Съоръжения за изгаряне на отпадъци

Инсинерацията се прилага за обезвреждане на широка гама отпадъци, като самият процес е само една част от цялостната сложна система за третиране на отпадъчните материали. През последните няколко години се наблюдава бързо технологично развитие в сектора – разработват се решения, които намаляват разходите и същевременно предлагат по-добри екологични характеристики.

Целта на изгарянето на отпадъци е да се редуцира обемът им и да се уловят или унищожат вредните компоненти в състава им. Инсинерацията осигурява възможност и за възстановяване на енергия или суровини от отпадъците.

Отпадъчният поток обикновено се отличава със силно хетерогенен характер, като в състава му влизат органични и неорганични вещества, метали и вода. При изгаряне се отделят димни газове, в които под формата на топлина се съдържа по-голямата част от енергията, получаваща се от процеса. Органичните вещества в отпадъците изгарят при достигане на необходимата температура на възпламеняване и встъпване в контакт с кислород. Същинският процес на изгаряне, от който се отделя енергия, протича в газовата фаза и е с продължителност части от секундата. При достатъчно висока калоричност на отпадъците и наличие на необходимото количество кислород може да се стигне до термична верижна реакция и автономно горене, т. е. да се елиминира нуждата от добавяне на други горива.

Към отделните видове отпадъци се прилагат различни типове технологии за изгаряне. Твърдите битови отпадъци (ТБО) могат да бъдат третирани в инсинератори с подвижна решетка или флуидизиран слой, или в ротационни пещи. Използването на съоръжения с флуидизиран слой налага необходимостта от предварително третиране и/или разделно събиране на отпадъците, за да се гарантира правилният размер на частиците.

Утайките от пречиствателните станции за отпадъчни води (ПСОВ) могат да се изгарят в ротационни пещи, многоетажни инсинератори или такива с флуидизиран слой. Прилага се и съвместно изгаряне в системи с решетка, топлоцентрали на въглища и индустриални процеси. Утайките от ПСОВ често са с високо влагосъдържание и поради това се изисква сушене или добавяне на допълнителни горива за осигуряване на стабилно и ефективно изгаряне.

Опасните и болничните отпадъци обикновено се изгарят в ротационни пещи, но за някои твърди отпадъци се използват и инсинератори с решетка. Някои предварително третирани материали се изгарят и в инсинератори с флуидизиран слой.

Инсинератори с решетка
Тези съоръжения са широко използвани за изгаряне на смесени битови отпадъци. Приблизително в 90% от инсталациите за третиране на ТБО в Европа се използва тази технология. Други видове отпадъци, които често се изгарят съвместно с ТБО в инсинератори с решетка, са неопасни отпадъци от търговския и индустриалния сектор, утайки от ПСОВ и някои болнични отпадъци.

Инсинераторите с решетка обикновено се състоят от захранващ механизъм, инсинераторна решетка, устройство за отделяне на дънната пепел, въздуховодна система, горивна камера и спомагателни горелки.

Отпадъците се подават от бункера за съхранение през захранващата шахта, след което чрез хидравлична рампа или друг вид конвейерна система преминават върху решетката. Тя придвижва отпадъчните материали през различни зони на горивната камера.

Основна цел на инсинераторната решетка е доброто разпределение на горивния въздух в камерата. Първична въздуходувка вкарва въздух в слоя отпадъци през малките отвори на решетката. Обикновено за да се гарантира пълно горене, се подава още въздух над слоя отпадъци.

Често някои фини частици от отпадъците преминават през решетката, като този материал впоследствие се отделя с дънната пепел или разделно от нея. Той може да бъде върнат обратно върху решетката за повторно изгаряне или да се отстрани за директно обезвреждане. При рецикъл следва да се внимава за риска от запалване на отпадъците в захранващия бункер от остатъците от горенето. Обикновено времето на задържане на отпадъците върху решетката е не повече от 60 минути.

Решетката се охлажда с цел контролиране на температурата на метала и удължаване на експлоатационния й живот. Охлаждащата среда може да бъде въздух или вода, като е възможно да се използват и други течности като масла и различни топлопроводими флуиди. Охлаждащият флуид се движи от по-студени зони на решетката до все по-горещи, за да се увеличи максимално топлообменът. Абсорбираната от охлаждащата среда топлина може да бъде оползотворена в процеса на инсинерация или във външен за системата процес.

Решетките са няколко вида – клатещи се в посока нагоре и напред, извършващи възвратно-постъпателно движение, конвейерни или ролкови. Дизайнът на горивната камера до голяма степен се определя от вида на решетката. От своя страна, горивните камери са три типа, различаващи се по посоката на движение на димните газове спрямо отпадъчния поток – правотокови, противотокови и с централно разположен отвор за димните газове.

Инсинераторите се проектират и експлоатират по такъв начин, че да се постигне добро изгаряне на горивните газове чрез поддържането им при минимално ниска температура и съдържание на кислород за възможно най-малко време на задържане. Типичните прилагани стойности са температура от 850 до 1100°C при поне 6% съдържание на кислород за поне 2 s.

При стартиране на процеса се използват спомагателни горелки, които загряват камерата до определена температура, преди да бъдат добавени отпадъците. По време на експлоатация горелките се включват автоматично, ако температурата падне под специфицираната стойност. При спиране на съоръжението спомагателните горелки се ползват, когато в камерата има неизгорели отпадъци, както и за поддържане на желаната температура.

Ротационни пещи
Те са много стабилни съоръжения и са приложими за изгаряне на почти всички видове отпадъци, независимо от състава им. Ротационните пещи се използват широко за изгаряне на опасни отпадъци.

Работните температури в ротационните пещи варират в диапазона от 500 до 1450°C. Когато се използват за конвенционално окислително горене, температурата в пещта обикновено е над 850°C. При изгаряне на опасни отпадъци са характерни температури между 900 и 1200°C.

По принцип, в зависимост от количеството входящи отпадъци, колкото по-висока е работната температура, толкова по-голям е рискът от повреждане на огнеупорната облицовка на пещта. Някои пещи са с охлаждащ кожух (използващ въздух или вода), който спомага за удължаване на огнеупорността и оттам и на периода между спиранията за поддръжка.

При високи температури в пещта се прилага водно охлаждане. Системите за водно охлаждане на ротационните пещи се състоят от два контура. Първичният контур доставя вода върху пещта и я разпределя равномерно за постигане на еднороден охлаждащ ефект по целия й корпус. След това водата постъпва в басейни, разположени под пещта, откъдето преминава в събирателния резервоар. Водата се рециркулира през филтър и топлообменник посредством циркулационна помпа. Вторичният контур отнема топлината от първичния чрез топлообменници и я връща за повторна употреба.

Системата доставя охлаждащата вода през стотици дюзи, разположени над корпуса на пещта, поддържайки температурата му между 80 и 100°C. При въздушно охлаждане температурата на корпуса обикновено е по-висока с няколкостотин градуса. Охлаждането на ротационните пещи увеличава топлообмена през огнеупорния слой в достатъчна степен, за да се редуцира максимално скоростта на химичната ерозия.

Ротационната пещ се състои от цилиндричен съд с лек наклон по хоризонталната ос. Съдът обикновено е положен върху ролки, което позволява въртенето и осцилирането му около оста. Отпадъците се придвижват през пещта благодарение на гравитацията при въртене. За течни, газообразни и пастообразни отпадъци се прилага директно подаване в пещта, особено когато те създават риск за безопасността на операторите при експозиция.

Времето на задържане на твърди материали в пещта се определя в зависимост от ъгъла на наклон на съда и скоростта на въртене – обикновено между 30 и 90 минути са достатъчни за постигане на добра степен на изгаряне на отпадъците.
С цел подобряване на деструкцията на токсични съединения ротационните пещи се оборудват със следгоривна камера, като за постигане на достатъчно висока температура може да се наложи добавянето на допълнително гориво под формата на течни отпадъци.

Инсинератори с флуидизиран слой
Този вид инсинератори са широко използвани за фино разделени отпадъци, например RDF (гориво от отпадъци) и утайки от ПСОВ. Съоръжението представлява облицована цилиндрична горивна камера, в долната част на която е разположен слой инертен материал (пясък или пепел). Отпадъците за изгаряне се подават във флуидизирания слой от горната му страна или отстрани посредством помпа, звездовидно захранващо устройство или шнек.

Във флуидизирания слой протичат процеси на сушене, изпарение, възпламеняване и горене. Температурата в свободното пространство над слоя обикновено варира между 850 и 950°C. То е проектирано по такъв начин, че да позволи достатъчен престой на газовете в горивната зона. Температурата в самия флуидизиран слой е по-ниска – около 650°C.

Поради доброто смесване в реактора инсинераторните системи с флуидизиран слой се отличават с равномерно разпределение на температурата и кислорода, което обуславя стабилността на процеса. Изгарянето на отпадъци с хетерогенен характер изисква предварително третиране на потока, за да се гарантира, че отговаря на спецификациите за размер на частиците.

Предварителната обработка обикновено включва сортиране и натрошаване на по-големите инертни частици, както и шредиране. Може да се наложи и отстраняването на материали от черни и цветни метали. Частиците на отпадъците следва да са с малки размери, често с максимален диаметър от 50 mm.

По време на горене във флуидизирания слой се съдържат неизгорели отпадъци и получаващата се пепел. Излишъкът от пепел обикновено се отстранява от долната част на пещта. Генерираната при горенето топлина може да бъде уловена чрез устройства, разположени или в самия флуидизиран слой, или при отвора за изходящите димни газове.

Относително високите разходи за процесите на предварително третиране на някои отпадъци са ограничаващ фактор за широкото приложение на тези системи в голямомащабни проекти. Това предизвикателство се преодолява донякъде чрез селективното събиране на някои отпадъци и разработването на стандарти за качество за RDF. Комбинацията от отпадъци с контролирано качество и изгаряне във флуидизиран слой може да позволи подобрение в управлението на горивния процес и увеличаване на потенциала за по-опростено и следователно по-евтино пречистване на димните газове.

В зависимост от скоростта на газа и дизайна на дюзите се различават следните технологии:

• Неподвижен флуидизиран слой (под атмосферно или по-високо налягане) – инертният материал се размесва, но получаващото се движение във възходяща посока не е съществено.
• Ротационен флуидизиран слой – вариант на предходната технология. Флуидизираният слой се върти, което допринася за по-дълго време на задържане в горивната камера. Този вид съоръжения се използват за изгаряне на ТБО от 1990-те години.
• Циркулиращ флуидизиран слой – по-високите скорости на газовете в горивната камера водят до частично отстраняване на отпадъци и инертен материал от флуидизирания слой. Те се връщат в камерата през рециркулационен тръбопровод.

При стартиране на процеса на горене флуидизираният слой трябва да бъде нагрят поне до минималната температура на възпламеняване на отпадъците. Това може да се постигне чрез предварително подгряване на въздуха с горелки, които остават включени, докато горенето не започне да се самоподдръжа.

Обикновено основната част от пепелта се придвижва с потока димни газове, което налага отделянето й чрез пречиствателни съоръжения. Действителният процент дънна и летяща пепел се определя от технологията на флуидизирания слой и характеристиките на отпадъците.