5.3.4.3 Сжигание-газификация в плотном слое кускового материала без принудительного перемешивания и перемещения материала
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).
Смотрите также:
Кусковое топливо (уголь, сланец) сжигают в слое. Шуровка (перемешивание) топлива на колосниковой решетке осуществляется перемещением (опрокидыванием Топки для сжигания газа и жидкого топлива по конструкции принципиально не отличаются от рассмотренной.
В начале решетки, пока слой толст, происходят подсушка топлива, его газификация и Для лучшего перемешивания газов в суживающуюся часть топочного пространства, наперерез Шахтно-цепные топки для сжигания торфа. Для сжигания кускового торфа на цепной.
Для лучшего перемешивания газ выходит из сопла под углом к движению воздуха. Котел Е-1-9Г предназначен для работы на газообразном топливе и оборудован . оборудуют топками для сжигания твердого топлива в слое на колосниковой решетке
При пылевидном сжигании в топочном объеме горит газ и коксовая составляющая пылинки. Растопку топок для сжигания пылевидного топлива обычно производят твердым кусковым топливом, сжигая его в муфелях. Водяное отопление с принудительной циркуляцией .
Для процесса газификации ТБО или их обогащенной фракции в плотном слое кускового материала с использованием в качестве газифицирующего агента паро-воздушной смеси требуется температура, по данным экспериментов, не менее 1200°С (для сравнения.
Касательная составляющая ничем не компенсируется, поэтому элементарный кольцевой слой горящей смеси смещается вдоль поверхности При сжигании газа в топливниках отопительных печей можно использовать положительный эффект раскаленных огнеупорных кирпичей.