Главная страница
Сведения об авторах

 Процесс Ванюкова — технология высокотемпературной комплексной утилизации отходов

Быстров В. П., Камкин Р. И., Кузнецов А. В., Мамаев А. Ю., Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия

В развитых странах широко применяют сжигание ТБО вместо их захоронения, что обусловлено, прежде всего, возможностью предотвратить неконтролируемое загрязнение окружающей среды, значительно сократить объем и массу мусора и использовать его энергетический потенциал. Распространенные в настоящее время технологии сжигания при 800—1 000 °С имеют существенные недостатки: образование вторичных токсичных отходов — золы и органических соединений (в том числе диоксинов), которые не могут быть использованы и требуют значительных затрат на обезвреживание.

Более перспективны технологии высокотемпературного сжигания ТБО. Они обеспечивают полное разрушение выделяющихся токсичных соединений, а также позволяют получать вместо золы шлак — плавленый, свободный от органических веществ материал (рис. 1).

 Рис. 1. Зола (а) и стекловидный шлак (б), образующиеся из ТБО при температуре сжигания соответственно 900 и 1 300 °С

НИТУ «МИСиС» совместно с ООО «Институт "Стальпроект"» предлагают строить заводы по высокотемпературной утилизации бытовых и промышленных отходов на базе печей Ванюкова. Технология плавки материалов в барботируемой шлаковой ванне (процесс Ванюкова) была разработана в НИТУ «МИСиС» довольно давно: первая промышленная печь построена в г. Норильске в 1977 г. для плавки медного сырья. В настоящее время успешно эксплуатируются девять металлургических печей Ванюкова, а технология зарекомендовала себя как эффективный и надежный процесс. Практика показала, что используемые в ней принципы применимы и для утилизации отходов.

Кратко работу печи Ванюкова (рис. 2) для сжигания отходов можно описать следующим образом.

Материалы (отходы и флюс) непрерывно загружают в печь на поверхность шлакового расплава с температурой 1 300 °С, интенсивно перемешиваемого кислородно-воздушным дутьем, которое подают непосредственно в объем расплава через дутьевые устройства, установленные в боковых стенах печи. Таким образом происходит замешивание загружаемых материалов в шлаковый расплав и полное сгорание отходов. Их зольная часть и добавляемый флюс (кварцевый песок, известняк или другие материалы в зависимости от требуемого состава шлака) образуют жидкий шлак, который непрерывно либо периодически выпускается через окно в торцевой стене печи.

Отходящие газы поступают в котел-утилизатор тепла, расположенный непосредственно над печью, и далее в систему газоочистки. Тепло отходящих газов используют для выработки тепловой и электрической энергии для собственных нужд и поставки потребителям.

Благодаря интенсивному перемешиванию расплава удельная производительность печей Ванюкова — одна из самых больших среди плавильных металлургических агрегатов. На каждый квадратный метр рабочей площади печи возможна загрузка не менее 35 т/сут несортированных влажных ТБО.

Предлагаемая технология полностью удовлетворяет требованиям, выполнение которых (как подтверждают многочисленные исследования) обеспечивает экологическую безопасность процесса сжигания ТБО:

—   высокие температуры (не менее 1 200 °С);

—   избыток окислителя (кислорода);

—   достаточное для полного распада высокотоксичных органических соединений время пребывания газов в горячей зоне (не менее 2 с);

—   интенсивное перемешивание расплава, обеспечивающее максимально быстрый нагрев отходов до рабочей температуры.

Сжигать можно как недавно образованные, так и лежалые отходы, например, при рекультивации полигонов и свалок, в том числе и после отбора компонентов для рециклинга. Сушки и сортировки отходов перед загрузкой в печь не требуется, что позволяет снизить затраты на подготовку ТБО к утилизации. Применение обогащенного кислородом дутья позволяет:

—   обеспечить автогенную (без сжигания топлива) работу агрегата даже на влажных и несортированных ТБО;

—   снизить объем отходящих газов более чем в 4 раза по сравнению с использованием воздуха, что существенно сокращает капитальные и эксплуатационные затраты на газоочистку.

Большое технологическое преимущество процесса Ванюкова — возможность применения одного и того же агрегата для утилизации широкого спектра отходов: ТБО, пыли, золы ТЭЦ, автомобильных покрышек, литейных земель, отработанных горюче-смазочных материалов, шламов гальванического производства, отходов нефтяной и угольной промышленности, вышедших из употребления денежных знаков, медицинских и биологически опасных отходов, осадков городских сточных вод и др.

Таким образом, становится реальным создание универсальных центров по утилизации бытовых и промышленных отходов.

При утилизации негорючих отходов, например золы ТЭЦ, печь работает на любом доступном топливе: каменном угле, мазуте, природном газе. Металлы, содержащиеся в отходах, могут быть выделены в сплав либо полностью переведены в шлак в форме оксидов.

Продукты сжигания экологически безопасны и пригодны для производства товарной продукции.

Выход шлака составляет 10—15 % от массы загружаемых ТБО, что значительно меньше количества золы при низкотемпературном сжигании. Шлак полностью свободен от органических веществ, а содержащиеся в нем оксиды металлов распределены в силикатной матрице, благодаря чему не переходят в окружающую среду под действием атмосферных осадков и других внешних факторов. По составу и свойствам шлаки могут служить сырьем для производства строительных и конструкционных материалов. Ассортимент продукции очень широк: брусчатка и плиты для настила полов, различные трубы и желоба, футеровочные плиты, ролики ленточных конвейеров, строительные блоки, облицовочная плитка, абразивный инструмент и т. д.

Отдельного внимания заслуживает возможность использования шлаков в качестве сырья для получения волокнистых теплоизоляционных материалов (минеральной ваты, стекловолокна). В ближайшем будущем следует ожидать роста спроса на подобные материалы, применение которых в несколько раз снижает потери тепла через ограждающие конструкции зданий.

За счет использования обогащенного кислородом дутья отходящие газы содержат значительное количество диоксида углерода (около 25 %), что после очистки позволяет применять их для производства жидкой углекислоты и сухого льда.

Результаты предварительных экономических расчетов свидетельствуют о самоокупаемости и финансовой устойчивости проектов на базе предлагаемой технологии. Отсутствие необходимости предварительной подготовки отходов, высокая удельная производительность и экологическая безопасность процесса Ванюкова позволяют в короткие сроки решить проблемы утилизации ТБО в мегаполисах с получением материальной выгоды.

Технология успешно опробована в ходе полупромышленных испытаний на пилотных установках в России (г. Рязань) и Республике Корея. С видеоматериалом о работе опытной установки в Южной Корее можно ознакомиться на сайте www.misis.ru/ru/6707. Процесс защищен патентами и имеет положительное заключение экологической экспертизы Московского областного комитета по охране окружающей среды.

Практический опыт, накопленный при строительстве и эксплуатации комплексов на базе печей Ванюкова, в полной мере позволяет разрабатывать проектную и технологическую документацию, сооружать заводы по утилизации отходов, а также проводить обучение персонала и осуществлять технологическую поддержку. В состав рабочей группы входят высококвалифицированные специалисты, принимавшие непосредственное участие в разработке процесса Ванюкова в целом и всех построенных на данный момент технологических комплексов на базе печи Ванюкова.