UA59164A - Спосіб і пристрій високотемпературної переробки відходів - Google Patents

Abstract

Спосіб високотемпературної переробки відходів включає розплавлювання мінеральної частини перероблюваних відходів і спалювання додаткового палива в кількості, необхідній для розплавлювання і утримання утвореного розплаву в рідкотекучому стані. Спалювання додаткового палива і флюсування золи ведуть у циклонних апаратах з наступною подачею продуктів газифікації разом з відходами у розплав. Коефіцієнт надлишку окислювача змінюють у залежності від теплопотреби завантажених відходів шляхом зміни витрати палива і/або повітряного дуття. Пристрій високотемпературної переробки відходів містить шахту з розташованими в її нижній частині модулями спалювання палива і завантаження відходів, а у верхній - модулями завантаження кускових матеріалів. В нижній частині шахти встановлений накопичувач розплаву з розташованим по колу зовнішньої поверхні шахти кільцевим куполом, на якому навколо шахти попарно встановлені модулі завантаження відходів і циклонні газифікатори палива для подачі відходів і вдування продуктів газифікації палива в розплав.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до області переробки побутових і промислових відходів, зокрема до 2 високотемпературної переробки відходів з утилізацією енергії продуктів газифікації.

Відомі способи і пристрої високотемпературної переробки побутових і промислових відходів з утилізацією енергії продуктів газифікації (1. Альков Н.Г., Коротеев А.С. Комплексная технология многостадийной утилизации твердьїх бьітовьїх отходов с получением злектрознергии. М.: Известия Академий наук. Знергетика.-2000.- Мо4.-

С.21-33. 2. Переработка в шлаковом расплаве. Новая технология утилизации бьтовьїх и промьішленньх 70 отходов. М.: Рекламньй проспект фирмь! АЛГОН и МИСИСІ.

Відомі рішення з переробки відходів включають їхнє попереднє сортування з наступною переробкою по різних технологіях. Реалізація таких рішень ускладнена високою вартістю сортування і необхідністю використання різних агрегатів і технологій переробки. Так, побутові відходи звичайно спалюються в утилізаційних котлах з одержанням пару і деякої кількості електроенергії, однак, через низьку теплотворність 12 відходів, енергетична ефективність переробки мала. При цьому потрібно рішення проблеми поховання твердої золи і знешкодження газових продуктів переробки, тому що температури спалювання недостатньо високі.

Промислові відходи, що містять оксиди металів, пальні компоненти і шкідливі домішки, вимагають використання спеціальних методів переробки і специфічних агрегатів.

Знищення шкідливих домішок і підвищення енергетичної ефективності переробки відходів досягається у високотемпературній технології, розробленої НПО"АЛГОН" і Московським інститутом сталі і сплавів (МИСИС) |21.

Сутність її - у спалюванні відходів і розплавлюванні їхньої мінеральної частини в барботажному шарі рідкого шлаку. Недоліком цієї технології є велика витрата кисню, що робить цю технологію високовитратною, а велике забруднення високотемпературних димових газів, що надходять у котел - утилізатор, ускладнює досягнення високого ступеня утилізації тепла.

Як прототип прийнятий відомий спосіб високотемпературної переробки відходів, що включає « розплавлювання мінеральної частини перероблюваних відходів і спалювання додаткового палива в кількості, необхідній для розплавлювання і утримання утвореного розплаву в рідкотекучому стані, і пристрій для його здійснення, що включає шахту з розташованими в її нижній частині модулями спалювання палива і завантаження відходів, а у верхньої - модулями завантаження кускових матеріалів |З. Метод З вьісокотемпературной газификации фирмь! ФЕСТ-АЛЬПИНЕ // Доклад дипл. инж. П. Фрайманн. Москва: 1988. «о

Вьіставка ТесппоІоду 88). Модуль завантаження відходів розташований у нижній частині шахти над модулем спалювання додаткового палива, причому продукти горіння палива з надлишком кисню спрямовані на потік -- завантажуваних відходів, що піддаються повному спалюванню з розплавлюванням їхньої мінеральної частини. Ге»)

Продукти горіння піднімаються в шахту і фільтруються через стовп завантаженого зверху коксу, а шлаковий 3о розплав стікає вниз у модуль для грануляції. о

Недоліками прототипу є: - недостатня поверхня взаємодії гарячих газів із твердими і розплавленими матеріалами відходів; - обмежені можливості регулювання ентальпії продуктів горіння палива при зміні теплопотреби завантажених « матеріалів, наприклад, вміщенні оксидів металів, тугоплавких компонентів і ін. З 70 - неможливість керування властивостями розплаву, у т.ч. його в'язкістю, а також споживчими с характеристиками продуктів. з» В основу винаходу поставлена задача створення універсального пристрою і способу, що забезпечують високотемпературну переробку відходів перемінного складу з різними властивостями при використанні будь-якого доступного палива з повною утилізацією всіх продуктів переробки і знищенням шкідливих речовин.

Поставлена задача вирішується таким чином. і-й На відміну від відомого способу високотемпературної переробки відходів, спалювання додаткового палива і (се) флюсування золи ведуть у циклонних апаратах з наступною подачею продуктів газифікації разом з відходами у розплав, причому коефіцієнт надлишку окислювача змінюють у залежності від теплопотреби завантажених - відходів в межах 0,5-2,0 (моль О5/моль С) шляхом зміни витрати палива і (або) повітряного дуття. (Ге) 50 Спосіб здійснюють у пристрої високотемпературної переробки відходів, що включає шахту, у нижній частині якої встановлений накопичувач розплаву з розташованим по колу зовнішньої поверхні шахти кільцевим куполом,

Т» на якому навколо шахти попарно встановлені модулі завантаження відходів і циклонні газифікатори палива для подачі відходів і вдування продуктів газифікації палива в розплав.

Між суттєвими и відмітними ознаками винаходу і технічним результатом, що досягається, є наступний причинно-наслідковий зв'язок. в. Спалювання палива в циклонних камерах сприяє підвищенню повноти вигоряння органічної частини і досягненню температур, при яких відбувається зрідження мінеральної частини, що включає домішки флюсів.

Продукти газифікації палива зі зрідженими частками мінеральної частини подаються у ванну розплаву і створюють у ній барботаж (турбулентність). У зону барботажу (турбулентності) завантажуються тверді відходи. 60 Пальна частина відходів окисляється диоксидом вуглецю (СО»5), вологою (Н2О) і надлишковим киснем газів, що надходять з циклонних камер, а мінеральна частина розплавляється з відновленням оксидів металів. Для підтримки температури газу вище температури розплаву (1400-Н500"С) змінюють кількість палива і коефіцієнт витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль Оо/моль С). Нижня межа зазначеного відношення (0,5) визначається стехіометричним відношенням (05/С, при якому можливо повне окислювання вуглецю до СО. При бо величині вказаного відношення менш, ніж 0,5, має місце недопал палива і відбувається виділення сажі, що несприятливо для ходу процесів. Величина коефіцієнта витрати окислювача 1,0 стехіометрично відповідає окислюванню вуглецю до СО», а при величині більш 1,0 має місце надлишок кисню в газі, що, підвищуючи повноту спалювання, одночасно приводить до зниження температури газу. При значенні коефіцієнта витрати окислювача більш 2,0 температура газу знижується до рівня температури розплаву, що не забезпечує передачу тепла від газу до розплаву і приводить до охолодження розплаву.

Шляхом зміни кількості палива, що згоряє, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль

Оо/моль С) змінюють кількість внесеного газом тепла і його температуру. Перше необхідно для компенсації виникаючого розбалансу тепла при завантаженні матеріалів зі змінювальною теплопотребою, друге - для 7/0 підвищення температурного потенціалу газів у випадку завантаження тугоплавких матеріалів (зі збільшеною температурою плавлення).

Таким чином, суттєві відмітні ознаки способу, що заявляється, забезпечують досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні контакту продуктів горіння палива із завантаженими відходами, утриманні стабільності теплового балансу процесу при зміні складу і властивостей матеріалів, що завантажуються у ванну, /5 а також у можливості досягнення потрібних властивостей розплаву.

Споживчий результат виразиться в забезпеченні можливості переробки несортованих відходів з повною утилізацією всіх продуктів і знищенням шкідливих речовин.

Суть способу, що заявляється, полягає в тому, що для переробки несортованих відходів використовують високотемпературну технологію на основі попереднього спалювання палива в циклонних газифікаторах і подачі продуктів газифікації у ванну розплаву, у яку завантажуються відходи. Технологія синтезує переваги циклонних газифікаторів, процесів у розплаві і шахтного протитоку для вирішення задачі повної утилізації відходів перемінного складу з одержанням електроенергії, будівельних матеріалів, металів і інших побіжних продуктів при повному виключенні шкідливих викидів.

У ванні вуглець і вуглеводи відходів реагують із СО», НО і надлишковим киснем (05) гарячих газів з ов утворенням СО, СО», Но, Н2О. Тверді складові переходять у розплав (1400 150072), частина оксидів (у т.ч. заліза) відновлюються до металів і осідають. «

Утворений гарячий газ направляється в шахту, що безупинно завантажується кусковим вугіллям чи іншим кусковим вуглецьвмісним матеріалом (наприклад, боєм електродів електропечей). При фільтрації через шар вугілля оксидні компоненти газу реагують з вуглецем по реакціях: СОонС-2СО; НаОС-НонСО з ендотермічним «КЕ зо ефектом, так що температура їх у ході фільтрації зменшується, а теплотворність збільшується (за рахунок утворення СОН 5). Крім того, відбувається часткове очищення газів, що потім завершується при відводі газу о із шахти в гарячому циклоні. «--

Управління процесом переробки відходів шляхом утримання стабільного балансу тепла здійснюється зміною кількості палива, що спалюється в циклонних газифікаторах, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 іа дО 2,0 (моль Ог;/моль С). Збільшенням кількості палива, що згоряє, досягають компенсації додаткової потреби ю тепла при завантаженні матеріалів з підвищеною теплопотребою, а зменшенням - скорочення надлишку тепла при завантаженні матеріалів зі зниженої теплопотребою. Збільшення коефіцієнта витрати окислювача сприяє підвищенню температури газу і створює умови для переробки матеріалів з підвищеною температурою плавлення. При цьому за рахунок надлишку окислювачів збільшується витрата кускового палива в шахті і « швидкість опускання його у ванну розплаву. Варіювання коефіцієнта витрати окислювача може, таким чином, 8 с використовуватися також для регулювання стану стовпа кускового палива в шахті шляхом зміни швидкості його й опускання. «» Пристрій для реалізації способу пояснюється схемою з написами на кресленні.

Агрегат включає круглу чи овальну в плані ванну розплаву з льотками для періодичного випуску металу і шлаку. Над ванною розташований купол, що переходить у центральній частині в шахту. По колу куполу навколо сл шахти розташовані газифікатори палива (пиловугільного, рідкого, газівного) По іншому концентрично розташованому колу купола встановлені шнекові транспортери для подачі в піч несортованого побутового іс, сміття, промислових і інших відходів, а також недефіцитних залізорудних матеріалів. - По колу купола навколо шахти може бути встановлене щонайменше 4 циклонних газифікатори (ЦГ) 5о продуктивністю по паливу 2-Зт/година. Загальна продуктивність з палива складе - 1От/годину при 4ЦГ;

Фо 20т/годину при 8ЦІ і т.д. Шнекові транспортери (ШТ) для завантаження відходів установлюються по числу Ці і

Та» розраховуються на продуктивність виходячи зі співвідношення паливо/відходи (п/в), величина якого звичайно (п/в)»0,ОЗкг/кг. Особливістю пропонованої технології є більш високе значення зазначеного відношення, що забезпечує стійкість роботи енергетичної схеми з розплавлюванням усіх мінеральних складових і знищенням Шкідливих речовин. При величині (п/в)-0,3, тобто на порядок більш високої, продуктивність по відходам складає: для агрегату з 4-х ЦГ (і відповідно 4-х ШТ) «- З5т/годину; для агрегату з 8ЦГ (і відповідно 8 ШТ) -

Р» 7От/годину і т.д.

Спосіб здійснюють таким чином.

У циклонні газифікатори тангенціально вводять нагріте в рекуператорі атмосферне дуття (700-900) і бо паливо (пиловугільне, мазут, природний газ, паливні відходи й ін.), а також частково здрібнені флюси (вапняк і ін.) і залізовмісні матеріали.

Газ виводиться з газифікатора тангенціально разом зі зрідженими мінеральними складовими при температурі 1600-2000" і направляється в шлакову ванну, де створює барботаж (турбулентність). У зону барботажу поблизу газифікаторів подають шнеком суміш відходів. Для поліпшення транспортування шнеком до м'яких і легких б5 матеріалів (папір, картон, полімери, харчові відходи, рослини й ін.) домішують важкі кускові матеріали (вапняк, будівельне сміття, метал і ін.).

У ванні вуглець і вуглеводи відходів реагують із СО», НО і надлишковим киснем (05) гарячих газів з утворенням СО, СО», Но, Н»2О. Тверді складові переходять у розплав (1400-15007С), частина оксидів (у т.ч. заліза) відновлюються до металів і осідають.

Утворений гарячий газ направляється в шахту, що безупинно завантажується кусковим вугіллям чи іншим кусковим вуглецьвмісним матеріалом (наприклад, боєм електродів електропечей). При фільтрації через шар вугілля оксидні компоненти газу реагують з вуглецем по реакціях: СОонС-2СО; НьОС-НьЬсСоО з ендотермічним ефектом, так що температура їх у ході фільтрації зменшується, а теплотворність збільшується (за рахунок утворення СОН 5). Крім того, відбувається часткове очищення газів, що потім завершується при відводі газу 7/о Із шахти в гарячому циклоні.

Управління процесом переробки відходів шляхом утримання стабільного балансу тепла здійснюється зміною кількості палива, що згоряє в циклонних газифікаторах, і коефіцієнта витрати окислювача в межах від 0,5 до 2,0 (моль О5/моль С). Збільшенням кількості палива, що згоряє, досягають компенсації додаткової потреби тепла при завантаженні матеріалів з підвищеної теплопотребою, а зменшенням - скорочення надлишку тепла /5 при завантаженні матеріалів зі зниженої теплопотребою. Збільшення коефіцієнта витрати окислювача сприяє підвищенню температури газу і створює умови для переробки матеріалів з підвищеною температурою плавлення. При цьому за рахунок надлишку окислювачів збільшується витрата кускового палива в шахті і швидкість опускання його у ванну розплаву. Варіювання коефіцієнта витрати окислювача може, таким чином, використовуватися також для регулювання стану стовпа кускового палива в шахті шляхом зміни швидкості його 2о опускання.

Отриманий при виході із шахти газ з температурою З 10007 використовується для утилізації енергії по відомих схемах одержання електроенергії, що включає як паротурбінні, так і газотурбінні установки. Останні дозволяють навіть за низької теплотворності відходів досягати ККД 22595 (звичайний ККД при переробці відходів «2095). Частина енергії отриманого газу використовується для нагрівання дуття в рекуператорі.

Отриманий у виді розплаву метал випускають періодично через льотку для металу і розливають у чушки для наступного використання. Отриманий у виді розплаву шлак також періодично випускають через льотку для « шлаку і використовують у будівельній індустрії, наприклад, у якості наповнювачів для бетонів, для дорожнього будівництва та ін.

Приклад реалізації способу. «г зо Технологія реалізується в агрегаті з циліндричним плавильним горном діаметром 8м, що обладнаний кільцевим куполом, що переходить у центральній частині у вертикальну шахту діаметром 5м і висотою від місця ісе) виходу з купола до місця відводу газів 5м. По колу низу шахти на куполі горна встановлені 4 циклонних «- газифікатори вугілля продуктивністю по 2,5т/годину (всього 10т/годину) і 4 шнекових завантажувальних модулі відходів продуктивністю по 8-:У9т/годину (всього Збт/годину). ме)

У циклонні газифікатори вдувають нагріте у рекуператорах до 8002С повітря (790000м З/годину) і подають вугільний пил зі вмістом вуглецю 70905, золи 1595, летючих 1095, а також вапняк для флюсування золи вугілля і частково мінеральної частини відходів. Газ виводиться з газифікатора тангенціальне разом зі зрідженими мінеральними складовими при температурі 1700-1800 і направляється в шлакову ванну, де створює барботаж. «

У зону барботажу поблизу гайифікато-рів шнековими завантажувальними модулями в розплав уводять суміш 70 відходів, що містить у середньому 3095 вуглецю, 595 водню, мінеральні й ін. домішки, а також флюсуючи додатки. - с Для поліпшення транспортування шнеком до м'яких і легких матеріалів (папір, картон, полімери, харчові ц відходи, рослини й ін.) домішують важкі кускові матеріали (вапняк, будівельне сміття, метал і ін.). ,» У ванні вуглець і вуглеводи відходів реагують із СО», НО і надлишковим киснем (05) гарячих газів з утворенням СО, СО», Но, Н»2О. Тверді складові переходять у розплав (1400-15007С), частина оксидів (у т.ч. заліза) відновлюються до металів і осідають. 1 Утворений гарячий газ (7122000м З/годину) з температурою 1500-1600 направляється в шахту, що со безупинно завантажується кусковим вугіллям чи іншим кусковим вуглецьвмісним матеріалом. При фільтрації через шар вугілля оксидні компоненти газу реагують з вуглецем по реакціях: СО 5-С-2СО0; НО С- НьЬнСО з - ендотермічним ефектом, так що температура їх в перебігу фільтрації зменшується до 900 -1000"С, а б 20 теплотворність збільшується (за рахунок утворення СОЖН 25). При цьому витрата кускового вугілля, що завантажується в шахту, складає 1095 від спалюваного в газифікаторах, тобто 1т/годину. В перебігу фільтрації

Т» газу відбувається часткове його очищення, що потім завершується при відводі газу із шахти в гарячому циклоні з поверненням уловленого пилу в процес.

У технології використовуються, поряд з відходами, низькосортні матеріали і паливо, а як окислювач - 22 атмосферне повітря (без додавання кисню). Агрегат із зазначеними вище параметрами дозволить одержувати в. на виході 122000мЗ/годину газу теплотворністю 5,4МДж/м? при температурі до 10002С. Утилізація цього газу забезпечить роботу електрогенератора потужністю 72Мвт. Одночасно буде отриманий рідкий метал, що після випуску через льотку може розливатися в чушки для наступного використання, і шлак, що може використовуватися в будівельній індустрії. 60 Викладеній побудові технології притаманні гарна керованість і високий ступінь саморегулювання процесів (за рахунок сполучення ванни розплаву і вугільної насадки). Тому вона придатна для адаптації в будь-яких умовах.

У випадку зміни складу відходів, що впливає на теплопотребу переробки і температуру плавлення, потрібно коректування кількості палива, що спалюється, і коефіцієнт витрати окислювача. Розглянемо два приклади. бо Перший приклад.

При завантаженні матеріалів, що містять оксиди заліза, збільшується витрата тепла на реакцію відновлення:

Ее2О3-3С-2РензсСо - 490МДж, а також потреба твердого вуглецю на реагування з киснем оксидів заліза (3).

Якщо в складі відходів вміст Ре»Оз збільшився на 3905 і кількість його склала 35 .0,03-1,05т/годину (105Окг/годину), то потреба тепла збільшиться на величину 1050 -490/2.56.-3.16)-3215МДж/годину. Для компенсації цієї потреби необхідно при збереженні коефіцієнта витрати окислювача на початковому рівні, наприклад, 0,7 (моль О5/моль С) додатково спалити вугілля в газифікаторі: 3215000/1,45 (1800-1000) .4,2)-66бОкг/годину, де: 1,45 - середня питома теплоємність газу при охолодженні в печі від 1800 до 10002, кдж/(м ЗК); 4,2. - 70 вихід газу з 1кг спаленого вугілля, мЗ/кг.

Крім того необхідно подать з відходами додатково твердий вуглець для відновлення заліза в кількості 1050.3.12/(2.56-3.16)-2Збкг/годину, чи вугілля 236/0,7-337кг/годину. Якщо така кількість не подається додатково, то воно буде витрачено у ванні розплаву у виді кускового вугілля, що надійшло із шахти, що потребує відповідного збільшення швидкості завантаження вугілля в шахту. 19 Після виконаних коректувань тепловий баланс відновлюється, і хід процесів стабілізується

Другий приклад.

У складі відходів з'явилися тугоплавкі компоненти, і температура плавлення найбільш тугоплавкого з них перевищує величину, що раніше спостерігалася, на 50 градусів. У цьому випадку потрібно збільшити температуру газу, що надходить з газифікатора, на величину більш 50 градусів.

Відповідно до розрахунків, при початковому значенні коефіцієнта витрати окислювача 0,7 (моль Оо/моль С) збільшення його на 0,1 (моль О5/моль С) приводить до збільшення температури газу на 100-150 градусів, так що в розглянутому випадку досить збільшити коефіцієнт витрати окислювача до 0,75 (моль Оо/моль С) і трохи зменшити кількість вуглецю, що спалюється, відповідно до розрахункового збільшення прибутку тепла від газу (розрахунок аналогічний випадку в прикладі 1). 29 Таким чином, вирішується поставлена задача і досягається технічний результат. «

Джерела інформації, використані при написанні заявки: 1. Альков Н.Г., Коротеев А.С. Комплексная технология многостадийной утилизации твердьх бьтовьїх отходов с получением злектрознергии. М.: Известия Академии наук. Знергетика.- 2000.- Мо4.- С.21-33. 2. Переработка в шлаковом расплаве. Новая технология утилизации бьїітовьїх и промьішленньйх отходов. М.: З

Рекламньй проспект фирмьї АЛГОН и МИСсИС. (Се)

З. Метод вьісокотемпературной газификации фирмьї ФЕСТ-АЛЬПИНЕ // Доклад дипл. инж. П. Фрайманн.

Москва: 1988. Вьіставка ТесппоЇоду 88 -

Claims (2)

Формула винаходу ів)

1. Спосіб високотемпературної переробки відходів, що включає розплавлювання мінеральної частини перероблюваних відходів і спалювання додаткового палива в кількості, необхідній для розплавлювання і « утримання утвореного розплаву в рідкотекучому стані, який відрізняється тим, що спалювання додаткового З 740 палива і флюсування золи ведуть у циклонних апаратах з наступною подачею продуктів газифікації разом з с відходами у розплав, причому коефіцієнт надлишку окислювача змінюють у залежності від теплопотреби Із» завантажених відходів в межах 0,5-2,0 (моль О5/моль С) шляхом зміни витрати палива і/або повітряного дуття.

2. Пристрій високотемпературної переробки відходів, що містить шахту з розташованими в її нижній частині модулями спалювання палива і завантаження відходів, а у верхній - модулями завантаження кускових матеріалів, який відрізняється тим, що в нижній частині шахти встановлений накопичувач розплаву з і-й розташованим по колу зовнішньої поверхні шахти кільцевим куполом, на якому навколо шахти попарно (се) встановлені модулі завантаження відходів і циклонні газифікатори палива для подачі відходів і вдування з продуктів газифікації палива в розплав. б 50 с» Р 60 б5