Сжиганием называется контролируемый процесс окисления твердых, жидких или газообразных горючих отходов. При горении в основном образуются диоксид углерода, вода и зола. Сера и азот, содержащиеся в отходах, образуют при сжигании различные окси­ды, а хлор восстанавливается до НС1. Помимо газообразных про­дуктов при сжигании отходов образуются и твердые частицы - ме­таллы, стекло, шлаки и др., которые требуют дальнейшей утилиза­ции или захоронения.

За последние годы технология сжигания отходов претерпела значительные изменения, суть которых состоит в создании много­ступенчатых систем очистки продуктов сгорания, а также в утили­зации выделяющегося тепла и полезных продуктов. Это позволило существенно снизить нагрузку от сжигающих установок на окру­жающую среду, но в то же время потребовало значительных капи­тальных затрат. Тем не менее с учетом капитальных и текущих затрат технология обезвреживания отходов путем сжигания, по мнению многих специалистов, экономически более эффективна по сравнению с захоронением, требующим также значительных капи­тальных затрат на обустройство полигонов в соответствии с совре­менными инженерными требованиями, а также с учетом стоимости земель, отчужденных под полигоны, и их инфраструктуры.

Огневой способ обезвреживания и переработки отходов являет­ся наиболее универсальным, надежным и эффективным по сравне­нию с другими. Во многих случаях он является единственно воз­можным способом обезвреживания промышленных и бытовых от­ходов. Способ применяется для утилизации жидких, твердых, газо­образных и пастообразных отходов. Огневую обработку используют и для утилизации негорючих отходов. В этом случае отходы под­вергают воздействию высокотемпературных (более 1000 °С) про­дуктов сгорания топлива.

Область применения огневого способа и номенклатура отходов, подлежащих огневому обезвреживанию, постоянно расширяются. Этим способом утилизируют отходы хлорорганических произ­водств, основного органического синтеза, производства пластиче­ских масс, резины и синтетических волокон, нефтеперерабатываю­щей промышленности, лесохимии, химико-фармацевтической и микробиологической промышленности, машиностроения, радиотех­нической и приборостроительной промышленности, целлюлозно - бумажного производства и многих других отраслей промышленно­сти.

Сжиганием можно обезвредить и такие сложные с точки зре­ния утилизации отходы, как смесь органических и неорганических продуктов, а также галогенорганические отходы. Смесь органиче­ских и неорганических солей - наиболее трудный материал для сжигания, так как, как правило, содержит воду. При их сжигании молекулы органических соединений разрушаются, а неорганиче­ские соединения превращаются в оксиды и карбонаты, которые вы­водятся вместе со шлаками и золой. Мелкодисперсные частицы оксидов и карбонатов, содержащихся в топочных газах, улавлива­ются в мокрых скрубберах.

Одними из наиболее опасных отходов, основным методом пере­работки которых служит сжигание, являются галогенорганические отходы. Хлорированные органические материалы могут содержать воду и имеют низкую теплоту сгорания.

На характер процесса сжигания влияют следующие технологи­ческие параметры: температура в огневом реакторе, удельная на­грузка, рабочий объем реактора, дисперсность распыления, аэроди­намическая структура и степень турбулентности газового потока в реакторе и др.

Сжигание твердых отходов осуществляется в печах различной конструкции, основным элементом которых является колосниковая решетка, на которой, собственно, и протекает процесс. Простран­ство внутри печи разделено на несколько зон, где последовательно протекают процессы, в результате которых происходит сжигание отходов.

Процесс сжигания можно условно разделить на пять стадий, которые протекают последовательно, но могут проходить и одно­временно: сушка, газификация, воспламенение, горение и дожига­ние.

В зоне сушки влага, содержащаяся в отходах, превращается в пар. Общая потребность в энергии на этой стадии состоит из двух составляющих: энергии, необходимой для повышения температуры до 100 °С при атмосферном давлении (для подъема температуры воды с 20 до 100 °С необходимо 334 кДж/кг), и энергии, необходи­мой для превращения воды в пар (2260 кДж/кг). Температура других компонентов отходов не может превышать 100 °С до тех пор, пока вода не превратится в пар.

На следующей стадии в зоне газификации происходит превра­щение горючих веществ в летучие компоненты. Газы, проходя по топке, попадают в зону воспламенения и загораются при 250 °С. Распространение горения интенсифицируется при росте плотности и объема газового потока. После воспламенения газов дополни­тельный подвод тепла не требуется. Важно, чтобы слой сжигаемого материала был равномерным и имел нужную высоту. Обычно от­ходы засыпают в печь слоями высотой 100 - 120 см, обеспечивая равномерную плотность слоя.

В зоне сгорания температура отходов повышается. Для полного их сгорания и охлаждения колосников в этой зоне необходим под­вод достаточного количества воздуха, причем важно, чтобы отходы долго находились в зоне высоких температур. Если утилизируются сырые необработанные отходы, то период их полного сгорания со­ставляет не менее 3 ч.

В зоне дожигания происходит догорание горючих газов и ох­лаждение раскаленного шлака воздухом или водой до 250 - 350 °С. В процессе сгорания 1 т твердых отходов в среднем образуется до 4000 м3 газообразных продуктов (в пересчете на 0 °С), в которых содержится от 20 до 100 кг летучей золы.

Содержание воды, % Зольность, % . . .

5-70 10-95

Теплота сгорания, кДж/кг... 0 - 41800

Свойства твердых промышленных отходов, предназначенных для сжигания, сильно отличаются от свойств бытовых отходов сво­им составом. Последние представляют собой смесь различных ма­териалов в том виде, в каком они накапливаются в мусоросборни­ках. Промышленные отходы, как правило, представляют собой од­нородный материал, состав которого зависит от вида промышленного производства. Как правило, на сжигание должны поступать только те промышленные отходы, которые не могут быть утилизированы другими способами. Свойства и состав про­мышленных отходов могут колебаться в широких пределах:

В общем виде, когда неизвестна природа промышленных от­ходов, можно считать, что они состоят из твердых, полутвердых и жидких веществ со средней теплотой сгорания 10800; 14600; 25000 кДж/кг соответственно.

Промышленные отходы перед сжиганием должны пройти ряд подготовительных операций: дробление, гомогенизацию, дегидрата­цию и др.

Разработаны разнообразные установки для сжигания отходов. Типичная технологическая схема мусоросжигательного завода представлена на рис. 7.5.

Отходы из приемного бункера 1 грейферным захватом 2 пода­ются в загрузочный бункер 3. Сжигание в печи 6 происходит на подвижной колосниковой решетке 4. Необходимый для горения от­ходов воздух подается воздуходувкой 5 под решетку. Конструкция печи предусматривает сжигание как твердых, так и жидких отхо­дов. Для этого в печи имеются форсунки 7 для впрыскивания жид­ких отходов. Котел 8 позволяет утилизировать тепло, выделяемое при горении отходов, и получать перегретый пар. Дымовые газы проходят очистку от золы-уноса в электрофильтре 10, а затем ды­мососом 11 выбрасываются через трубу 12, высота которой рассчи­тывается с учетом снижения предельных концентраций выбрасыва­емых веществ ниже норм ПДК. Шлак, образующийся при горении отходов, после охлаждения водой удаляется транспортером 9 на склад.

Многоподовая печь

Ниже приведены параметры процесса сжигания отходов в неко­торых печах:

Температура, °С Время пребывания отходов в печи

760 - 980 0,25 - 1,5 ч

Печь с топкой кипящего слоя.... 760 - 980 Печь для сжигания жидких отходов 650 — 1650

Факельная печь...........................

Каталитическая камера сгорания

Ф'с 0,1 - 2,0 с 0,3 - 0,5 с

< 815

1,0 с Ф'с 0,75 с

815- 1650

815 - 980

Вращающаяся печь....................

815 - 980

Несколько секунд (для газов), несколько минут (для твердых отходов)

Печь сжигания в расплаве солей Многокамерная печь

538- 815

Фс — время определяется фазовым состоянием.

Установки для сжигания отходов могут быть систематизирова­ны по производительности, конструкции решетки, характеру ис­пользования продуктов сгорания, типу применяемого топлива, ви­ду сжигаемых отходов.

Конструкция колосниковой решетки играет очень важную роль, поскольку она должна обеспечивать: транспортировку отхо­дов; равномерное горение и максимальное использование всей по­верхности решетки; подвод воздуха для горения; поддержку и пе­ремещение горящих отходов.

Решетки для сжигания различаются по способу перемещения твердых отходов и бывают с неподвижным слоем (неподвижные решетки), с непрерывно двигающимся слоем (цепные решетки) и с прерывистым перемещением слоя (обратно-переталкивающие ре­шетки) .

Существуют также ротационные топки, которые пригодны для сжигания не только твердых, но и жидких отходов, ярусные топ­ки - топки цилиндрической формы, разделенные на ряд этажей и загружаемые сверху, и топки кипящего слоя.

Любая топка должна быть оснащена устройством для стабили­зации горения, которая достигается сжиганием стабилизационного топлива для прогрева топки, воспламенения отходов и при необхо­димости компенсации недостаточной теплоты сгорания отходов. Оптимально применение для этих целей газообразного топлива (природного газа или пропан-бутановой смеси), поскольку газ меньше других топлив загрязняет атмосферу и позволяет легко ре­гулировать процесс горения.

Температура в топке должна быть в интервале 800 - 1000 °С. Нижняя граница определяется необходимостью наиболее полного сгорания отходов, а верхняя - температурой плавления шлаков (850 - 1450 °С). При повышении температуры в печи до этих зна­чений происходит плавление шлака и зашлаковывание колоснико­вой решетки.

Перед очисткой топочные газы подвергаются охлаждению. Это производится одним из следующих способов: подмешиванием хо­лодного воздуха, впрыском воды, теплообменом с получением го­рячего воздуха, воды или пара.

Одной из наиболее важных проблем при сжигании отходов яв­ляется очистка дымовых газов до санитарных норм. Требования к санитарной очистке газов определяются необходимостью получе­ния в приземном слое воздуха содержания загрязняющих веществ ниже ПДК.

При сгорании твердых отходов образуется помимо летучей зо­лы значительное количество весьма токсичных веществ, таких, на­пример, как диоксины. Диоксины разрушают гормональную систе­му человека, ослабляя его иммунитет и нанося непоправимый вред репродуктивной способности. Отличительной особенностью диокси­нов является их высокая устойчивость, что приводит к накоплению этих ядов в окружающей среде. Основная масса образующихся при сжигании отходов диоксинов адсорбируется на поверхности частиц пыли. Требования к содержанию диоксинов в продуктах сгорания отходов постоянно повышаются, что стимулирует использование все более совершенных способов борьбы с их образованием и раз­работку новых приемов их поглощения.

Снизить содержание диоксинов в дымовых газах можно путем создания многоступенчатой их очистки. В частности, современные мусоросжигательные заводы используют до 10 ступеней очистки дымовых газов от токсичных газов и пыли, в том числе каталити­ческое дожигание газов, угольные адсорберы, электрические и ру­кавные фильтры, скрубберы, очистку воды после скрубберов и др.

Однако такая многоступенчатая и дорогостоящая очистка ды­мовых газов не всегда требуется. Выбор того или иного способа производится исходя из состава отходов и продуктов сгорания, производительности установки для сжигания, температуры продук­тов сгорания и других факторов.

Существующие способы очистки дымовых газов делят на сухие И мокрые. В основе сухих способов очистки лежат гравитацион­ный, центробежный, инерционный и электрический механизмы выделения твердых частиц из газового потока.

Сравнительная эффективность работы различных аппаратов сухой очистки газов от твердых частиц показана в табл. 7.1.

Таблица 7.1 Эффективность аппаратов для удаления пыли Аппарат Степень очистки газов, %, при удалении частиц размером, мм 5 2 1 Циклон 27,0 14,0 8,0 Циклон повышенной эффективности 73,0 46,0 27,0 Мультициклон 89,0 77,0 40,0 Каркасный фильтр 99,9 99,9 99,0 Электростатический осадитель 99,8 99,0 98,4

При мокрых способах очистки газов от пыли запыленный воз­дух или дымовые газы приводятся в контакт с жидкостью, как правило, с водой, которая захватывает твердые частицы и выносит их из аппарата очистки. Мокрые способы высокоэффективны, ис­пользуются при необходимости очистки от очень мелких частиц (в ряде аппаратов - с размерами менее 1 мкм). Они позволяют соче­тать очистку газов с их охлаждением. При мокрых способах проис­ходит очистка дымовых газов не только от пыли, но и от раство­ренных в воде газов и жидкостей. Как правило, при мокрых спосо­бах очистки газов используют замкнутую систему водоснабжения. Мокрые способы очистки газов реализуются в скрубберах. Наибо­лее простая конструкция аппарата мокрой очистки газов приведена на рис. 6.52.

Завершая очень краткий анализ существующих способов очист­ки дымовых газов, следует отметить, что промышленность выпу­скает достаточно большой ассортимент аппаратов как сухой, так и мокрой очистки, сравнительные характеристики которых приведе­ны в табл. 7.2.

Таблица 7.2 Характеристики газоочистиых аппаратов Аппарат Начальное содержание пыли в га­зе, кг/м Размеры от­дельных ча­стиц, мкм Степень очистки, % Гидравличе­ское сопро­тивление аппарата, кПа Пылеосадительная камера - > 100 30 - 40 - Циклон 0,4 > 10 70-95 4-7 Батарейный циклон 0,1 > 10 85-90 5-8 Рукавный фильтр 0,02 > 1 98 - 99 5-25 Центробежный скруббер 0,05 > 2 85-95 4-8 Электрофильтр 0,01 - 0,05 > 0,005 <99 1 - 2

Эти аппараты в рамках одной марки отличаются большим ко­личеством типоразмеров, позволяющих учесть производительность, запыленность, температуру, состав газов и другие характеристики процесса. Выбор и расчет установок для очистки газов достаточно подробно описан в специальной литературе.

Следует отметить, что установки обезвреживания дымовых га­зов до современных санитарных норм довольно дороги. Учитывая это, появились предложения по совместному сжиганию брикетиро­ванных твердых бытовых отходов совместно с природным топливом в котлоагрегатах ТЭЦ, что позволяет стабилизировать условия го­рения и повысить температуру в топке. Это, по мнению авторов, даст возможность снизить содержание диоксинов и фуранов в ды­мовых газах и избежать больших затрат на газоочистку.