Лекция 5. Процессы сжигания твердых отходов

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ [6]

 

В обычных условиях горение представляет собой процесс окисления или соединения горючего вещества и кислорода воздуха. Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая - при содержании в воздухе 14-15 % кислорода. Горение веществ происходит тем быстрее, чем больше их удельная поверхность; при хорошем перемешивании горючего вещества и кислорода (окислителя) скорость горения увеличивается. Для возникновения и развития процесса горения необходимы: горючее, окислитель и источник поджигания. При отсутствии любого из этих условий горение прекращается. При недостатке кислорода горение является неполным, обычно образуются едкие, ядовитые, горючие и взрывоопасные продукты.

Необходимое для сгорания 1 кг вещества ориентировочное количество воздуха (в м³) можно рассчитать по формуле

 

V_o = , (50)

 

где Q - теплотворная способность горючего, ккал/кг.

Теплотворная способность твердых веществ (и жидкостей) определяется по формуле (ккал/кг)

Q = , (51)

 

где М- молекулярный вес вещества; Q_гор- теплота сгорания, ккал/моль.

Теплотворную способность каменного угля, торфа, нефти можно оценить по формуле Д. И. Менделеева:

 

Q = 81∙C + 300∙H + 26∙(S_л - О), (52)

 

где С, Н, S_л - содержание углерода, водорода и серы летучей, соответственно, %; О - суммарное содержание кислорода и азота, %.

 

Различают беспламенное горение твердых веществ (кокс, сажа, древесный уголь, щелочные и щелочноземельные металлы) и горение с образованием пламени (древесина, торф и т. п.). В случае беспламенного (гетерогенное) горения окисление происходит на поверхности раздела фаз (твердое вещество и парообразная фаза его составляющих); при этом концентрация реагирующих веществ в пограничном слое уменьшается, а концентрация продуктов сгорания увеличивается. Скорость горения данного вещества зависит от температуры, давления, величины удельной поверхности вещества, скорости диффузии кислорода через пограничный слой и скорости окислительных реакций.

При горении щелочных металлов: калия, натрия, магния, кальция и других элементов образующиеся окислы остаются на поверхности расплавленного металла и представляют собой пористую массу. Одновременно образуются густые белые облака окислов этих металлов. По мере горения жидкий металл, поднимаясь по капиллярам пористой массы, пропитывает ее и окисляется при выходе на поверхность этой массы. У поверхности горящего металла температура достигает 1100-1500 °С, а окислы создают светящийся ореол, похожий на пламя. В действительности горение этих металлов происходит в тонком слое паров над поверхностью жидкой массы. Частично окисление происходит на самой поверхности.

Процесс горения любого органического вещества требует:

1) достаточного времени для развития и завершения химических реакций;

2) достаточной температуры для нагрева горючей массы до последовательных стадий разложения и загорания углерода и водорода;

3) достаточного количества и хорошего перемешивания кислорода с горючими элементами для обеспечения полноты сгорания;

При сжигании топлива или твердых отходов, содержащих органические вещества, образуются различные соединения, которые могут быть безвредными или токсичными.

Основные окислительно-восстановительные реакции процесса горения органического топлива или твердых горючих отходов следующие:

 

C + O₂ = CO₂ + тепло

C + 1/2O₂ = CO + тепло

C + CO₂ = 2CO - тепло

C + H₂O = CO + H₂ - тепло

C + 2 H₂O = CO₂ + 2H₂ - тепло

C + 2H₂ = CH₄ - тепло

CO + 1/2O₂ = CO₂ + тепло

H + 1/2O₂ = H₂O + тепло (53)

H₂ + 1/2O = H₂O + тепло

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + тепло

CO + H₂O = CO₂ + H₂ + тепло

C₂H₄ + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O + тепло

S + O₂ = SO₂ + тепло

H₂S + 3/2O₂ = H₂O + SO₂ + тепло

H₂ + 2Cl = 2HCl + тепло

H₂ + 2F = 2HF + тепло

 

В начале нагревания угля или твердых отходов, содержащих серу, происходит испарение органических и частично неорганических соединений, причем образуются Н₂S, CS₂, COS и другие сложные соединения с серой. Механизм сгорания этих компонентов хорошо изучен. При сжигании СОS образуются окислы СO, SO₂ и СО₂. Продуктами сжигания H₂S и CS₂ является вода, окислы СО, SO₂. Сжигание отходов пластмассового производства может привести к образованию коррозионно-активных и токсичных хлористых соединений, окислов азота и других веществ. Аналогично сжигание мусора или других отходов на воздухе чаще всего происходит при неполном сгорании органического вещества и поступлении в атмосферу химически вредных веществ.

 

2. ПРОЦЕССЫ ПРОКАЛИВАНИЯ, ПИРОЛИЗА И ГАЗИФИКАЦИИ ОТХОДОВ [1,2]

 

Прокаливание представляет собой сжигание отходов, осуществляемое с целью уменьшения объема и массы реагирующих компонентов. При этом имеет место сушка отходов (удаление влаги), сжигание их органической части и окисление минеральных веществ. Таким образом, в процессе прокаливания образуется достаточно большое количество различных отходов: зола, шлак, дымовые газы, летучая зола (аэрозоли), сточные воды. Кроме того процесс требует больших затрат электроэнергии на его осуществление. Поэтому прокаливание не является лучшим методом ликвидации твердых органических отходов.

Метод прокаливания и обжига нашел применение при обра-ботке шлаков цветной металлургии, пиритных огарков, гальваношламов и др.

Пиролиз (иногда называемый деструктивной перегонкой) представляет собой процесс разложения органических примесей под действием температур в отсутствие или при недостатке кислорода. Он характеризуется протеканием реакций взаимодействия и уплотнения образующихся компонентов, в результате чего происходит расщепление органической массы, рекомбинация продуктов расщепления с получением термодинамически стабильных веществ: твердого осадка, смол, газа. В результате пиролиза происходит распад органического материала и синтез новых продуктов. Обе стадии процесса взаимно связаны и протекают одновременно с той лишь разницей, что отдельно каждая стадия может превалировать в определенные промежутки времени и температуры.

Общую схему пиролиза можно представить следующим образом:

твердые отходы+ Q ® твердый остаток+жидкие продукты+газы ±Q_i, (54)

где Q - дополнительное тепло, Q_i - вторичное тепло.

Следует отличать пиролиз от близкого к нему процесса газификации. Газификация является термохимическим высокотемпературным процессом взаимодействия органической массы или продуктов ее термической переработки с газифицирующими агентами, в результате чего органическая часть или продукты ее термической переработки обращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов применяют воздух, водяной пар, диоксид углерода, а также их смеси.

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

Относительно защиты окружающей среды процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению с сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании отходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпературного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый остаток можно использовать в промышленности (сажа, активированный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.

Высокотемпературный пиролиз по сравнению с другими методами имеет ряд преимуществ: при нем происходит более интенсивное преобразование исходного продукта, скорость реакций с увеличением температуры возрастает по экспоненте, 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.

Контрольные вопросы

1. Дайте характеристику процесса горения твердых материалов.

2. Назовите основные требования для обеспечения процесса горения.

3. Назовите основные окислительно-восстановительные реакции процесса горения твердых материалов.

4. Назовите особенности процессов прокаливания и обжига, их недостатки.

5. Физическая сущность процессов пиролиза и газификации при обработке твердых отходов.