Метод жидкофазного окисления («мокрое» сжигание, метод Циммермана) используют для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть метода состоит в окислении кислородом воздуха органических и элементоорганических примесей сточной воды при температурах 150—350 °С и давлениях 2— 28 МПа.
Метод гетерогенного катализа применяют для обезвреживания газообразных отходов (термокаталитическое окисление, термокаталитическое восстановление) и жидких отходов (парофазное каталитическое окисление).
Газификация предназначена для переработки твердых, жидких и пастообразных отходов с получением горючего газа, смолы и шлака. Газификацию осуществляют на воздушном, паровоздушном и парокислородном дутье в механизированных шахтных газогенераторах с вращающимися колосниковыми решетками и твердым шлакоудалением; в газогенераторах с псевдоожиженным слоем; в шахтных газогенераторах с фурменной подачей дутья и жидким шлакоудалением (горновой метод) [53].
Существуют следующие разновидности метода: окислительный пиролиз с последующим сжиганием пиролизных газов; сухой пиролиз.Окислительный пиролиз — это процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Окислительный пиролиз является одной из стадий процесса газификации. Газообразные продукты разложения отходов смешиваются с продуктами сгорания топлива или части отходов, поэтому на выходе из реактора они имеют низкую теплоту сгорания, но повышенную температуру. Затем смесь газов сжигают в обычных топочных устройствах. В процессе окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс), в то время как твердый остаток процесса газификации является минеральным продуктом (зола и шлак). В дальнейшем кокс можно использовать в качестве твердого топлива или в других целях.
Плазменный метод применяют для обезвреживания жидких и газообразных отходов двумя путями: плазмохимической ликвидацией особо опасных высокотоксичных отходов; плазмохимической переработкой отходов с целью получения товарных продуктов [79].
Возможность полного превращения органических и окисляющихся неорганических примесей при высоких температурах в безвредные продукты полного горения обусловливает высокую санитарно-гигиеническую эффективность огневого метода обезвреживания. Указанная возможность реализуется при обеспечении определенных режимных параметров процесса — температуры в огневом реакторе, удельной нагрузки рабочего объема реактора, дисперсности распыливания, аэродинамической структуры и степени турбулентности газового потока в реакторе и др.
Выбор технологической и тепловой схем установки огневого обезвреживания отходов, типа реактора, теплоиспользующего оборудования и аппаратов для очистки газов во многом определяется химическим составом и физическими свойствами отходов.
В зависимости от типа отхода и способа обезвреживания огневой метод подразделяют на три типа: сжигание, огневой окислительный метод, огневой восстановительный метод.На практике негорючие отходы можно перевести в горючие. Например, негорючие газообразные отходы с высокой концентрацией горючих компонентов можно превратить в горючие и обезвредить их сжиганием, проведя специальные мероприятия для повышения их адиабатической температуры горения до 1400°С (см. разд. 3.4). К таким мероприятиям относятся подмешивание к газообразным отходам горючих газов с высокой теплотой сгорания; использование в качестве дутья технического кислорода или воздуха, обогащенного кислородом; предварительный подогрев газообразного отхода и окислителя. Расчет требуемых добавок горючего газа в отходы, кислорода в дутьевой воздух, а также подогрева компонентов горения для достижения необходимой адиабатической температуры горения проводят по формуле (3.2).
От рациональной организации каждой стадии процесса огневого обезвреживания отходов зависят его технико-экономические показатели: удельная производительность; полнота обезвреживания; пылеунос из реакторов; расход топлива, охлаждающей воды и электроэнергии; затраты на сооружение реактора и установки в целом; стабильность процесса. Технико-экономические показатели установок огневого обезвреживания (себестоимость и удельные капиталовложения) зависят, кроме того, от выбора технологической схемы, системы использования теплоты отходящих газов, системы газоочистки и других факторов. Однако эффективность установки огневого обезвреживания во многом определяется эффективностью основного элемента технологической схемы — огневого реактора, которая, в свою очередь, обусловлена выбором соответствующей конструкции реактора, подбором и способом размещения на реакторе технических средств для сжигания топлива и ввода обезвреживаемых отходов.
На рис. 2.2 представлена схема печи с неподвижной ступенчатой колосниковой решеткой для сжигания твердых отходов [15]. Отходы из бункера 1 через шахту 2 попадают на наклонную или ступенчатую колосниковую решетку 8. Слой отходов 9 под действием собственного веса медленно сползает по решетке к месту выгрузки золы. Органические составляющие отходов сгорают частично в слое, а частично над слоем 5, куда дополнительно подается вторичный воздух через сопло 3. Основное количество воздуха 7 поступает под решетку. Несгорев-щие органические вещества вместе с дымовыми газами проходят огнеупорную насадку 4, предназначенную для турбулиза-ции газового потока, и дожигаются в камере 6. Золу удаляют из печи вручную. Агрегатная нагрузка печи — до 300 кг/ч.
Барабанные вращающиеся печи широко применяют за рубежом для огневого обезвреживания твердых отходов и обезвоженных осадков сточных вод.Печь (рис. 2.5) представляет собой стальной барабан, футерованный огнеупорными материалами, вращающийся с частотой 0,8—2 мин-1. Подлежащие сжиганию твердые отходы (упаковочный материал, пластмассы и др.) с помощью грейфера подают в печь через загрузочную воронку и лоток. Обычно поверхность футеровки гладкая, сжигаемый материал скользит по ней, не переворачиваясь, поэтому для эффективного выгорания органических веществ требуется барабан значительной длины, в ряде случаев 15—25 м. Тем не менее наблюдается повышенный недожог органических веществ в дымовых газах, поэтому на выходе из печи устанавливают камеру дожигания, служащую камерой осаждения золы.
Типовая схема многоподовой печи приведена на рнс. 2.7. Печь представляет собой вертикальную цилиндрическую стальную камеру, футерованную огнеупорными материалами и имеющую несколько горизонтальных огнеупорных подов, размещенных друг над другом. Обычно используют многоподовые печи диаметром от 1,5 до 9,0 м с числом подов от 4 до 14 [109]. К проходящему через всю печь центральному валу над каждым подом прикреплены радиальные мешалки — от двух до четырех на под. Каждая мешалка имеет несколько зубьев или плутов, сгребающих осадок при вращении мешалки. Осадок загружается у периферии верхнего пода, сгребается к центру и опускается во второй под. Здесь он сгребается к отверстиям на периферии, через которые попадает на следующий под. Чередующиеся (центральные и периферийные) отверстия подов и встречное движение восходящего газового потока и опускающегося осадка обеспечивают контакт между горячими дымовыми газами и загружаемым осадком, что способствует полному сжиганию отхода.
Противоточная схема движения отходов и газообразных продуктов с выпуском дымовых газов из верхней части печи при температуре, равной в большинстве случаев 350 °С, приводит к загрязнению отходящих газов органическими продуктами, содержащимися в исходных осадках [104]. Для обезвреживания органических веществ в газах необходимы дополнительные меры — либо применение катализаторов, либо установка дополнительной камеры дожигания [109].
Шахтная печь, разработанная японской фирмой «Asahi Kasei Kogyo К- K.» для огневого обезвреживания минерализованных жидких отходов [115], представляет собой вертикальный прямоточный аппарат с низкой сепарационной эффективностью. Печь совмещена с устройством для мокрой очистки газов от пыли (рис. 2.12). Грануляция стекающей со стенок печи пленки расплава солей осуществляется путем распыливания воды.
Для огневого обезвреживания газообразных и жидких отходов, содержащих только органические примеси, целесообразна подача отходов в топки паровых или водогрейных котлов [117— 120]. Это позволяет повысить КПД котлов и снизить расход топлива в котельный агрегат, если адиабатическая температура горения отходов выше 150—200 °С.
Для огневого обезвреживания жидких, твердых и пастообразных отходов применяют реакторы с псевдоожиженным слоем [13, 15, 102, 104, 109]. Основой для разработки конструкций реакторов этого типа явились соответствующие аппараты, применяемые в химической технологии. Принцип работы реакторов с псевдоожиженным слоем состоит в подаче горючих газов (воздуха) через слой инертного материала (песок с размером частиц 1 — 5 мм), поддерживаемого колосниковой решеткой. При критической скорости потока газа инертный слой переходит во взвешенное состояние, напоминающее кипящую жидкость. Поступивший в реактор отход интенсивно перемешивается с инертным слоем, при этом существенно интенсифицируется теплообмен.
На ряде предприятий образуются горючие жидкие отходы, для которых характерны высокая влажность, большое содержание механических примесей. При факельном сжигании наличие в отходах крупных твердых включений, а также волокнистых материалов приводит к частому засорению распиливающих устройств. Трудности усугубляются, если отходы обладают заиливающими свойствами. Иногда количество образующихся отходов сравнительно невелико (несколько десятков килограммов в час). В таких случаях особенно целесообразно создание по возможности недорогих и простых в эксплуатации обезвреживающих реакторов. Одним из путей огневого обезвреживания подобных жидких отходов, а также расширения диапазона веществ, которые можно уничтожать высокотемпературной обработкой,— применение реакторов, в которых реализуется барбо-тажный способ сжигания.
Наиболее эффективными и универсальными реакторами для огневого обезвреживания промышленных отходов являются циклонные реакторы. Их достоинства обусловлены, главным образом, аэродинамическими особенностями (вихревой структурой газового потока), обеспечивающими высокую интенсивность и устойчивость процесса сжигания топлива с очень малыми тепловыми потерями при минимальных избытках воздуха, а также наиболее благоприятные условия тепло- и массообмена между газовой средой и каплями (частицами) отхода вследствие больших относительных скоростей и высокой степени турбулентности. Все это позволяет создавать малогабаритные реакторы с удельными нагрузками, в десятки раз превышающими нагрузки барабанных, многоподовых, шахтных и других печей.
Реакторы огневого обезвреживания негорючих отходов отапливают, как правило, газообразным и жидким топливом. В качестве топлива могут использоваться горючие газообразные и жидкие производственные отходы.
Существенным недостатком горелок предварительного смешения является проскок пламени в смеситель, ограничивающий температуру подогрева дутья и производительность горелок ввиду опасности их разрушения. Для того чтобы избежать проскоков пламени, проектируют горелки на технологически неоправданные высокие скорости вылета газовоздушной смеси из носика при узком диапазоне регулирования производительности, особенно при использовании подогретого дутья и повышенной производительности горелки.
Процесс горения распыленного жидкого топлива является более сложным и длительным (по сравнению с горением газа) из-за дополнительных стадий — испарения капель и горения коксового остатка (для мазута). Кроме того, жидкие топлива нефтяного происхождения содержат углеводородные соединения, склонные к термическому разложению как в паровой, так и в жидкой фазе, что может быть причиной закоксовывания форсунок и образования коксовых отложений на стенках огневых реакторов. Из-за стадии гетерогенного горения коксового остатка и пнродизной сажи при использовании жидкого топлива сложнее обеспечить короткофакельное сжигание по сравнению с сжиганием газа.
Показатели горючести газообразных отходов. В табл. 3.1 приведены теплоты сгорания и жаропроизводительность холодных стехиометрических смесей с воздухом некоторых забалластированных газов для случаев минимальных добавок инертных газов в горючий газ, когда он становится негорючим [152].
Жидкие производственные отходы становятся горючими при различных значениях теплот сгорания в зависимости от теплоты сгорания горючих компонентов и принадлежности их к тем или иным классам соединений.Как показали опыты по сжиганию водных растворов некоторых органических веществ и кубовых остатков ряда производств, достаточно устойчивое и полное их сгорание в камерах с небольшими потерями тепла в окружающую среду (¿/о.с 5%) наблюдается при 1300 °С, причем эта температура необходима и достаточна для самостоятельного горения отходов. В камерах сгорания с большими отводами тепла через стенки дополнительным условием устойчивого и полного горения отхода без применения дополнительно топлива является обеспечение необходимой температуры отходящих из огневого реактора газов. Так, при сжигании отходов, содержащих низкомолекулярные окисленные углеводороды, эта температура должна быть ¿о.г 950 °С. Рекомендации по выбору ¿0.г для других горючих веществ приведены в гл. 5.
Следует отметить, что значения (2рн.М[ш = 4,2 МДж/кг справедливы при использовании неподогретого дутьевого воздуха и при организации в топочной камере противоточного движения отходов и дымовых газов, когда теплота дымовых газов расходуется для подогрева, сушки и термического разложения отходов (выделение летучих). При прямоточном движении отходов и дымовых газов, в частности при сжигании отходов во взвешенном состоянии, самостоятельное горение отходов возможно при более высоких значениях С?рн.мин. Например, сжигание фрезерного торфа в циклонных топках удается осуществить только при влажности не более 55% [104], что соответствует теплоте сгорания <?рн.мин 7 МДж/кг. Прн сжигании твердых отходов во взвешенном состоянии следует руководствоваться опытом и рекомендациями для сжигания пылевидного топлива [161].
Основными показателями процесса огневого обезвреживания, характеризующими его санитарно-гигиеническую эффективность, являются полнота выгорания токсичных органических веществ и степень улавливания минеральных веществ (пыле-унос).
Для распыливания в реакторах огневого обезвреживания негорючих жидких отходов (сточных вод) применяют механические центробежные форсунки и значительно реже — пневматические форсунки низкого давления (вентиляторные). Применение пневматических (паровых) форсунок высокого давления нецелесообразно по экономическим причинам: при использовании компрессорного воздуха и пара необходимы дополнительные капиталовложения на сооружение компрессорной станции или парового хозяйства; распыливание компрессорным воздухом и водяным паром связано с большими затратами энергии (до 50— 60 кВт-ч на 1 т сточной воды). Особенно невыгодно распиливать сточную воду паровыми форсунками: в отличие от компрессорного воздуха, пар в огневом реакторе является балластным компонентом, па его нагревание до температуры отходящих газов затрачивается тепло, что связано с дополнительным расходом топлива.
Аналогичное влияние температуры процесса на полноту окисления примесей обнаружено в опытах по огневому обезвреживанию на стендовых установках водных растворов уксусной кислоты, циклогексанона, ацетона, глицерина, капролакта-ма, а также ряда сточных вод, содержащих органические соединения различных классов. Одной из важных задач проводимых исследований являлось установление минимально допустимой температуры отходящих газов для каждого класса органических соединений, содержащихся в сточных водах.
Экспериментами на стендовых циклонных реакторах установлено, что для большинства органических веществ, содержащихся в сточных водах, необходимая полнота окисления достигается при коэффициентах расхода воздуха 1,05—1,10, если температура отходящих газов составляет 900—950 °С, удельные нагрузки реактора не превышают 2,5 т/(м3-ч) и обеспечен тонкий распыл сточной воды с равномерным распределением капель в потоке дымовых газов. Работа циклонного реактора при более высоких коэффициентах расхода воздуха нецелесообразна, так как полнота окисления примесей практически не изменяется, а удельный расход топлива на процесс может заметно увеличиться. При низких значениях коэффициента расхода воздуха в отходящих газах содержится некоторое количество неокислен-ных веществ. Влияние коэффициента расхода воздуха на величину химического недожога при огневом обезвреживании сточной воды производства волокна анид в промышленном циклонном реакторе показано на рис. 4.5.
Концентрация органических примесей в жидком отходе существенно влияет на полноту их окисления при недостаточно равномерном распределении капель в потоке дымовых газов в рабочем пространстве циклонного реактора. При обезвреживании на стендовой установке МЭИ сточной воды, содержащей 14% (масс.) низших днкарбоновых кислот и сточных вод, разбавленных водопроводной водой до концентрации кислот 7 и 3,5%, с повышением концентрации кислот при прочих одинаковых условиях полнота окисления примесей несколько снижалась (рис. 4.6). Сточную воду подавали четырьмя форсунками, расположенными в крышке циклонного реактора, параллельно его оси на окружности диаметром 0,3 Оц. В этом случае прпосевая зона реактора перегружена распыленной сточной водой, а периферийная недогружена. При невысоких концентрациях органических примесей в сточной воде этот недостаток проявляется слабо, при повышенных — более ощутимо. В частности, попытки сжигания керосина с использованием указанной схемы размещения форсунок не позволили завершить процесс в пределах циклонного реактора даже при повышенных коэффициентах расхода воздуха (более 1,2). Для эффективного огневого обезвреживания отходов с высокой концентрацией горючих примесей необходимы схемы подачи, обеспечивающие более равномерное распределение отхода в объеме циклонного реактора.
Результаты опытов показывают, что при огневом обезвреживании отхода с малой концентрацией минеральных веществ основное количество их будет выноситься с отходящими газами даже из реакторов циклонного типа, обладающих повышенной сепарационной эффективностью. Предварительное упаривание сточных вод за счет тепла отходящих газов помимо сокращения расхода топлива на процесс может способствовать более полному улавливанию расплава в пределах циклонного реактора. Для более полного улавливания минеральных веществ при пониженной концентрации их в исходной сточной воде целесообразно применять грубый распыл, что может существенно сократить пылеунос.
При грубом распыле возможна сепарация недоиспарившихся капель на стенках циклонного реактора и вынос их за пределы аппарата, что может привести к снижению полноты окисления примесей.Для выявления влияния дисперсности распыливания на полноту окисления примесей при высоких удельных нагрузках циклонного реактора проведена серия экспериментов на стендовой циклонной установке МЭИ по обезвреживанию 4%-ного водного раствора циклогексанона, результаты которых приведены на рис. 4.9. Ухудшение дисперсности распыливания в условиях высоких удельных нагрузок реактора приводило к резкому росту потерь тепла от химического недожога. Например, при среднем медианном диаметре капель dm =575 мкм потери тепла от химического недожога составляли около 10%. Повышенный химический недожог при грубом распыле обусловлен, по-видимому, усиленной сепарацией недоиспарившихся капель на боковой поверхности реактора и связанной с этим перегрузкой периферийной зоны парами раствора. Полученное значение удельной нагрузки реактора по раствору [2,5 т/(м3-ч)] при среднем медианном диаметре капель 350—370 мкм является предельным.
Расчетно-теоретический анализ движения испаряющихся капель воды в циклонных реакторах показал [88], что корневой угол распыливания сильно влияет на траектории движения капель. При больших корневых углах распыливания радиально размещенных форсунок в реакторах малого диаметра может наблюдаться усиленная сепарация недоиспарившихся капель на участках боковой поверхности реактора, прилегающей непосредственно к форсункам, и перегрузка парами сточной воды периферийной зоны реактора. Рассматриваемое явление усиливается при более грубом распыле. При малых корневых углах распыливания и больших диаметрах реактора возможны перегрузка парами сточной воды приосевой зоны и снижение полноты выгорания примесей сточной воды.
Для проектирования промышленных циклонных реакторов огневого обезвреживания отходов необходимо знать минимально допустимые температуру отходящих газов и коэффициент расхода воздуха и максимально допустимую нагрузку реактора по отходу, зависящую от природы горючих примесей, дисперсности распыливания отхода, необходимой полноты окисления примесей и других факторов. Указанные параметры процесса можно получить только в результате экспериментов по обезвреживанию конкретных отходов в стендовых или промышленных циклонных реакторах.
В производственных отходах, подвергаемых огневому обезвреживанию, соединения азота могут содержаться в виде различных оксидов (нитрозные газы), минеральных и органических соединений. Из минеральных соединений в жидких отходах чаще всего встречаются азотная кислота и ее соли, соли азотистой кислоты, аммиак и его производные, циансодержащие соединения; из органических — амины, нитрилы и нитросоедине-ння. При огневом обезвреживании отходов, содержащих эти соединения, возможно появление в отходящих дымовых газах оксидов азота (в сверхравиовесных концентрациях) и чрезвычайно токсичных веществ — циана и цианистого водорода, образующихся вследствие термической диссоциации некоторых азотсодержащих соединений, а также в результате радикальных реакций различных промежуточных веществ (образующихся в процессе окисления органических соединений) с атомарным азотом. Знание механизма и условий протекания этих реакций имеет большое практическое значение при выборе параметров режима огневого обезвреживания, исключающих (или сводящих к минимуму) возможность образования вредных веществ.
Основными причинами образования оксидов азота в отходящих дымовых газах реакторов огневого обезвреживания являются окисление атмосферного азота и образование оксидов азота из азотсодержащих соединений.
Снижение выбросов 1 т0.г из огнетехннческих установок достигается двумя путями: предотвращением образования оксидов азота в процессе сжигания топлива; очисткой дымовых газов от оксидов азота. Разработаны эффективные методы очистки газов от тОд, однако широкое применение их ограничено сложностью конструкций очистного оборудования, большими капиталовложениями и эксплуатационными расходами [212].
В жидких отходах, подвергаемых огневому обезвреживанию, часто содержатся минеральные и органические соединения хлора и значительно реже — соединения других галогенов (фтора, брома, иода). Огневое обезвреживание этих отходов может сопровождаться образованием в газовой фазе очень токсичных веществ.
В жидких и газообразных производственных отходах органические соединения хлора содержатся в виде хлорированных алка-нов, алкенов, ароматических и других органических соединений.Механизм горения (окисления) хлорорганических соединений изучен недостаточно. В литературе имеются противоречивые сведения о конечных продуктах окисления этих соединений; в большинстве источников указывается, что при нормальной организации процесса горения хлорорганических соединений весь хлор превращается в НС1 [232—235]. Сообщается также, что в продуктах окисления хлорорганических соединений помимо НС1 содержатся С12 и фосген (СОС12) [236, 237].
Как показали эксперименты [88, 171], для полной нейтрализации НС1 следует вводить реагенты с 10%-ным избытком. Полученные хлориды и избыточная щелочь могут быть выделены из отходящих дымовых газов в системе газоочистки.
При этом тетрафторид кремния, по-видимому, не вступает в химическое взаимодействие со щелочами. NaF и KF при рабочих температурах процесса обезвреживания являются стойкими соединениями, не подвергающимися гидролизу. Они высокотоксичны и растворимы в воде, что усложняет мокрую очистку газов от этих солей.
Сера в производственных отходах содержится в виде многих органических и минеральных соединений.Сера, входящая в состав минеральных соединений, содержится в жидких и твердых производственных отходах чаще всего в виде сульфатов, сульфидов и солей сульфитного ряда.
На предприятиях, производящих и перерабатывающих фосфор, образуются жидкие отходы, содержащие элементарный фосфор, фосфорорганические соединения, фосфорные кислоты и их соли и ряд других органических и минеральных веществ. Эти отходы подвергают переработке или обезвреживанию различными способами, в том числе огневыми [267—269].
Во многих производственных отходах содержатся органические соединения, в состав которых входят металлы (соли органических кислот, производные карбоновых кислот, спиртов и других органических соединений). Чаще встречаются органические соединения, содержащие щелочные металлы (натрий и калий), реже — щелочноземельные (кальций и барий). Очень часто в жидких отходах присутствуют натриевые соли органических кислот.
Сложность и недостаточная изученность взаимосвязанных процессов, составляющих процесс огневого обезвреживания, исключает возможность точного аналитического расчета циклонных реакторов. Теоретические и экспериментальные исследования в условиях, близких к реальным в промышленных реакторах, позволили разработать приближенную методику расчета циклонных реакторов по данным стендовых испытаний.
Тепловой баланс реактора составляют с целью определения расходов топлива и воздуха в реактор, выхода и состава дымовых газов. Тепловой баланс составляют после выбора технологической схемы установки с системами теплоиспользования ■ц очистки дымовых газов (см. гл. 6). При этом должны быть оценены температура подогрева дутьевого воздуха и жидких отходов; количество продувочной воды из мокрой газоочистки, возвращаемой в реактор; количество водного раствора щелочей, вводимых в реактор (если это необходимо по технологии обезвреживания). Составлению баланса предшествуют расчеты горения примесей и определение тепловых эффектов побочных химических превращений, происходящих в реакторе.
Для выбора тягодутьевых средств при проектировании установок огневого обезвреживания сточных вод с использованием циклонных реакторов необходимо знать их полное аэродинамическое сопротивление. Радиальная подача в циклонный реактор больших количеств сточной воды (средняя массовая концентрация жидкой фазы в газовом потоке достигает 0,3 кг/кг) существенно влияет на закономерности движения несущей среды. При этом часть энергии газов расходуется на транспортировку жидкой фазы, вследствие чего падает крутка газового потока. На полное аэродинамическое сопротивление реактора в результате впрыска сточной воды влияют затраты энергии газового потока на дробление капель, увеличение объема дымовых газов вследствие испарения сточной воды.
Для сжигания газового топлива в циклонных реакторах используют прямоточные дутьевые горелочные устройства с многоструйной центральной или периферийной подачей газа, с полным или неполным предварительным смешением. Типовые газо-горелочные устройства, предназначенные для сжигания природных газов в промышленных печах, плохо компонуются при их тангенциальной установке на циклонных реакторах. Кроме того, на установках огневого обезвреживания в качестве топлива используют различные горючие газы, в том числе отбросные. Это затрудняет разработку и выпуск нормалей на горелочные устройства и часто требуется их индивидуальное проектирование для отдельных установок. Рассмотрим методику расчета прямоточных дутьевых горелочных устройств с многоструйной подачей газа (рис. 5.11).
При отоплении циклонных реакторов жидким топливом или при сжигании в них горючих отходов наиболее целесообразно применение механических центробежных форсунок и пневматических форсунок низкого давления (при скоростях воздуха на входе в циклонный реактор более 70 м/с). Для распиливания сточных вод наиболее предпочтительно применение механических центробежных форсунок. В отдельных случаях при отсутствии на установках вентиляторов высокого давления для сжигания жидких горючих отходов можно использовать паровые или пневматические форсунки высокого давления вихревого типа.
Эффективность работы установок огневого обезвреживания отходов во многом зависит от принятой энерготехнологической схемы и типа применяемого реактора.Значительное снижение стоимости обезвреживания отходов возможно при использовании теплоты отходящих газов—-основной статьи расходной части теплового баланса реакторов огневого обезвреживания. Многократное сокращение расхода топлива на процесс, а иногда и автотермический режим обезвреживания могут быть достигнуты при глубоком регенеративном использовании теплоты отходящих газов. При обезвреживании газообразных отходов ее можно использовать для подогрева отхода и дутьевого воздуха; при обезвреживании твердых и пастообразных отходов — для предварительной сушки отходов и подогрева дутьевого воздуха. Глубокая регенерация теплоты отходящих газов возможна и при обезвреживании некоторых типов жидких отходов за счет их предварительного нагрева и испарения отходящими газами.
Установки характеризуются небольшими капитальными затратами, малыми сроками сооружения, простотой эксплуатации, по требуют больших эксплуатационных затрат ввиду повышенных расходов топлива. Например, при обезвреживании сточных вод с низкой концентрацией горючих компонентов удельный расход условного топлива на процесс может достигать 300 кг/т сточной воды. Простейшие энерготехнологические схемы реализуются в установках малой тепловой мощности, в основном при сжигании горючих и огневом обезвреживании негорючих газообразных и жидких отходов. Для II группы отходов в огневом реакторе осуществляют двухступенчатый процесс обезвреживания (см. гл. 4).
Энерготехнологические схемы установок с воздухоподогревателями. Схемы (рис. 6.10) находят применение в установках малой тепловой мощности при огневом обезвреживании различных отходов I и II групп.На рис. 6.10, а приведена схема установки для огневого обезвреживания вентиляционных выбросов. Выбросы перед обезвреживанием сначала подогревают отходящими дымовыми газами в конвективном воздухоподогревателе 3, затем догревают в радиационном воздухоподогревателе 2, после чего направляют в огневой реактор 1. Часть выбросов используют в качестве дутья для сжигания топлива, остальную часть подают в реактор помимо горелочных устройств. Радиационный рекуператор, работающий при температурах отходящих газов 950—1000 °С, обычно выполнен из жаростойких сталей, а конвективный, работающий в области более низких температур, — из углеродистой или низколегированной жаростойкой стали.
Энерготехнологические схемы установок с предварительным упариванием сточной воды в контактных испарителях. В этих простейших установках (рис. 6.15) обеспечивается наиболее глубокая регенерация теплоты отходящих газов. Исходная сточная вода предварительно упаривается в контактных испарителях, в качестве которых используют безнасадочные форсуночные скрубберы, пенные аппараты, аппараты погружного горения, скоростные скрубберы Вентури. Температура дымовых газов на выходе из этих аппаратов близка к температуре равновесного испарения сточной воды. Анализ тепловых балансов рассматриваемых установок показал, что при охлаждении отходящих газов в контактных испарителях до 85—90 °С можно испарить около 2/з исходной сточной воды. При этом удельный расход условного топлива на обезвреживание 1 т исходной сточной воды не превышает 90 кг. Иногда при упаривании сточная вода может превратиться в горючий отход, в этом случае процесс обезвреживания возможен без затраты топлива.
Выше отмечалось, что в подавляющем большинстве случаев глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов невозможно или нецелесообразно. Это связано в первую очередь с обезвреживанием отходов с повышенной адиабатической температурой горения. При этом подогрев дутьевого воздуха ограничивается переходом к автотермическому режиму процесса обезвреживания; чрезмерный подогрев дутья приводит к нежелательному повышению температуры процесса. При обезвреживании сточных вод с высокой концентрацией примесей неприемлем и основной способ глубокой регенерации теплоты отходящих газов — предварительное упаривание. В рассматриваемых случаях при большой тепловой мощности установок целесообразно внешнее технологическое или энергетическое использование теплоты отходящих газов.
Основные технико-экономические показатели установок огневого обезвреживания производственных отходов (удельные капиталовложения и себестоимость обезвреживания) зависят от агрегатной нагрузки, теплоты сгорания отходов, наличия в энерготехнологических схемах различных систем очистки отходящих газов и использования их теплоты.
С развитием хлорорганнческих производств возрастает количество токсичных отходов, содержащих хлорорганическне соединения. В основном эти отходы представляют собой жидкости (безводные кубовые остатки и сточные воды), реже — твердые вещества. Обычно кубовые остатки содержат большой набор различных соединений, а сточные воды кроме хлорорганнческих содержат и другие органические и минеральные вещества. Для биохимической очистки сточных вод требуется многократное их разбавление; большинство хлорорганнческих соединений плохо подвергается биохимическому окислению. Сложный состав отходов не позволяет эффективно обезвреживать их различными физическими и химическими методами.
Кислые гудроны представляют собой высоковязкие смолообразные жидкости, содержащие большое количество органических веществ. Они образуются в процессах очистки и сульфирования различных нефтепродуктов и индивидуальных углеводородов серным ангидридом, олеумом пли серной кислотой. Основные компоненты кислых гудронов — сульфокислоты (от 10 до 76%) и серная кислота (от 24 до 89%) [353].
Для рентабельной регенерации серной кислоты из рассматриваемых отходов необходимо предварительное обезвоживание отходов (концентрирование). В связи с отсутствием в отходах летучих веществ их концентрирование возможно методом упаривания в контактных теплообменниках за счет теплоты отходящего из огневого реактора сернистого газа. При этом одновременно происходит закалка газа. Принципиальная технологическая схема такой установки показана на рис. 7.3. В огневом реакторе 1 сжигают топливо. В поток продуктов горения топлива распыливают предварительно упаренный сернокислотный раствор. Серная кислота и сульфаты железа подвергаются термическому расщеплению с образованием БСЬ, ЭОз и РегОз- Запыленный сернистый газ очищается от пыли в циклоне-пылеуловителе 2, а затем направляется в насадочный (или другого типа) скруббер-испаритель 3, в котором упаривается исходный сернокислотный раствор. Упаренный раствор насосом 4 подается в огневой реактор.
На промышленных предприятиях, занимающихся производством и переработкой фосфора, образуются, отходы, содержащие до 65—70% элементного фосфора, 5—10% минеральных веществ и около 25% воды [267, 270, 272], называемые фосфорными шламами. Они представляют собой коллоидную систему, состоящую из нерастворимых частиц на основе оксидов щелочноземельных металлов, тонкодисперсного углерода и др., прочно связанных с фосфором в агрегаты (мицеллы) абсорбционными силами сцепления [267]. Обычно шламы являются вязкими неоднородными жидкостями.
Получение сульфата натрия из сточных вод—более сложный процесс, чем получение этого продукта из природного сырья, что объясняется наличием в сточных водах органических веществ, а это сильно затрудняет технологию извлечения сульфата и получения достаточно чистого продукта. Концентрированные сульфатные сточные воды не могут с достаточной эффективностью и экономичностью быть обезврежены на биологических очистных сооружениях. Это объясняется необходимостью многократного разбавления сточных вод перед их обезвреживанием, а также тем, что сульфат натрия практически не усваивается микроорганизмами при биологической очистке. Сульфат натрия с очищенной водой, сбрасываемый в водоемы, увеличит их общую минерализацию. Кроме того, затраты на расширение или строительство новых биологических очистных сооружений соизмеримы с затратами на строительство самого производства [363]. В связи с изложенными обстоятельствами основную массу концентрированных сульфатных сточных вод направляют на поля фильтрации или в пруды-накопители, что приводит к загрязнению окружающей среды и потере сырья для производства сульфата натрия. Решение проблемы переработки этих сточных вод имеет большое экономическое и экологическое значение.
В ряде производств химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности образуются сточные воды сложного состава, содержащие органические соединения серы и элементную серу, сульфиты, сульфиды, сульфаты, свободную щелочь, соли сульфоновых кислот. Эти сточные воды называют сернистощелочными [367].
Предложения по переработке сернистощелочных сточных вод в слабовосстановительных газовых средах с получением карбоната натрия [370, 377, 378] неприемлемы по экономическим и экологическим причинам. При получении соды вся сера, содержащаяся в сточных водах, переходит в дымовые газы. Переработка этих газов на элементную серу или серную кислоту экономически невыгодна ввиду низких концентраций БОг в дымовых газах и малых масштабов выхода этих газов. Таким образом, вся сера сточных вод теряется. Для очистки дымовых газов от БОг перед выбросом их в атмосферу придется расходовать всю полученную соду. При очистке газов известковым молоком образуется шлам, который будет загрязнять окружающую среду.
При огневой переработке указанных отходов можно получить продукт с содержанием до 98—99% ЫаС1 со следами соды и нерастворимым в воде осадком (менее 2%). С учетом того, что содержание КаС1 в технической поваренной соли должно быть не менее 93%, а нерастворимого в воде остатка не более 5% [264], получаемый при огневой переработке отходов продукт может найти применение вместо технической поваренной соли во многих производствах. В частности, указывается [383], что рассматриваемый продукт можно использовать при крашении хлопчатобумажной пряжи, для засолки шкур крупного рогатого скота и свиней на мясокомбинатах, в качестве противогололедного реагента, в установках водоподготовки для регенерации катионитовых фильтров, для предотвращения горения породных отвалов угольных шахт.
На металлургических и металлообрабатывающих предприятиях для очистки поверхности стальных изделий от масел перед травлением или нанесением различных антикоррозионных покрытий применяют обезжиривающие (моющие) растворы на основе силиката и нитрата натрия, тринатрийфосфата, соды, гидроксида натрия, а также формалина, нафталина и других органических соединений [385]. В обезжиривающие растворы всех типов, как правило, добавляют поверхностно-активные вещества ОП-7 или ОП-Ю и др.
В большинстве сточных вод содержатся различные соли минеральных кислот. Кроме того, эти соли образуются в процессе окисления органических соединений щелочных металлов и при нейтрализации кислот и их ангидридов щелочами. В процессе огневого обезвреживания таких сточных вод образуется расплав, а при очистке газов — пыль, представляющие собой смесь из нескольких солей. При малом выходе эти соли обычно отправляют в отвалы или сбрасывают в виде раствора в канализацию. При больших масштабах выхода солей целесообразно использовать их в качестве полезных побочных продуктов. Ниже рассмотрены наиболее часто встречающиеся смеси солей, которые образуются в значительных количествах при огневом обезвреживании сточных вод, и возможные области их использования.
В различных отраслях промышленности образуются отходы — шламы, содержащие значительные количества ценных минеральных компонентов: металлов (никеля, меди, цинка, хрома, ванадия, железа) и минеральных солей. Например, только на предприятиях химической промышленности количество железосодержащих шламов составляет около 120 тыс. т/год; цинксо-держащих — 70 тыс. т/год; медьсодержащих —13 тыс. т/год; отработанных никельсодержащих катализаторов — 500 т/год [90].