RU2496587C2

RU2496587C2 - Способ переработки органических и полимерных отходов

Info

Publication number: RU2496587C2
Application number: RU2011151416/04A
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Емельянов; Геннадий Леонидович Звягинцев; Николай Сергеевич Кобелев; Константин Геннадьевич Звягинцев; Дарья Геннадьевна Назарова; Дарья Олеговна Ларичкина; Николай Николаевич Худокормов; Станислав Валерьевич Хлямов; Сергей Иванович Кретов; Александр Васильевич Козуб; Алексей Валерьевич Новоселов; Татьяна Вячеславна Филатова
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-10-27
Also published as: RU2011151416A

Abstract

Изобретение относится к методам термической деполимеризации природных и вторичных органических ресурсов, например твердых бытовых отходов (ТБО). Способ переработки органических и полимерных отходов включает загрузку сырья с предварительной сепарацией, измельчение с подсушкой, отличается тем, что подсушку осуществляют совместно с катализатором и низкокалорийным природным топливом, затем готовят пасту из измельченного материала и растворителя - дистиллята, получаемого при дистилляции жидких продуктов, при этом предусматривают дальнейшую ступенчатую деполимеризацию реакционной массы с температурой 200-400°C при нормальном атмосферном давлении, осуществляемую в каскаде из двух пар последовательно соединенных реакторов, в которых температура деполимеризации достигает в 1-й паре 200°C, и во 2-й паре - более 200°C и не превышает 310°C, объединяющихся друг с другом рециркулирующими потоками: газообразным, формирующем в реакционной системе восстановительную среду в виде синтез-газа (CO и H₂), образующуюся путем паровой каталитической конверсии углеводородных газов, выходящих из реакторов деполимеризации, перемещающуюся посредством газового насоса через подогреватель восстановительных газов из реакционной системы, обеспечивают также вывод синтез-газа для получения моторных топлив - метанола, диметилового эфира или бензина; жидкую же углеводородную фазу отделяют от твердых непрореагировавших компонентов с выходом последних до 40% от общей исходной массы твердых бытовых отходов (ТБО), которые выводят из системы с помощью циркуляционных насосов и направляют для производства нефтяных брикетов и/или горючих капсул, причем жидкую реакционную углеводородную смесь, после отделения от нее твердого остатка, направляют на горячую сепарацию, охлаждение и дистилляцию, кроме того, меньшую часть дистиллята возвращают в мешалку для приготовления пасты на стадию приготовления пасты, а большую часть разделяют на целевые фракции: первую с температурой кипения до 200°C и вторую с температурой кипения выше 200°C, но не более 310°C. Техническим результатом является достижение экологической чистоты, безотходности и самоокупаемости производства но заявляемому способу за счет переработки почти всех, за исключением металлов и крупногабаритных компонентов ТБО с получением трех видов коммерческих продуктов: жидкой фракции нефтепродуктов с температурой кипения до и после 200°C; твердых нефтебрикетов и/или горючих капсул и синтез-газа, направляемого в производство моторных топлив, а также снижения уровня воздействия отрицательных факторов, морфологической неоднородности сырья и различной физико-химической активности компонентов ТБО. 1 ил., 2 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к методам термической деполимеризации природных и вторичных органических ресурсов, каковыми являются, например, твердые бытовые отходы (ТБО).

Известен способ получения бензина, дизельного топлива и сажи из отходов резины и/или отходов пластмассовых материалов (см. патент РФ RU 2142494, опубл. 11.07.1995), включающий загрузку материалов, которые загружаются в пиролизный аппарат через питатель, выгрузку сажи из пиролиз-ного аппарата, загрузку получающихся материалов в газовой фазе в аппарат каталитического крекинга, при этом реакционные материалы перемешиваются винтовой мешалкой в пиролизном аппарате и поступают в аппарат для де-сульфирования, и/или денитрации, и/или дехлорирования перед поступлением в аппарат для каталитического крекинга, упомянутый аппарат для де-сульфирования, и/или денитрации, и/или дехлорирования включает абсорбционный аппарат, содержащий основание, а абсорбционный аппарат с неподвижным слоем катализатора, упомянутый катализатор, использованный в аппарате для каталитического крекинга, получают следующим образом: 10-20% синтетического носителя или полусинтетического носителя, 10-50% HZSM - 5 цеолита, 10-20% водного раствора NaOH или KOH (10-20% содержание твердого вещества), 3-5% ZnO или соединения, выбранного из группы, содержащей Zn, Pt, Fe, Cu и Ni, и необходимого количества кремниевого или алюминиевого связывающего вещества перемешивают, формируют, высушивают и прокаливают или не прокаливают, получая желаемый катализатор, упомянутый катализатор, использованный в неподвижном слое, получают из A и B, в котором A получают перемешиванием 40-70% каолина или активированной глины, 10-30% водного раствора NaOH или KOH (10 -20% содержание твердого вещества), 10-15% ZnO или растворимой соли цинка, 3-5% CuO или растворимой соли меди и с необходимым количеством кремниевого или алюминиевого связующего вещества, промыванием, высушиванием и прокаливанием, В получают перемешиванием 40-80% каолина или активированной глины, 10-30% водного раствора NaOH или КОН (10 -20% содержание твердого вещества), 10-20% CaO или CaCO₃ с необходимым количеством кремниевого или алюминиевого связывающего вещества, формированием, высушиванием и прокаливанием и фракционируют получающиеся продукты посредством фракционирующей колонны.

Недостатком является: многостадийность производства, сложность технологии, связанной с необходимостью приготовления по рецептам и использование специфических катализаторов с громоздким рецептурным соотношением материалов A и B в смеси; недостаточно высокий выход легких фракций, образующихся на стадии специализированного каталитического крекинга; газы, сжигаемые в нагревательной печи, требуют дожига в резервуаре перед выбросом в атмосферу.

Известен-способ переработки резиносодержащих отходов (см. патент РФ RU 2220986, опубл. 24.04.2003), включающий термоожижение отходов при запуске в органическом растворителе при температуре выше 270°C и давлении до 6 МПа, отделении жидкой фракции от нерастворенного продукта, дистилляцию жидкой фракции, при этом дистилляцию жидкой фракции осуществляют на фракцию с температурой кипения до 220°C, а фракцию с температурой кипения выше 220°C, при запуске термоожижение партии отходов в органическом растворителе проводят при температуре 280-435°C и давлении не менее 2,9 МПа при массовом отношении органического растворителя к отходам более 1,0, жидкую фракцию с температурой кипения до 220°C подвергают каталитическому риформингу, подвергнутую каталитическому риформингу часть жидкой фракции с температурой кипения до 220°C используют в качестве растворителя и возвращают на термоожижение новой партии отходов при температуре 280-435°C и давлении не менее 2,9 МПа, а подвергнутую каталитическому риформингу для новой партии отходов часть жидкой фракции с температурой кипения до 220°C используют в качестве целевого продукта, причем другую подвергнутую каталитическому риформингу часть жидкой фракции с температурой кипения до 220°C вновь используют в качестве растворителя возвращают на термоожижение следующей партии отходов, процесс на указанных режимах термоожижения и каталитического риформинга продолжают для следующей и последующих партий отходов, при этом возвращают подвергнутую каталитическому рифор-мингу часть жидкой фракции с температурой кипения до 220°C соответственно вновь на термоожижение для последующих партий отходов.

Недостатком является: высокие требования к продукту - техническому углероду - из-за большого количества зольных материалов, вследствие добавок с растворителями, катализаторами, восстановителями, инертными и др. загрязняющими веществами, поступающими из ТБО, что делает невозможной получение этого продукта в заявляемом способе; необходимость работы при высоких температурах и давлениях, т.к. при высокой влажности ТБО пары воды формируют высокое давление, что может приводить к взрывам аппаратов и пр.; большой расход растворителя при получении высококачественной бензиновой фракции, так как этой фракции при отношении растворитель - резина, равным около 1, растворителя хватает только для повторного термоожижения: получается совсем небольшая часть целевого продукта -бензиновой фракции с температурой кипения до 220°C, увеличение этого отношения приводит к значительным затратам энергии на рециркуляцию бензина - растворителя, к увеличению объемов аппаратов - реакторов; образуется небольшое количество углеводородных газов и выкипающих углеводородов бензиновой фракции (2,0-5,3 мас.%), которые в заявляемом способе превращают в синтез-газ, идущий затем на получение моторных топлив и пр.

Известен способ переработки органических и полимерных отходов (см. патент РФ RU 2262520, опубл. 26.04.2004), включающий загрузку с предварительной сепарацией, измельчение с подсушкой, ожижение полимеров, смешение с катализатором и термокаталитическую деструкцию реакционной смеси, при этом ожижение отходов осуществляется в среде алкилбензола при 140-150°C и нормальном атмосферном давлении с последующим смешением с катализатором - модифицированной кислотной обработкой глиной - при массовом соотношении отходов и катализатора 1-2:1, сушку проводят при комнатной температуре, а термокаталитическую деструкцию ведут в реакторе проточного типа в токе инертного газа при температуре 340-400°C и нормальном атмосферном давлении.

Недостатком является: ожижение полимера в специализированном растворе ряда алкилбензолов, смешение этой субстанции с катализатором - модифицированной кислотной обработкой глиной - сушка и термокаталитическая деструкция застывшей смеси полимера и катализатора - проводится многостадийно в токе инертного газа, сопровождается сбором и разделением продуктов деструкция - и все это приводит к технически сложной реакционной системе, что неприемлемо для деполимеризации морфологически чрезвычайно неоднородного вещества, каковым является ТБО.

Технической задачей является достижение экологической чистоты, безотходности и самоокупаемости производства по заявляемому способу за счет переработки почти всех, за исключением металлов и крупногабаритов, компонентов ТБО с получением трех видов коммерческих продуктов: жидкой фракции нефтепродуктов с температурой кипения до и после 200°C; твердых нефтебрикетов и/или горючих капсул и синтез-газа, направляемого в производство моторных топлив, а также снижения уровня воздействия отрицательных факторов, морфологической неоднородности сырья и различной физико-химической активности компонентов ТБО, за счет применения комплекса конструкторско-технологических и экономических мероприятий.

Технический результат при реализации предлагаемого способа включает следующие стадии:

- вместо загрузки отдельных компонентов с предварительной их глубокой сепарацией и, последующей индивидуальной переработкой, как это делается, в прототипах используется комплексная соответствующая подготовка всей массы ТБО и последующее ее термическое превращение в нефтепродукты, что позволяет упростить технологию способа и снизить затраты энергии и материалов;

- применение двух рециркулирующих потоков-рецикла восстановительных газов и рецикла жидких продуктов - позволит резко сократить использование энергии в реакторной системе и в целом в процессах деполиме-ризационной переработки ТБО в нефтепродукты и выделения этих продуктов, а также упростить технологическое планирование и управление производственным процессом;

- осуществление жидкофазной низкотемпературной переработки и рециркуляции компонентов ТБО с использованием комбинированного топлива, восстановительных сред, деструктивной гидрогенизации, теоретически обоснованного выбора конструкции реакторной системы, обеспечивают малоот-ходность и хозяйственную доходность предлагаемого способа утилизации бытового мусора, а также - экологически необходимые параметры выбрасываемых потоков в промзоне.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки органических и полимерных отходов, включающем их загрузку с предварительной сепарацией путем отделения металлов и крупногабаритных предметов, измельчение с подсушкой совместно с катализатором и низкокалорийным природным топливом, затем готовят пасту из измельченных материалов и растворителя- дистиллята, получаемого при дистилляции жидких продуктов, при этом предусматривают дальнейшую ступенчатую деполимеризацию реакционной массы с температурой 200-400°C при нормальном атмосферном давлении, осуществляемую в каскаде из двух пар последовательно соединенных реакторов, однако в которых температура нормализации состава целевых жидкостей достигает в 1-ой паре 200°C, и во 2-ой паре - более 200°C, не превышая 310°C, объединяющихся друг с другом рециркулирующими потоками: газообразным, формирующем в реакционной системе восстановительную среду в виде синтез-газа (CO и Н₂), образующуюся путем паровой каталитической конверсии углеводородных газов и паров, выкипающих из реакторов: перемещающуюся посредством газового насоса через подогреватель восстановительных газов, реакционную систему, и дальше в большей степени синтез-газ выводится из реакционной системы для получения моторных топлив - метанола, диметилового эфира или бензина; жидкую же углеводородную фазу отделяют от твердых непрореагировавших компонентов с выходом последних до 40% от общей исходной массы ТБО, которые выводят из системы с помощью циркуляционных насосов; направляют для производства нефтяных брикетов и/или горючих капсул, причем жидкую реакционную углеводородную смесь, после отделения от нее твердого остатка, направляют на горячую сепарацию, охлаждение и дистилляцию, кроме того меньшую часть дистиллята возвращают в мешалку для приготовления пасты на стадию приготовления пасты, осуществляя жидкостную рециркуляцию потока, а другую большую часть разделяют на целевые фракции: первую с температурой кипения до 200°C и вторую с температурой кипения выше 200°C, но не более 310°C.

На фиг.1 изображена принципиальная технологическая схема переработки органических и полимерных отходов. Технологическая схема (фиг.1) предполагаемого способа переработки органических и полимерных отходов, позволяет получать из биомассы отходов три экологически чистых полупродукта, являющихся составными частями заявляемого способа, обозначенными соответствующим образом на схеме и перерабатываемыми затем по известным технологиям в коммерческие продукты:

1) «Жидкая фракция на дистилляцию и риформинг моторных топлив», разделяющаяся (на схеме не показано) на две конечные целевые фракции: первую с температурой кипения до 200°C и вторую с температурой кипения выше 200°C, но не более 310°C;

2) «Шлам на получение нефтебрикетов и/или горючих капсул», перерабатываемый (на схеме не показано) на пропитанный битуминозными веществами остаток состава (в % масс): C≈20; H≈2; O≈2; зола≈75, содержащий не прореагировавшие органические и неорганические компоненты исходных веществ: пластмассы, древесина, углерод, стекло, кирпич, бетон, катализатор и пр., которые после сушки и упаковки, направляются в виде товарных продуктов на сжигание на ТЭЦ или в топках домашних хозяйств, с последующим выведением конечной обеззараженной золы в виде наполнителя в строительстве зданий, сооружений и дорог;

3) «Синтез-газ в производство моторных топлив», получаемый (на схеме фиг.1. поз.13, детально не показано) методом паровой каталитической конверсии гомологов метана и других газообразных углеводородов, являющихся продуктами пиролиза и выкипания жидкой фракции в аппаратах, и перерабатываемых затем при соответствующих соотношениях CO:H₂ в целевые моторные топлива: метанол, диметиловый эфир или синтетический бензин. Получаемые из нарабатываемых полупродуктов в соответствии с заявляемым способом соответствующие энергетические и моторные топлива, имеющие высокие теплотворную способность, октановые и цетановые числа, используются в качестве экологически чистых возобновляемых топлив с бесконечными запасами исходного сырья и материалов.

Выход жидких и газообразных топлив достигают 65-75% от подачи органической массы в соотношении Ж:Г≈1:1. Выход твердых продуктов может достигать 30-40% от подачи ТБО.

Предлагаемый способ для ТБО заключается в следующем.

Бытовые отходы бульдозером 1 подаются на предварительную сепарацию на инерционном грохоте 3 с устройствами для отбора металлов и крупногабаритных предметов, затем они подвергаются дроблению в дробилке 4 на фрагменты, с размерами, не превышающими 100 мм, после чего поступают на склад сырья 2, где смешиваются с местным низкокалорийным топливом и компонентами, повышающими каталитическую активность оксидов и силикатов, содержащимися в ТБО, полученное сырье с помощью шнека 5 направляется в мельницу с подсушкой материалов 6, где подсушка осуществляется при температурах не менее 100°C, и где оно тонко измельчается и практически полностью избавляется от физической влаги, что позволяет заявляемый способ осуществлять при атмосферном давлении. Полученный полупродукт, обладающий необходимым запасом свободной химической энергии и удельной поверхностью реагирующих фаз, а также возможностью к переходу полимеров в нефтепродуктное состояние, направляется в мешалку для приготовления пасты 7, где готовится паста в соотношении Т:Ж=1÷(1:5); где в качестве растворителя (Ж) выступает дистиллят, образующийся на стадии дистилляции и риформинга жидких моторных топлив (на схеме не показано), а в пусковой период прямогонный бензин или какой-либо иной доступный органический растворитель.

Паста - жидкостное питание - пастовым насосом 8 подается в реакционный агрегат, составленный из 4-х совершенно идентичных в коструктивно-технологичном отношении абсорбционных устройств. Подсушка материала ТБО осуществляется восстановительными газами, нагретыми в подогревателе восстановительных газов 9. Влага, конденсируясь при охлаждении отходящих газов (на схеме не показано), направляется в качестве реагента на паровую каталитическую конверсию углеводородов, входящих в состав конечной целевой парогазовой фракции поз.10а-10б:

C_nH_2n+2+nH₂O(пар)=nCO+(2n+1)H₂;

CO+H₂O(пар)=CO₂+H₂.

Абсорбционные устройства представлены реакторами деполимеризации 10, баками для приготовления и хранения циркуляционных жидкостей 11, запорной арматурой и циркуляционными насосами 12, образующими в составе реакционного агрегата четыре локальных рециркулирующих элемента, предназначенных для достижения высоких выходов продукции в случаях незначительных значений кинетики некоторых физико-химических процессов и степеней превращения отдельных полимерных компонентов ТБО, а также формирующих в составе реакционного агрегата два реакционных узла, предназначенные для сглаживания различий в температурах деполимеризации у различных компонентов ТБО, в состав которых входят реакторы 10а, куда поступает питание (жидкостное и газовое) и где осуществляется ожижение - термокаталитическая деполимеризация - деструктивная гидрогенизация твердых полимерных материалов, и реакторы 106, в которых производится нормализация состава продукционных жидкостей, главным образом за счет регулирования температурных явлений гидрогенизации в жидкой фазе, причем в 1-м узле образуется фракция с температурой кипения до 200°C, а во 2-м - фракция с температурой кипения выше 200°C, но не более 310°C; причем реакционный агрегат оказывается вовлеченным в два глобальных общепроизводственных цикла. 1-й - газовый - с восстановительной средой, содержащей пары углеводородов, CO и H₂, проходящий через подогреватель восстановительных газов 9, реакторы деполимеризации 10, установку паровой каталитической конверсии углеводородов 13. Одновременно восстановительные газы после узла цехового разделения жидких продуктов реакции поз.14-16 поступают также в газовый насос 17. 2-й - жидкостный - содержащий жидкие потоки первичных нефтеподобных продуктов, образующиеся в реакционном агрегате, проходящие через узел разделения этих веществ поз.14-16 и установку дистилляции и риформинга целевых моторных топлив (на схеме не показано), откуда в мешалку для приготовления пасты 7 поступает дистиллят, замыкающий указанный рецикл.

Следует подчеркнуть, что жидкие фракции после реакторов деполимеризации 10 объединяются в один поток и посредством циркуляционных насосов 12 направляются через горячий сепаратор 14, холодильник 15 и сепаратор 16 для выделения жидких и газообразных составляющих, а жидкая составляющая поступает на дистилляцию и реформинг для получения целевых моторных продуктов и циркулирующего дистиллята, а газообразная составляющая посредством газового насоса 17 поступает в нагреватель восстановительных газов 9, при этом углеводородные газы, поступающие со стадии дистилляции, сгорают в потоке воздуха, причем одновременно в газовый насос 17 поступает порция восстановительных газов, полученных в узле паровой каталитической конверсии углеводородов 13, и данная смесь направляется в нагреватель восстановительных газов 9 и после этого вовлекается в новый цикл реакторного процесса, а избыток CO и H₂ идет на синтез моторных топлив, а шлам, извлекаясь с помощью циркуляционных насосов 12 из внутренних потоков реакционного агрегата идет на дальнейшую переработку в нефтебрекеты и/или горючие капсулы.

Пример 1 оценки экологической чистоты и безотходности производства по заявленному способу как условию реализации технологии деполимеризации ТБО в нефтепродукты, гарантирующему переработку всех поступающих на мусороперерабатывающий завод (МПЗ) веществ в полезные продукты без остатка, а так же выявления воздействий факторов неоднородности морфологического состава и различия в значениях физико-химической активности компонентов мусора на конечный результат.

Решение:

Взяв в качестве критериев самопроизвольного осуществления реакций по заявленному способу две величины, а именно: углеродводородное соотношение (C/H)_p, которое для твердых горючих ископаемых колеблется от 8 до 16, характеризуя их переход в жидкое состояние, и выход летучих веществ на горючую массу β_p, который теоретически должен быть не ниже 35-36% - www.waste.ru; dic.academic.ru -, вычислим эти факторы для ТБО, взятого в патенте RU 2249766 от 05.08.2002, когда на МПЗ подают 10 т отходов, морфологический состав которых представлен в табл.1., а их средний элементный состав равен:

(в % масс): C - 44,0; H - 5,2; O - 28,5; S - 0,1; Cl - 0,3; N - 4,4; зола - 17,5; (в m): C - 2,34; H - 0,28; O - 1,52; S - 0,053; Cl - 0,016; N - 0,23; зола - 0,93; всего - 5,32 m; средняя расчетная влажность ограничивается 32%:

1) (С/H)_p=2,34/0,28=8,36≈8≈(С/H)_{критеч.};

2) β_p=[(5,32-0,93)-(2,34+0,28)]·100/(5,32-0,93)=40,3%>β_{критич.}

Достигаемые значения рабочих факторов свидетельствуют о достаточно невысокой химической активности ТБО как топлива при прямых переходах органических масс к нефтепродуктам, так как всегда будут оставаться непрореагировавшими полимеры, неорганические отходы в реагирующих фазах.

Таблица 1
Морфологический состав ТБО:
* - принят по экспериментальным данным, полученным в одном из районов С.Петербурга: http://www.ecoindustry.ru
Компоненты абсолютно сухих ТБО	Температура начала деполимеризации, °C	% масс.	Масса, т/10т	Плотность, кг/м³
Пластмассы*, в т.ч.:	-	8,7	0,87	-
пластмассовые бутылки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ)	260	4,9	0,49	18
пленка из полиэтилена (ПЭ)	105-135	1,5	0,15	14
прочие отходы пластмасс	>400-500	2,3	0,23	26
Бумага*, в т.ч.:	170-200	35,1	3,51	-
газеты	-	23,5	2,35	148
картон	-	6,5	0,65	31
макулатура прочих сортов	-	5,1	0,51	105
Пищевые отходы^*, в т.ч.:	60-160	18,5	1,85	-
углеводы	-	12,5	1,25	-
белки	-	1,6	0,16	-
жиры (триглициды) и технические масла	-	1,2	0,12	-
прочие	-	3,2	0,32	-
Древесина	>300	2,2	0,22	-
Текстиль	>300	7,6	0,76	-
Кожа	50-135	2,8	0,28	-
Резина	180-230	3,3	0,33	-
Металлы	-	11,5	1,15
Стекло*, бетон, керамика, в т.ч.:	-	10,3	1,03
Стеклобой	-	-	-	249
ТБО в целом		100	10	-
ТБО влажные	-	-	-	198-220

В табл.2 приведены расчетные значения величин (С/H)_p и β_p для основных морфологических групп ТБО следующего состава (в %): - пищевые отходы - 42,0; бумага - 9,2; древесина - 4,4; кожа, резани - 11,9; пластмасса - 9,7; текстиль - 2,3; отсев менее 16 мм - 20,5, для расчета которых в tbc-inv.ru изложена методика определения основных теплотехнических характеристик мусора как топлива, необходимых в нашем случае.

Таблица 2
Массовый состав летучих фракций морфологических групп ТБО и некоторых низкокалорийных твердых топлив России (в %), а также их удельные теплоты сгорания Q_p [МДж/кг):
- элементный рабочий состав топлива p (в %): углерод (C_p); водород (H_p), кислород (O_p), азот (N_p), сера (S_p), β_p=[100-(C_p+H_p)]
Компоненты	C_p	H_p	O_p	N_p	S_p	(C/H)_p	β_p	Q_p
Пищевые отходы	53,6	7,7	34,1	4,0	0,6	7,0	38,7	22,28
Бумага, картон	46,2	6,2	47,1	0,3	0,2	7,4	47,6	16,85
Древесина	51,0	6,1	42,6	0,2	0,1	8,4	42,9	20,27
Кожа, резина	77,9	6,0	15,1	0,3	0,7	13,0	16,1	31,06
Пластмасса	67,7	9,3	21,5	1,1	0,4	7,3	23,0	30,18
Текстиль	56,1	6,8	32,2	4,8	0,1	8,3	37,1	22,53
Отсев менее 16 мм	46,4	6,3	47,0	-	0,3	7,4	47,3	17,0
ТБО в целом	57,0	7,2	33,0	2,2	0,5	7,9	35,8	22,43
Бурый уголь Подмосковного бассейна	66,0	5,2	23,1	1,1	4,4	12,7	28,8	25,74
Дрова	51,0	6,1	42,2	0,7	-	8	42,9	26,84
Торф Каширского месторождения	56,5	6,0	34,8	2,5	0,2	9,4	37,5	21,44

Видно, что большая часть массы ТБО: пластмассы, бумага, пищевые отходы, составляющие 62,3% от суммарной массы органики, из-за большого содержания в ней водорода, мало пригодна для деполимеризации с прямым переходом к нефтепродуктам, так как величины (С/H)_p и β_p находятся вблизи критических значений параметров.

Факторы неоднородности горючей масс ТБО также отрицательно сказываются на организации и управлении технологии разрабатываемого способа. ТБО - крайне неоднородный продукт (табл.1 и 2). Так, разброс долей ингредиентов внутри морфологических групп колеблется от 11 до 60%, а в целом в составе ТБО как химической системе содержится более 1000 ингредиентов: в отходах текстиля - до 200 ингредиентов, бумаги, пищевых отходов - до 150 ингредиентов. Температуры начала деполимеризации у пищевых отходах колеблют от 60 до 160°C, у пластмасс - от 105 до 400-500°C. содержание влаги в ТБО - от 20-25 до 50-60% по массе, зольность от -10-15 до 25-30-58 по массе, ТБО - поли дисперсный продукт от 16 мм до нескольких метров и т.д.

Пример 2 оценки возможностей достижения самоокупаемости производства по заявляемому способу путем применения современных технических средств для компенсации отрицательных сырьевых воздействий на конечный результат, выявленных в примере 1, если на стадиях термоожижения - деполимеризации отходов образуются три вида коммерческих продукта:

- жидкие фракции с температурами кипения до и после 220°C, направляющимися на дистилляцию - риформинг моторных топлив с возвратом части дистиллята в качестве растворителя пасты в жидкостный рецикл (патент РФ RU 2262520, опубл. 26.04.2004). Здесь надо иметь в виду общее условие: в отсутствии окислителя распад органики начинается уже при 200-250°C, и к 450-500°C в основном завершается. Происходит пиролиз или деполимеризация полимеров. Уже при температурах ~ 640°C происходит распад молекул на элементы;

- нерастворимые продукты, отделенные от жидкой фракции, направляемые на получение нефтебрикетов и/или горючих капсул (www.v2.new-enerqy.21.ru; патент РФ RU №2 117870, опубл. 20.08.1998); элементный состав твердого остатка весьма привлекателен для потребителя (в % по массе): C - 20,5; H - 1,6; O - 2,4; зола - 75,5. Пропитка нефтью остатка делает это вещество очень полезным;

- синтез - газ (CO+H₂), получаемый методом паровой каталитической конверсии газообразных углеводородов, являющихся продуктами пиролиза полимеров, направляется на синтез метанола, диметилового эфира, синтетического бензина (www.waste.ru; http://methanol.ru; http://suslowm.narod.ru). Преимуществом здесь является, что углеводороды - это не природный газ, а полупродукты, образующиеся в производстве по заявляемому способу их отходов.

Решение

Анализ и разработка заявляемого способа получения указанных полупродуктов, а, следовательно, и самоокупаемости производства в целом, выявили, что это достижимо при выполнении комплекса нижеследующих кон-структорско-технологических и экономических мероприятий.

1. Повышение качества мусора за счет сортировки - отбора из него крупногабаритных предметов, цветных и черных металлов с помощью грохотов, вильчатых отборщиков, электромагнитов, индукционных сепараторов и т.п.

2. Улучшение физико-химических характеристики и интенсификация поверхностной энергии системы, достигаемые при измельчении частиц до 0,16 мм с подсушкой материалы для удаления из него физической влаги, т.е. повышение качества сырья. В нашем случае приходится иметь дело не только с измельчением, но и с дезинтеграцией вторичных агрегатов частиц. Здесь мы используем механическую неоднородность компонентов материала и «гидронестойкость» и каталитическую активность некоторых вмещающих компонентов, например, стекло, бетон, керамика, которые в количестве до 10% от массы ТБО в нашей среде могут «распускаться» на частицы и агрегаты изначальных размеров, что приводит к разрушению крупных агрегатов частиц.

3. Применение комбинированного топлива путем добавления к ТБО низкокалорийного твердого ископаемого топлива для достижения стабильных значений критерия ожижения твердого полимера (C/H)_p (см. табл.2; пример 1). Состав комбинированного топлива и его характеристику выбираем по формуле:

(С/H)_комб.=(С/H)_ТБО·X+(C/Н)_H.топл(1-X),

где (С/H)_комб., (С/H)_ТБО (С/H)_н.топл. - углеводородные соотношения для комбинированного топлива, ТБО и низкокалорийного природного топлива, доли ед.;

X - доля ТБО в комбинированном топливе, доли ед.

Определить используя данные табл.2, критерии (С/H)_комб. комбинированного топлива, если ТБО смешали с низкокалорийными природными топ-ливами (бурый уголь Подмосковного бассейна) и торф Каширского месторождения) в соотношении ТБО: природное сырье=85:15.

Определим величину (С/H)_комб. для комбинированных топлив используя указанную формулу:

- ТБО: бурый уголь=85:15; (С/H)_ТБО=7,9; (С/H)_н.топл.=12,7; (С/H)_комб.=0,85·7,9+0,15·12,7=8,62>8;

- ТБО: торф=85:15; (С/H)_ТБО=7,9; (С/H)_н.топл.=9,4; (С/H)_комб.=0,85·7,9+0,15·9,4=8,1≈8;

- ТБО: торф=70:30; (С/H)_ТБО=7,9; (С/H)_н.топл.=9,4; (С/H)_комб.=0,70·7,9+0,3·9,4=8,35≈8.

Проверим расчеты для «неудобных» компонентов ТБО (пластмассы, бумаги, картон, пищевые продукты) - величина С/H_TБO≈7,0 - очень мала, а (С/H)_н.топл.=12,7:

- ТБО: неудобные компоненты=85:15:(С/H)_комб.=0,85·7,0+0,15·12,7=7,86≈8;

- ТБО: неудобные компоненты=70:30:(С/H)_комб.=0,70·7,0+0,3·12,7=8,71>8.

Видно, что разработка комбинированного топлива - весьма перспективный способ управления качеством ТБО по сравнению с сепарированием, что повышает технологическую надежность заявляемого способа и возможность достижения самоокупаемости.

4. Использование технологии гидрогенизации органических компонентов ТБО (dic.fcfdemic.ru), которая является универсальным методом получения синтетического жидкого топлива из твердого, и включает основные узлы: приготовление топливно-масляной пасты; гидрогенизацию пасты; переработку продуктов процесса. За счет использования предлагаемого технического решения, происходит не только ожижение исходных веществ, но и насыщение их водородом, развивается комплекс параллельно-последовательных реакций, которые приводят к образованию низкомолекулярных соединений, насыщенных водородом, далее превращающихся в высококачественное моторное топливо. Данный процесс является процессом нормализации состава реагирующих фаз. Процесс газификации развивается и с катализатором и без катализатора, а в качестве водорододонорных агентов могут выступать жидкие углеводороды с температурой кипения до 200°C, т.е. продукты процесса деполимеризации.

5. Применение катализаторов, в присутствии которых идут сложные реакции разложения и соединения. Обычно это оксиды железа, которые в виде порошка замешивают в топливную пасту. Другим источником каталитической активности являются оксиды и силикаты, присутствующие в ТБО.

6. Согласование типа реакционной аппаратуры и механизма физико-химических превращений. Анализ показывает (www.nqpedia.ru), что кинетика механизм процессов деполимеризации полимерных материалов, и особенно их смесей, и в присутствии водорода, изучена совершенно недостаточно. Даже при очень высоких температурах порядка 220-300-350°C, выход мономеров еще не превышает 60-65% масс, а выход углеводородов C₅ и выше уже очень высок (до 65-70% масс.) при скорости деполимеризации 2,5-3% в мин. Время реакции изменяется весьма в широких пределах: от часов - до десятков минут.

Оригинальность предлагаемого способа заключается в организации непрерывного массового производственного процесса, включающего поступления ТБО, сепарацию, измельчение, сушку, приготовление пасты, нагрев, модифицирование и подачу восстановительных газов и пасты в реакционный агрегат, с последующими физико-химическими превращениями и выделением твердых, жидких и газообразных нефтеподобных полупродуктов, что позволяет поддерживать устойчивый процесс схемы большой мощности мусо-роперерабатывающего завода (МПЗ), причем газовые и жидкостные потоки, циркулирующие в оборотном технологическом контуре, легко регулируются путем изменения их соотношений, включая количество исходного комбинированного топлива, вследствие чего низкотемпературная деполимеризация ТБО в нефтепродукты осуществляется экономически эффективно с соблюдением экологически допустимых норм.

Claims

Способ переработки органических и полимерных отходов, включающий загрузку с предварительной сепарацией, измельчение с подсушкой, отличающийся тем, что подсушку осуществляют совместно с катализатором и низкокалорийным природным топливом, затем готовят пасту из измельченного материала и растворителя - дистиллята, получаемого при дистилляции жидких продуктов, при этом предусматривают дальнейшую ступенчатую деполимеризацию реакционной массы с температурой 200-400°C при нормальном атмосферном давлении, осуществляемую в каскаде из двух пар последовательно соединенных реакторов, в которых температура деполимеризации достигает в 1-й паре 200°C, и во 2-й паре - более 200°C и не превышает 310°C, объединяющихся друг с другом рециркулирующими потоками: газообразным, формирующем в реакционной системе восстановительную среду в виде синтез-газа (CO и H₂), образующуюся путем паровой каталитической конверсии углеводородных газов, выходящих из реакторов деполимеризации, перемещающуюся посредством газового насоса через подогреватель восстановительных газов из реакционной системы, обеспечивают также вывод синтез-газа для получения моторных топлив - метанола, диметилового эфира или бензина; жидкую же углеводородную фазу отделяют от твердых непрореагировавших компонентов с выходом последних до 40% от общей исходной массы твердых бытовых отходов (ТБО), которые выводят из системы с помощью циркуляционных насосов и направляют для производства нефтяных брикетов и/или горючих капсул, причем жидкую реакционную углеводородную смесь, после отделения от нее твердого остатка, направляют на горячую сепарацию, охлаждение и дистилляцию, кроме того, меньшую часть дистиллята возвращают в мешалку для приготовления пасты на стадию приготовления пасты, а большую часть разделяют на целевые фракции: первую с температурой кипения до 200°C и вторую с температурой кипения выше 200°C, но не более 310°C.