CZ20004040A3 - Způsob zpracování kapaliny obsahující těkavou frakci - Google Patents

Description

Způsob zpracování kapaliny obsahující těkavou frakci

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zpracování nejméně jedné kapaliny a zařízení umožňujícího provedení tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Stále přísnější předpisy sloužící k ochraně životního prostředí před znečištěním požadují před uložením odpadu na skládku třídění domácího a průmyslového odpadu na základě velmi přesných fyzikálně-chemických kriterií.

V současnosti jedním z nej obvyklejších způsobů likvidace nepotřebného materiálu je jeho uložení do vymezeného prostoru. Uvedený materiál, považovaný za odpad, bývá různého původu. Může pocházet z domácností, průmyslu, zemědělství a obsahuje velký počet různých minerálních a organických produktů.

Z hlediska životního prostředí může mít odpad různou toxicitu a stabilitu. Určité druhy odpadu, označované vzhledem k jejich chemickému původu jako toxické pro životní prostředí, mohou při infiltraci do životního prostředí vážně narušit přirozený ekosystém.

Proto je nezbytné zabránit pronikání těchto složek do půdy tak dlouho jak je to možné, a následně je to základní předpoklad pro opětovné vyjmutí tohoto odpadu a jeho další zpracování.

Při skladování ve vrstvách, rovnoměrně stlačený, je tento odpad v anaerobním prostředí. Podmínky tohoto prostředí • ·

zbaveného kyslíku podporují v průběhu první fáze tvorbu organických kyselin, a v průběhu druhé fáze tvorbu plynu (bioplynu). Současně se tvoří vodná tekutina (lixivium).

Bioplyn vzniká ve formě směsi obsahující zejména oxid uhličitý, methan, vodní páru, sirovodík, aminy a fosfiny, a má poměrně nízkou energetickou hodnotu, kterou však přesto lze vhodně průmyslově využít. Další nevýhoda bioplynu je v tom, že je korozivní a vyvolává nevolnost. Díky uvedeným nevýhodám každé průmyslové využití energetické hodnoty bioplynu vyžaduje předzpracování, které je obtížné vzhledem k vysokým nákladům na dopravu bioplynu a vzdálenostem míst skladování odpadu, míst zpracování bioplynu a míst jeho možného využití.

Lixivium se obvykle dále získává ze skládek odpadu drenáží ve dnech těchto prostor. Náročnější požadavky na ochranu životního prostředí znamenají, že dutiny pro skladování odpadu musí být nepropustné, aby nedocházelo k infiltraci do půdy. Nepropustnost se zajišťuje pomocí jílu a/nebo aplikací plastických potahů na vnitřní povrch dutin. Uvedená ochrana dutin vede k získávání větších podílů lixivia ve srovnání s dřívějším stavem.

Kromě vody obsahuje lixivium zejména sloučeniny toxické k životnímu prostředí, zahrnující těžké kovy a/nebo ve vodě rozpustné soli. Před tím, než se vypustí do životního prostředí musí tedy být lixivium chemicky zpracované tak, aby složky kontaminující životní prostředí se přeměnily na složky inertní.

Navíc je o lixiviu známé, že má korozivní účinky, například na beton.

• 44 • · 4 4 • ·

• · • · • ·

Většina současně používaných způsobů pro zpracování uvedené odpadní kapaliny a plynu má nevýhody, kde mezi hlavní patří nízká účinnost, vysoké investiční náklady a provozní problémy.

Použití obvyklých biologických způsobů vede vzhledem k jejich nízké účinnosti při zpracování odpadu k vypuštění kontaminujících složek do přirozeného životního prostředí.

Chemické oxidační způsoby vyžadují použití dalších činidel (peroxid vodíku, ozon) jejichž koncentrace se musí trvale přizpůsobovat různým chemickým složkám lixivia.

Přímé spalování lixivia vyžaduje další zařízení pro filtraci spalin sloužící k zachycení částic suchých solí vzniklých během spalování.

Konečně dokument WO 93/25292 popisuje postup zpracování lixivia, při němž se lixivium koncentruje v odpařováku, v němž je uváděno do přímého styku s plynnými spalinami a z něhož se kapalina odvádí ve formě páry. Těkavá frakce lixivia se pak vede do výměníku tepla, který je určen k ohřevu zpracovávaného lixivia před vypuštěním do atmosféry. Koncentrovaná frakce lixivia se odvádí z odpařováku, přičemž její nedostatečně zpracovaná část může být do odpařováku recyklována.

Z předcházejícího popisu vyplývá potřebnost způsobu umožňujícího zpracování odpadu v kapalné formě s odpadem v plynné formě, kde oba druhy odpadu mají dvojnásobný kontaminační dopad na životní prostředí a to z hlediska jejich toxicity a korozivních účinků a mají vysoký obsah vody, kde uvedený způsob je správný, snadný, současně proveditelný, • · · · • · · · ekonomický a proto lokálně proveditelný a nemá výše uvedené nevýhody.

Vynález zahrnuje způsob zpracování nejméně jedné nezpracované tekutiny v kapalném stavu o vysokém obsahu vody obsahující těkavou frakci a těžkou frakci, umožňující oddělit obě uvedené dvě frakce.

Způsob zpracování podle vynálezu zahrnuje:

a) spalování nejméně jednoho plynu způsobem při kterém vznikají plynné spaliny,

b) použití tepla v plynných spalinách k ohřevu kapaliny s použitím cirkulačního okruhu kapaliny, zahrnujícího první výměník tepla plyn/kapalina a druhý výměník tepla kapalina/kapalina,

c) cirkulaci ohřáté kapaliny pod tlakem,

d) oddělení těkavé frakce od kapaliny odpařením,

e) oxidaci složek těkavé frakce spalováním a

f) odběr těžké frakce v koncentrované formě, kde uvedený způsob umožňuje současné zpracování nejméně jedné kapaliny a nejméně jednoho plynu.

Způsob podle vynálezu má výhodu v tom, že zabraňuje průniku reziduí v kapalné formě do životního prostředí s využitím energie obsažené ve významném množství v plynných

9 9 9 » 9 9 · • ·· podílech. Využití této energie umožňuje jejich odpaření a odvod do atmosféry.

Další výhoda způsobu podle vynálezu je možnost zpracování odpadu kapalného charakteru s použitím dalšího odpadu plynného charakteru bez použití dalšího prostředku, a přesto umožňující odpaření podílu původního objemu kapalného odpadu.

Kromě toho způsob podle vynálezu umožňuje oxidaci organických sloučenin obsažených v těkavé frakci tekutého odpadu bez nutnosti použití dodatečného paliva, s možností opětovného získání celé nebo části této těkavé frakce po kondenzaci.

Závěrem, způsob podle vynálezu je zvláště přizpůsobený k variacím ve složení tekutiny v různých místech odběru (na různých skládkách) a k variacím při odběru v různých stádiích z jednoho místa nebo z různých míst. Na rozdíl od biologických způsobů je způsob podle vynálezu z hlediska dosažení maximální účinnosti zcela nezávislý na biodegradovatelnosti kapaliny.

Kompaktnost zařízení potřebného pro realizaci způsobu podle vynálezu usnadňuje kromě toho přepravu jednotek tvořících toto zařízení nákladním automobilem a tím je možné snížit náklady.

Dalším předmětem vynálezu je zařízení umožňující zpracování výše uvedeným způsobem podle vynálezu.

Uvedené zařízení je charakterizované tím, že jako základní části obsahuje:

- vstupní kanál pro nejméně jeden plyn,

5a <b • · ··

- spalovací komoru,

- okruh pro rekuperaci tepla obsahující první výměník tepla plyn/kapalina a druhý výměník tepla kapalina/kapalina,

- ventilátor pro odvod a regulaci odvodu plynných spalin, které pocházejí ze spalovací komory po jejich ochlazení průchodem výměníkem tepla,

- vstupní kanál pro kapalinu,

- odpařovák určený k odpaření těkavé frakce z kapaliny,

- zařízení k odběru těžké frakce.

Výhodné je, aby kapalina cirkulovala současně s kapalinou již částečně zbavenou svoji těkavé frakce.

Spalováni plynu se výhodně provede při teplotě větší než asi 900 °C a spalování těkavé frakce při teplotě větší než asi 500 °C.

Během recirkulace kapalina výhodně cirkuluje pod tlakem, a potom se zahřeje na teplotu vyšší než je teplota odpaření těkavé frakce z uvedené kapaliny.

Výměna tepla se výhodně provede s plynnými spalinami ochlazenými na teplotu nižší než asi 700 °C. Odvod do atmosféry těchto spalin se výhodně provede při teplotě asi 200 °C.

Těžká frakce obsahuje zejména těžké organické podíly a ve vodě rozpustné soli. Objem těžké frakce je v rozmezí asi 1 % až 20 % původního objemu kapaliny před jejím zpracováním způsobem podle vynálezu.

Plyn použitý ve způsobu podle vynálezu je výhodně bioplyn. Bioplyn obsahuje nejméně asi jednu spalitelnou sloučeninu v plynném stavu (například methan), a také, kromě této spalitelné sloučeniny může obsahovat nejméně jednu sloučeninu v plynném stavu zvolenou ze skupiny zahrnující vodu, vzduch, oxid uhličitý, sloučeniny síry, aminové sloučeniny a jejích směs.

Kapalinou použitou pro zpracování způsobem podle vynálezu je výhodně lixivium obsahující vodu a nejméně jednu další sloučeninu ze skupiny zahrnující sodné sole, draselné sole, vápenaté sole, hořečnaté sole, sole chloru, síranové sole, sloučeniny obsahující dusík, amonné soli, soli fosforu, ionty s

• · · ·

Fe⁺⁺, ionty Mn*⁺, ionty Zn⁺⁺, chrom, olovo, měď, kadmium, nikl, organické kontaminující sloučeniny kvantifikovatelné chemickou spotřebou kyslíku a organické kontaminující složky kvantifikovatelné stanovením biochemické spotřeby kyslíku a celkovým organickým uhlíkem, a jejich směs.

Vstupní tok nezpracované tekutiny v kapalném stavu se řídí výstupním tokem plynných spalin.

Vynález je dále objasněn pomocí obrázků na připojených nákresech.

Popis obrázků na připojených nákresech

Obrázek 1 znázorňuje diagram zahrnující hlavní složky zařízení potřebného k provedení podle vynálezu;

Obrázek 2 znázorňuje diagram zahrnující hlavní složky zařízení odlišného od zařízení podle vynálezu, protože obsahuje pouze jeden výměník tepla.

Na obrázku 1 je celé zařízení označené jako ]1. Zařízení obsahuje vstupní kanál pro bioplyn 2. Kanál 2_ je připojený ke spalovací komoře _4 v její spodní části _3. K horní části 6 spalovací komory 4_ je připojený kanál pro odvod horkých plynných spalin _5. Ke kanálu .5 je připojené zařízení pro přívod atmosférického vzduchu ý. K umožnění změny vstupu vzduchu je v systému zařazené šoupátko 7a.

Spalovací komora £ může být ve formě spalovacího komínu, spalovací komory nebo jiného prostředku vhodného pro spalování. Spalovací komora 4 má v podstatě podlouhlý tvar, a na jednom ze svých konců je opatřená prostředkem umožňujícím ·

hoření spalitelných plynů. Potom se plyny odvádějí odvádějí z druhého konce spalovací komory.

Spalovací komora _4 může být vzhledem k vertikální ose být umístěna vertikálně, horizontálně nebo v úhlu a k dosažení podmínek umožňujících získání požadovaného výtěžku způsobem podle vynálezu.

Kanál 5 je připojen k okruhu tepelné výměny celkově označeném 8. Tento okruh obsahuje výměník tepla plyn/kapalina 9, výměník kapalina/kapalina 10, a oběhové čerpadlo 11.

Výměník tepla 9 je spojen pomocí ventilátoru 12 s venkovním prostředím.

Jako základní součást obsahuje zařízení podle vynálezu okruh, celkově označený 13.

Uvedený okruh 13 tvoří výměník tepla 10, odpařovák 14 a zařízení pro odběr těžké frakce lixivia 15. Odpařovák. 14 obsahuje odpařovací komoru (není znázorněna) vyrobenou z materiálu odolného vůči korozi jako je ocel nebo slitinová ocel. Výběr typu materiálu závisí na chemické podstatě lixivia určeného ke zpracování.

Výstup 16 z výměníku tepla 10 je připojeným potrubím spojen s odpařovákem 14. Horní část 19 odpařováku 14 je spojena potrubím se spalovací komorou 4 tak, aby byla zajištěna dostatečná vzdálenost od plamene ve spalovací komoře umožňující dokonalé a současné spalovaní těkavé frakce lixivia a bioplynu.

• ·· 4 • 4 4 4 44 44

44 44 444 4

4 4 4 4 4 4

444 4 444 44 4 · 4 4 4 · · 4

444 444 4 4 44

Spodní část 20 odpařováku 14 je spojena kanálem se vstupem 21a čerpadla 21. Těžká frakce stále ještě obsahující těkavé sloučeniny se odebírá a následně recirkuluje. Výstup 21b čerpadla 21 je kanálem spojen se vstupem 22 výměníku tepla 10.

Vstupním kanálem 23 se do zařízení přivádí čerpadlem 24 lixivium určené ke zpracování, kde pomocí uvedeného čerpadla se zajišťuje konstantní množství lixivia ke zpracování. Výstup 24a čerpadla 24 je potrubím spojený se vstupem 21a čerpadla

21.

Teplota nezpracovaného lixivia, které je pod tlakem, je v rozmezí asi 10 °C až 30 °C.

Zařízení pro odběr 15 je připojené potrubím k výstupu 21b čerpadla 21.

Je-li zařízení v provozu, do spodní části 3 spalovací komory £ se potrubím 2 zavádí bioplyn. Horké plyny, získané spalováním při teplotě vyšší než asi 900 °C se odvádějí z horní části 6 spalovací komory £ do výměníku tepla 9. Přenos tepla do lixivia určeného ke zpracování zajišťuje tepelně výměnný okruh

Horké plyny opouštějící spalovací komoru 4 se před vstupem do výměníku tepla 9 částečně ochlazují na teplotu od asi 700 °C do 200 °C přívodem atmosférického vzduchu, tak aby byly kompatibilní s materiálem výměníku tepla 9. Na výstupu z výměníku je teplota plynů asi 200 °C. Tato teplota zabraňuje tvorbě kouře vyvolávaného přítomností páry.

Čerpadlo 11 zajišťuje cirkulaci kapaliny v okruhu s cílem tlumit případné výkyvy teploty vyvolané přítomností různého množství lixivia na teplotu pod asi 175 °C. Tím se zabrání odpařování lixivia určeného ke zpracování na stěnách výměníku a zanášení jeho vnitřních stěn.

Lixivium určené ke zpracování se tak ohřeje ve výměníku tepla 10 a cirkuluje pod tlakem v okruhu 13.

Ohřáté lixivium se pak odpařuje v odpařovači 14.

Uvolněné teplo je v odpařovači využité k odpaření těkavé frakce lixivia. Těkavá frakce vzniklá odpařením se pak odvádí za mírného přetlaku z horní části 19 odpařováku 14 a pak se zavádí do spalovací komory _4 do prostoru za zónou hoření tak, aby nedošlo k ovlivnění kvality spalování bioplynu.

Těkavé sloučeniny unášené s parou se pak oxidují při teplotě vyšší než asi 500 °C. Během oxidace se sloučeniny kontaminující životní prostředí rozkládají termickou oxidací. Energie uvolněná během spalování uvedených těkavých plynných složek se smísí s energií pocházející ze spalování bioplynu a následně se získává způsobem popsaným výše.

Těžká frakce získaná neodpařenou částí lixivia je tvořena převážně směsí organických látek, suspenzí pevných podílů a solemi. Tato frakce se shromažďuje ve spodní části 20 odpařováku 14 a pak se postupně odvádí ze zařízení pomocí zařízení pro odběr 15 k následnému specifickému zpracování. Tento odběr se určuje v závislosti na teplotě lixivia v odpařovači 14 . Tato teplota je závislá na koncentraci těžké frakce. Údaje získané pravidelným měřením teploty v odpařováku

• · ·

0 0 · 0 lze doplnit pravidelným měřením měrného odporu a viskozity lixivia.

Koncentrovaná těžká frakce může obsahovat až 100 g/1 rozpuštěných solí (v zásadě chloridu vápenatého a chloridu sodného) a těžké organické podíly.

Čerpadlo 21 slouží k cirkulaci a k míšení těžké frakce stále ještě obsahující těkavé sloučeniny s nezpracovaným lixiviem, kde uvedená směs je pod tlakem.

V provedení podle obrázku 2 obsahuje okruh výměny tepla, celkově označený 8^, pouze jeden výměník tepla plyn/kapalina 9.

Ve výše uvedeném případě jsou vstupní a výstupní teploty různých tekutin (kapalné, plynné) stejné jako v provedení podle obrázku 1.

Lixivium se ohřeje průchodem tepelným výměníkem 9.

Teplota spalin na vstupu do výměníku je v rozmrazí asi 7 00 °C až 200 °C.

Claims (12)

1. Způsob zpracování nejméně jedné nezpracované kapaliny o vysokém obsahu vody, obsahující těkavou frakci a těžkou frakci, za účelem oddělení obou frakcí, vyznačující se tím, že zahrnuje

- spalování nejméně jednoho plynu způsobem při kterém vznikají plynné spaliny,

- rekuperaci tepla plynných spalin za účelem ohřevu kapaliny pomocí cirkulačního okruhu kapaliny, zahrnujícího první výměník tepla plyn/kapalina a druhý výměník tepla kapalina/kapalina,

- cirkulaci opětně ohřáté kapaliny pod tlakem,

- oddělení těkavé frakce od kapaliny odpařením,

- zajištění cirkulace nezpracované kapaliny společně s tekutinou již částečně zbavenou své těkavé frakce,

- oxidaci složek obsažených v těkavé frakci spalováním, a potom

- odběr těžké frakce v její koncentrované formě, kde uvedený způsob umožňuje současné zpracování nejméně jedné kapaliny a nejméně jednoho plynu.

4ϊ

1%

9999

9 9

9 9 9

9 9 9

9 9 9

9 9

2. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že spalování plynu se provede při teplotě vyšší než asi 900 °C.

3. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že spalování těkavé frakce kapaliny se provede při teplotě vyšší než asi 500 °C.

4. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že kapalina cirkuluje pod tlakem a následně se ohřeje na teplotu vyšší než je teplota potřebná k odpaření těkavé frakce z kapaliny.

5. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že rekuperace tepla se provádí s plynnými spalinami ochlazenými na teplotu nižší než asi 700 °C a uvedené plynné spaliny se vypouštějí do atmosféry při teplotě asi 200 °C.

6. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že těžká frakce, obsahující ve vodě rozpustné sole a těžké organické podíly, tvoří asi 1 až 20 % počátečního objemu vstupní kapaliny před zpracováním.

7. Způsob podle nároku 1 nebo nároku 2vyznačuj ící se t í m , že uvedený plyn je bioplyn obsahující nejméně jednu spalitelnou sloučeninu v plynném stavu, a může, ale nemusí, obsahovat alespoň jednu další sloučeninu v plynném stavu zvolenou ze skupiny zahrnující vodu, oxid uhličitý, vzduch, sloučeniny síry, aminové sloučeniny a směsi těchto složek.

8. Způsob podle nároku lvyznačující se tím, že kapalina je lixivium obsahující vodu a nejméně jednu sloučeninu ze skupiny zahrnující soli sodíku, soli draslíku,

Φ· φφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ soli vápníku, soli hořčíku, soli chloru, soli fosforu, ionty Fe⁺⁺, ionty Mn⁺⁺, ionty Zn⁺⁺, chrom, olovo, měď, kadmium, nikl, organické nečistoty kontaminující životní prostředí kvantifikovatelné chemickou spotřebou kyslíku, organické nečistoty kontaminující životní prostředí kvantifikovatelné biologickou spotřebou kyslíku, celkovým organickým uhlíkem, a směsi těchto složek.

9. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1, 2, 4 a 8, vyznačující se tím, že vstupní rychlost nezpracované kapaliny se řídí výstupní rychlostí spalin.

10. Zařízení k provedení způsobu podle kteréhokoli z předcházejících nároků vyznačující se tím, že jako základní části obsahuje:

- vstupní kanál (2) pro nejméně jeden plyn,

- spalovací komoru (4),

- okruh (13) pro rekuperaci tepla obsahující první výměník (9) tepla plyn/kapalina a druhý výměník (10) tepla kapalina/kapalina,

- ventilátor (12) pro odvod a regulaci odvodu plynných spalin vznikajících ve spalovací komoře (4) po jejich ochlazení průchodem výměníkem (9) tepla,

- vstupní kanál (23) pro kapalinu,

- odpařovák (14) určený k odpaření těkavé frakce z kapaliny, • 9 • 9 «ο

9999 99

9 9 9 · · 9 • 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 • 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9

- zařízení (15) pro odběr těžké frakce.

11. Zařízení podle nároku 10 vyznačující se tím, že obsahuje nejméně jedno zařízení (7) pro vstup atmosférického vzduchu opatřené alespoň jedním regulačním šoupátkem (7a , které je určeno k chlazení horkých spalin vzniklých ve spalovací komoře (4) jejich ředěním atmosférickým vzduchem.

12. Zařízení podle nároku 11 vyznačující se tím, že odpařovák (14) zahrnuje:

a) odpařovací komoru tvořenou horní částí (19) ze které se těkavá frakce odvádí do spalovací komory (4) ve které se spaluje, a spodní částí (20), ze které se odvádí těžká frakce stále ještě obsahující těkavé sloučeniny k recirkulaci,

b) vstupní čerpadlo (24) pro přívod nezpracované tekutiny pod tlakem a při teplotě 10 až 30 °C k dosažení konstantního celkového množství kapaliny určené ke zpracování,

c) oběhové čerpadlo (21) k cirkulaci a k míšení těžké frakce stále ještě obsahující těkavé sloučeniny s dosud nezpracovanou tekutinou.