Термическое обезвреживание (сжигание) сточных вод

Введение

Антропогенное загрязнение окружающей среды в настоящее время уже не компенсируется полностью процессами, происходящими в биосфере. В результате интенсивной деятельности человека происходит значительное загрязнение окружающей среды, биосфера постоянно деградирует: ухудшается качество атмосферы, водоёмов и почв, уничтожается фауна и флора. Выбросы и сбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоёмы и почву достигли таких масштабов, что в некоторых регионах земного шара, особенно в крупных промышленных центрах, уровни загрязнений окружающей среды значительно превышают допустимые санитарные нормы.

Поэтому проблема защиты окружающей среды является одной из важных задач человечества.

Составной частью природопользования является переработка и воспроизводство природных ресурсов, охрана их и защита окружающей среды в целом, которая осуществляется на основе инженерной экологии – науки о взаимодействии технических и природных систем.

Теоретические основы защиты окружающей среды – комплексная научно-техническая дисциплина инженерной экологии, изучающая основы создания ресурсосберегающих технологий, экологически безопасных промышленных производств, реализации инженерно-экологических решений по рациональному природопользованию и охране окружающей среды.

В целях защиты окружающей среды (ЗОС) работа промышленности должна быть организована так, чтобы её отходы не наносили вреда природе и человеку. Охрана природы требует, чтобы производство совершенствовалось, а отходы утилизировались; все новые процессы создавались на основе малоотходной и безотходной технологии. Это позволит не только решить проблему ЗОС, но одновременно обеспечит высокую экономическую эффективность производства.

Данная реферативная работа посвящена вопросу термического обезвреживания (сжигания) сточных вод.

Теоретическими основами процессов удаления взвешенных загрязнений из состава сточных вод являются общие законы физической и коллоидной химии, термодинамики, гидро- и аэродинамики.

1. Общая характеристика термических методов обезвреживания сточных вод

Все методы очистки сточных вод могут быть разделены на деструктивные и регенеративные.

Под деструктивными понимают такие методы, при которых загрязняющие воду вещества подвергаются разрушению. Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов или осадков или остаются в растворе, но уже в обезвреженном виде. Чаще всего это происходит при использовании естественных или искусственных окислительных процессов.

Регенеративные методы решают две задачи: очистку сточных вод и утилизацию ценных веществ. Практически нередко приходится совмещать обе группы методов, а также проводить стадии предварительной очистки и доочистки.

Методы очистки сточных вод можно подразделить также на гидромеханические, химические, физико-химические, термические, электрохимические, биохимические.

Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить эти примеси, например, при сжигании. Такой процесс применим для обезвреживания органических примесей сточных вод. Для очистки минерализованных сточных вод из термических методов можно использовать выпаривание, адиабатное испарение, вымораживание и кристаллизацию из растворов и др.

Для обезвреживания значительной группы жидких, твердых, пастообразных и газообразных промышленных отходов с большим набором и высокой концентрацией органических и минеральных веществ применяют термические методы. Они заключаются в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление или восстановление некоторых вредных веществ с образованием безвредных или менее вредных.

К термическим методам относят жидкофазное окисление, гетерогенный катализ, газификацию отходов, пиролиз отходов, плазменный и огневой методы.

По теплотворной способности промышленные стоки делят на сточные воды, способные гореть самостоятельно, и на воды, для обезвреживания которых необходимо добавлять топливо. Эти сточные воды имеют энтальпию ниже 8400 кДж/кг (2000 ккал/кг).

При использовании термоокислительного метода все органические вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный или "огневой" метод. Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и требований, предъявляемых к очищенным водам.

Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при температурах 100 – 350°С и давлениях 2 – 28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ. Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Летучие вещества окисляются в основном в парогазовой фазе, а нелетучие - в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.

Метод начинают использовать для очистки сточных вод в химической, нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Метод парофазного каталитического окисления. В основе метода находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в сточных водах. Процесс протекает интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или другого катализатора. Основной недостаток метода - возможность отравления катализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Поэтому необходимо предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод.

Достоинства метода: возможность очистки большого объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органических веществ; возможность комбинирования с другими методами; безопасность в работе.

Недостатки метода: неполное окисление некоторых органических веществ; высокая коррозия оборудования в кислых средах.

Огневой метод. Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболее эффективным и универсальным из термических методов. Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900 – 1000°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают.

Огневой метод применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Метод может быть использован также для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод целесообразен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо.

В процессе обезвреживания сточных вод различного состава могут образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO, BaO, K2O, Na2O и др.). При диссоциации хлоридов в дымовых газах содержится хлор и хлороводород. Органические соединения, содержащие серу, фосфор, галогены, могут образовывать SO2, SO3, P2O5, HC1, C12 и др. Присутствие этих веществ в дымовых газах нежелательно, т.к. это вызывает коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения, могут выделяться оксиды азота. Между этими соединениями происходят взаимодействия с образованием новых соединений, в том числе и токсичных.

2. Огневой метод

Огневой метод используют для сжигания негорючих сточных вод. Сущность метода заключается в распылении сточных вод в топочные газы, имеющие высокую температуру (900—1000 °С). Вода при этом полностью испаряется, органические примеси сгорают с образованием газовых продуктов, а минеральные вещества образуют твердые или расплавленные частицы, которые затем улавливаются.

Для обезвреживания особо опасных, ядовитых и неутилизируемых отходов огневой метод является наиболее целесообразным, а зачастую единственно возможным. Однако у данного метода есть существенный недостаток – это высокие затраты энергоресурсов и дороговизна, которые ограничивают возможности и масштабы его применения. Поэтому снижение себестоимости термического способа очистки сточных вод является весьма актуальным.

Разработан ряд технологических установок для огневого метода обезвреживания: без рекуперации тепла и очистки газов; без рекуперации тепла с очисткой газов; с рекуперацией тепла без очистки газов; с рекуперацией тепла и очисткой газов. Во всех этих схемах отсутствует рекуперация твердых отходов. Предложены схемы и с рекуперацией твердых отходов, выделяющихся при использовании огневого метода обезвреживания сточных вод. Огневой метод требует больших затрат топлива на испарение воды и полного сгорания токсичных примесей. Обычно расход топлива составляет 250—300 кг на 1 т сточной воды.

История развития термических способов обезвреживания сточных вод начинается с использования камерных и шахтных печей, в которых осуществлялось подсушивание и сжигание распыливаемой при помощи сопел сточной воды за счет сжигания топлива.

Основными их недостатками являются громоздкость, дороговизна и малая удельная производительность.

Наиболее совершенными для сжигания жидких отходов являются циклонные печи, преимущества которых обусловлены аэродинамическими особенностями (вихревая структура газового потока), обеспечивающими высокую интенсивность и устойчивость процесса сжигания с малыми тепловыми потерями и минимальными избытками воздуха. Это позволяет создавать малогабаритные устройства, работающие с высокими удельными тепловыми нагрузками, в десятки раз превышающими нагрузки камерных, шахтных и барабанных печей. Широкое применение циклонные печи нашли для обезвреживания сточных вод, загрязненных органическими и минеральными компонентами. Подача воздуха и топлива осуществляется тангенциально газо-мазутными горелками предварительного смешения, расположенными на боковой поверхности камеры сгорания. Распыливание сточных вод осуществляется центробежными механическими форсунками, установленными радиально ниже зоны горения топлива.

Дальнейшее развитие техники сжигания сточных вод привело к созданию многоподовых печей и печей с псевдоожиженным слоем. Однако имеющиеся существенные недостатки - сложность технологической схемы подготовки и сжигания сточных вод и недостаточная стойкость футеровки - ограничили широкое их распространение.

В связи с огромным разнообразием и сложностью химических процессов, появлением сложных соединений различного класса, пластификаторов, синтетических материалов, ядохимикатов и др. резко возросла необходимость в поиске путей эффективного обезвреживания сточных вод различных производств, содержащих токсичные органические и неорганические вещества. Описанные выше методы и способы термического обезвреживания сточных вод оказываются не в состоянии обеспечить надежную их очистку и утилизацию содержащихся в них солей. В этих случаях наиболее надежным, а часто и экономически целесообразным, является огневой способ обезвреживания в циклонных печах.

Однако, несмотря на столь существенные качественные преимущества метода термического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленных предприятий, его применение в современных условиях является достаточно ограниченным и несоответствующим потенциальным возможностям последнего и относится, главным образом, лишь только к области обезвреживания путем прямого сжигания небольших количеств высококонцентрированных по органическим примесям жидких отходов производств или сжигания с выпариванием небольших количеств высококонцентрированных по минеральным веществам сточных вод.

Основными недостатками методов термического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленных предприятий, препятствующих дальнейшему расширению применения последних, являются:

1. высокая стоимость процесса термического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленных предприятий, обусловленная, прежде всего, большой удельной затратой топлива в процессе обезвреживания в существующих промышленных установках ;
2. конструктивная сложность и большие размеры установок;
3. высокая начальная стоимость установок ;
4. недостаточная надежность установок ;
5. сложность эксплуатации установок ;
6. трудность осуществления полной и высоконадежной автоматизации установок.

Жидкие отходы перед поступлением в камеру сгорания распыляются с помощью форсунок, поэтому, чтобы избежать забивки форсунок, жидкие отходы должны быть тщательно очищены, а зимой, когда отходы густеют, их тщательная очистка перед форсунками вообще неосуществима.

Циклонные топки по сравнению с камерными и шахтными обладают целым рядом преимуществ, связанных, в первую очередь, с лучшей организацией смешения воздуха с топливом, что позволяет резко увеличить теплонапряжение топочного объема. В циклонных топках значительно удлиняется процесс сжигания во времени и сравнительно просто решается вопрос о выгрузке плава.

В комбинированных установках, сопряженных, например, с технологическими печами, где подогрев сточной воды осуществляется за счет утилизации теплоты уходящих из печей газов, затраты на электроэнергию становятся определяющими.

Недостатками циклонных печей являются частичный унос солевой массы газом (иногда до 60%) и загрязнение поверхностей котлов - утилизаторов. Кроме того, недостаточная утилизация теплоты уходящих газов приводит к излишнему расходу топлива, а следовательно, увеличению затрат на обезвреживание сточных вод.

Сточные воды производств переработки нефти содержат загрязняющие вещества разнообразного характера: нефть и нефтепродукты, растворенные минеральные соли и твердые механические примеси, серную кислоту и ее соли, щелочи (сульфиды и гидросульфиды натрия, меркаптаны и др.), спирты (метиловый, этиловый и бутиловый) и другие органические соединения, жирные кислоты, парафин, фенол, эфиры, загрязняющие примеси от производства катализаторов, токсичные и ядовитые вещества (например, тетраэтилсвинец) и др. Основная масса стоков НПЗ характеризуется повышенным рН и разнообразным солевым составом.

Объем перечисленных отходов измеряется многими миллионами тонн в год. В настоящее время значительную часть их складируют на полигонах, в шламонакопителях, сливают в канализацию. Это приводит к загрязнению поверхностных и подземных вод, воздуха и почвы. Применение установок сжигания и огневого обезвреживания отходов позволяет не только предотвратить загрязнение окружающей среды, но и (в результате переработки части отходов в товарные продукты и сырье и их энергетического применения) более экономично использовать природные ресурсы.

Печь включает: огнеупорную цилиндрическую стенку печи 1, заключенную в кожух 2, в пространстве между которыми установлена камера подачи воздуха 3, выполненная в виде трубы, перфорированная поверхность 4 которой переходит в гофрированную 5, причем суммарная площадь отверстий перфорации составляет не менее 1,2 площади проходного сечения перфорированного трубопровода, а отношение длины гофрированной поверхности к длине перфорированной поверхности не менее 0,2. Трубопроводы для подачи сжигаемых отходов 6, основного 7 и дополнительного 8 воздуха расположены коаксиально относительно друг друга и соединены между собой радиальными пластинами 9, 10, 11, 12, равномерно распределенными по кругу. Трубопровод для дополнительной подачи воздуха 8 соединен с камерой подачи воздуха 3 через кольцевой конусообразный клапан 13 с регулируемым зазором 14, образованным внутренней стенкой трубопровода 8 и наружной стенкой кольцевого конусообразного клапана 13. На стенке кожуха печи 2 камера подачи воздуха 3 закреплена с помощью резьбовой муфты 15, на наружной поверхности которой установлен регулятор зазора 16 и имеется зазор 17, образованный торцами трубопроводов 6 для подачи отходов и 7 для подачи основной части воздуха. Печь для сжигания жидких, газообразных и твердых отходов работает следующим образом. В камеру подачи воздуха поступает воздух, причем часть потока с постоянным расходом проходит через перфорированную стенку кольцевого конусообразного клапана 13 и направляется к трубопроводу для подачи основного воздуха 7, при этом его площадь обеспечивает оптимальную и постоянную во времени скорость воздушного потока, необходимую для наилучшего диспергирования жидких отходов. В трубопровод для дополнительной подачи воздуха 8 через регулируемый зазор 14 поступает другая часть воздуха. Величина зазора изменяется с помощью регулятора зазора 16 и позволяет обеспечить дополнительную подачу воздуха на горение. Скорость подачи основного воздуха остается постоянной независимо от изменения подачи дополнительного воздуха на горение. Для регулирования положения фронта пламени возможно изменение зазора 17 путем осевого смещения трубы отходов 6. В результате такой организации подачи воздуха и отходов в камеру печи улучшается тепломассообмен, ускоряется процесс горения, что приводит к резкой интенсификации окисления продуктов неполного сгорания, и необходимость в дополнительной турбулизации и рециркуляции газового потока отпадает.

3. Решение задачи по абсорбции

Условия задачи:

Рассчитать диаметр и высоту насадки абсорбера для улавливания из воздуха ацетона водой. Рассчитать также расход поглотителя в м3/ч, если расход газовой смеси в рабочих условиях 6000 (м3/ч) с концентрацией ацетона 8 (%, объемн.), степень улавливания составляет 90 (%). Концентрация ацетона в воде на входе в абсорбер Хн = 0, а на выходе составляет 71 % от максимально возможной в данных условиях, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение линии равновесия имеет вид Y* = 1,68X, где Y[кмоль А/кмоль воздуха], X [кмоль А/кмоль В]. Скорость газа в абсорбере 1,1 (м/с), коэффициент массопередачи 0,3 [кмоль А/(м2×ч×кмоль А/кмоль В)], коэффициент смачиваемости насадки φ = 0,88. В качестве насадки используются керамические кольца Рашига размером 25х25х3, давление в колонне 0,2 (МПа) и температура 20 оС. Дать принципиальную схему абсорбера и фазовую диаграмму Y-X.

Загрязнение окружающей среды является серьезной проблемой для всех стран мира. По мере роста народонаселения и масштабов производства экологические последствия становятся все более серьезными и распространенными, а нетронутые природные пространства непрерывно сокращаются. Стало ясно, что снижение качества окружающей среды уже нельзя считать приемлемым компромиссом.

Дальнейшее развитие инженерной защиты окружающей среды находится в направлении совершенствования основных технологий производства и минимизации их воздействия на окружающую среду, что потребует дальнейшего развития и повышения качества технических природоохранных методов и средств. Это, в свою очередь, ставит задачи углубления теоретических основ техники и технологии защиты окружающей среды.

По мере развития техники и совершенствования технологических процессов появляются новые виды веществ, выбрасываемых в атмосферу. В то же время происходит модернизация существующего и разработка новых видов технологического оборудования, в котором осуществлена полная герметизация, автоматизация, дистанционное управление. Внедряется безотходная технология, при которой исключаются выбросы в атмосферу, возникают новые методы очистки воздуха от вредных газов и паров, разрабатывается и применяется новое технологическое оборудование, в состав которого входят встроенные агрегаты для удаления и обезвреживания вредных веществ. Все это вселяет надежду, что недалеко то время, когда практически все технологические процессы станут безотходными и выброс вредных веществ в атмосферный воздух практически прекратится.

Решение проблемы очистки сточных вод от различных загрязнений требует специальных знаний различных дисциплин, в первую очередь, химической технологии. Мы должны знать основные методы обезвреживания наиболее распространенных загрязнений, их технико-экономические показатели, реальные возможности и перспективы в данной области.

При очистке приходится решать одновременно ряд проблем, связанных с многокомпонентностью очищаемых сред, и их необходимо подвергать различным методам очистки, расход выбросов по времени непостоянен, изменяется концентрация в них различных вредных веществ и т. д. Все это, конечно, осложняет очистку, требует принятия в каждом отдельном случае соответствующих решений.

Проблемы, возникающие при разработке и проектировании очистных систем, тесно связаны и со всеобщими законами (цикличность, безотходность и др.), и с конкретными закономерностями природных технологий. Вклад каждой из них в результирующее действие зависит от большого числа факторов, связанных с параметрами загрязнений, среды, конструктивными особенностями аппаратов. Многие из факторов взаимосвязаны, а результирующие зависимости имеют настолько сложный характер, что не всегда удается найти логическое объяснение полученным результатам. Поэтому даже в расчетах простейших очистных устройств приходится основываться на экспериментальные данные и производственный опыт.