< Предыдущая		Оглавление		Следующая >

17.4. Термическая обработка отходов

Методы термической переработки твердых отходов основаны на гетерогенных процессах в системе твердое - газ, твердое - жиднкость - газ и многофазных, осуществляемых при повышенных и вынсоких температурах.

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердого или пастообразного влажного материала путем испарения содержанщейся в нем жидкости за счет подведенной к материалу теплоты и отнвода образующихся паров. Это термический процесс, требующий значительных затрат теплоты.

Сушку широко применяют в химической, химико-фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Относительно широкое распространение сушка получила в области обработки осаднка городских сточных вод (барабанные сушилки, сушка во встречных струях). Процессы термического удаления той части влаги, которую невозможно удалить механическим путем, могут также применяться при обработке промышленных отходов, которые необходимо подгонтовить к транспортированию и дальнейшей переработке (например, гальванические шламы), а также при обработке некоторых отходов химической, пищевой и других отраслей промышленности.

Сушка - процесс тепломассообменный. Удаление влаги с понверхности тесно связано с продвижением ее изнутри к поверхности. Схема перемещения влаги из твердой фазы может быть представлена следующим образом. В начальный момент времени концентрация распределяемого вещества (влаги) постоянна во всем объеме. Понверхность омывает поток воспринимающей фазы (воздух), и конценнтрация растворяемого вещества в ядре омывающей фазы постоянна в течение процесса.

Влага перемещается из твердой фазы в ядро омывающей фазы, причем от средней плоскости пластины к поверхности вещества пенремещается массопроводностью, а от поверхности в ядро омываюнщей фазы - конвективной диффузией.

Любой высушиваемый материал может характеризоваться сорбнционной емкостью по влаге, т. е. количеством влаги, сорбированной единицей массы продукта при контакте с влажным газом. Влагоемкость высушиваемых материалов, а также условия сушки, ее интеннсивность и полнота зависят от природы высушиваемого вещества, конторая определяет вид связи влаги с продуктом. Виды связи влаги с мантериалом можно классифицировать по величине энергии этой связи. В порядке убывания энергии различают следующие формы связи вланги с материалом:

1) химически связанная влага прочно связана с веществом в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений типа кристалнлогидратов. Химически связанная с материалом влага может быть удалена в результате химических взаимодействий или прокачивания. В процессе сушки химически связанная влага не удаляется;

2) адсорбционная связь вызывается дисперсионными, электронстатическими и индукционными силами. Вследствие энергетической ненасыщенности поверхностных молекул и ионов твердого тела на его поверхности образуется мономолекулярный слой адсорбированнной влаги. Этот слой наиболее сильно связан с материалом. Последующие слои удерживаются менее прочно, а свойства влаги, форминрующей эти слои, приближаются к свойствам свободной жидкости;

3) капиллярная связь обусловлена адсорбционной связью поли- молекулярных слоев со стенками капилляров и более низким давленнием пара над вогнутым мениском в капилляре по сравнению с плонской поверхностью. Понижение давления пара наблюдается в случае, если диаметр капилляра d < 2  10^{-7 м. Такие размеры микрокапиллянров имеют только очень простые тела;}

4) физико-механическая связь (свободная влага) определяет свонбодную влагу, свободно удерживаемую в макрокапиллярах. Она монжет быть удалена механическими способами, причем процесс обезвонживания в этом случае лимитируется гидравлическим сопротивленинем пор тела подобно сопротивлению фильтрующей перегородки и осадка при фильтровании;

5) осмотическая связь наиболее сильно выражена в растворах. Природа этой связи выражается в том, что давление пара над раствонром меньше давления пара над чистым растворителем.

Рассмотрим влажное твердое тело, находящееся в контакте с газонвым потоком. При постоянном давлении и определенной температунре влажный газ характеризуется величиной относительной влажнонсти:

(17.15)

где ρ_п, ρ_н.п - соответственно плотность пара влаги в воздухе и насынщенного пара; ρ_п, ρ_н.п - соответственно парциальное давление пара влаги в воздухе и насыщенного пара.

Если парциальное давление пара жидкости в материале р_м отличанется от парциального давления пара в газовом потоке р_п, то между двумя фазами будет иметь место массообмен вплоть до состояния равновесия при р_м = р_п.

При этом наступает состояние динамического равновесия, котонрому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью .

Направление массопереноса определяется абсолютными значенниями величин рм и р_п. Если р_П > р_м, перенос влаги осуществляется из газа к твердому телу, т. е. происходит процесс сорбции (увлажнения). В противоположном случае, когда р_п < р_м, перенос влаги осуществлянется из твердой фазы в газовую, т. е. идет процесс десорбции (сушки).

Когда давление пара жидкости в материале р_м становится равным парциальному давлению пара в газовой фазе р_п, массообмен прекращается и достигается состояние динамического равновесия. При этом в условиях постоянных давления и температуры каждому значеннию относительной влажности φ соответствует определенная велинчина влагосодержанияматериала. Можно построить изотерму влагосодержания (рис. 17.2). Здесь влагосодержанию материала соответствует равновесная относительная влажность φ*, и если - десорбция (сушка);-сорбция (увлажнение).

343

Р и с. 17.2. Изотерма сорбции влаги

Кинетика сушки. Массопроводность в системах с твердой фазой представляет собой особенно сложный процесс. В этом процессе, кроме массоотдачи от поверхности раздела фаз в поток газа, имеет место и перемещение вещества в твердой фазе за счет массопроводимости. Причем характерно уменьшение скорости по сравнению со скоростью молекулярной диффузии - "стесненная диффузия":

(17.16)

где D_CT - коэффициент "стесненной диффузии"; D- коэффициент молекулярной диффузии; а - числовой коэффициент; r - размер диффундирующих молекул; R - поперечный размер пор в твердой фазе.

Кроме понятия "стесненной диффузии" вводят более общую киннетическую характеристику - коэффициент массопроводности. Тонгда в качестве единого закона, которым подчинена кинетика перенонса распределяемого вещества в твердом теле, может быть принят занкон, аналогичный закону теплопроводности: количество вещества dМ, переместившегося в твердой фазе за счет массопроводности, пропорционально градиенту концентрации, площади dS, перпенндикулярной направлению потока вещества, и времени t:

где К - коэффициент массопроводности.

При принятом законе массопроводности перемещение вещества внутри твердой фазы может быть представлено дифференциальным уравнением массопроводности

Коэффициент массопроводности не является постоянной велинчиной и зависит от факторов, определяющих значение коэффициеннта молекулярной диффузии, и от структуры твердого пористого матенриала.

Сушка в технике осуществляется следующими способами: коннтактная сушка - нагрев влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку; конвективная (газовая) сушнка - нагрев влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем; радиационная - нагрев инфракрасными лучами; диэлектрическая - нагрев СВЧ-полем.

Способ сушки выбирают на основе технологических требований к высушиваемому продукту и с учетом технико-экономических поканзателей.

По мере удаления влаги с поверхности материала за счет разности концентрации влаги внутри материала и на его поверхности происхондит 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.

Присушке некоторых материалов до низкой конечной влажности теплота расходуется не только на подогрев материала и испарение влаги из него, но и на преодоление связи влаги с материалом. В больншинстве случаев при сушке удаляется водяной пар, однако в химиченской промышленности иногда приходится удалять пары органиченских растворителей. Независимо от того, какая жидкость будет испанряться, закономерности процесса те же.

(17.17)

(17.18)

Пиролиз. При утилизации и переработке твердых отходов испольнзуют различные способы термохимической обработки исходных твердых материалов и полученных продуктов: это различные приемы пиролиза, переплава, обжига и огневого обезвреживания (сжигания) многих видов твердых отходов на органической основе.

Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода без доступа воздуха, сопровождаемое глубокинми деструктивными химическими превращениями компонентов отнходов. Пиролиз одного и того же вида сырья может проводиться при различных температурах. Химические превращения при пиролинзе - это в основном расщепление крупных молекул и вторичное пренвращение продуктов расщепления - полимеризация, конденсация, деалкилирование, ароматизация и др.

Пиролиз характеризуется протеканием реакций взаимодействия и уплотнения остаточных фрагментов исходных молекул, в резульнтате чего происходит расщепление органической массы, рекомбинанция продуктов расщепления с получением термодинамически станбильных веществ: твердого остатка, смолы, газа. Применяя термин "пиролиз" к термическому преобразованию органического материанла, 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:

(17.19)

где Q - дополнительная теплота; Q, - вторичная теплота.

В зависимости от вида и степени превращения отходов пиролиз можно проводить в различных интервалах температур. Низкотемпенратурный пиролиз (полукоксование) осуществляют при нагреве отнходов до конечной температуры 500...580

Непосредственные продукты низкотемпературного пиролиза - слабо спекшийся твердый продукт, смола и газы, высокотемпературнного пиролиза - твердый остаток и летучие вещества.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению со сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании отнходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпенратурного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый оснтаток можно использовать в промышленности (сажа, активированнный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.

Высокотемпературный пиролиз по сравнению с другими методанми имеет ряд преимуществ:

при нем происходит более интенсивное преобразование исходнонго 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. Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газификанции.

Газификация - термохимический высокотемпературный процесс взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими агентами, в результате чего органническая часть или продукты ее термической переработки обращанются в горючие газы путем частичного окисления. В качестве газифинцирующих агентов применяют воздух, кислород, водяной пар, диокнсид углерода, а также их смеси. В зависимости от состава отходов, природы окислителя, температуры и давления газы, полученные в результате газификации, различны по составу. Скорость газификанции зависит от свойств твердых отходов, размера их частиц, темперантуры, газифицирующего реагента. Чем меньше размеры частиц отхондов, тем выше скорость газификации, так как при этом увеличивается поверхность контакта отходов с окислителем.

Кислород воздуха при получении воздушного газа, соприкасаясь с углеродом отходов в зоне газификации, окисляет его с выделением теплоты Q:

В дальнейшем двуокись углерода взаимодействует с углеродом с образованием оксида углерода с поглощением теплоты:

Водяной газ получают при пропускании через нагретые твердые отходы паров воды:

Содержание компонентов парогазовой смеси зависит также от равновесия вторичной реакции:

Паровоздушный газ получают при пропускании через твердые отнходы смеси воздуха и пара:

Парокислородный газ образуется при пропускании смеси кислонрода и пара через твердые отходы. Он не содержит азота, поэтому обнладает более высокой теплотой сгорания:

где ΔН - тепловой эффект реакции при постоянном давлении.

Суммарный тепловой эффект этих реакций положительный, понэтому газификацию можно проводить непрерывно.

Процессы пиролиза отходов получили большее распространение, чем газификация. Пиролизу подвергаются твердые бытовые и близнкие к ним по составу промышленные отходы, отходы пластмасс, рензины (в том числе автомобильные покрышки), другие органические отходы.

Окускование отходов. Укрупнение мелкодисперсных частиц втонричных материальных ресурсов имеет как самостоятельное, так и вспомогательное значение и объединяет различные приемы гранулинрования, таблетирования, брикетирования и высокотемпературной агломерации. Его используют при переработке в строительные матенриалы ряда компонентов отвальных пород добычи полезных исконпаемых, хвостов обогащения углей и золы, в процессах утилизации фосфогипса, при подготовке к переплаву мелкокусковых и дисперснных отходов черных и цветных металлов, в процессах утилизации пластмасс, сажи, пылей и древесной мелочи, при обработке шлаконвых расплавов в металлургических производствах и в других процеснсах переработки вторичных материальных ресурсов.

Различают высокотемпературные (агломерация, обжиг окатыншей) и низкотемпературные (без обжига) методы окускования.

Агломерация состоит в том, что мелкие зерна шихты нагревают до температуры, при которой они размягчаются и частично плавятся. При этом зерна слипаются, последующее быстрое охлаждение привондит к их кристаллизации и образованию пористого, но довольно прочного кускового продукта, пригодного для металлургического пенредела.

Обжиг окатышей проводят при окусковании железорудных мелнкодисперсных концентратов с размером частиц менее 100 мкм. Матенриалы такой крупности хорошо окомковываются, особенно при ввендении в шихту 0,5...2,0% пластичной связующей добавки - бентонинта (особого сорта высококачественной глины). С целью получения офлюсованных окатышей в шихту вводят также необходимое количенство известняка.

Высокотемпературная агломерация используется при переработке пылей, окалины, шламов в металлургических производствах, пиритных огарков и других дисперсных железосодержащих отходов. Для проведения агломерации на основе таких вторичных материальных ресурсов (BMP) приготовляют шихту, включающую твердое топливо (коксовая мелочь6...7 % по массе) и другие компоненты (концентрат, руда, флюсы). Усредненную и увлажненную до 6...8 % шихту разменщают в виде слоя определенной высоты, обеспечивающей оптимальнную газопроницаемость шихты, на расположенные на решетках двинжущихся обжиговых тележек (палет) агломерационной машины слои возвратного агломерата крупностью 12... 18 мм, предотвращающие спекание шихты с материалом тележек и прогар решеток. Воспламеннение и нагрев шихты обеспечивают просасыванием через ее слой продуктов сжигания газообразного или жидкого топлива и воздуха. Процесс спекания минеральных компонентов шихты идет при гореннии ее твердого топлива (1100... 1600

Гранулирование - большая группа процессов формирования агренгатов шарообразной или (реже) цилиндрической формы из порошков, паст, расплавов или растворов перерабатываемых материалов. Эти процессы основаны на различных приемах обработки материалов.

Брикетирование находит широкое применение в практике утилинзации твердых отходов в качестве подготовительных (с целью приданния отходам компактности, обеспечивающей лучшие условия транснпортирования, хранения, а часто и саму возможность переработки) и самостоятельных (изготовление товарных продуктов) операций.

Сжигание твердых отходов. Как правило, по сравнению с углем твердые бытовые отходы содержат большее количество золы, кислонрода, влаги, металлов и хлора, а теплота сгорания, содержание серы, углерода и водорода у отходов меньше. Максимальная теплота сгоранния отходов 1560...3500 ккал/кг. Массовая доля компонентов в отхондах составляет, %: влага 8...40; летучие вещества 37...65; связанный угнлерод 0,6...15; зольность 11...39; хлор 0,01...0,41; сера 0,06...0,28; менталлы 0,01... 6,6.

Наиболее важные элементы, содержащиеся в твердых бытовых отходах и подлежащие сжиганию, - это углерод, водород, а также сера, хлор и азот. В результате эффективного сжигания углерод, сондержащийся в отходах, переходит в диоксид углерода, а водород - в воду. Сера превращается в оксиды серы (преимущественно в S0₂), некоторое количество азота в оксиды азота, а хлорорганические венщества переходят в хлористый водород.

Весь процесс в горящем слое отходов можно условно разделить на три основных периода (стадии): подготовка отходов к горению, собнственно горение (окислительная и восстановительная зоны), дожиганние горючих и очаговых остатков.

На первой стадии теплота от процесса горения используется для удаления влаги с поверхности и из внутренних областей отходов. В зоне подготовки отходы прогреваются, из них удаляется влага и выденляются летучие вещества, образовавшиеся в результате нагрева отхондов.

На второй стадии отходы длительно нагревают, при этом происнходит пиролиз. В кислородной зоне сгорает углерод отходов и образунется диоксид и частично оксид углерода, в результате чего выделяется основное количество теплоты в слое. На этой стадии кислород воздунха реагирует как с горючими материалами твердых отходов, так и с ганзами, которые выделяются при пиролизе отходов, при этом высвобонждается большое количество те плоты. В конце кислородной зоны нанблюдается максимальная концентрация СO₂ и температура слоя.

На третьей стадии происходит восстановление диоксида углеронда, оксида углерода с потреблением известного количества теплоты. Заканчивается процесс горения выжиганием озоленного кокса.

Температура - наиболее важный параметр, поскольку теплота используется для поддержания горения. Для того чтобы ее было доснтаточно, используют дополнительное топливо для предварительного подогрева отходов или для поддержания горения очень влажных мантериалов, обладающих низкой теплотой сгорания. Температура сгонрания 890

Воздух, вводимый в зону горения, выполняет несколько важных функций. Он поставляет кислород, необходимый для горения, перенносит продукты сгорания и удаляет воду из зоны горения, способстнвует режиму турбулентности в зоне горения. Воздух совместно с дынмовыми газами поглощает теплоту реакций горения и отводит ее из зоны горения.

Типичные твердые отходы горят при 1000

Вопросы для самоконтроля

1. Какие способы используются для механической переработки отходов?

2. Какова основная цель классификации твердых материалов?

3. В чем состоит отличие процесса растворения от экстрагирования?

4. Какие способы используют для обогащения отходов?

5. Какие методы используют для термохимической обработки отходов?

6. В чем состоит сущность процесса сушки?

7. Какие существуют виды связи влаги с материалом?

8. Какими способами осуществляется сушка?

9. Что представляет собой процесс пиролиза?

10. Какие продукты получаются в результате пиролиза?

11. Укажите основные стадии процесса сжигания твердых отходов.

< Предыдущая		Оглавление		Следующая >