CC BY
193
Хайбулин Р.Г.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТАНОВОК ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТХОДОВ
В статье рассмотрены технологические процессы и схемы термического обезвреживания отходов. Для оценки их эффективности использован метод анализа иерархий. Получены количественные оценки эффективности для трех вариантов систем.
Рассматриваются установки термического обезвреживания отходов в п. Горный, корпус 33 (установка 1) и в г. Камбарка, корпус 44 (установка 2), предназначенные для сжигания твердых, жидких и газообразных отходов, образующихся в технологическом процессе детоксикации и уничтожения люизита, иприта и их двойных, тройных смесей. Установки осуществляют обезвреживание жидких (сточных вод, горючих отходов и реакционной массы от детоксикации иприта) и твердых отходов, образующихся в технологическом процессе.
Обезвреживание отходов предусматривается термическим методом, который заключается в разложении отходов, окислении органических составляющих до продуктов полного сгорания и элементов в составе отходов при взаимодействии их с печной средой при высокой температуре (800 - 1200 °С), создаваемой за счет горения топлива (природного газа) и горючих отходов в объеме печи. Высокотоксичные твердые отходы производства обезвреживаются в печи с выдвижным подом при температуре 800 - 1000 °С (первая ступень сжигания). Отходящие из печи дымовые газы дожигаются в камере дожигания (вторая ступень сжигания) при температуре 1200 С. Сжигание жидких отходов предусматривается в камере дожигания (вторая ступень). В целях предотвращения образования диоксинов предусмотрено резкое охлаждение дымовых газов с температуры 1200 °С до 85 °С. Очистка дымовых газов предусматривает:
- отделение крупных твердых частиц триокиси мышьяка и солей в скруббере с радиальным потоком (1 ступень);
- нейтрализацию кислых газообразных компонентов (НС1, 8О2, НР) раствором щелочи в скруббере с насадкой (2 ступень);
- удаление мелких частиц пыли и аэрозоля солей в "мокром электрофильтре" (3 ступень).
Очистка сточных вод от системы очистки дымовых газов печей предусмотрена методом двухступенчатого химического осаждения мышьяка, с последующим выделением седиментацией мышьяко-содержащих солей в твердом виде и обезвоживанием шлама в камерном фильтр-прессе.
Технологические схемы установок
Установка 2 термического обезвреживания отходов в г. Камбарка отличается наличием двух технологических линий. При процессе гидролиза люизита образуется большое количество азотно-ацетиленовой смеси, которая в качестве газообразных отходов направляется на термообезвреживание. Сжигание жидких и газообразных отходов (азотно-ацетиленовая смесь) предусмотрено в отдельной печи сжигания - туракто-ре, при температуре более 1100 °С. В случае сбоев в работе линии сжигания жидких и газообразных отходов, сжигание азотно-ацетиленовой смеси предусмотрено в камере дожигания отходящих дымовых газов из подовой печи.
В установке 1 на термообезвреживание направляются реакционные массы от детоксикации иприта, смешенная со сточной водой и щёлочью. Одна технологическая линия в установке 1 предусматривает зависимость сжигания жидких от сжигания твёрдых отходов. В установке 2 технологический процесс предусматривает термическое обезвреживание отходов в две отдельные линии сжигания со своими аппаратами резкого охлаждения отходящих дымовых газов, системами очистки дымовых газов и дымовыми трубами для выброса очищенных дымовых газов в атмосферу.
Печь по сжиганию твердых отходов
На мощность по сжиганию твёрдых отходов и на бесперебойность процесса также влияет конструкция подовых печей, вспомогательного оборудования и количество одновременно перемещаемых подовых тележек при их смене. Подовая печь установки 1 вмещает в себя три подовых тележки, которые перемещаются из зоны загрузки трансбордером попарно, но заходят в печь поочерёдно. Соответственно топочная камера печи обогревается с помощью трех газовых горелок, расположенных сбоку. Боковые газовые горелки предназначены для разогрева топочной камеры и поддержания постоянной температуры на период выгорания твердых веществ на выдвижных подовых тележках. В отделении сжигания твёрдых отходов предусмотрено канатное тяговое устройство для перемещения подовых тележек внутри корпуса печи и в зонах загрузки и разгрузки тележек, которое периодически при работе заклинивало и требовало вмешательство эксплуатационного персонала, что снижало бесперебойность и как следствие производительность процесса термического обезвреживания твёрдых отходов в целом. Поворотные двери, установленные на торцевых сторонах топочной камеры подовой печи открываются и закрываются тремя гидравлическими сервоцилиндрами. Поворотные двери при процессе открывания-закрывания неоднократно заклинивали и требовали вмешательство эксплуатационного персонала, также имели место отклонения автоматизированной системы управления (АСУ ТП), что снижало бесперебойность и как следствие производительность процесса термического обезвреживания твёрдых отходов. Входной шлюз представляет собой прямоугольную камеру с герметично сваренными стальными стенками и потолками. Шлюз охлаждения представляет собой прямоугольную камеру, изготовленную из плотно сваренных стальных панелей с высокотемпературной изоляцией, состоящей из керамических волокнистых матов. Сверху по периметру уложены металлические плиты. Во время практической эксплуатации при выходе подовых тележек с золой из печи в шлюз охлаждения или воспламенении загруженных твёрдых отходов на подовых тележках во входном шлюзе неоднократно имели место случаи проникновением дыма в помещения загрузки и выгрузки, что блокировало технологический процесс срабатыванием соответствующих датчиков. Сваренные стальные стенки и потолки шлюзов были недостаточны герметичны, принимались дополнительные меры по проклеиванию металлоскотчем стыков металлических листов обшивки на стенках. Согласно проекта на установку 1, твёрдые отходы поступают, запаянные в полиэтиленовые мешки и упакованные в стальные барабаны и герметичные стальные контейнеры. Перед подачей твердых отходов в печь, внутренняя полость контейнеров проверяется на отсутствие ОВ переносным газоанализатором, путем отсоса воздуха на анализ через специальные штуцеры.
Подовая печь установки 2 вмещает в себя четыре подовых тележки, которые перемещаются из зоны загрузки трансбордером попарно и также попарно заходят в печь. Соответственно топочная камера печи обогревается с помощью четырёх газовых горелок, расположенных сбоку. На участках загрузки и разгрузки подовые тележки передвигаются фрикционными приводными катками. Фрикционные катки устойчивы до температур 120°С и подпружинены. Они цепляются за контррельсы, укрепленные на нижней стороне подовых тележек. Данное техническое решение передвижения подовых тележек показало себя с лучшей стороны, увеличило бесперебойность процесса и как следствие минимизировало трудозатраты, т. е. привлечение к обслуживанию эксплуатационного персонала. Подъемные двери на торцевых сторонах подовой печи с выдвижными тележками приводятся в действие четырьмя малыми гидравлическими цилиндрами и одним большим гидравлическим цилиндром каждая. Данное техническое решение подъёма-опускания дверей подовой печи
показало себя с лучшей стороны, увеличило бесперебойность процесса и как следствие минимизировало трудозатраты, т. е. привлечение к обслуживанию эксплуатационного персонала. Входной шлюз и шлюз охлаждения в отделении сжигания твёрдых отходов выполнены как прямоугольные камеры из герметично сваренных сегментов по конструкции «сэндвич». Поверхность сегментов стен состоит из стали с соответствующей внутренней теплоизоляцией. Материалы рассчитаны с учетом возникающих температур и химической стойкости на дегазацию разбавленной щелочью. Данное техническое решение по исполнению входного шлюза и шлюза охлаждения подовой печи показало себя с лучшей стороны, увеличило бесперебойность процесса и как следствие минимизировало трудозатраты, т. е. привлечение к обслуживанию эксплуатационного персонала. В установке 2 твёрдые отходы поступают упакованные в герметично закрытой сгораемой таре (65 дм3 полиэтиленовые бочки). Данное проектное решение подачи твёрдых отходов в небольшой герметично закрытой сгораемой таре значительно уменьшает трудозатраты. Уменьшается до минимума степень контакта эксплуатационного персонала с возможно содержащимся в отходах ОВ. Увеличивается производительность установки по сжиганию твёрдых отходов, так как нет необходимости загружать на сжигание стальные барабаны и контейнера.
Камера дожигания
Конструкция камеры дожигания установки 1 представляет собой вертикальную топочную камеру. Дымовые газы проходят сверху вниз и удаляются вместе с расплавленными солями, стекающими по стенкам камеры через нижний штуцер. В верхней части топочной камеры дожигания, по центру, направленная вниз, установлена комбинированная горелка. Внутри горелки встроена центральная форсунка для распыливания жидких горючих, высококалорийных отходов. В верхней части топочной камеры вокруг горелки установлены форсунки-инжекторы для распыления сточных вод с малой теплотворной способностью. Эта часть топочной камеры образует зону пламени. В топочную камеру поступает дымовой газ из печи с выдвижными подовыми тележками, где он перемешивается с горячими дымовыми газами из зоны пламени.
Камера дожигания отходящих дымовых газов линии сжигания твёрдых отходов в установке 2 аналогичны установке 1. Термическое обезвреживание жидких и газообразных отходов в установке 2 производится в высоко турбулентном реакторе с жаропрочной облицовкой (туракторе) при температуре 1120 °С. Жидкие
отходы подаются двухкомпонентной форсункой в камеру реакции и распыляются сжатым воздухом. Необходимый для термической обработки жидких и газообразных отходов природный газ вырабатывается горелкой природного газа, установленной в предкамере. Природный газ проходит снизу по касательной в камеру турактора и закручивается. От этого в реакторе возникает чрезвычайно высокая турбулентность, которая обеспечивает хорошее перемешивание распыленных жидких отходов и высокий уровень выгорания органики. Отходящие дымовые газы выводится из турактора через боковой облицованный футеровкой газоход вверху турактора и подаются в охладитель.
Охлаждение и очистка дымовых газов
Аппарат резкого охлаждения установлен под камерой дожигания и состыкован с топочной камерой фланцевым соединением. В аппарат резкого охлаждения также поступают капельки солей, стекающие вниз в виде тонкой пленки с поверхности футерованной топочной камеры. В аппарате резкого охлаждения дымовые газы охлаждаются, насыщаются водяными парами и через сепаратор поступают на установку очистки дымовых газов для отделения из состава дымовых газов аэрозолей и тонкодисперсной пыли, а также абсорбции кислых компонентов. Камера дожигания, аппарат резкого охлаждения и сепаратор образуют вертикаль, обеспечивая поступление дымовых газов сверху вниз. Первая технологическая линия установки 2 аналогична установке 1.
Во второй технологической линии установки 2 конструкция печи сжигания жидких и газообразных отходов - турактора предусматривает постепенное образование солевых наростов в нижней части топочной камеры, что требует дополнительного обслуживания, т. е. привлечение эксплуатационного персонала, а также в последующем может повлиять на бесперебойность технологического процесса. Конструкция охладителя (аппарата резкого охлаждения) отходящих дымовых газов от турактора менее эффективная и безопасная, что определяется высокой температурой на поверхности аппарата. На центробежном сепараторе проектом шламовые насосы не предусмотрены, поэтому насосы охлаждающей воды, функционирующие в контуре: «охладитель, центробежный сепаратор, насосы, охладитель» периодически захватывают солевые отложения из центробежного сепаратора, что требует вмешательство эксплуатационного персонала и увеличивает износ насосного оборудования.
Очистка сточных вод
На установке 1 окисление трехвалентного мышьяка в пятивалентный мышьяк происходит с помощью перманганата калия КМПО4, осаждение мышьяка в виде ЕеАэО4 с помощью хлорного железа ЕеС1з. нейтрализация избыточного хлорида железа с помощью раствора едкого натра, для осаждения одного и двухвалентных тяжелых металлов используется реагент ТМТ-15, для осаждения примесей дозируется раствор полиэлектролита (коагулянт). Затем очищенные сточные воды направляются на установку выпарки и только после упаривания сбрасываются в канализацию.
На установке 2 окисление трехвалентного мышьяка в пятивалентный мышьяк происходит с помощью перекиси водорода, осаждение мышьяка в виде ЕеАэО4 с помощью хлорного железа ЕеС1з. через контур измерения и регулировки рН добавляются известковое молоко (гидроксид кальция) или соляная кислота до установления заданного значения рН, для осаждения примесей дозируется раствор полиакриламид-геля. Нейтрализованные и обесшламленные сточные воды из приемной емкости фильтруются через два параллельно включенных гравийных фильтра и потом улавливаются в емкости для фильтрата. В гравийном фильтре отфильтровываются и задерживаются возможные микрохлопья. После окончательной фильтрации образующаяся очищенная сточная вода через систему окончательного контроля на рН и содержание мышьяка не более 0,2 мг/л сбрасывается в систему хозяйственно-бытовой канализации.
Очистка горячих сточных вод от систем очистки дымовых газов
В установке 1 при очистке сточных вод от систем очистки дымовых газов предусмотрено распределение поступающих горячих сточных вод через теплообменник сразу в два сборника, что повышает бесперебойность процесса реагентной очистки сточных вод и, как следствие, процессов сжигания отходов в целом.
В отделении очистки сточных вод в установке 2 поступление горячих сточных вод от систем очистки дымовых газов идёт только в один сборник и только затем через теплообменник они распределяются в два других сборника.
Производительность установок
Практическая мощность установки 1:
по твердым отходам - 50,125 тонн/год;
по жидким отходам:
- до 1 152 тонны/год без сжигания твёрдых отходов в подовой печи;
- 600 тонн/год с учётом сжигания твёрдых отходов в подовой печи.
Практическая мощность установки 2:
позволяет провести сравнение двух
по твердым отходам - 300 кг/сутки или 100 тонн/год;
по газообразным отходам - 292 кг/час;
по жидким отходам - 580 кг/час.
Иерархическая структура оценки эффективности установок
Изложенное выше описание технологии обезвреживания отходов, установок, как систем с основными элементами:
1. Печь по сжиганию твердых отходов.
2. Камера дожигания.
3. Охлаждение и очистка дымовых газов.
4. Очистка сточных вод.
5. Очистка горячих сточных вод от систем очистки дымовых газов.
6. Технологические схемы установок.
Эффективность установок определяется несколькими факторами:
Производительность.
Трудоемкость.
Безопасность.
При количественной оценке критерия деятельности системы по совокупности параметров необходимо провести иерархическое представление влияющих факторов. Для этих целей широко применяется метод анализа иерархий[1], являющийся одним из способов проведения сложных экспертиз. Метод анализа иерархий предполагает декомпозицию проблемы на более простые составляющие. Построение иерархии начинается с очерчивания проблемы исследования. Цель располагается в вершине, промежуточные уровни образуют критерии и факторы [2].
Для установления относительной важности элементов иерархии используется шкала отношений. По данной шкале эксперт ставит в соответствие степень предпочтения одного сравниваемого объекта перед другим. Для оценки относительной важности элементов используется девяти балльная шкала отношений [2]. По этой шкале 1 соответствует одинаковой значимости элементов, а 9 - соответствует абсолютной значимости. Правило заполнения матриц отношения: если элемент р доминирует над элементом р, , то элемент
по шкале отношении.
Симметричная клетка матрицы = 1 ¡р..
матрицы а у равен целому числу р
В соответствии с важностью элементов-потомков для выше стоящего элемента-родителя заполняется матрица парных сравнений А . Размерность матрицы определяется числом потомков у родителя. Ранжирование элементов, анализируемых с использованием матрицы парных сравнений, осуществляется на основе вычисления главного собственного вектора данной матрицы. Главный собственный вектор определяется равенством
АЖ = ,
где - максимальное собственное значение матрицы. Вектор Ж можно вычислить с использованием
выражения
W =
' / Аке '
где е — , а к некоторое число, в которое возводится исходная матрица парных сравнений (как
правило, достаточно взять к>5 ). Компоненты вектора
Ж—О1,..., )
являются весами относительной важности рассматриваемых элементов для их элемента-родителя.
Степень важности элементов нижнего уровня для элементов, расположенных в иерархии на более высоких уровнях (например, относительная важность сценариев для проблемы), определяется с помощью иерархического синтеза.
Иерархическая структура технологического процесса обезвреживания отходов представим в следующем виде (рис.1).
Рис.1. Иерархическая структура системы обезвреживания отходов
Низший уровень образуют переменные, характеризующие систему X = = 1,п . Результирующее значение
эффективности у складывается с учетом весовых коэффициентов на предыдущих уровнях.
В общем виде оператор иерархического синтеза запишем в следующей форме: п(/)
S: M&Vn = Yu
wLnwliLn,/ =\,L ; (1)
•j(j+1) _ Zj nm w«(i+о jo )=i
1=1 ■■ *¿(0=4(1)'
где L - количество уровней иерархии; n(l) - количество элементов на уровнях (n(1)=n, n(L)=1).
Для количественной оценки величины у(х) следует привести все значения переменных х к безразмерному виду:
min ___
Xi ■
,i = 1, n .
В этом случае преобразование у(х) примет вид: п _______
у = Х^,У^[0Л]. (2)
/=1
Значения векторов приоритетов, полученные по результатам обработки экспертных матриц парных сраЕ нений и соответствующие иерархии на рис.1, приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения векторов приоритетов
j 1 2 3
0 39 0 24 0 42
Wj 0 18 0 19 0 14
2 w2 j 0 2 0 21 0 17
Wj 0 1 0 09 0 15
W4j 0 11 0 12 0 16
W2j 0 16 0 15 0 16
W2j 0 25 0 24 0 22
Экспертные оценки показателей трех систем в 10-ти балльной шкале представлены в таблице 2. Таблица 2
Оценка показателей установок
система 1 2 3
x 7 9 9
8 7.5 8
8.5 8 8
7.5 7.5 7.5
8 7 8
5 9 9
Системы 1 и 2 соответствуют рассмотренным выше установкам 1 и 2. Система 3 является гипотетической, в которой собраны лучшие элементы систем 1 и 2.
Расчеты эффективности рассматриваемых систем, проведенные по формулам (1) и (2), дали следующие значения:
система 1, у = 0.71 ; система 2, у = 0.81 ; система 3, у = 0.83 .
По результатам сделанных оценок следует, что установка термического обезвреживания отходов на объекте УХО в г.Камбарка по комплексу свойств эффективнее установки в п.Горном. Применение вертикальной схемы дожигания и охлаждения в установке дают третий вариант технологического процесса с более высокой эффективностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 198 9.—
316с.
2. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике. - М.: Финансы и статистика, 2000.— 364с.
