CC BY
45
98 экология
УДК 331.45
Установки термической утилизации отходов ООО «ТюменНИИгипрогаз»
Н.А. Созонов
главный конструктор1 [email protected]
1СКБ ООО «ТюменНИИгипрогаз», Тюмень, Россия
Проблема утилизации отходов вышла на первый план практически во всех странах, в том числе и России. Отходы подразделяются на промышленные и бытовые. По фазовому состоянию они могут быть жидкими, газообразными или твердыми. Жидкие отходы — это промышленные стоки предприятий (в том числе нефтегазодобывающих) и бытовые стоки — продукты жизнедеятельности человека. Твердые бытовые отходы (ТБО) — это также продукты жизнедеятельности человека, образующиеся в местах его проживания.
Рис. 1 — Установка ГФУ-5 на промысле
В настоящее время основным способом утилизации отходов в России является их захоронение. При этом захоронение жидких отходов отравляет почву, а захоронение ТБО к тому же выводит из хозяйственного оборота большие площади земли: для захоронения 1 т мусора требуется 3 м2 земли.
Наиболее приемлемым способом утилизации отходов во всем мире считается их сжигание (термическая утилизация). Во всех развитых странах, а в последнее время и в России, спроектированы и работают установки по сжиганию отходов, получившие название «инсинераторы» и представляющие собой печи различного типа: барабанные, циклонные, подовые. Сжигание любых отходов сопровождается выбросом в атмосферу продуктов горения, которые, в свою очередь, сами являются загрязнителями окружающей среды. Наиболее опасными считаются окислы азота 1М0х, окись углерода (угарный газ) СО, двуокись серы Б02, углерод (сажа).
Для того, чтобы не допустить загрязнения атмосферы, помимо камеры сжигания инси-нераторы, как правило, оборудуются камерой дожигания и многоступенчатой системой очистки дымовых газов — без этих составляющих не будут обеспечены санитарные нормы по вредным выбросам. Это влечет за собой усложнение конструкции инсинерато-ров и рост их стоимости. По оценкам, такой способ утилизации отходов в 10 раз дороже захоронения, в связи с чем в России он не получил большого распространения. Соотношение сжигаемых и захораниваемых отходов в России составляет 3:85, в то время как в Японии — 75:20.
В 2003 г. перед специалистами ООО «ТюменНИИгипрогаз» была поставлена задача: разработать установку для термической нейтрализации промышленных стоков для установок комплексной подготовки газа (УКПГ). Промстоки — это неотъемлемый продукт подготовки газа и состоят они из водомета-нольного раствора, минеральных солей, различных органических примесей, а также небольшого количества газового конденсата.
В течение года были проведены исследовательские работы и в результате разработана и запущена в серийное производство горизонтальная факельная установка ГФУ-5 с производительностью по промстокам 6 м3/ч. Установка выпускается по настоящее время и во многом решила экологические проблемы объектов добычи газа.
Установка ГФУ-5 имеет систему дистанционного розжига и контроля пламени и состоит из следующих блоков: устройство горелочное, блок редуцирования и подачи газа на дежурную и запальную горелки, шкаф с трансформатором зажигания, панель управления местная и блок управления факелом (из операторной). Горелочное устройство ГФУ-5 оснащено запальной и дежурной горелками и фотодатчиком контроля пламени. Подвод промстоков и газа для их распыления осуществляется по отдельным трубопроводам, на трубопроводе газа на входе в устройство горелочное установлен огнепреградитель. Устройство имеет две пневматические форсунки, куда подводятся сопла промстоков.
Пневматические форсунки обеспечивают распыление промстоков газом. Форсунка состоит из корпуса, объединяющего подводы газа и промстоков, раструба и сопла. При прохождении газа и промстоков раструба форсунки их скорость достигает значений, близких к скорости звука в газе, за счет чего достигается мелкодисперсное раздробление жидкой фазы и обеспечивается эффективная термическая утилизация в основном факеле. Под форсунками расположен обтекатель в виде тела Коанда, на который через узкие щели подается часть газа. Газ, огибая обтекатель, насыщается воздухом из окружающего пространства и образует горючую смесь. Сгорая, данная смесь образует дополнительный плоский настильный факел, способствующий более качественной утилизации промстоков.
Компьютерное моделирование горелки с расширяющимся соплом показало, что температура пламени факела в среднем составляет 1300°С.
Рис. 2 — Схема горелки установки ГФУ-5 (ГФУ-5М)
Рис. 3 — Диаграмма распределения температур горизонтальной установки
При впрыскивании воды в факел температура падает на 200-250оС, однако остается более чем достаточной для термического разложения (сгорания) органических и других веществ и испарения воды.
Согласно существующей теории горения газов, чем более скорость истечения газа из сопла, тем более качественным и полным будет его сгорание, выше молярная масса газа и больше количество примесей, с которыми можно качественно сжечь смесь. При большой скорости истечения происходит интенсивное перемешивание газа с воздухом, которое и обеспечивает эффективное горение горючей смеси. Визуально горение газа и термическая утилизация промстоков в установке ГФУ-5 наблюдается как полностью бездымное.
К недостаткам утилизации отходов в открытом факеле все же следует отнести то, что на периферии факела его температура ниже и небольшая часть промстоков не переходит в паровую фазу, а остается в виде тумана и осаждается на отбойной стенке факельного амбара. Однако этот недостаток перекрывается низкой стоимостью установки при достаточно высокой производительности.
В 2012 г. установка ГФУ-5 была модернизирована и получила индекс ГФУ-5М. Была применена более совершенная автоматика и добавилась камера рециркуляции, решившая проблему неполного испарения жидкости на периферии факела. Расход топливного газа на установках ГФУ-5 составил в среднем 460 ст. м3/ч, на установках ГФУ-5М - 420 ст. м3/ч на 1 м3 промстоков.
Сравнительный технико-экономический анализ горизонтальных факельных установок и инсинераторов показал, что стоимость установок примерно в 6-10 раз меньше при производительности в 6-10 раз большей, чем у инсинераторов. Связано это с тем, что в инсинераторах добиться высоких скоростей газа сложнее, а при низких скоростях появляются проблемы с качественным сгоранием, решать которые приходится усложнением и удорожанием конструкции.
Дальнейшим развитием установок горизонтальных факельных ГФУ-5 и ГФУ-5М в ООО «ТюменНИИгипрогаз» стала разработка установки термической утилизации жидких отходов УТУ-1ж с производительностью по отходам до 10 м3/ч. Данная установка сохранила принцип утилизации жидких отходов (промышленных и очищенных бытовых
стоков) путем распыления их в высокоскоростном потоке газа. При этом она получила полузакрытую камеру сжигания, автоматизированную систему управления (АСУ) на основе промышленного контроллера с передачей всех параметров работы на верхний уровень по интерфейсу 1^-485 и управление с верхнего уровня.
Розжиг установки осуществляется свечой накаливания в отличие от традиционных высоковольтных систем, чем обеспечивается гарантированный розжиг даже при экстремально низких температурах окружающего воздуха. По желанию заказчика в камере сжигания устанавливается теплообменник для получения горячей воды от тепла продуктов сгорания (рекуператор). Основная задача разработки — сохранить низкую стоимость и высокую производительность горизонтальных факельных установок при качестве утилизации и удельном расходе топлива, сопоставимыми с показателями инсинераторов.
В настоящее время разработана конструкторская документация на установку УТУ-1ж, осуществляется ее сертификация как продукции экологического назначения. Экспериментальный завод ООО «ТюменНИ-Игипрогаз» планирует серийное производство установок УТУ-1ж со второй половины 2014 г.
В планах завода разработать к 2015 г более экономичную установку термической утилизации жидких отходов УТУ-2ж с закрытой камерой сжигания.
В области термической утилизации твердых бытовых отходов дела в России обстоят далеко не лучшим образом. По опубликованным данным, большинство мусоросжигательных заводов нерентабельны и существуют только благодаря государственным дотациям. Для исправления сложившейся ситуации государство должно применять стимулы, направленные на внедрение установок переработки отходов, в первую очередь, налоговые льготы и штрафы за загрязнение территории.
Технико-экономический анализ методов захоронения и сжигания ТБО, учитывающий все аспекты, а не только текущие расходы, показывает, что в перспективе не существует альтернативы сжиганию ТБО.
Специалистами ООО «ТюменНИИгипро-газ» проведен сбор информации по выпускаемым в России и за рубежом установкам сжигания твердых отходов.
Анализ технических характеристик ин-синераторов по предельным выбросам продуктов сгорания дает следующую картину в таб. 1.
Отсюда следует, что разрабатываемая установка термической утилизации ТБО должна обязательно иметь в своем составе камеру дожигания и хотя бы сухую очистку дымовых газов. Критерием экологической безопасности являются выбросы, выраженные в количественном выражении (г/с), и эти выбросы должны соответствовать нормам предельно допустимых концентраций (ПДК). Предварительные расчеты показывают, для достижения этих целей температура в камере дожигания должна быть не менее 12000С, время дожигания - не менее 2 с, избыток кислорода — не менее 10% от необходимого.
ООО «ТюменНИИгипрогаз» в настоящее время планирует разработать установку утилизации твердых бытовых отходов УТУ-3т с производительностью до 1000 кг/ч.
Данная установка должна состоять из следующих составных частей:
• система загрузки ТБО с шлюзовой камерой;
• камера сжигания с газовыми форсунками и ворошителем;
• камера дожигания с газовой форсункой;
• камера охлаждения продуктов сгорания и рекуперации;
• система очистки дымовых газов;
• система автоматизированного управления (шкаф автоматики с пультом управления).
Экспериментальный завод планирует предложить заказчикам установки термической утилизации твердых бытовых отходов УТУ-3т во второй половине 2015 г.
Считаем, что данная установка будет востребована в первую очередь нефтегазо-промыслами и северными поселениями.
ТЮМЕННИИГИПРОГАЗ
НАУЧНО-ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС
625019, г. Тюмень, ул. Воровского 2 Тел.: (3452) 284-315, 284-062, 284-061 www.tngg.ru
Рис. 4 — Установка термической утилизации УТУ-1ж. 1 — Устройство горелочное; 2 — Камера сжигания; 3 — Блок редуцирования; 4 — Шкаф автоматики; 5 — Панель управления; 6 — Выносной пульт управления; 7 — Стойка; 8 — Операторная
Загрязняющие Без Сухая Сухая и
вещества очистки очистка мокрая очистка
Пыль 200-1500 30-50 10-15
so2 100-300 10-20 5-8
HCl 100-200 5-10 2-5
СО 200-500 200-500 200-500
СО с камерой
дожигания 10-30 10-30 10-30
С (сажа) 100-300 50-100 40-50
С (сажа) с камерой
дожигания 1-2 1-2 0-1
Таб. 1 — Предельные значения выбросов, мг/м3
