фракции ТБО:
• дутьевой воздух - около 5000 м /т (в том числе первичное дутье - 1000 м3/т, вторичное дутье при сжигании синтез-газа - около
4000 м3/т);
• водяной пар - около 300 м3/т;
• электроэнергия - около 40 кВт-ч/т.
Объем отходящих газов - около 5000 м3/т. Выход синтез-газа
при термообработке 1 т отходов составляет 2,3 т.
По расчетам, производство электроэнергии составляет 330
кВт-ч/т газифицируемых отходов, производство пара — 2,3 т/т.
Основные требования к отходам, направляемым в процесс
газификации - крупность не более 200 мм (допускается, как отмечено, крупность 250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки), теплотворная
способность не менее 1500 ккал/кг. Эти требования обеспечивается на стадии
обогащения отходов введением в технологическую схему соответствующих
операций, которые позволяют также предотвратить попадание в процесс металлов,
экологически опасных компонентов и, при необходимости, мелкой фракции ТБО.
Усреднение состава горючих отходов и их равномерная подача
в процесс термообработки являются необходимыми условиями обеспечения
стабилизации термического процесса, повышения эффективности этой операции и
последующей газоочистки.
Стабильность процесса обеспечивается автоматическим
регулированием четырех параметров процесса:
• температуры (регулируется с помощью изменения
подачи водяного пара);
• расположения фронта зоны газификации по высоте
реактора (регулируется с помощью изменения скорости выгрузки шлака, при
неизменном расходе дутьевого воздуха);
• расхода вторичного дутьевого воздуха
(регулируется по остаточному содержанию кислорода в дымовом газе);
• уровня загружаемого материала.
Российский процесс газификации имеет следующие экологические
преимущества:
• поскольку процесс проводится в плотном слое
кускового материала при относительно малых линейных скоростях потока, в
синтез- газе, который выводится из реактора сверху, практически отсутствует
золоунос (газы, поднимаясь в стесненных условиях, по пути движения проходят
своеобразный фильтр); учитывая, что на частицах летучей золы осаждается
большая часть вредных примесей, в том числе тяжелых металлов (металлы в виде
изделий в термический процесс после сортировки не попадают, но в небольших
количествах они могут входить в состав макулатуры, синтетических материалов и
др.), предотвращение золоуноса с газами представляется важным преимуществом
реализуемого процесса газификации (по сравнению с традиционными термическими
технологиями);
• температура отходящего из реактора синтез-газа
не превышает 150°С; при этой температуре летучие тяжелые металлы (Cd, As,
Pb, Zn) находятся в сконденсированном виде и по условиям процесса практически
не выносятся с газами;
• температура в зоне газификации составляет
1200°С, что обеспечивает полное разложение опасных органических соединений (в
том числе диоксинов и фуранов) до безвредных и нейтральных; как отмечено
выше, существуют два основных пути образования ди- бензодиоксинов и
дибензофуранов: первичное образование в термическом процессе при температуре
300-600°С и вторичное образование на стадии охлаждения дымовых газов при
температурах от 250°С до 450°С (реакции их образования происходят на
поверхности частиц летучей золы в присутствии соединений хлора при катализе
соединениями железа и меди). Быстрое охлаждение от 1200°С до 150°С сводит к
минимуму вторичное образование диоксинов. Учитывая малый золоунос, а также
восстановительную атмосферу в реакторе (выше зоны газификации), можно
констатировать, что вероятность повторного образования диоксинов на
поверхности частиц летучей золы очень мала. Одновременно восстановительная
атмосфера предотвращает образование оксидов азота;
• в соответствии с данными опробования
промышленного процесса (г. Лапеенранта, Финляндия) отходящие газы
характеризуются низким по сравнению с традиционными технологиями, содержанием
токсичных веществ, не превышающим по многим показателям лимитируемых пределов
даже без газоочистки (до газоочистки содержание составляет, мг/м3: оксида углерода
- 14, хлористого водорода - 6, оксидов серы - 170, тяжелых металлов - 0,7;
вынос летучей золы практически отсутствует);
• шлак не содержит недогоревшего углерода.
Прямым следствием названных экологических преимуществ
является возможность реализации значительно упрощенной (и менее дорогой) по
сравнению с традиционным слоевым сжиганием ТБО газоочистки. Еще одна
возможность упрощения и снижения стоимости газоочистки состоит в очистке
синтез-газа на выходе из реактора газификации (его объем составляет 1000 м3/т
отходов, что в 4-5 раз меньше объема отходящих газов при традиционном слоевом
сжигании).
|