Исследование методов утилизации твердых отходов на предприятиях нефтегазовой промышленности

Кафедра

«Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов»

Курсовая работа по дисциплине:

«Ресурсосберегающие технологии»

На тему:

" Исследование методов утилизации твердых отходов на предприятиях нефтегазовой промышленности"

Выполнил Марьенко Н.С.

Cодержание

• Введение
• 1. Характеристика промышленных отходов
• 1.1 Загрязнение окружающей среды и ее влияние на биосферу
• 1.2 Основные понятия о загрязнении окружающей среды
• 1.3 Классификация ПО
• 2. Методы утилизации ТПО
• 2.1 Сжигание
• 2.2 Сжигание твердых отходов
• 2.3 Пиролиз и газификация отходов
• 2.4 Сушка
• 2.5 Механическая обработка твердых отходов
• 2.6 Складирование и захоронение ТПО на свалках, полигонах ТБО, поверхностных хранилищах
• 2.7 Обезвреживание отходов в нефтегазовой промышленности
• Заключение
• Список литературы

На ранних этапах развития человеческого общества антропогенное воздействие на природу было незначительным. Загрязнение окружающей среды вызывались в основном природными процессами — извержением вулканов, лесными пожарами, выветриванием, эрозией почвы и т. д. Эти загрязнения имели подчас большие размеры. Более поздние природные катаклизмы вошли в историю. Например, «сухой туман», стоявший в 1783 г. в течение трех месяцев над всей Европой, явился результатом деятельности вулканов Исландии. Извержения в 1903 г. вулкана Катмай (Аляска), а в 1883 г. — Кракатау сопровождались выбросом в атмосферу огромных масс пепла. Подобные явления бывали и ранее, однако они носили обратимый характер и проходили без каких — либо серьезных последствий для человечества.

В процессе эволюции основными загрязнителями окружающей среды стали отходы бытовой деятельности общества. Постепенно с развитием некоторых отраслей индустрии, связанных с производством металлов, а также гончарных изделий, стекла, вина, поташа, мыла и др. в атмосферу локально выделялись оксиды углерода, серы и азота, пары металлов. Кроме того, бытовые загрязнения, отходы пищевых и красильных производств попадали в водоемы. С изобретением пороха потребовалось большое количество азотной и серной кислот, селитры, что привело к усиленному развитию химии. Развитие капитализма способствовало дальнейшему прогрессу металлургической, металлообрабатывающей промышленности и химической технологии при одновременной концентрации производства.

Промышленные монополии развитых стран в погоне за прибылью стали интенсифицировать и модернизировать свои производства, не заботясь о вредном воздействии на природу токсичных ПО и газовых выбросов. Появились горы шлаковых отходов, терриконы, огромные шламонакопители содового производства, нефтеперерабатывающих заводов, накопители кислого гудрона и т. д. Катастрофические размеры в свое время приняло загрязнение Рейна, Великих Американских озер и других водоемов, в которых исчезла практически вся рыба. И лишь проведение чрезвычайных мер позволило резко изменить к лучшему экологическую ситуацию. Выбросы соединений серы в атмосферу в виде кислотных дождей уничтожают окружающую среду даже в радиусе нескольких тысяч километров от загрязняющего предприятия. В настоящее время леса в центральной Европе и Канаде находятся под угрозой полного уничтожения. Гибнут лиственные и кедровые леса в промышленных районах Сибири.

В связи с этим в дальнейшем необходимо внедрение технологических процессов, дающих минимальные выбросы, при которых самоочищающаяся способность природы в достаточной степени будет препятствовать возникновению необратимых экологических изменений. Специалистами было предложено определение безотходной технологии, которое принято как основное для дальнейшего использования: «Безотходная технология —. это практическое применение знаний, методов и средств для обеспечения в рамках человеческих потребностей рационального использования природных ресурсов, энергии и защиты окружающей среды».

Под безотходной технологией понимается идеальная модель производства, которая в большинстве случаев не может быть реализована в полной мере, но с развитием технического прогресса все больше приближается к идеальной. Более конкретно под безотходной технологической системой (БТС) следует понимать такое производство, в результате деятельности которого не происходит выбросов в окружающую среду. Безотходное производство представляет совокупность организационно-технических мероприятий, технологических процессов, оборудования, материалов, обеспечивающих максимальное и комплексное использование сырья и позволяющих свести к минимуму отрицательное воздействие отходов на окружающую среду.

Безотходное производство можно характеризовать всемерно возможной утилизацией образовавшихся в прямых технологических процессах отходов. Малоотходная технология представляет собой промежуточную ступень безотходной и отличается от нее тем, что обеспечивает получение готового продукта с не полностью утилизируемыми отходами. Отходы представляют собой побочные продукты промышленного производства, выделяющиеся в процессе производства основных видов продукции и характеризующиеся определенными физико-химическими свойствами. Отходы производства и потребления, пригодные для переработки в товарную продукцию, относятся к вторичным материальным ресурсам (ВМР). Ниже — приводится расшифровка основной терминологии, используемой при рассмотрении безотходных технологий и вопросов, связанных с обработкой отходов.

Загрязнение вызывается веществами или совокупностью веществ, поступающих в окружающую среду в процессе производства от промышленного оборудования, очистных сооружений, транспортных устройств, а также из мест накопления отходов.

Рециркуляция представляет собой многократное использование отходов, а также воды, воздуха без очистки или после очистки для производственных целей.

Переработка отходов — технологическая операция или совокупность технологических операций, в результате которых из отходов производится один или несколько видов товарной продукции.

Утилизация отходов более широкое понятие, чем переработка, так как включает все виды их использования, в том числе в качестве топлива для получения тепла и энергии, а

также для полива земель в сельском хозяйстве, закладки выработанного горного пространства и т. д.

Обезвреживание отходов — технологическая операция или совокупность операций, в результате которых первичное токсичное вещество или группа веществ превращаются в нейтральные нетоксичные и неразлагающиеся соединения.

Централизованная переработка отходов представляет собой совокупность операций по сбору, транспортированию, переработке отходов на специализированном производственном участке.

Локальная переработка отходов представляет собой совокупность операций по переработке отходов, осуществляемых зоне действия производственной установки, на которой образуются отходы.

Задачи по реализации безотходной технологии вытекают из следующих положений:

наибольшая часть загрязнений окружающей среды является следствием недостаточного развития промышленной технологии;

неиспользованные отходы производства — это потери при родных ресурсов;

получение и использование вторичного сырья (отходов);

увеличением потребности в естественных материалах может стать важным источником повышения производительности общественного труда;

предпосылкой для рационализации промышленной технологии является выработка технико-экономических решений по «замкнутым» технологиям (кругооборот материалов);

единый и экономичный путь решения основных проблем;

области обмена веществ между человеком и природой должен осуществляться в масштабах государства.

Анализ отечественных и зарубежных материалов показывает, что безотходная технология может развиваться в четырех основных направлениях:

1. Создание различных видов бессточных технологических систем на базе существующих, внедряемых и перспективных способов очистки. При этом достигается резкое уменьшение потребления воды, но, как правило, образуется вторичное загрязнение в виде твердых осадков или насыщенных растворов.

твердый промышленный отход утилизация

2. Разработка и внедрение систем переработки отходов производства и потребления, которые следует рассматривать не как экологическую нагрузку, а как ВМР. Необходимо учитывать, что при эксплуатации современных систем водои газоочистки образуются твердые отходы, представляющие собой сложную концентрированную смесь загрязняющих веществ.

3. Организация принципиально новых процессов получения традиционных видов продукции, позволяющих исключить или сократить этапы переработки или технологические стадии, на которых образуется основное количество отходов.

4. Разработка и создание территориально-промышленных комплексов (ТПК) с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов внутри ТПК, имеющих минимум выбросов.

1. Характеристика промышленных отходов

1.1 Загрязнение окружающей среды и ее влияние на биосферу

С точки зрения современной науки, геофизическая оболочка Земли представляет собой ноосферу — сферу взаимодействия природы и общества, или систему — окружающая природная среда — человек — техника. Под «окружающей природной средой» или «окружающей средой» понимается совокупность естественных и измененных природных условий обитания человека и производственной деятельности общества.

В процессе бытовой и производственной деятельности человеческое общество неизбежно влияет на окружающую среду, которая немедленно или через определенный промежуток времени реагирует на это влияние и оказывает обратное положительное, а чаще отрицательное действие.

Деятельность человека все глубже проникает в биосферу — область активной жизни оболочки Земли, включающей нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые заселены живыми организмами. Толщина этой оболочки (40—50 км) ничтожно мала по сравнению с диаметром Земли, доступна для человеческой деятельности и чрезвычайно ранима. Воздействие человека на биосферу тесно связано с все возрастающими темпами научно-технического прогресса и необходимостью решения возникающих социально-экономических задач.

Использование природных ресурсов в общественном производстве сопровождается изменением их состояния и, следовательно, общественной полезности. Под состоянием природных ресурсов (или окружающей среды) понимаются потенциальные возможности человечества сохранить первоначальные качественные признаки этих ресурсов, а также их общие запасы. Качество же среды характеризуется степенью соответствия природных условий потребностям биогеоценозов участков земной поверхности с определенным составом живых и косных компонентов, динамически взаимодействующих между собой. Таким образом, ухудшить состояние ресурса — значит, снизить качество ресурса или уменьшить его количество, либо сделать то и другое одновременно.

Геохимическое воздействие человека на природу определяется тремя обстоятельствами:

синтезом множества (более миллиона) веществ, отсутствующих в естественных условиях и обладающих качествами, не свойственными природным соединениям;

2) строительством широкой сети газои нефтепроводов, шоссейных и железных дорог, что наряду со специализацией производства привело к массовому транспортированию разнообразного сырья из районов добычи в районы переработки, а также к перераспределению и рассеиванию загрязнений.

Рассеиванию загрязняющих веществ во многом способствовало и задымление атмосферы выбросами ТЭЦ, металлургических, химических, нефтеперегонных и других заводов, автомобильного и авиационного транспорта;

З) интенсификацией производства сельскохозяйственной продукции, потребовавшей массового применения удобрений, гербицидов и пестицидов, отрицательное побочное воздействие которых на окружающую среду выявилось лишь спустя длительное время.

1.2 Основные понятия о загрязнении окружающей среды

Загрязнением окружающей среды можно назвать изменение качества среды, способное вызвать отрицательные последствия. Считается, что одинаковые агенты оказывают одинаковые отрицательные воздействия независимо от их происхождения, поэтому пыль, источником которой является природное явление (например, пыльные бури), должна считаться таким же загрязняющим веществом, как и пыль, выбрасываемая промышленным предприятием, хотя последняя может быть более токсичной в силу своего сложного состава.

Вопрос о том, чем загрязняют окружающую среду, в настоящее время довольно ясен. Сейчас уже не вызывает сомнения включение в разряд загрязняющих агентов тепла, шума и т. д. В «Словаре терминов и понятий, связанных с охраной живой природы», в частности, приводятся определения раз личных видов загрязнений окружающей среды. С использованием материалов данной работы загрязнения классифицированы следующим образом:

1. Механическое — засорение среды агентами, оказывающими лишь механическое воздействие без химико-физических последствий (например, мусором);

2. Химическое — изменение химических свойств среды, оказывающих отрицательное воздействие на экосистемы и технологические устройства;

3. Физическое — изменение физических параметров среды: температурно-энергетических (тепловое или термальное), волновых (световое, шумовое, электромагнитное), радиационных (радиационное или радиоактивное) и т. д.;

3.1 Тепловое (термальное) — повышение температуры среды, главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого воздуха, отходящих газов и воды; может возникать и как вторичный результат изменения химического состава среды;

3.2 Световое — нарушение естественной освещенности местности в результате действия искусственных источников света; может приводить к аномалиям в жизни растений и животных;

3.3 Шумовое — увеличение интенсивности шума сверх природного уровня; у человека приводит к повышению утомляемости, снижению умственной активности и при достижении 90−100 дБ к постепенной потере слуха

3.4 Электромагнитное — изменение электромагнитных свойств среды (от линий электропередач, радио и телевидения, работы некоторых промышленных установок и др.) приводит к глобальным и местным географическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах;

4. Радиационное — превышение естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ;

5. Биологическое — проникание в экосистемы и технологические устройства видов животных и растений, чуждых данным сообществам и устройствам;

5.1 Биотическое — распространение определенных, как правило, нежелательных с точки зрения людей биогенных веществ (выделений, мертвых тел и др.) на территории, где они ранее не наблюдались;

5.2 Микробиологическое — появление необычайно большого количества микроорганизмов, связанное с их массовым размножением на антропогенных субстратах или в средах, измененных в ходе хозяйственной деятельности человека; приобретение ранее безвредной формой микроорганизмов патогенных свойств или способности подавлять другие организмы в сообществах.

Все перечисленные виды загрязнений взаимосвязаны, и каждый из них может явиться толчком для возникновения других видов загрязнения. В частности, химическое загрязнение атмосферы может способствовать повышению вирусной активности, а, следовательно, биологическому загрязнению.

1.3 Классификация ПО

Классификация ПО, образующихся в результате производственной деятельности человека, необходима как средство установления определенных связей между ними с целью определения оптимальных путей использования или обезвреживания отходов.

Обобщение и анализ литературных данных показывают, что классификация ПО основана на систематизации их по отраслям промышленности, возможностям переработки, агрегатному состоянию, токсичности и т. д. В каждом конкретном случае характер используемой классификации соответствует рассматриваемым аспектам складированию, очистке, переработке, захоронению ПО, предотвращению их токсичного воздействия и пр. Каждая отрасль промышленности имеет классификацию собственных отходов.

Классификация отходов возможна по разным показателям, но самым главным из них является степень опасности для человеческого здоровья. Вредными отходами, например, считаются инфекционные, токсичные и радиоактивные. Их сбор и ликвидация регламентируются специальными санитарными правилами.

Все ПО принято делить на четыре класса опасности:

Класс Характеристика вещества (отходов)

Первый чрезвычайно опасные

Второй высоко опасные

Третий умеренно опасные малоопасные

Четвертый малоопасные

Приведенная ниже схема классифицирует отходы по сфере их использования (рис.1).

Отходы могут быть использованы до или после обработки. На используемость влияет не только их качество, но и количество в данном месте, а также местные условия. По состоянию различаются отходы твердые, жидкие и газообразные. По месту возникновения отходы подразделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные. По составу основным показателем можно считать происхождение отходов — органическое и неорганическое, а также сжигаемые отходы или нет. Особую группу представляют собой отходы в виде энергии, называемые энергетическими (тепло, шум, радио активное излучение и т. п.).

Отходы возникают как в результате производственной деятельности, так и при потреблении. В соответствии с этим они подразделяются на отходы производства и отходы потребления.

Отходами производства следует считать остатки сырья, материалов или полуфабрикатов, образовавшиеся при изготовлении продукции и полностью или частично утратившие свои потребительские свойства, а также продукты физико-химической или механической переработки сырья, получение которых не являлось целью производственного процесса и которые в дальнейшем могут быть использованы в народном хозяйстве как готовая продукция после соответствующей об работки или в качестве сырья для переработки.

В процессе производства образуются сточные воды и их осадки, дымовые газы, тепловые выбросы и т. п.

Отходами потребления считаются различного рода изделия, комплектующие детали и материалы, которые по тем или иным причинам не пригодны для дальнейшего использования. Эти отходы можно разделить на отходы промышленного и бытового потребления. К первым относятся, например, металлолом, вышедшее из строя оборудование, изделия технического назначения из резины, пластмасс, стекла и др. Бытовыми отходами (БО) являются пищевые отходы, изношенные изделия бытового назначения (одежда, обувь и пр.), различного рода использованные изделия (упаковки, стеклянная и другие виды тары), бытовые сточные воды и др.

Все виды отходов производства и потребления по возможности использования можно разделить, с одной стороны, на вторичные материальные ресурсы (ВМР), которые уже перерабатываются или переработка которых планируется, и, с другой стороны, на отходы, которые на данном этапе развития экономики перерабатывать нецелесообразно и которые неизбежно образуют безвозвратные потери.

В России была предложена следующая классификация ПО:

1 — гальваношламы и осадки, отходы реагентов и химреактивов, содержащие хром, никель, медь, кобальт, цинк, свинец, кислые и щелочные отходы химических производств, вещества неорганического характера;

2 — осадки сточных вод, включающие в себя канализационные, водопроводные и, отдельной подгруппой, нефтесодержащие промышленные осадки, образующиеся на локальных и очистных сооружениях производственных зон;

3 — нефтеотходы и нефтешламы, легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ), смазочные охлаждающие жидкости (СОЖ), кубовые остатки, отходы лакокрасочной промышленности;

4 — отходы пластмасс, полимеров, синтетических волокон, нетканых синтетических материалов и композиций на их основе;

5 — отходы резинотехнических изделий, вулканизаторов и т. д.;

6 — древесные отходы;

7 — отходы бумаги;

8 — отходы черных и цветных металлов, легированных сталей;

9 — шлаки, зола, пыли (кроме металлической);

10 — пищевые отходы (отходы пищевой, мясомолочной и других отраслей промышленности);

11 — отходы легкой промышленности;

12 — стекло;

13 — отходы стройиндустрии.

2. Методы утилизации ТПО

2.1 Сжигание

Сжигание — наиболее распространенный способ термического обезвреживания ТПО. Сжигание осуществляется в печах и топках различных конструкций.

Промышленные печи — это технологические или энерготехнологические агрегаты, в которых тепло сожженного твердого, жидкого или газообразного топлива или нагрев, производимый электрическим током, используются для технологических либо отопительных целей. Топка представляет собой устройство для сжигания топлива в печах и паровых котлах и является одним из элементов печи. Поскольку сжигание отходов не всегда сопровождается утилизацией тепла, следует различать термины «печь» и «топка». Например, барабанная установка или установка с кипящим слоем автотермического сгорания отходов с последующей утилизацией тепла в строгом смысле являются топками. Однако в них может осуществляться технологический процесс обезвреживания негорючих и токсичных отходов и тогда, в смысле воздействия на материал, они являются печами.

В основу классификации топочных устройств для сжигания отходов положены признаки аэродинамического характера как наиболее важные, так как ими определяется подвод окислителя к реагирующей поверхности, что в наибольшей мере влияет на удельную теплопроизводительность и экономичность топочного процесса. В этой связи различают топки слоевые — для сжигания кускового топлива, например неизмельченных твердых бытовых отходов (ТВО), и камерные (техническая характеристика которых представлена в таблице 1) — для сжигания газообразных и жидких отходов, а также твердых отходов в пылевидном (или мелкодробленом) состоянии. Комбинированный способ сжигания реализуется в факельно-слоевых топках. Особое место в этой классификации занимают барботажные и турбобарботажные топки для сжигания жидких отходов. Барботажные устройства иногда по традиции называют горелками.

Слоевые топки подразделяют на топки с плотным и кипящим слоем, камерные — на факельные прямоточные и циклонные (вихревые). Слоевые топки с плотным слоем, чаще их называют просто «слоевыми топками», могут быть с колосниковой решеткой либо без нее (подовые, барабанные, много подовые и пр.).

2.2 Сжигание твердых отходов

Сжигание твердых и пастообразных отходов может осуществляться во всех перечисленных выше типах печей, за исключением барботажных и турбобарботажных. Наиболее широкое применение получили факельно-слоевые топки. Топки для слоевого сжигания, которые более других используются для сжигания твердых отходов (прежде всего ТБО и их смеси с производственным мусором), классифицированы по ряду других признаков: способам подачи и воспламенения отходов, удаления шлака и т. д. По режиму подачи отходов в слой различают топочные устройства с периодической и непрерывной загрузкой. По организации тепловой подготовки и воспламенения отходов в слое различают топки с нижним, верхним и смешанным (неограниченным) воспламенением. По способу подвода к слою топлива (отходов) существуют следующие схемы, отличающиеся сочетанием направлений газовоздушного и топливно-шлакового потоков: встречные (противоток), параллельные (прямоток), поперечные (перекрестный ток) и смешанные.

Многочисленные исследования горящего слоя топлива (методами зонометрии, надслойного газового анализа, газообразования в слое, распределения температур в слое) позволили условно разделить весь процесс в нем на три основных периода: подготовка топлива (отходов) к горению, собственно горение (окислительная и восстановительная зоны), дожигание горючих и очаговых остатков. Некоторые авторы в периоде подготовки выделяют зону сушки и зону выхода летучих.

Таблица 1. Техническая характеристика камерных печей

В зоне подготовки отходы прогреваются, из них удаляется влага, и выделяются летучие вещества, образовавшиеся в результате нагрева отходов. В кислородной зоне происходит сгорание углерода кокса с образованием диоксида и частично оксида углерода, в результате чего выделяется основное количество тепла в слое. В конце кислородной зоны наблюдается максимальная концентрация СО₂ и температура слоя. Непосредственно к кислородной зоне примыкает восстановительная зона, в которой происходит восстановление диоксида углерода, оксида углерода с потреблением известного количества тепла. Заканчивается процесс горения выжиганием озоленного кокса.

Слоевые топки получили широкое применение для сжигания твердых отходов.

Требуемые обработка и скорость движения слоя во всех зонах горения наиболее просто достигаются при использовании механических ступенчатых колосниковых, а также цепных решеток. В большинстве конструкций шуровка и передвижение мусора происходят за счет движения ступеней наклонной решетки.

Рис. 4. Схема наклонных колосниковых решеток

а — наклонно-переталкивающая; б — обратно переталкивающая; в — опрокидывающая; г — желобкая; д — валковая

Подвижные ряды колосников каждой ступени наклонно — переталкивающей решетки (рис. 4, а) совершают одновременные возвратно-поступательные движения в направлении перемещения мусора. Частота движения, а также длина возвратно-поступательного движения колосников регулируются индивидуально для каждой ступени.

Обратно — переталкивающая и каскадная решетки относятся к группе переталкивающих с глубокой шуровкой слоя. Эти типы решеток имеют различное конструктивное оформление.0братно — переталкивающая решетка (система Мартин, рис. 4,6) набрана из чередующихся поперечных рядов подвижных и неподвижных колосников, причем подвижные ряды колосников совершают возвратно-поступательные движения навстречу спускающемуся слою. Решетка выполнена с наклоном в сторону перемещения слоя.

Каскадные решетки выполняются горизонтальными, либо с небольшим наклоном в сторону перемещения отходов, или в противоположную сторону (решетки с обратным наклоном). Перемещение отходов вдоль колосникового полотна осуществляется за счет возвратно-поступательного движения колосников, расположенных под острым углом к направлению перемещения слоя.

Рабочее полотно секторных решеток представленных на рисунке 4, составлено из подвижных колосников в форме сектора. Колосники набраны в ряды-секции. Попеременное поворотное движение отдельных колосников вокруг опорной оси, проходящей через вершины секторных колосников, обеспечивает продвижение отходов вдоль решетки.

В желобной решетке (рис. 4, г) регулируются только число и длина ходов. Все решетки, кроме ступенчатой опрокидывающей с гидравлическим приводом, имеют механические приводы.

Шуровка и продвижение слоя осуществляются как движением частей колосниковой решетки, так и разделением всего полотна решетки на части, расположенные уступом, в местах перехода зоны подготовки к сжиганию в зону сжигания, и зоны сжигания в зону дожигания. Такое разделение обеспечивает интенсивное перемешивание мусора, но вызывает повышенный унос золы. Первую часть расчлененной решетки называют подсушивающей, вторую — главной, третью — дожигательной. На рисунке 4, д показана схема наиболее распространенной валковой колосниковой решетки.

Дожигание может осуществляться на ступенчатой колосниковой решетке, в дожигательном барабане или в шлаковом генераторе. Схема мусоросжигательного завода со ступенчатой колосниковой решеткой показана на рис. 5.

Подлежащие сжиганию отходы специализированным автотранспортом привозят на завод и разгружают в приемный бункер 1, откуда грейфером 2 подают в загрузочный бункер З камерной печи б. Печь оборудована ступенчато расположенными подвижными колосниками 4, под которые воздуходувкой 5 подается воздух, необходимый для процесса горения. Жидкие горючие отходы могут впрыскиваться в печь форсункой 7. Дымовые газы отдают тепло в котле 8, очищаются в электрофильтре 10 и при помощи дымососа 11 выбрасываются в атмосферу через трубу 12.

Шлак, перемещающийся с колосниковой решетки, охлаждается водой и направляется на складирование транспортирующим устройством 9. Тепло, выработанное в котле, может использоваться непосредственно в виде пара или расходоваться на производство электроэнергии.

Многоподовые печи (рис.6) получили широкое распространение во многих странах для сжигания отходов. Печь состоит из цилиндрического стального корпуса 1, футерованного огнеупором, с поэтажно расположенными подами 2. По оси печи располагается охлаждаемый воздухом полый вал З с гребковыми лопастями 4. Вал приводится во вращение от расположенного внизу электропривода 5 и передаточного механизма б. Гребковые лопасти, так же как и вал, выполняются пустотелыми. Через них в процессе работы подается воздух для охлаждения металлических поверхностей. Влажный продукт перемещается гребковыми лопастями сверху вниз от пода к поду навстречу дымовым газам. За счет тепла идущих в противотоке дымовых газов происходит подсушивание отходов, а затем их воспламенение, для чего дополнительно используют горючий газ. Зола, выходящая из патрубка 8, обычно гасится водой, которая затем направляется в отвал.

Рис. 6. Поперечное сечение многоподовой печи

1 — корпус; 2 — под; З — воздухоохлаждаемый полый вал; 4 — гребковые лопасти; 5 — электропривод; б — передаточный механизм; 7 — люк; 8 — патрубок

Барабанные печи — основной вид теплоэнергетического оборудования, которое применяется для централизованного сжигания твердых и пастообразных ПО. Основным узлом барабанной печи (рис.7) является горизонтальный цилиндрический корпус 1, покрытый огнеупорной футеровкой 2 и опирающимися бандажами 6 на ролики 7. Барабан наклонен под небольшим углом в сторону выгрузки шлака и получает движение от привода 10 через зубчатый венец 9. Во избежание продольного смещения барабана предусмотрены ролики 8.

Рисунок 5. схема мусоросжигательного завода

1 — приемный бункер; 2 — грейфер; 3 — загрузочный бункер; 4 — колосники; 5 — воздуходувка; 6 — камерная печь; 7 — форсунка; 8 — паровой котел; 9 — транспортирующее устройство; 10 — электрофильтр; 11 — дымосос; 12 — труба

Твердые и пастообразные отходы подаются в корпус печи с ее торца в направлении стрелок А. В случае необходимости дополнительное топливо или жидкие горючие отходы (растворители) распыливаются через форсунку (стрелка Д), повышая температуру внутри печи. В зоне 12 поступивший материал, перемешиваясь при вращении печи, подсушивается, частично газифицируется и перемещается в зону горения 13.

Рис. 7. Схема барабанной печи

А — загрузка отходов; С — дымовые газы; В — выгрузка золы (шлака); Д — дополнительное топливо; Е — воздух; Г — тепловое излучение; 1 — корпус барабанной печи; 2 — футеровка; З — разгрузочный торец; 4присоединительные сегменты; 5 — вентилятор; б — бандажи; 7 — ролики опорные: 8 ролики боковые; 9 — зубчатый венец; 10 — привод; 11 — зона испарения воды; 12 — отходы; 13 — зона горения; 14 — зола (шлак)

Излучение от пламени в этой зоне раскаляет футеровку печи и способствует выгоранию органической части отходов и подсушке вновь поступившего материала. Образовавшийся в зоне 14 шлак перемещается к противоположному торцу печи в направлении стрелки В, где падает в устройство для мокрого или сухого гашения золы и шлака.

Газы, покидающие печь, могут содержать несгоревшие примеси, поэтому обычно после барабанной печи в схеме установки (рис.8) предусматривается камера дожигания для очистки отходящих газов предусматриваются скрубберы или электрофильтры.

Печи с псевдоожиженным (кипящим) слоем. Применение кипящего слоя при газификации топлива в черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтегазовой и других отраслях промышленности позволило резко интенсифицировать ряд технологических процессов. Этот метод получил широкое распространение и для термического обезвреживания ПО.

В печах с кипящим слоем продукт переходит во взвешенное состояние в камере сгорания потоком воздуха, проходящим через слой сыпучего (порошкообразного или дробленого) материала, не перемещаясь по направлению этого потока.

Скорость газового потока должна быть достаточной для того, чтобы частицы находились во взвешенном состоянии и вихревом турбулентном движении, напоминающем поток кипящей жидкости.

Рис. 8. Установка с барабанной печью

1 — очистка газов; 2 — труба; З — камера дожигания; 4 — барабан; 5 — подача отходов; б — шлак

В нагретом кипящем слое происходит интенсивный теплообмен между частицами и газом. Теплопередача в кипящем слое в 4 раза выше, чем в неподвижном.

На рис. 9 показана принципиальная схема печи с кипящим слоем. Вертикальный корпус печи З, футерованный огнеупорным кирпичом, имеет внизу газораспределительную решетку 8 провального или беспровального типа. В процессе работы печи под решетку подается псевдоожижающий газ, обычно воздух. Воздух приводит во взвешенное состояние зернистую загрузку, которая распределяется на плотную фазу слоя 1 и разбавленную фазу 2.

Сверху на загрузку через форсунки или дозаторы подаются отходы. Горение осуществляется в камере 5. Вода, попадающая в кипящий слой, почти мгновенно испаряется. Турбулизованная раскаленная поверхность кипящего слоя с движущимися во всех направлениях твердыми частицами не дает образовываться крупным сферическим каплям, мгновенно разрушает их до мельчайших капель, что значительно увеличивает суммарную поверхность испарения. Наличие крупных частиц или слипшихся агломератов шлама создает условия для частичного горения отходов, например нефтеотходов внутри слоя, так как они тонут в слое. Среднее время существования крупных частиц составляет около 30 мин. Дымовые газы, содержащие минеральные механические примеси, очищаются в циклоне б. Выгрузка пыли производится шнеком 7.

Рис. 9. Схема работы печи с псевдоожиженном слоем

1 — плотная фаза ожиженного слоя; 2 — разбавленная фаза ожиженного слоя; З — лечь; 4 — распыленный загруженный материал; б — камера; б — циклонный сепаратор; 7 — труба для возврата материала; 8 — газораспределилительная решетка

Печи кипящего слоя менее универсальны, чем барабанные и многоподовые и требуют особых условий работы, кроме того, эксплуатация печей с кипящим слоем на нефтеперерабатывающих предприятиях привела к отрицательным результатам. Главный недостаток состоял в том, что предварительно подогретый до 600 °C слой песка периодически остывал до 400 — 450 °C. При такой температуре в слое песка горение прекращалось, шли процессы крекинга и коксования, т. е. газификация шлама, что приводило к образованию коксовых агломератов и закупориванию кипящего слоя. В то же время при правильном выборе объекта обезвреживания и соблюдении технологических режимов печи кипящего слоя работают надежно и эффективно.

2.3 Пиролиз и газификация отходов

Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода. Характеризуется протеканием реакций взаимодействия и уплотнения остаточных фрагментов, исходных молекул, в результате чего происходит расщепление органической массы, рекомбинация продуктов расщепления с получением термодинамически стабильных веществ: твердого остатка, смолы, газа. Применяя термин «пиролиз» к термическому преобразованию органического материала, подразумевают не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса взаимно связаны и протекают одновременно с тем лишь различием, что каждая из них преобладает в определенном интервале температуры или времени.

Общую схему пиролиза можно представить следующим образом: твердые отходы + Q — > твердый остаток + жидкие продукты + газы + Qi (где Q — дополнительное тепло, Qi — вторичное тепло).

Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газификации. Газификация является термохимическим высоко температурным процессом взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими агентами, в результате чего органическая часть или продукты ее термической переработки обращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов применяется воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода, а так же их смеси.

Процессы пиролиза отходов получили большее распространение, чем газификация. Пиролизу подвергаются твердые отходы, отходы пластмасс, резины (в том числе, автомобильные покрышки), другие органические отходы.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению с сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании отходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпературного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый остаток можно использовать или в промышленности (сажа, активированный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными. В настоящее время известно более 50 систем по пиролизу отходов, отличающихся друг от друга видом исходного сырья (отходов), температурой процесса и конструктивными решениями технологической схемы переработки сырья. В основу классификации пиролизных установок положен температурный уровень процесса, так как именно температура в реакторе определяет выход и качество продуктов пиролиза отходов того или иного состава. Высокотемпературный пиролиз по сравнению с другими методами имеет ряд преимуществ: при нем происходит более интенсивное преобразование исходного продукта; скорость реакций возрастает с экспоненциальным увеличением температуры, в то время как тепловые потери возрастают линейно; увеличивается время теплового воздействия на отходы; происходит более полный выход летучих продуктов; сокращается количество остатка после окончания процесса. Примером низкотемпературного пиролиза может служить метод термической обработки твердых отходов Лавдгард, который осуществляется во вращающейся печи при недостаточном доступе кислорода, при этом часть горючих составляющих сгорает.

Доставленные на установку производительностью 35 т/сут отходы по двум виброжелобам направляются в дробилку, а затем в бункер, откуда их можно непрерывно подавать во вращающуюся печь. Эта печь изнутри футерована огнестойким материалом и установлена с небольшим наклоном, благодаря чему измельченные отходы в ней легко перемещаются, при этом часть горючих составляющих сгорает. Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по отношению к обогревающим газам. Процесс эндотермичен, и для его осуществления подводится дополнительное топливо.

Остаток от сгорания твердых отходов попадает в находящуюся в конце печи ванну для гашения, питаемую водой из установки для очистки отходящих газов. Затем шлак направляется на флотационную установку, после которой отделенные легкие компоненты в виде угольного шлама вытекают, сгущаются и фильтруются перед вывозом, тогда как тяжелые составные части поступают на магнитный сепаратор. Освобожденный от железа остаток представляет собой стеклосодержащее темное вещество. Отходящие от печи газы полностью сгорают в камере с огнеупорной футеровкой, в которую подается воздух. Тепло используется для производства пара. Газ попадает в скруббер, а оттуда через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу (рис.10).

Рис. 24. Технологическая схема Ландгарт

1 — приемный бункер; 2 — дробилка грубого дробления; З — бункер для дробленых отходов; 4 — вращающаяся печь (реактор); 5 — шлаковал ванна; б — магнитный сепаратор; 7 — камера сжигания газа; 8 — парогенератор; 9 — скруббер; 10 — дымосос; 11 — дымовая труба; 12 — очистка воды

2.4 Сушка

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердого или пастообразного материала путем испарения со держащейся в нем жидкости за счет подведенного к материалу тепла. Это термический процесс, требующий значительных затрат тепла.

Сушка широко применяется в нефтегазовой, химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также найти применение при обработке ПО, которые необходимо подготовить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы), а также при обработке некоторых отходов нефтехимической, химической и других отраслей промышленности. Сушка осуществляется конвективным, контактным, радиационным и комбинированными способами.

Метод сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических показателей. Процесс сушки осуществляется за счет тепловой энергии, вырабатываемой в генераторе тепла. Генератором тепла могут служить паровые или газовые калориферные, топки, работающие на твердом, жидком или газообразном топливе, инфракрасные излучатели и генераторы электрического тока. Выбор генератора тепла обычно определяется схемой и методом сушки, физическими свойствами высушиваемого материала и требуемым режимом сушки. При возможности целесообразно использовать тепло отходящих газов или отработанного пара, при этом одновременно утилизируются тепловые отходы.

По технологическим признакам сушилки можно классифицировать следующим образом:

по давлению (атмосферные и вакуумные);

по периодичности процесса (периодического, полунепрерывного и непрерывного действия);

по способу подвода тепла (конвективные, контактные, радиционные и сушилки с нагревом материала токами высокой частоты);

по роду сушильного агента (воздушные, газовые и сушилки на перегретом или. насыщенном паре);

по направлению движения материала и теплоносителя (прямоточные, противоточные и перекрестного тока);

по тепловой схеме (калориферные, с дополнительным внутренним обогревом, с рециркуляцией части отработанного воздуха, со ступенчатым подогревом и комбинированные, на пример, со ступенчатым подогревом и рециркуляцией);

по способу обслуживания (с ручным обслуживанием и механизированные);

по способу нагрева (с паровыми, огневыми воздухоподогревателями, путем смешения С продуктами сгорания, с электронагревом;

по циркуляции теплоносителя (с естественной, искусственной циркуляцией, однократной и многократной циркуляцией).

Типовые конструкции сушилок следующие: шкафные, камерные, туннельные, шахтные, ленточные, барабанные, вальцевые (контактные), пневматические, распыливающие, с кипящим слоем, вибрационные.

Конвективная сушка воздухом или газом является наиболее распространенной. В воздушной сушке, так же как и в газовой, тепло передается от теплоносителя непосредственно высушиваемому веществу. для получения материала необходимого качества особое внимание должно уделяться технологическому режиму сушки, правильному выбору параметров теплоносителя и режиму процесса (выбор оптимальной температуры нагрева материала, его влажности и т. д. Оптимальный режим сушки, влияющий на технологические свойства материала, зависит от связи влаги с материалом. Физическая сущность сушильного процесса заключается в следующем: движущей силой процесса удаления влаги из материала является разность парциальных давлений паров над материалом и в окружающей среде (воздушной или газовой). При P= 0 наступает равновесие, и сушка прекращается. По мере удаления влаги с поверхности материала за счет разности концентрации вkаги внутри материала и на его поверхности, про исходит движение влаги к поверхности путем диффузии. В некоторых случаях имеет место так называемая термодиффузия, когда движение влаги внутри материала происходит за счет уменьшения разности температур на поверхности и внутри материала. При конвективной сушке оба процесса имеют противоположное направление, а при сушке токами высокой частоты — одинаковое.

Сушка — процесс тепломассообменный. Удаление влаги с поверхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Сушка отличается от выпаривания тем, что выпаривание происходит из всей массы жидкости, при сушке же влага удаляется с поверхности высушиваемого материала. Выпаривание — более интенсивный процесс, чем сушка, однако не все материалы можно подвергать выпариванию. Так, влага из твердых материалов удаляется только тепловой сушкой.

При сушке некоторых материалов до низкой конечной влажности тепло расходуется не только на подогрев материала и испарение влаги из него, но и на преодоление связи влаги с материалом. В большинстве случаев при сушке удаляется водяной пар, однако в нефтегазовой, химической промышленности иногда приходится удалять пары органических растворителей. Независимо от того, какая жидкость будет испаряться, закономерности процесса те же.

Критериями выбора основных типов сушилок для обработки ТО и ПО являются их исходные свойства (консистенция, влажность, гранулометрический состав, токсичность, пожаровзровоопасность и т. д.), требования, предъявляемые к конечному продукту (физико-химические и механические свойства), вопросы технологии, стоимостные показатели.

Основные типы сушилок, которые могут применяться в технологии обработки твердых и промышленных отходов: — барабанные сушилки;

сушилки с кипящим слоем;

распылительные сушилки.

2.5 Механическая обработка твердых отходов

Измельчение отходов для тех промышленных отходов, утилизация которых не связана с необходимостью проведения фазовых превращений или воздействия химических реагентов, но которые не могут быть использованы непосредственно, применяются два вида механической обработки: измельчение или компактирование (прессование). Это в равной степени относится к отходам как органического, так и неорганического происхождения.

После измельчения, за которым может следовать фракционирование, отходы превращаются в продукты, готовые для дальнейшего использования. Твердый материал можно разрушить и измельчить до частиц желаемого размера раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, резанием, распиливанием, истиранием и различными комбинациями этих способов.

Классификация основного оборудования для измельчения твердых продуктов следующая:

измельчители раскалывающего и разламывающего действия — щековые, конусные, зубовалковые и другие дробилки;

измельчители раздавливающего действия — гладковалковые дробилки, ролико-кольцевые, вертикальные, горизонтальные и другие мельницы;

измельчители истирающе-раздавливающего действия — гнерковые измельчители, бегуны, катково-тарельчатые, шаро-кольцевые, бисерные и другие мельницы;

измельчители ударного действия — молотковые измельчители, бильные, шахтные мельницы, дезинтеграторы и дисмебраторы, центробежные, барабанные, газоструйные мельницы;

ударно-истирающие и. коллоидные измельчители — вибрационные, планетарные, виброкавитационные и прочие мельницы; реактроны;

прочие измельчители (пуансоны, пилы и т. д.).

По размеру кусков исходного сырья и конечного продукта измельчение условно делят на несколько классов, исходя из которых выбирают измельчающее оборудование. Приблизительная характеристика принятой классификации измельчения приведена в таблице 2.

Таблица 1. Классификация методов измельчения

2.6 Складирование и захоронение ТПО на свалках, полигонах ТБО, поверхностных хранилищах

До середины 1980 г. ввиду отсутствия эффективных средств обработки и утилизации большого числа ТПО были широко распространены методы их складирования на городских свалках вместе с ТБО или на специализированных свалках ПО, в большинстве случаев имевших примитивное устройство. Так, вблизи одного из городов долгое время функционировала свалка преимущественно для жидких и твердых органических отходов местных предприятий. Отходы в илососах и контейнерах привозились и сливались в отрытые в лесу котлованы. По мере накопления в них горючих веществ содержимое поджигалось и долго горело с выделением черного дыма. Из-за загрязнения атмосферы и почвы в радиусе сотен метров все деревья погибали.

В настоящее время такой метод складирования и обезвреживания отходов запрещен. Примитивные мусорные свалки заменяются на организованные полигоны ТБО.

Отходы складируют на грунт с соблюдением условий, обеспечивающих защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующих распространению болезнетворных микроорганизмов. На полигонах производится уплотнение ТО и ТБО, позволяющее увеличить на грузку отходов на единицу площади, обеспечивая тем самым экономное использование земельных участков. После закрытия полигонов поверхность земли рекультивируется для последующего использования земельного участка. Все работы на полигонах по складированию, уплотнению, изоляции ТО и ТБО и последующей рекультивации участка полностью механизированы. Предельное количество токсичных ПО, допускаемое для складирования на полигонах ТВО, нормируется специальными документами. Основное условие приема ТПО на полигоны ТБО — соблюдение санитарно-гигиенических требований по охране атмосферного воздуха, почвы, грунтовых и поверхностных вод. Главными критериями приема токсичных ПО на полигоны ТБО являются состав фильтрата при рН = 5−10, температуре 10 — 40 °C, способность к самовозгоранию, выделению ядовитых газов, интенсивному пылению. ТПО, допускаемые для совместного складирования с ТБО, должны отвечать технологическим условиям: иметь влажность не более 85%, не быть взрывоопасными, самовоспламеняющимися, самовозгорающимися. Не допускаются для совместного складирования ПО, температура самовоспламенения которых менее 120, а также все отходы, способные к самовозгоранию за счет химических реакций в толще складируемой массы. ПО, допускаемые на полигон, не должны выделять пары и газы, дающие взрывоопасные или ядовитые смеси с воздухом и газами полигонов.

ПО 4 класса опасности принимаются на полигоны ТБО без ограничений в количественном и качественном отношениях. Куски крупнее 250 мм укладывают в толщу рабочего слоя ТБО, а отходы, имеющие фракционный состав 0,15 — 250 мм, содержащие вредные вещества в допустимых пределах, используются в качестве изолирующего слоя. Эти отходы характеризуются содержанием токсичных веществ в водной вытяжке (1 л воды на 1 кг отходов) на уровне фильтрата из ТБО, а интегрирующие показатели БПК20 и ХПК составляют не более 300 мг/л О2.

ПО 4 — 3 классов опасности, принимаемые в ограничен ном количестве (не более 30% массы ТБО) и складируемые совместно с бытовыми, характеризуются содержанием в водной вытяжке токсичных веществ на уровне фильтрата из ТБО и значениями ВПК2О и ХПК — 4000 — 5000мг/л 02 (близки по показателям к фильтрату из ТБО).

Слой захораниваемых на свалках ТБО и ПО достигает обычно большой толщины. После исчерпания возможности складирования свалки засыпают землей, но в толще отходов в течение десятков лет идут биологические процессы анаэробного сбраживания органической части отходов с выделением биогаза. На местах бывших крупных свалок в ряде случаев считается экономичным наладить промышленную добычу биогаза.