способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов

Формула изобретения

Способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов в печи Ванюкова с шлаковым расплавом, включающий подачу шихты и кислородсодержащего газа через фурмы в шлаковый расплав и плавку шихты с образованием шлака с температурой 1250-1400°С, отличающийся тем, что его осуществляют в печи, выполненной с возможностью изменения высоты расположения фурм, при этом высоту расположения оси фурм от подины печи увеличивают с увеличением низшей рабочей теплотворной способности шихты, а значение отношения интенсивности дутья кислородсодержащего газа (нм³/ч на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживают в пределах 0,07-0,12 с обеспечением степени выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке на уровне 0,1-0,15%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пирометаллургии - способам переработки материалов (отходов, промпродуктов), содержащих различные металлы (свинец, цинк, олово и др.) и углерод, в печах с шлаковым расплавом, а также может быть использовано для переработки отходов других отраслей, например жилищно-коммунального хозяйства (твердые бытовые отходы), химического и нефтехимического производства (горючие отходы), военно-промышленного комплекса и др.

Известны пирометаллургические способы - аналоги: процесс плавки в жидкой ванне - ПЖВ (Лакерник М.М. и др. Переработка шлаков цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1977, с.159 и Ванюков А.В. и др. Плавка в жидкой ванне. - М.: Металлургия, 1988, с.208). Эти способы включают загрузку перерабатываемых материалов, содержащих свинец, цинк и др. металлы, в кессонированные печи шахтного типа, их плавку в барботируемой ванне расплава, выпуск расплава и отвод газопылевозгонов из печи. Процесс ведется при температуре расплава 1100-1200°С. Недостатками этих способов являются большие энергозатраты - при ПЖВ расходы технологического кислорода; невысокое качество целевого товарного продукта (пылевозгонов); низкие коэффициенты теплоиспользования от дожигания отходящих газов; неработоспособность дутьевых устройств без обогащения дутья кислородом на печах ПЖВ и др.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов в печи Ванюкова с шлаковым расплавом, включающий подачу шихты и кислородсодержащего газа через фурмы в шлаковый расплав и плавку шихты с образованием шлака с температурой 1250-1400°С (RU 2079778, кл. F23С 5/00, 1997).

Известный способ предусматривает загрузку этих отходов в печь Ванюкова с шлаковым расплавом совместно с углеродсодержащим топливом, в качестве которого используют углеродсодержащие твердые отходы или биогаз полигонов твердых бытовых отходов, в расплавленную шлаковую ванну и продувку кислородсодержащим газом в смеси с газом-разбавителем, имеющим минимальное содержание или не содержащим примесей азота и его соединений, через фурмы с определенной интенсивностью дутья, и плавку шихты с образованием шлака с температурой 1250-1400°С. Недостатками известного способа является невозможность достижения постоянства температуры и необходимого фазового состава шлака в объеме печи, обеспечивающих экологическую безопасность получаемых жидких и газообразных продуктов переработки и эффективность их последующей утилизации.

Задачей изобретения является достижение экологической безопасности получаемых жидких и газообразных продуктов переработки для их дальнейшего использования в жизни людей, а также максимально низкого недожога горючих компонентов шихты для максимальной утилизации энергии перерабатываемых отходов.

Технический результат достигается тем, что способ термической переработки твердых бытовых и промышленных отходов в печи Ванюкова с шлаковым расплавом, включающий подачу шихты и кислородсодержащего газа через фурмы в шлаковый расплав и плавку шихты с образованием шлака с температурой 1250-1400°С, осуществляют в печи, выполненной с возможностью изменения высоты расположения фурм, при этом высоту расположения оси фурм от подины печи увеличивают с увеличением низшей рабочей теплотворной способности шихты, а значение отношения интенсивности дутья (нм³/час на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживают в пределах 0,07-0,12, с обеспечением степени выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке на уровне 0,1-0,15%.

Указанные выше отличительные признаки диктуются следующим.

Твердые бытовые отходы по своему составу (горючим составляющим - углероду, водороду) обеспечивают плавку (переработку) за счет собственной теплотворной способности при соответствующем обогащении кислородом дутья (т.е. достигается автогенный режим). При добавлении к твердым бытовым отходам промышленных отходов, не обладающих теплотворной способностью, но содержащих цветные и др. металлы (их подшихтовка проводится с точки зрения как утилизации, так и повышения экономичности процесса за счет извлечения ценных металлов в товарный продукт), процесс переработки требует введения в плавильный агрегат (в ванну шлакового расплава) дополнительного топлива (газового, твердого или жидкого).

Как показывают исследования, основные оксиды азота и серы образуются из газовых агентов (дутья) и топлива (природного газа - содержание до 1% H₂S, угля и мазута до 3% S и более), а из форм этих элементов в самих отходах образование и выделение в газовую фазу оксидов NO_x и SО₂ имеют менее выраженный характер. Поэтому более целесообразным направлением в повышении экологических показателей в рассматриваемом отношении (сокращение вредных выбросов) следует считать устранение причин (факторов) загрязнения отходящих газов, исходящих из дутья дополнительного топлива и подсосов воздуха в рабочий объем плавильного агрегата.

В существующих способах переработки отходов в барботируемой шлаковой ванне (в том числе в печах Ванюкова (ПВ)) продувку расплава повсеместно проводят воздухо-кислородной смесью, при этом регулирование и фиксацию значения - необходимого для процесса степени обогащения дутья кислородом - проводят путем увеличения или уменьшения расхода воздуха как газа-разбавителя. Наличие большого содержания азота в подаваемом воздухе при обычных температурах процесса 1250-1450°С приводит к образованию вредных веществ оксидов азота в отходящих технологических газах, очистка от которых требует больших капитальных и эксплуатационных затрат и не всегда эффективна. Замена воздуха на газы или пары, не содержащие азота (например, углекислый газ, водяной пар), позволяет решить эту проблему на стадии плавления отходов (в голове процесса). В этом же направлении действует разрежение в газовом рабочем объеме (т.е. свободном пространстве над ванной шлакового расплава) плавильного агрегата (обычно печи ПВ работают при разрежении до -30-50 Па и более): чем меньше разрежение, тем меньше подсосы окружающего воздуха (азота) в печное пространство с высокими температурами и тем, следовательно, меньше возможности загрязнения отходящих газов оксидами азота.

Переработка различных отходов в печи Ванюкова с шлаковым расплавом и в первую очередь углеродсодержащих горючих бытовых и промышленных отходов имеет целый ряд преимуществ перед остальными способами переработки. Основными достоинствами такой переработки являются:

1. Полная экологическая безопасность процесса переработки в связи с невозможностью образования в печи первичных и вторичных высокотоксичных органических соединений - диоксинов, фуранов и т.п.

2. Минимальная степень химического недожога горючих компонентов перерабатываемой шихты, несмотря на то, что такие отходы являются, по существу, некондиционным топливом с низкой теплотворной способностью. Это объясняется высокой окислительной активностью эмульсионного высокотемпературного шлакового расплава, продуваемого газообразным окислителем с содержанием кислорода не менее 40%.

3. Легкое регулирование минерального состава, образующегося в результате переработки отходов шлака за счет возможности подачи непосредственно в печь флюсующих материалов, в результате чего может быть получен шлак требуемого для использования в стройиндустрии, в том числе и в цементной промышленности химического и фазового состава.

4. Возможность достижения экологической безопасности получаемых газообразных и жидких продуктов для дальнейшего использования их в жизни людей, а также максимально низкого недожога горючих компонентов шихты для максимальной утилизации энергии перерабатываемых отходов целесообразно в получаемом шлаке иметь минимальное содержание углерода.

Однако для получения необходимого фазового состава шлака для его дальнейшей утилизации, в частности в цементной промышленности, а также для выделения металлов в виде донной фазы и/или возгонов необходимо не допускать перенасыщения шлака кислородом, что может быть обеспечено за счет наличия в шлаке остаточного содержания углерода.

Из практики работы печей Ванюкова, использующих для поддержания холостого хода печи в периоды горячих простоев твердое углеродистое топливо, известно, что остаточное содержание углерода в шлаке для поддержания его жидкотекучести без переокисления, с одной стороны, и при обеспечения минимального недожога не более 4% - с другой стороны, должно поддерживаться в диапазоне 0,1-0,15%.

Специальными исследованиями было установлено, что поддержание остаточного содержания углерода в выпускаемом из печи шлаке обеспечивается регулированием одновременно двух параметров, характеризующих геометрию печи и режим ее работы в зависимости от низшей рабочей теплотворной способности перерабатываемой шихты.

Было предложено переработку твердых бытовых и промышленных отходов осуществлять в печах Ванюкова, выполненных с возможностью изменения высоты расположения фурм, при этом, как показали эксперименты, высоту расположения оси фурм от подины печи увеличивают с увеличением низшей рабочей теплотворной способности шихты, а значение отношения интенсивности дутья (нм³/час на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживают в пределах 0,07-0,12. Степень выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке при этом обеспечивается на уровне 0,1-0,15%.

Механизм такого управления остаточным содержанием углерода в шлаке предположительно заключается в следующем:

1. Изменение высоты расположения фурм

При увеличении теплотворной способности шихты для сохранения теплового напряжения рабочего пространства, отнесенного к объему шлаковой ванны расплава, при сохранении заданной производительности печи требуется увеличение объема шлакового расплава, находящегося в печи. Увеличение объема расплава достигается увеличением его высоты. Поэтому для сохранения объема шлака, находящегося выше уровня фурм, необходимо увеличение высоты их расположения по отношению к лещади.

2. Изменение интенсивности дутья

Увеличение теплотворной способности шихты при прочих равных условиях (теплового напряжения рабочего пространства, заданной производительности, объема шлака. Находящегося выше уровня фурм) требует во избежание местных перегревов реакционного объема (особенно в пристенных областях) большей равномерности распределения кислорода в надфурменном объеме, что может быть достигнуто только увеличением интенсивности дутья, отнесенной к площади сечения печи в области фурм.

Пример конкретной реализации заявляемого способа

Проверку заявляемого изобретения проводили на полупромышленной установке плавки в жидкой ванне Рязанского экспериментального завода Гинцветмета (РОЭМЗ) - печи Ванюкова, выполненной с возможностью изменения высоты расположения фурм от подины печи. Переработке подвергали различные углеродсодержащие отходы с низшей рабочей теплотворной способностью от 5330 до 16960 кДж/кг.

Высоту (Н) расположения фурм от подины печи и интенсивность дутья (I), подаваемого через фурмы, устанавливали в зависимости от значения низшей рабочей теплотворной способности перерабатываемой шихты (Q_p ^н).

Определение остаточного содержания углерода в шлаке производилось путем отбора проб шлака при выпуске его из печи, которые анализировались с помощью инфракрасной спектроскопии на газоанализаторе «Леко CS -300» с пределами обнаружения 0,0004-3,5%.

Переработке подвергали клинкер цинкового производства (Q_p ^н=5330 кДж/кг). Высота расположения фурм от подины печи составляла 960 мм; значение отношения интенсивности дутья (нм³/час на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживали в пределах 0,07-0,12. Степень выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке составила 0,1-0,15%.

При переработке твердых бытовых отходов (ТБО) с более высоким значением низшей рабочей теплотворной способности шихты (Q_p ^н=6290 кДж/кг) высота расположения оси фурм от подины печи составляла 1100 мм. Значение отношения интенсивности дутья (нм³/час на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживали в пределах 0,07-0,12. Степень выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке составила 0,1-0,15%.

При переработке некондиционных углей (Q_p ^н=16960 кДж/кг) высота расположения оси фурм от подины печи составляла 1500 мм. Значение отношения интенсивности дутья (нм³/час на 1 м² поперечного сечения печи) и низшей рабочей теплотворной способности шихты (кДж/кг) поддерживали в пределах 0,07-0,12. Степень выжигания углерода шихты до его остаточного содержания в шлаке составила 0,1-0,15%.

Результаты исследований приведены в таблице 1.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую экологическую чистоту процесса переработки, снижает эксплуатационные затраты при плавке, повышает комплексность использования отходов, при этом достигается практически безотходность производства и организуется максимально замкнутый цикл утилизации отходов, повышается возможность вовлечения в переработку самых различных промышленных (в том числе бросовых) отходов с высокой эффективностью их использования.

Таблица 1
№ Пп	Значение I/Qp	Значение H/Qp	Содержание углерода в шлаке, масс.%	Примечание
Переработка клинкера цинкового производства
1	0,05	0,18	0,25
2	0,07	0,18	0,15	Оптимальные результаты
3	0,12	0,18	0,10	Оптимальные результаты
4	0,14	0,18	0,08
5	0,1	0,06	н/о
6	0,1	0,08	0.10	Оптимальные результаты
7	0,1	0,2	0,14	Оптимальные результаты
8	0.1	0,28	0,22
Переработка твердых бытовых отходов
1	0,04	0,175	0,33
2	0,07	0,175	0,15	Оптимальные результаты
3	0,12	0,175	0,11	Оптимальные результаты
4	0,15	0,175	0,06
Переработка некондиционных углей
1	0,05	0,088	0,28
2	0,07	0,088	0,14	Оптимальные результаты
3	0,11	0,088	0.10	Оптимальные результаты
4	0,15	0,088	0,07