( (51) МПК (2011.01) КИ Е23С 5/027 (2006.01) М Стос 1/00 ДЕРЖАВНА СЛУЖБА видається під ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ - й : ВЛАСНОСТІ о П И С виснуальнсть УКРАЇНИ ДО ПАТЕНТУ патенту НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ нЛляМШЛМНЛООВООНВЦ ТТ ЮІЕИКККІІИІІІІІОООТІТЬЬОООЬЬИЕІШШШШШШОЛІО.О ООЛІООИООВВОВООЛОВЛЛІЕИТОКОЛИЛОЬИХОХВОИСТЛООХХЬТТЬТЬИТНЬТЬТЬОСХХІХОТЛТИТТООХЗООТОВОООООВВЛОЛОВТИИОТОТИОТОИТНЯ» (54) СПОСІБ УТИЛІЗАЦІЇ ОРГАНІЧНИХ ВІДХОДІВ - ЕКОПІРОГЕНЕЗІС 1 2 (21) и2г01105242 ють від розрахункової, а при Ме150 - збільшують, (22) 26.04.2011 починаючи з останнього контуру, а якщо значення (24) 25.01.2012 Ме150 не змінилося, тоді зменшують кількість кон- (46) 25.01.2012, Бюл.Мо 2, 2012 р. турів шляхом вирівнювання температур сусідніх (72) МАРКІНА ЛЮДМИЛА МИКОЛАЇВНА, РИЖКОВ контурів, починаючи з температури першого кон- СЕРГІЙ СЕРГІЙОВИЧ, РУДЮК МИКОЛА ВАСИ- туру, який відрізняється тим, що органічні побу- лЛьЬОович тові відходи попередньо розділяють на сухі і воло- (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕ- гі, сухі подають в реактор піролізу з температурою БУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, МАР- 1000-1100 "С при розрахунковій температурі пер- КІНА ЛЮДМИЛА МИКОЛАЇВНА, РИЖКОВ СЕРГІЙ шого контуру 450-550 "С, яка зменшується в кож- СЕРГІЙОВИЧ, РУДЮК МИКОЛА ВАСИЛЬОВИЧ ному наступному контурі на 100-120 "С або збіль- (57) Спосіб утилізації органічних побутових відхо- шується на 85-100 "С, при цьому вологі харчові дів - екопірогенезіс, що включає піроліз відходів у відходи змішують з гарячим твердим вуглецевим реакторі без доступу повітря, отримання твердого залишком (пірокарбоном), який надходить із реак- вуглецевого залишку та багатокомпонентної паро- тора піролізу, і подають в газогенератор для дво- газової суміші, подальше її охолодження в багато- зонної газифікації, а вихідний гарячий генератор- контурній циркуляційній системі охолодження з ний газ із газогенератора подають в реактор розрахунковими кількістю контурів і температура- піролізу, де він змішується з парогазовою суміш- ми охолоджувачів, відбір важкої рідкої фракції та шю і разом з нею проходить багатоконтурну цир- отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з куляційну систему, утворені вихідні продукти без зазначеною молекулярною масою, ведуть конт- діоксинів, такі як синтез-газ подають на газотур- - роль значень молекулярної маси М рідкої фракції, бінну або газопоршневу електростанцію, рідке гу отриманої на кінцевому контурі системи охоло- паливо легких фракцій подають в дизельні двигуни Мав дження, при М»150 температуру охолоджувачів сміттєвозів, а золу після газифікації подають на кожного контуру, починаючи з першого, зменшу- лінію виготовлення асфальтобетонних сумішей. СІ
СІ . ання (се) Корисна модель належить до галузі екологічно ку фазу розділяють при допомозі відстоювання на 8 безпечної безвідхідної термічної утилізації органі- легкі вуглеводні і суміш важких вуглеводнів та во- - чних побутових відходів і може бути використаний ди, цю суміш використовують як змочувальну рі- в. у комунальному господарстві для регенерації ор- дину для гранулювання. Ознаки, що збігаються з ганічних твердих побутових відходів з одержанням суттєвими ознаками способу, який заявляється: альтернативного палива у вигляді синтез-газу та - піроліз без доступу повітря; рідкого палива легких фракцій. - отримання багатокомпонентної парогазової « Відомий "Спосіб утилізації відходів полімерних суміші та твердого вуглецевого залишку; -З матеріалів" (див. авт. свід. СРСР Мо1201294 МКІ 4 - подальше охолодження парогазової суміші, б СТО 1/00, опубл. 30.12.85. Бюл. Ме48)|, який вклю- розподіл її на компоненти у вигляді рідкої та газо- п чає піроліз без доступу повітря при температурі подібної фракції. 400-980 70 з отриманням багатокомпонентної па- Причини, що перешкоджають одержанню не- рогазової суміші та твердого вуглецевого залишку, обхідного технічного результату: Відомий спосіб подальше охолодження парогазової суміші, роз- передбачає первинний піроліз високомолекуляр- поділ її на компоненти у вигляді рідкої та газоподі- них відходів та одноступеневе охолодження бага- бної фракції, а твердий вуглецевий залишок под- токомпонентної парогазової суміші, що не забез- рібнюють і гранулюють разом зі змочувальною печує глибокого розкладання компонентів рідиною, потім висушують гранули, при цьому рід- вуглеводнів та діоксинів до молекулярної маси не більше 200. Слід відмітити, що в вихідних продук- ладання важких вуглеводнів, утворюваних при тах знаходяться високомолекулярні токсичні важкі піролізі сухих органічних відходів, але не забезпе- вуглеводні та особливо небезпечні для навколиш- чують розкладення діоксинів, які можуть утворю- нього середовища діоксини, які можуть нанести ватися, хоча і в невеликих кількостях. Раціональ- навколишньому середовищу непоправну шкоду. ним методом утилізації вологих харчових відходів Джерелом утворення діоксинів є хімічні процеси є метод газифікації, (див. книгу Л.К.Коллеров. Га- при термічній утилізації органічних відходів, в тому зомоторнье установки. Машгиз. Государственное числі і при відомій технології піролізу. научно-техническое издательство машиностроий- Найбільш близькою за технічною суттю до за- тельной литературь!. М - Л. 1951. 237 С). Але да- явленого способу є "Спосіб утилізації органічних ний метод має суттєвий недолік, він не забезпечує відходів" |див. патент на винахід України Мо 52840 стабільного процесу при високій вологості сирови- МПК 7 г230 5/027, С100 1/00, опубл. 15.01.03. ни, а також глибокого розкладання важких фракцій
Бюл. Мо 1), який включає піроліз відходів у реакторі вуглеводнів, крім того, в його генераторному газі без доступу повітря при температурі 400-980 72 з виявлена велика кількість важких вуглеводнів отриманням твердого вуглецевого залишку та ба- (смоли) та діоксинів, які забруднюють навколишнє гатокомпонентної парогазової суміші, подальше її середовище, що і є основною причиною звужуван- охолодження в багатоконтурній циркуляційній сис- ня області застосування даної технології. А оскіль- темі охолодження з розрахунковими кількістю кон- ки діоксин - в відносно малих дозах (концентраці- турів і температурами охолоджувачів, відбір важ- ях) сильно діюча отрута, він вражає практично всі кої рідкої фракції та отримання на кінцевому форми живої матерії - від бактерій до теплокров- контурі рідкої фракції з зазначеною молекулярною них, то використання газифікації побутових відхо- масою. Здійснюють контроль значень молекуляр- дів заборонено. Таким чином, відомий спосіб не ної маси М рідкої фракції, отриманої на кінцевому може забезпечити екологічно безпечну утилізацію контурі системи охолодження, при М»150 темпе- всього об'єму твердих побутових відходів, а також ратуру охолоджувачів кожного контуру, починаючи одержання вихідних продуктів без діоксинів. з першого, зменшують від розрахункової максимум В основу корисної моделі поставлено задачу на 50 7С, а при Ме150 - збільшують на 50 С, по- удосконалити спосіб утилізації органічних відходів чинаючи з останнього контуру, а якщо значення - екопірогенезіс в повному об'ємі шляхом введення Ме150 не змінилося, тоді зменшують кількість кон- нових температурних режимів і нової послідовнос- турів шляхом вирівнювання температур сусідніх ті операцій, які об'єднують два різні процеси: про- контурів, починаючи з температури першого кон- цес багатоконтурного піролізу без доступу кисню і туру. Ознаки, що збігаються з істотними ознаками процес газифікації з обмеженим доступом кисню, способу, який заявляється: при змішуванні їх потоків і за рахунок цього забез- - піроліз відходів у реакторі без доступу повіт- печити екологічно безпечну утилізацію всього ря; об'єму твердих побутових відходів, без шкоди для - отримання твердого вуглецевого залишку та навколишнього середовища, а також одержати багатокомпонентної парогазової суміші; цінні вихідні продукти без діоксинів. - подальше її охолодження в багатоконтурній Поставлена задача вирішується тим, що спо- циркуляційній системі охолодження з розрахунко- сіб утилізації органічних відходів - екопірогенезіс, вими кількістю контурів і температурами охоло- який включає піроліз відходів у реакторі без досту- джувачів; пу повітря, отримання твердого вуглецевого зали- - відбір важкої рідкої фракції та отримання на шку та багатокомпонентної парогазової суміші, кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною мо- подальше її охолодження в багатоконтурній цир- лекулярною масою; куляційній системі охолодження з розрахунковими - контроль значень молекулярної маси М рід- кількістю контурів і температурами охолоджувачів, кої фракції, отриманої на кінцевому контурі систе- відбір важкої рідкої фракції та отримання на кінце- ми охолодження, при М»150 температуру охоло- вому контурі рідкої фракції з зазначеною молеку- джувачів кожного контуру, починаючи з першого, лярною масою, ведуть контроль значень молеку- зменшують від розрахункової, а при Ме150 - збі- лярної маси М рідкої фракції, отриманої на льшують, починаючи з останнього контуру, а якщо кінцевому контурі системи охолодження, при значення М«е150 не змінилося, тоді зменшують М»150 температуру охолоджувачів кожного конту- кількість контурів шляхом вирівнювання темпера- ру, починаючи з першого, зменшують від розраху- тур сусідніх контурів, починаючи з температури нкової, а при М«е150 - збільшують, починаючи з першого контуру. Причини, що перешкоджають останнього контуру, а якщо значення М«150 не одержанню необхідного технічного результату: змінилося, тоді зменшують кількість контурів шля- відомий спосіб не вирішує проблему утилізації хом вирівнювання температур сусідніх контурів, твердих побутових відходів (ТПВ) в повному обсязі починаючи з температури першого контуру, при без викидів діоксинів у навколишнє середовище, якому, згідно з пропозицією, органічні побутові оскільки не забезпечує утилізацію харчових відхо- відходи попередньо розділяють на сухі і вологі, дів, об'єм яких досягає до 50 95 від загальної кіль- сухі подають в реактор піролізу з температурою кості твердих побутових відходів, при цьому воло- 1000-1100 "С при розрахунковій температурі пер- гість харчових відходів може досягати до 60 95 і шого контуру 450-550 "С, яка зменшується в кож- більше. Крім того, температурні режими як в реак- ному наступному контурі на 100-120 "С або збіль- торі, так і в багатоконтурній циркуляційній системі шується на 85-100 С, при цьому вологі харчові відомого способу ефективно забезпечують розк- відходи змішують з гарячим твердим вуглецевим залишком (пірокарбоном), який надходить із реак- го піролізу, він потрапляє, наприклад, в чотирикон- тора піролізу, і подають в газогенератор для дво- турну систему з відповідними температурами кон- зонної газифікації, а вихідний гарячий генератор- турів, (450; 350; 230; 130)"С.
Враховуючи, що тем- ний газ із газогенератора подають в реактор пература конденсації ТХДД складає 2507, то піролізу, де він змішується з парогазовою суміш- його парогазова компонента буде конденсуватися шю і разом з нею проходить багатоконтурну цир- на третьому контурі з температурою 230 "С, а на- куляційну систему, а утворені вихідні продукти без далі і на четвертому, при цьому сконденсований діоксинів, такі як синтез - газ, подають на газотур- компонент діоксину разом з рідкими важкими фра- бінну електростанцію, рідке паливо легких фракцій кціями вуглеводнів буде повернутий в реактор, де подають в дизельні двигуни сміттєвозів, а золу вони будуть піддані повторній деструкції, процес після газифікації подають на лінію виготовлення циркуляції на кожному із контурів буде продовжу- асфальтобетонних сумішей. ватися доти, поки діоксин і відповідно важкі вугле-
Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок водні не розкладуться на більш легкі компоненти з між суттєвими ознаками способу, що заявляється, відповідно меншою токсичністю.
Таким чином, і технічним результатом, що досягається, необхід- даний технологічний прийом саморегулюючий в но відзначити наступне: частині витримки (від декількох хвилин до декіль-
Ознаки: «...органічні побутові відходи попере- кох годин) даного високомолекулярного компонен- дньо розділяють на сухі і вологі, сухі подають в та - діоксину в заданому температурному режимі реактор піролізу з температурою 1000-1100 "С при до повного його розкладання. розрахунковій температурі першого контуру 450- Ознаки: «...вологі харчові відходи змішують з 550"С, яка зменшується в кожному наступному гарячим твердим вуглецевим залишком (пірокар- контурі на 100-120 "С або збільшується на 85- боном), який надходить із реактора піролізу, і по- 100 2С...», експериментально установлені темпе- дають в газогенератор для двозонної газифікації, а ратурні границі забезпечують глибоке розкладання вихідний гарячий генераторний газ із газогенера- не тільки важких вуглеводнів, але і діоксинів в еко- тора подають в реактор піролізу, де він змішується логічно безпечному режимі. з парогазовою сумішшю і разом з нею проходить
Відомо, що обов'язковою умовою розкладання багатоконтурну циркуляційну систему, утворені діоксинів є висока температура (1000-1500 С) і вихідні продукти без діоксинів, такі як синтез-газ, час знаходження діоксинів (не менше 2 секунд) подають на газотурбінну електростанцію, рідке при даній температурі без доступу кисню.
Але за- паливо легких фракцій подають в дизельні двигуни безпечити дані умови на промисловому обладнан- сміттєвозів, а золу після газифікації подають на ні проблематично, так як при збільшенні темпера- лінію виготовлення асфальтобетонних сумішей" тури різко збільшується тиск в реакторі, відповідно забезпечують екологічно безпечну термічну утилі- необхідно частину парогазової суміші, яка містить зацію всього об'єму твердих побутових відходів, за важкі вуглеводні і діоксини, видаляти із реактора, а рахунок змішування потоків вихідних продуктів ця операція з однієї сторони не завжди вкладаєть- двох процесів, з однієї сторони введення високое- ся в заданий час, а з другої - не забезпечує еколо- нергетичної добавки (пірокарбону) до низькокало- гічну безпеку для навколишнього середовища. рійних вологих відходів, що стабілізує процес їх Альтернативним методом є спосіб Екопірогенезі- газифікації, а з другої - генераторний газ з доміш- са, який заявляється, де представлені температу- ками смол і діоксинів вводиться в реактор багато- рні параметри забезпечують ефективне розкла- контурного циркуляційного піролізу (БЦП) де важкі дання не тільки важких вуглеводнів, але і компоненти смол і діоксини попадуть на контури і діоксинів, відповідно в заданому діапазоні темпе- розкладуться на легкі фракції і за рахунок цього ратур при необмеженому часу дії.
В основу даного будуть отримані екологічно безпечні вихідні проду- способу покладений принцип рециркуляції важких кти, які можуть використовуватися споживачем по компонентів з високою молекулярною масою і прямому призначенню без додаткових доробок, більш високою температурою конденсації до утво- чим забезпечується безвідходне виробництво. рення більш легких складових з молекулярною Таким чином, сукупність суттєвих ознак дозво- масою, яка наближається до молекулярної маси лить в екологічно безпечному режимі, без викидів чистих елементів.
Наприклад, елемент хлор являє діоксинів, і в енергозберігаючому режимі повністю собою газ з молекулярною масою 35, а будь-яке утилізувати весь об'єм органічної частини твердих з'єднання хлору з утворенням діоксинів призво- побутових відходів за рахунок об'єднання двох дить до збільшення молекулярної маси нового різних процесів: процес БЦП без доступу кисню з компонента і відповідно до збільшення температу- оптимальними температурними режимами, і про- ри його конденсації, так наприклад, діоксин 2,3,7,8 цес газифікації з обмеженим доступом кисню, які - тетрахлордібензо-п-діоксин (2,3,7,8 - ТХДД), який забезпечують розкладання не тільки важких вуг- утворився з хлору, являє собою тверду речовину з леводнів, але і діоксинів.
Крім того, в об'єднаний молекулярною масою 321,8, відповідно його тем- процес термічної утилізації залучається твердий пература плавлення 303-305 С, а температура вуглецевий залишок (пірокарбон) і генераторний конденсації біля 250 "С.
При температурі 600 С газ, в складі якого знаходяться важкі смоли і діок- починає розкладатися, а при витримці більше З сини, при цьому на виході двох об'єднаних проце- секунд при температурі до 1000 "С повністю роз- сів виходять екологічно безпечні, без діоксинів падається.
Таким чином, при утворенні в реакторі рідке паливо, змішаний горючий газ і зола. з температурою 1000-1100 "С, такого компонента Суть корисної моделі пояснює схема, де: як ТХДД в процесі багатоконтурного циркуляційно-
- на кресленні зображено блок-схему техноло- водні, в тому числі і важкі смоли, в яких темпера- гічного процесу екопірогенезису при утилізації ор- тура конденсації вище 450 "С, конденсуються і у ганічної частини твердих побутових відходів. вигляді рідкої фракції (М1) стікають в реактор 3, де Стрілками позначені потоки: вони піддаються повторному нагріву і відповідно В - подача сухої сировини; додатковому розкладанню.
Молекулярна маса М, МІ, М2, М3 - вихід парогазової суміші важ- таких компонентів знаходиться в межах 2500- ких фракцій до багатоконтурної циркуляційної сис- 10000. При повторному нагріві і утворенні вторин- теми; ної ПГС вона в потоці М знову надходить до МЛ - вихід парогазової суміші легких фракцій шого контуру 9, при цьому більш легкі компоненти, до вихідного конденсатора; які утворилися після повторного нагріву і мають М1, М2, МЗ3, М4 - повернення у реактор скон- температуру конденсації меншу за 450 "С, не кон- денсованих важких рідких фракцій, в тому числі і денсуються у першому контурі і переходять (потік сконденсованих різних видів діоксинів з 4-х конту- МІ) у другий контур 10 з температурою охоло- рів багатоконтурної циркуляційної системи; дження 350 "С, молекулярна маса їх зменшується С - вихід твердого залишку (пірокарбону) після до 1500-2000, процес конденсації і повернення багатоконтурного циркуляційного піролізу; важких рідких фракцій і діоксинів (потік М2) в реак- ВВ - подача вологої сировини; тор 3. На третій контур 11 (потік М2) потрапляють ГГ- генераторний газ з домішками смол і діок- компоненти з температурою конденсації більше синів; 230 С і, відповідно, молекулярною масою 300- З - зола після газифікації; 700. Наприклад, враховуючи, що температура СГ - синтез - газ, суміш піролізного і генерато- конденсації ТХДД складає 250 "С з молекулярною рного газу; масою 321,8, то його парогазова компонента буде ДП - дизельне пальне. конденсуватися на третьому контурі 11 з темпера- Спосіб екопірогенезису здійснюється в устано- турою 230 "С і стікати в реактор З (потоком М3), а вці, блок-схема якої зображена на кресленні По- надалі відповідно більш легкі фракції, потік М3З і передньо тверді побутові органічні відходи розді- важкі компоненти (потік М4), процес циркуляції на ляють на два потоки: потік (В) сухих відходів 1, в кожному із контурів буде продовжуватися доти, який входять високомолекулярні термопластичні поки діоксин і важкі вуглеводні не розкладуться на полімери і потік (ВВ) вологих 2, в який входять більш легкі компоненти з відповідно меншою ток- харчові відходи та інше.
Утилізацію проводять на сичністю.
Після 4-го контуру 12 одержуємо ПГС двох взаємопов'язаних лініях, на першій лінії про- легких фракцій (потік МЛ) з температурою конден- водять багатоконтурний циркуляційний піроліз сації нижче 130 "С і молекулярною масою не бі- сухих відходів у герметичному реакторі З без дос- льше 150, що забезпечить повний розклад не тіль- тупу повітря при діапазоні температур 1000- ки важких фракцій вуглеводнів, а і всіх діоксинів, 1100 С.
При цьому органічні відходи розклада- які утворилися як при піролізі, так і при газифікації ються з утворенням летких компонентів парогазо- твердих побутових відходів.
Далі легкі фракції вуг- вої суміші (ПГС) 4 важких фракцій і вуглецевого леводнів (МЛ), без будь-яких домішок діоксинів залишку (пірокарбону) (С) 5. А на другій лінії вологі подають на вихідний конденсатор 13 з температу- відходи подають в газогенератор двозонний (ГГ- рою охолодження до 35 "С, що забезпечує кон- 23) 6 для газифікації при недостачі кисню.
В про- денсацію і розділення всіх легких рідких фракцій - цесі газифікації в газогенераторі 6 утворюється дизельне пальне (ДП) 14 і синтез - газу (СГ) 15, які зола (3) 7 і гарячий генераторний газ (ГГ) 8 з тем- безпосередньо надходять до своїх споживачів. пературою 600 "С, який подають на лінію БЦІ і Таким чином, запропонований спосіб екопіро- змішують з ПГС 4, а гарячий пірокарбон (С) 5 з генезису дозволяє в екологічно безпечному і енер- температурою 1000 "С з лінії БЦП змішують з во- гозберігаючому режимі повністю утилізувати весь логими відходами 2 і подають на газогенератор 6 об'єм органічної частини твердих побутових відхо- для подальшої газифікації.
Добавка гарячого піро- дів за рахунок оптимізації температурних режимів карбону 5, який має характеристики коксу, до во- багатоконтурного циркуляційного піролізу і об'єд- логих відходів 2 забезпечує збільшення енергети- нання процесу піролізу без доступу кисню і проце- ки відходів як сировини для газифікації і відповідно су газифікації з обмеженим доступом кисню, при стабільне її горіння при недостачі кисню в процесі цьому в процес газифікації залучається гарячий газифікації, що зменшує вірогідність утворення вуглецевий залишок, а в процес піролізу залуча- діоксинів.
Суміш ПГС 4 з температурою 600- ється генераторний газ з важкими смолами і діок- 800 С, яка містить компоненти важких фракцій, синами, і на виході одержують рідке паливо легких разом з генераторним газом 8, в якому містяться фракцій, золу і змішаний горючий синтез-газ без важкі смоли і частково діоксини, (потік М) надхо- діоксинів, які в подальшому використовуються дить до першого контуру охолодження 9 з темпе- споживачами в екологічно безпечному режимі. ратурою 450 "С.
При цьому діоксини і важкі вугле-