Общие вопросы переработки отходов промышленности

3. ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ  ТОКСИЧНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ  ОТХОДОВ

3.1. Жидкофазное окисление 

     На  современном этапе открывается  всё больше возможностей существенно сократить количество не утилизируемых отходов, которые имеют сложный химический состав, и, как правило, их переработка в полезные продукты или весьма затруднительна современном этапе, или экономически нецелесообразна.

     Жидкофазное окисление токсичных отходов производства используется для обезвреживания жидких отходов и осадков сточных вод. Суть его заключается в окислении  кислородом органических и элементоорганических примесей сточных вод при температуре 150 – 350° С и при давлении 2 – 28 МПа.

     Интенсивность окисления в жидкой фазе способствует высокая концентрация растворенного  в воде кислорода, значительно возрастающая при высоком давлении. В зависимости  от давления, температуры, количества примесей и кислорода, продолжительности процесса органические вещества окисляются с образованием органических кислот (в основном CH3COOH и HCOOH) или с образованием CO2, H2O и N2.

     Элементоорганические  соединения в щелочной среде окисляются с образованием водных растворов  хлоридов, бромидов, фосфатов, нитратов и оксидов металлов, а при окислении азотосодержащих веществ, помимо нитратов, образуется значительное количество аммонийного азота.

     Для жидкоплазменного окисления требуется  меньше энергетических затрат, чем  другие методы, но является более дорогостоящим, кроме этого к недостаткам метода относится высокая коррозионность процесса, образование накипи на поверхности нагрева, неполное окисление некоторых веществ, невозможность окисления сточных вод с высокой теплотой сгорания.

     Применение  метода целесообразно при первичной переработке отходов. 
 

3.2. Гетерогенный катализ 

    Метод применим для обезвреживания газообразных и жидких отходов. Существуют три  разновидности гетерогенного катализа промышленных отходов.

    Термокаталитическое окисление можно использовать для обезвреживания газообразных отходов с низким содержанием горючих примесей. Процесс окисления на катализаторах осуществляется при температурах меньших, чем температура самовоспламенения горючих составляющих газа. В зависимости от природы примесей и активности катализаторов окисление происходит при температуре 250 - 400° С и в установках различных размеров.

    В термокаталитических реакторах  успешно окисляются CO, H2, углеводороды (УВ), NH3, фенолы, альдегиды, кетоны, пары смол, канцерогенные и др. соединения с образованием CO2, H2O, N2. Степень окисления вредных веществ 98 – 99.9 %. Для увеличения удельной поверхности катализации используется пористые керамические устройства из Al2O3 и оксидов других металлов, тоже обладающих каталитической активностью.

    Современные промышленные катализаторы глубокого  окисления при температуре до 600 – 800° С не следует применять  при большом содержании пыли и  водяных паров. Неприменим метод  и для  переработки отходов, содержащих высококипящие и высокомолекулярные соединения, вследствие неполноты окисления и забивания поверхности катализаторов. Нельзя применять термокаталитическое окисление при наличии в отходах даже в небольших количествах P, Pb, As, Hg, S, галогенов и их соединений, так как это приводит к дезактивации и разрушению катализаторов.

    Термокаталитическое восстановление используется для обезвреживания газообразных отходов, включающих в  себя нитрозные газы – содержащие NOX.

    Профазное каталитическое окисление применимо  для перевода органических примесей сточных вод в парогазовую фазу с последующим окислением кислородом. При содержании в сточных водах неорганических и нелетучих веществ возможно дополнение данного процесса огневым методом или другими видами обезвреживания отходов.

    В целом методы гетерогенного катализа нецелесообразно использовать в качестве самостоятельного способа обезвреживания токсичных отходов, а только как отдельную ступень в общем, технологическом цикле. 

3.3. Пиролиз промышленных отходов 

    Существует  два различных типа пиролиза токсичных  промышленных отходов.

    Окислительный пиролиз – процесс термического разложения промышленных отходов при  их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Данный метод применим для обезвреживания многих отходов, в том числе «неудобных» для сжигания или газификации: вязких, пастообразных отходов, влажных осадков, пластмасс, шламов с большим содержанием золы, загрязненную мазутом, маслами и другими соединениями землю, сильно пылящих отходов. Кроме этого, окислительному пиролизу могут подвергаться отходы, содержащие металлы и их соли, которые плавятся и возгарают при нормальных температурах сжигания, отработанные шины, кабели в измельченном состоянии, автомобильный скрап и др.

    Метод окислительного пиролиза является перспективным  направлением ликвидации твердых промышленных отходов и сточных вод.

    Этот  метод термической обработки  отходов обеспечивает их высокоэффективное  обезвреживание и использование  в качестве топлива и химического  сырья, что способствует созданию малоотходных и безотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов.

    Сухой пиролиз – процесс термического разложения без доступа кислорода. В результате образуется пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкий продукт и твердый углеродистый остаток.

    В зависимости от температуры, при которой протекает пиролиз, различается:

    Низкотемпературный  пиролиз или полукоксование (450 - 550° С). Данному виду пиролиза характерны максимальный выход жидких и твердых (полукокс) остатков и минимальный  выход пиролизного газа с максимальной теплотой сгорания. Метод подходит для получения первичной смолы – ценного жидкого топлива, и для переработки некондиционного каучука в мономеры, являющиеся сырьем для вторичного создания каучука. Полукокс можно использовать в качестве энергетического и бытового топлива.

    Среднетемпературный пиролиз или среднетемпературное  коксование (до 800° С) дает выход большего количества газа с меньшей теплотой сгорания и меньшего количества жидкого  остатка и кокса.

    Высокотемпературный пиролиз или коксование (900 - 1050° С). Здесь наблюдается минимальный выход жидких и твердых продуктов и максимальная выработка газа с минимальной теплотой сгорания – высококачественного горючего, годного для далеких транспортировок. В результате уменьшается количество смолы и содержание в ней ценных легких фракций.

    Метод сухого пиролиза получает все большее  распространение и является одним  из самых перспективных способов утилизации твердых органических отходов  и выделении ценных компонентов  из них на современном этапе развития науки и техники.  

3.4. Огневая переработка 

     В основу огневого метода положен процесс  высокотемпературного разложения и  окисления токсичных компонентов  отходов с образованием практически  нетоксичных или малотоксичных  дымовых газов и золы. С использованием данного метода возможно получение ценных продуктов: отбеливающей земли, активированного угля, извести, соды и  др.  материалов.  В  зависимости  от  химического  состава  отходов  дымовые  газы могут содержать SOХ, P, N2, H2SO4, HCl, соли щелочных и щелочноземельных элементов, инертные газы.

     Огневой метод переработки токсичных  промышленных отходов классифицируется в зависимости от типа отходов  и способам обезвреживания:

     Сжигание  отходов, способных гореть самостоятельно – наиболее простой способ; горение  происходит при температурах не ниже 1200 - 1300° С. (следует отметить, что данный способ не является целесообразным ввиду некоторой (большей или меньшей) ценности горючих отходов и возможности их использования в данное время или в будущем).

     Огневой окислительный метод обезвреживания негорючих отходов – сложный физико-химический процесс, состоящий из различных физических и химических стадий. Огневое окисление применимо в большей степени по отношению к твердым и пастообразным отходам.

     Огневой восстановительный метод используется для уничтожения токсичных отходов без получения каких-либо побочных продуктов, пригодных для дальнейшего использования в качестве сырья или товарных продуктов. В результате образуются безвредные дымовые газы и стерильный шлак, сбрасываемый в отвал. Так можно обезвреживать газообразные и твердые выбросы, бытовые отходы и некоторые другие.

     Огневая регенерация предназначена для  извлечения из отходов какого-либо производства реагентов, используемых в этом производстве, или восстановления свойств отработанных реагентов или материалов. Эта разновидность огневого обезвреживания обеспечивает не только природоохранные, но и ресурсосберегающие цели.

     Для достижения требуемой санитарно-гигиенической  полноты обезвреживания отходов  необходимо, как правило, экспериментальное определение оптимальных температур, продолжительности процесса, коэффициента избытка кислорода в камере горения, равномерности подачи отходов, топлива и кислорода. Протекание процесса обезвреживания в неоптимальных условиях приводит к появлению компонентов в продуктах сгорания и, в первую очередь, в дымовых газах.

     При сжигании на свалках пластмасс, синтетических  волокон, хлороуглеводородов в дымовых  газах могут образовываться токсичные  вещества: CO, бенз-а-пирен, фосген, диоксины.

     Сибирским филиалом НПО «Техэнергохимпром» разработаны камерные, барабанные, циклонные, комбинированные печи, используемые в зависимости от состава, физико-химических свойств и агрегатного состояния отходов. Дополнительно был разработан дожигатель, предназначенный для обезвреживания газовых выбросов, содержащих органические вещества с концентрацией не более 10 г/м3. После полного обезвреживания содержание в выбросах СО не более 40 мг/м3, NOХ не более 10 мг/м3. 

3.5. Переработка и обезвреживание отходов с применением плазмы 

    Для получения высокой степени разложения токсичных отходов, особенно галоидосодержащих, конструкция сжигающей печи должна обеспечивать необходимую продолжительность  пребывания в  зоне горения, тщательное смешение при определенной температуре  исходных реагентов с кислородом, количество которого также регулируется. Для подавления образования галогенов и полного их перевода в галогеноводороды  необходим избыток воды и минимум кислорода, последнее вызывает образование большого количества сажи. При разложении хлорорганических продуктов снижение температуры ведет к образованию высокотоксичных и устойчивых веществ – диоксинов. Как утверждает автор работы, недостатки огневого сжигания стимулировали поиск эффективных технологий обезвреживания токсических отходов.

    Применение  низкотемпературной плазмы – одно из перспективных направлений в  области утилизации опасных отходов. Посредством плазмы достигается  высокая степень обезвреживания отходов химической промышленности, в том числе галлоидосодержащих органических соединений, медицинских учреждений; ведется переработка твердых, пастообразных, жидких, газообразных; органических и неорганических; слаборадиоактивных; бытовых; канцерогенных веществ, на которые установлены жесткие нормы ПДК в воздухе, воде, почве и др.

    Плазменный  метод может использоваться для  обезвреживания отходов двумя путями:

    Плазмохимическая  ликвидация особо опасных высокотоксичных  отходов;

    Плазмохимическая  переработка отходов с целью  получения товарной продукции. 

    Наиболее  эффективен плазменный метод при деструкции углеводородов с образованием CO, CO2, H2, CH4. Безрасходный плазменный нагрев твердых и жидких углеводородов приводит к образованию ценного газового полуфабриката в основном водорода и оксида углерода – синтез-газ – и расплавов смеси шлаков, не представляющих вреда окружающей среде при захоронении в землю, а синтез-газ можно использовать в качестве источника пара на ТЭС или производстве метанола, искусственного жидкого топлива. Кроме этого, путем пиролиза отходов возможно получение хлористого и фтористого водорода, хлористых и фтористых УВ, этанола, ацетилена. Степень разложения в плазмотроне таких особо токсичных веществ как полихлорбифенилы, метилбромид, фенилртутьацетат, хлор- и фторсодержащие пестициды, полиароматические красители достигает 99.9998 % с образованием CO2, H2O, HCl, HF, P4O10.