EA020576B1

EA020576B1 - Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов

Info

Publication number: EA020576B1
Application number: EA201101720A
Authority: EA
Inventors: Владимир Александрович Грачев; Андрей Евгеньевич РОЗЕН; Евгений Михайлович Кирин; Евгений Викторович Воробьев; Сергей Геннадьевич УСАТЫЙ; Андрей Андреевич РОЗЕН
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью Инженерно-Технологический Центр "Сварка"
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2014-12-30
Also published as: EA201101720A1

Abstract

Изобретение относится к области утилизации и переработки твердых бытовых, промышленных, медицинских и других отходов, их обезвреживания и вторичного использования продуктов переработки. Сущность изобретения заключается в том, что сушку и нагрев отходов производят в плавильной печи под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных материалов, конечную стадию - в шлаковом расплаве. В качестве шлакообразующих материалов используют смесь в составе, об.%: базальт - 55-45, шунгит - 20-30, известняк - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Загрузку отходов и шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности "отходы - шлакообразующие материалы" при следующем соотношении объемов слоёв: V:V=1:5-1:11. Изобретение обеспечивает высокопроизводительную непрерывную переработку отходов при их глубокой деструктуризации и экологической безопасности технологического процесса.

Description

Изобретение относится к области утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО), их обезвреживания и вторичного использования газообразных, твердых и иных продуктов переработки для различных целей, точнее - к способам переработки отходов методом термохимического пиролиза, считающегося наиболее эффективным и универсальным способом переработки отходов.

Перерабатываемыми материалами могут являться медицинские отходы, промышленные отходы, включая пластики, краски, ветошь, древесные опилки и т.д.; отходы очистных городских станций и другие материалы.

Известны контейнерные способы переработки ТБО, разработанные многими зарубежными и отечественными фирмами - ΑΤΙ ΙΝΟΙΝΕΚΑΤΕυΚδ МиЬЬЕК (Франция), ЗАО ТУРМАЛИН (Россия), ООО Ин-Тех-Синтез (Россия) и другие [1-3]. Установки, называемые инсинераторами, как правило, состоят из камеры пиролитического сжигания ТБО, камеры дожигания пиролизных синтез-газов, вентилятора для подачи воздуха в горелки, системы очистки отходящих газов, рекуператора для утилизации выделяющегося тепла, емкости для жидкого дизельного топлива, системы управления процессом переработки ТБО и других вспомогательных устройств. Инсинераторы производятся в стационарном и мобильном исполнениях.

Главным недостатком контейнерного способа переработки ТБО является периодичность технологического процесса, низкая производительность (от 5 до 100 кг/ч), большая трудоемкость погрузочноразгрузочных работ, необходимость использования для проведения процесса пиролиза дефицитного и дорогостоящего дизельного топлива, невозможность широкомасштабной утилизации тепла отходящих газов для производства, например, тепла, пара, электрической энергии и т.д.

Известен также способ переработки ТБО [4] микроволновым излучением. В способе используется реактор, оборудованный генератором для получения микроволнового излучения. В реакторе размещается пиролизная камера, стенки которой выполнены из материала, не чувствительного к микроволновому излучению. Перед пиролизом ТБО на дно пиролизной камеры помещают порошкообразный материал, содержащий углерод, после чего на слой порошка загружают отходы.

После включения микроволнового генератора порошкообразный материал разогревается за счет образования в слое индукционных токов до температуры около 400°. При этом отходы возгораются и начинается процесс их пиролиза, который развивается за счет экзотермических реакций разложения материала и дополнительного тепла раскаленного слоя порошкообразного материала. Описанный способ имеет недостатки, аналогичные вышеупомянутым инсинераторам.

Известен способ утилизации ТБО по патенту № 2230093 [5], согласно которому после сортировки и прессования отходы смешивают с вязкотекучими жидкими продуктами коксохимического производства в соотношении 1:1 и полученную смесь вместе с угольной шихтой подают в коксовую печь для получения металлургического кокса. Изобретение позволяет комплексно утилизировать ТБО и вязкие отходы коксохимического производства, получить качественный кокс и химические продукты. Недостатком известного способа является большая трудоемкость смешивания ТБО и вязких отходов и подготовки шихты, содержащей ТБО. Способ экономически неэффективен.

Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов по патенту № 2213908 [6], включающий сортировку, измельчение, смешивание отходов с флюсом, прессование смеси в цилиндрические пакеты, загрузку пакетов в реактор (газовую печь), где ТБО подвергаются сжиганию и пиролизу. Пиролиз отходов ведут при давлении 0,08-0,095 МПа, 15-30% пиролизного газа используют для отопления реактора, остальную часть газа - для получения электроэнергии.

Недостатками известного способа являются значительная трудоемкость подготовки ТБО к пиролизу, повышенное давление в печи из-за плотной загрузки пакетов, значительный расход топлива на сушку ТБО, нерациональная конструкция реактора и др.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ переработки ТБО в плавильной многоцелевой печи Магма [7]. Способ заключается в следующем: твердые бытовые и промышленные отходы измельчают, смешивают с твердыми минеральными шлакообразующими материалами (флюсом), сушат в среде нагретого газообразного азота и подают в плавильную камеру печи. В плавильной камере отходы сжигаются в атмосфере кислорода, подаваемого в печное пространство плавильной камеры. ТБО сгорают с образованием продуктов сгорания с температурой до 1900°С. Минеральная часть отходов и флюс, добавляемый в отходы, расплавляются с образованием жидкого шлака, накапливающегося в нижней части плавильной камеры. Металл, имеющийся в отходах, также расплавляется. Конечными продуктами переработки ТБО являются жидкий шлак, металлический расплав, синтез-газ. Печь Магма снабжена котлом-утилизатором, системой газоочистки и системой охлаждения корпуса плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем.

Способ переработки ТБО, взятый за прототип, имеет следующие недостатки:

большая трудоемкость подготовительных работ (измельчение ТБО, сушка, смешивание с флюсом, нагрев газообразного азота для сушки, транспортировка ТБО в плавильную камеру, производство кислорода на кислородной станции и т.д.);

отсутствие процесса пиролиза отходов, так как производится полное сжигание отходов в среде чистого кислорода, что влечет за собой образование вредных соединений ( фуранов и диоксинов);

- 1 020576 нарушение теплотехнических закономерностей в плавильной камере печи (отсутствие перегрева шлакового и металлического расплавов, отсутствие противопотока горячих газов и расплава, неравномерный подвод тепла в печь, низкая температура в нижней части камеры из-за отсутствия горячих газов и интенсивного охлаждения корпуса печи и др.), что может привести к замораживанию шлакового и металлического расплавов и образованию трудноудаляемого настыля;

невозможность утилизации из ТБО металла в виде металлического расплава, так как в среде чистого кислорода и при высоких температурах согласно физико-химическим законам произойдет полное окисление всех элементов металла и переход их в шлак;

необходимость использования для процесса переработки ТБО чистого кислорода, что значительно повышает энергетические и финансовые затраты;

возможность выдувания ТБО из плавильной печи потоком продуктов сгорания и скапливание их в котле-утилизаторе и трубопроводах.

Из перечисленных недостатков главным недостатком является переработка ТБО путем их сжигания в среде чистого кислорода. Сжигание отходов само по себе, как правило, не дает эффективного результата уничтожения по следующим причинам:

вредные и опасные вещества не разлагаются, не деструктурируются в менее опасные, а переходят в газообразную фазу;

при сжигании отходов могут образовываться новые вредные соединения, например диоксины, фураны и др.;

продукты сгорания отходов, как правило, являются негорючими, в связи с чем не могут быть использованы как альтернативное топливо.

Предлагаемое изобретение направлено на разработку такого способа переработки твердых бытовых и промышленных отходов, который обеспечивал бы высокотемпературный и высокоскоростной пиролиз с глубокой деструкцией перерабатываемых отходов при высокой производительности и непрерывности процесса, высокой экологической безопасности и простоты осуществления.

Задача решена тем, что в способе переработки бытовых и промышленных отходов, включающем загрузку отходов совместно с твердыми минеральными шлакообразующими материалами в плавильную печь, сушку, нагрев, пиролиз отходов с образованием синтез-газа, утилизацию синтез-газа, плавление минеральных материалов и получение жидких продуктов переработки, загрузку отходов и минеральных шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности отходы - шлакообразующие материалы, при этом сушку и нагрев отходов производят в газовой вагранке под слоем твердых кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550°С, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных и ошлакованных упомянутых материалов при температуре 600-700°С, а конечную стадию - путем растворения продуктов пиролиза в шлаковом расплаве при температуре 13001400°С, после чего шлаковый расплав перегревают до температуры 1450-1500°С путем фильтрации его через слой нагретой до температуры 1670-1700°С огнеупорно-углеродистой насадки и полученный мнопокомпонентный расплав используют для производства товарной продукции. В качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45; шунгит природный - 2030; известняк природный - 35; бой силикатного и красного кирпича - остальное. Послойную загрузку минеральных кусковых шлакообразующих материалов и отходов производят при соотношении объемов слоев Ушм:Утбо=1:5-1:11.

Предлагаемый способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов иллюстрируется чертежом, где изображена плавильная печь в продольном разрезе, в которой реализуется предлагаемый способ.

Технологическим топливом в предлагаемом способе переработки ТБО является природный газ. Возможно использование жидкого топлива, например мазута. Природный газ может использоваться в смеси с синтез-газом, образующимся во время пиролиза отходов. Не исключается отопление печи только синтез-газом. Печь состоит из горна 1 с огнеупорно-углеродистой насадкой 2, шахты 3, шлюзового узла загрузки 4 отходов, кусковых минеральных веществ и насадочных материалов, узла отвода 5 синтез-газа, узла 6 газовых горелок и желоба 7 для выпуска жидких продуктов переработки. Огнеупорноуглеродистая насадка служит для перегрева шлакового расплава и состоит из 80% шамотного огнеупорного кирпича и 20% углеродсодержащего электродного боя. Природный газ сжигается в пространстве между кусками огнеупорно-углеродистой насадки. Горн 1 и шахта 3 печи выполнены в виде ватержакета, куда подают охлаждающую воду.

Предлагаемый способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов осуществляют следующим образом. Перед запуском печи производят проверку работоспособности оборудования, состояния топливных магистралей и контрольно-измерительной аппаратуры. Затем разжигают газовые горелки, постепенно начинают разогрев печи до температуры 1000-1200°С и устанавливают оптимальные режимы горения топлива. Далее в вагранку через шлюзовый узел 4 производят загрузку материалов огнеупорноуглеродистой насадки 2 и разогревают ее до 1450-1550°С. Затем начинают послойную загрузку сначала ТБО, а затем смеси кусковых минеральных шлакообразующих материалов (ШМ). Слои отходов 8 чере- 2 020576 дуют со слоями шлакообразующих материалов 9, при этом кусковые шлакообразующие материалы всегда загружаются поверх слоя отходов.

В качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный 55-45, шунгит природный - 20-30, известняк природный - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Размер кусков шлакообразующих материалов в поперечнике целесообразно выдерживать в пределах 80-150 мм.

Соотношение объемов слоев шлакообразующих минеральных материалов и твердых бытовых и промышленных отходов выдерживают в пределах 1:5-1:11.

Сжигание технологического газа производят с коэффициентом расхода воздуха равным 0,9-0,98 (коэффициент расхода воздуха - это отношение практического расхода воздуха к стехиометрическому). При коэффициенте <1,00 происходит неполное горение газа, и продукты сгорания газа становятся менее окислительными.

Такой режим горения топлива необходим для того, чтобы в продуктах сгорания газа не содержался свободный кислород и не развивался процесс горения перерабатываемых отходов.

После загрузки ТБО и ШМ в шахте печи происходят следующие процессы. В зоне III под слоем шлакообразующих материалов происходят сушка и нагрев отходов до температуры около 500-550°С. В зоне IV при температуре 600-700°С наблюдается начальная стадия пиролиза и развиваются термохимические реакции разложения ТБО. Шлакообразующие материалы также нагреваются до температуры 600700°С, размягчаются и частично оплавляются. В зоне V процесс пиролиза отходов продолжается и при температуре 800-1200°С достигает максимального развития, при этом пиролиз идет под слоем оплавленных и ошлакованных минералов. Объем ТБО значительно уменьшается. В результате пиролиза отходов образуются жидкие и твердые продукты переработки, которые движутся вместе со всеми материалами в горн вагранки.

Реакции разложения отходов являются экзотермическими, тепло этих реакций расходуется на развитие процесса пиролиза и повышение температуры в шахте.

В зоне VI термохимические реакции пиролиза имеют наибольшую скорость и устойчивость. К концу этой зоны весь объем отходов деструктурируется. Объем и вес остатков отходов в конце пиролизной переработки составляет 5-10% от первоначального. В зоне VII при температуре 1300-1400°С шлакообразующие материалы окончательно расплавляются и образуют шлаковый расплав, в котором растворяются продукты пиролизной переработки отходов.

После этого шлаковый расплав с растворенными в нем продуктами переработки ТБО поступает в огнеупорно-углеродистую насадку 2 печи (зона VIII), где при температуре 1670-1700°С процесс пиролиза отходов заканчивается, многокомпонентный шлаковый расплав перегревается, а затем по желобу 7 выпускается из печи и направляется для изготовления деталей каменного литья (трубы, желоба, кровельная черепица, основания, противовесы и т.д.), для производства минеральной теплоизоляционной шлаковаты, строительного щебня и других изделий.

В процессе пиролиза выделяется синтез-газ, который удаляется через узел отвода 5 и направляется либо в систему отопления печи и других агрегатов, либо в котел-утилизатор для рекуперации тепла.

Плавильная печь для переработки ТБО оборудуется стандартной системой очистки отходящих газов (на фигуре не показана).

По сравнению с прототипом предлагаемый способ переработки ТБО содержит следующие новые технологические приемы, являющиеся существенными признаками новизны:

сушку и нагрев отходов производят под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550°С, что обеспечивает аккумуляцию тепла, рациональное его расходование на сушку и нагрев отходов и исключает выдувание отходов в узел загрузки и трубопроводы отвода синтез-газа;

начальную стадию пиролиза отходов производят под слоем оплавленных и ошлакованных минеральных материалов при температуре 600-700°С, что обеспечивает герметизацию слоя отходов и активное протекание термохимических реакций пиролиза без присутствия кислорода и горения отходов;

конечную стадию пиролиза производят в шлаковом расплаве при температуре 1300-1400°С, что обеспечивает полную деструктуризацию отходов, их экологическую безопасность и растворение продуктов переработки в шлаковом расплаве;

шлаковый расплав пропускают через слой нагретой до 1670-1700°С огнеупорно-углеродистой насадки, что обеспечивает окончательный пиролиз наиболее стойких соединений и высокую температуру шлакового расплава, необходимую для производства товарной продукции;

в качестве шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45, шунгит природный - 20-30; известняк природный - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Приведенный состав смеси является оптимальным, так как обеспечивает максимальную жидкотекучесть шлакового расплава, минимальную стоимость, низкую температуру плавления и, следовательно, минимальные затраты тепла на получение расплава;

- 3 020576 загрузку отходов и шлакообразующих кусковых материалов производят послойно в последовательности отходы - шлакообразующие материалы, что обеспечивает непрерывность процесса пиролиза в слоях, герметизацию слоев отходов, возможность проведения пиролиза без доступа свободного кислорода и устранение выдувания отходов в верхнюю часть вагранки;

соотношение объемов слоев шлакообразующих материалов и отходов выдерживают в пределах УщмАтбоМАШ, что обеспечивает одинаковую толщину слоев в зоне плавления вагранки в связи со значительным уменьшением объема отходов в процессе пиролиза. Это обстоятельство, в свою очередь, позволяет равномерно и рационально распределить тепло по слоям материалов.

Предлагаемое изобретение обеспечивает следующий положительный эффект:

повышение производительности пиролиза, что обеспечивается повышением скорости сушки и нагрева отходов, высокой температурой в вагранке, увеличением скорости термохимических реакций пиролиза, интенсификацией теплообменных процессов в печи. Предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности на 5-7% по сравнению с прототипом и на 20-30% по сравнению с контейнерным способом пиролизной переработки отходов за счет непрерывности процесса пиролиза в вагранке. Удельная производительность вагранки также возрастает до 3-4 т ТБО на 1 м² сечения печи в час.

повышение степени переработки отходов за счет организации высокотемпературного многостадийного пиролиза отходов, глубокой деструкции отходов и интенсификации термохимических процессов по всему объему перерабатываемых отходов и по всей высоте шахты печи. Степень переработки ТБО достигает 95-98%;

повышение экологической безопасности выбросов в атмосферу, достигаемое за счет глубокого высокотемпературного и высокоскоростного пиролиза отходов и последующего дожигания отходящих газов. В результате такой обработки отходов токсичные вещества деструктурируются в менее или полностью безопасные соединения, а высокая скорость процесса предотвращает образование диоксинов и фуранов;

снижение трудоемкости подготовительных операций переработки отходов. В предлагаемом способе все подготовительные операции производятся непосредственно в печи в автомодельном режиме. Затраты на подготовительные операции снижаются на 20-30%;

технико-экономическая эффективность и окупаемость затрат на переработку ТБО за счет снижения затрат на технологический процесс, сокращения числа операций, использования продуктов переработки в качестве источников тепловой и иной энергии и материала для изготовления товарной продукции. Затраты на переработку ТБО снижаются по сравнению с прототипом на 30-40%;

непрерывность процесса переработки ТБО и простота осуществления без применения азота и кислорода, дорогостоящих систем охлаждения.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает высокопроизводительную пиролизную переработку ТБО при непрерывности и простоте технологического процесса, минимальных трудозатратах на подготовительные работы, обеспечении экологической безопасности и экономической целесообразности.

Источники информации.

1. Мобильные пиролизные инсинераторы Мюллер для сжигания опасных отходов С.Р.М. ΑΤΙ ΙΝΟΙΝΕΚΑΤΕυΚδ МИРЬЕК (Ргапсе) - дистрибьютер фирма ЕЕУЕСО ОКОИР (Россия). - М.: 2008 г.

2. Термическое уничтожение (обезвреживание) отходов. Технологии и оборудование. Инсинераторы серии ИН-50 для термического уничтожения медицинских и биоорганических отходов. ЗАО ТУРМАЛИН. - Санкт-Петербург, 2008 г.

3. Технология термохимической деструктивной переработки твердого топлива. Самарская обл. ООО Интех-синтез. г. Тольятти, 2008 г.

4. Патент РФ № 2080994 Способ пиролиза отходов и устройство для его осуществления, дата приоритета 26.07.1991, опубл. 10.06.1997.

5. Патент РФ № 2230093 Способ утилизации твердых бытовых и промышленных отходов, МПК С10В 57/06, дата приоритета 11.11.2002 (26.07.1991), опубл. 10.06.2004.

6. Патент РФ № 2213908 Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, МПК Р23О 5/00, опубл. 10.10.2003.

7. Реклама промышленной компании Технология металлов - агрегат Магма и его применение. Челябинск, 2008 г.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ переработки бытовых и промышленных отходов, включающий загрузку отходов совместно с твердыми минеральными шлакообразующими материалами в плавильную печь, сушку, нагрев, пиролиз отходов с образованием синтез-газа, утилизацию синтез-газа, плавление минеральных материалов и получение жидких продуктов переработки, отличающийся тем, что загрузку отходов и минеральных шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности отходы - шлакообразующие материалы, при этом сушку и нагрев отходов производят под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550°С, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных и ошлакованных упомянутых материалов при температуре 600-700°С, а конечную стадию путем растворения продуктов пиролиза в шлаковом расплаве при температуре 1300-1400°С, после чего шлаковый расплав перегревают до температуры 1450-1500°С путем фильтрации его через слой нагретой до температуры 1670-1700°С огнеупорно-углеродистой насадки и полученный жидкий многокомпонентный расплав используют для производства товарной продукции.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45; шунгит природный - 20-30; известняк природный - 3-5; бой силикатного и красного кирпича - остальное.
3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что послойную загрузку минеральных шлакообразующих материалов и отходов производят при соотношении объемов слоев У_ШМ:У_ТБО=1:5-1:11.