СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК F23G5/27 

Изобретение относится к методам переработки твердых бытовых отходов, содержащих бумагу, дерево, резину, текстиль, пластмассы и другие горючие компоненты, путем пиролиза и газификации горючих составляющих мусора и получения продуктов пиролиза и горючего газа.

Вторичная переработка твердых бытовых отходов (ТБО) это актуальная проблема, поскольку количество накапливаемых отходов постоянно растет, а экономически и экологически приемлемых методов их уничтожения/переработки не существует. Большую часть ТБО вывозят на свалки без переработки, где их захоранивают, перекладывая таким образом экологические проблемы на грядущие поколения. Существующие мусоросжигающие заводы перерабатывают лишь небольшую часть от накапливемых ежегодно ТБО. Эти заводы обычно капиталоемки и имеют сложные и дорогостоящие системы очистки дымовых газов, необходимые для того, чтобы вписать мусоросжигающие заводы в действующие экологические стандарты.

Известен ряд методов переработки ТБО в режиме горения. Наиболее распространенным в настоящее время является способ прямого сжигания ТБО в печах на колосниковых решетках специальной конструкции в потоке воздуха. Этот метод приводит к образованию воздушных загрязнений, которые можно предотвратить лишь путем сложной и дорогой вторичной очистки дымовых газов. Более перспективными представляются методы, основанные на предварительной газификации ТБО с получением топливного газа, который много легче очистить, чем дымовые газы, хотя бы вследствие многократно меньшего объема первого.

Известен ряд методов, основанных на последовательной слоевой газификации твердых органических топлив в противотоке газа-окислителя в печах шахтного типа. Применительно к переработке горючего сланца известна схема (см. Патенты US-A-2 796390 (Elliott) и US-A-2 798032 (Martin et al.)).

Общая схема газификации твердых органических топлив в противотоке газифицирующего агента может быть представлена в следующем виде.

Газифицирующий агент, содержащий кислород и возможно воду и/или углекислый газ, поступает в зону горения, в которой кислород взаимодействует с углеродом твердого топлива в виде кокса или полукокса при температурах около 900 1500^oC. Газифицирующий агент подается в реактор противотоком к топливу таким образом, что газ-окислитель по крайней мере частично предварительно пропускается через слой горячих твердых продуктов горения, в которых углерод уже отсутствует. В этой зоне происходит охлаждение твердых продуктов горения и соответственно нагрев газифицирующего агента перед его поступлением в зону горения. В зоне горения свободный кислород газифицирующего агента полностью расходуется и горячие газообразные продукты горения, включающие диоксид углерода и пары воды, поступают в следующий слой твердого топлива, называемый зоной восстановления, в которой диоксид углерода и водяной пар вступают в химические реакции с углеродом топлива, образуя горючие газы. Тепловая энергия раскаленных в зоне горения газов частично расходуется в этих реакциях восстановления. Температура газового потока снижается по мере того, как газ протекает сквозь твердое топливо и передает последнему свое тепло. Нагретое в отсутствие кислорода топливо подвергается пиролизу. В результате пиролиза получаются кокс, смолы пиролиза и горючие газы. Продукт газ пропускается через свежезагруженное топливо с тем, чтобы газ остыл, а топливо подогрелось и просохло. Наконец, продукт газ, содержащий пары углеводородов, водяной пар, а также смолы, выводится для последующего использования.

ТБО входят в класс твердых пиролизуемых высокозольных топлив, которые можно перерабатывать путем противоточной газификации. Обычно ТБО содержат значительное количество горючих веществ: бумаги, дерева, резины, пластмасс, органических веществ, содержащихся в пищевых отходах и т. п. которые могут при переработке давать горючий газ. Твердые остатки, выводимые из зоны горения обычно оказываются экологически приемлемыми.

Наиболее близкий к заявляемому является метод газификации (см. патент US-A-4 732091 (Gould)). Согласно этому методу твердое топливо (включая и ТБО) загружают в верхнюю часть вертикальной шахтной печи. ТБО направляют с управляемой скоростью через последовательность камер, разделенных горизонтальными подвижными решетками, в которых топливо пиролизуется и сгорает в противотоке паровоздушного газифицирующего агента. Этот метод дает способ для разрыхления мусора в процессе переработки и, таким образом, для обеспечения его газопроницаемости. Дает он и способ управления поступлением ТБО в соответствующие зоны. Основной недостаток метода наличие в нем движущихся решеток. В высокотемпературных зонах движущиеся решетки неизбежно будут быстро изнашиваться. Кроме того, частицы пыли и смол будут отлагаться на движущихся конструкциях реактора, нарушая его работу. Продукт газ выводится из реактора в верхней части последнего при температуре 430 450^oC, а температура горения составляет 870 930^oC.

Общая для известных методов газификация ТБО проблема их низкая энергетическая эффективность. Эти методы становятся особенно неэффективными при переработке мусора с непостоянным составом. Другая общая проблема это высокая температура получаемого газа. Это делает его непосредственную очистку затруднительной, хотя, как правило, он содержит кислые компоненты (сероводород, хлористый водород, фтористый водород), которые надлежит удалить до направления газа на сжигание. Кроме того, при температуре выше 300^oC смолы, присутствующие в газе, полимеризуются и образуют отложения на стенках газоводов.

Целью изобретения является обеспечение эффективной переработки ТБО, в том числе низкокалорийных, без использования дополнительных источников энергии и с получением экологически приемлемых (после соответствующей очистки) продуктов.

Для достижения поставленной цели предлагается способ газификации твердых бытовых отходов, содержащих твердую органическую часть 10 90 мас. воду 10 70 мас. и твердую негорючую часть 10 80 мас.

Предлагаемый метод включает следующие основные этапы.

Частично горючие ТБО загружают в реактор, например печь шахтного типа, для проведения в нем последовательно сушки ТБО и затем пиролиза/газификации горючих составляющих ТБО. Кислородсодержащий газ-окислитель, например воздух, подается в реактор через ту его часть, где накапливается твердый остаток переработки, так, чтобы в существенной мере направить газовый поток противотоком через загрузку ТБО последовательно через ряд зон, как описано ниже. Сначала через зону сушки, где температура ТБО повышается до 200^oC за счет теплообмена с потоком продукт-газа; в этой зоне ТБО высушивается, а газовый поток охлаждается перед выводом последнего из реактора. Газообразные продукты сушки, пиролиза и газификации выводят из этой зоны как продукт-газ. Затем загрузка поступает в зону пиролиза и коксования, где за счет теплообмена с газовым потоком температура постепенно возрастает с 200 до 800^oC и горючие составляющие ТБО пиролизуются, давая в конце концов кокс. Затем загрузка, содержащая этот кокс, поступает в зону горения и газификации, где температура загрузки составляет 700 1400^oC. Здесь кокс реагирует с горячим газом-окислителем, давая топливный газ. Твердый остаток горения поступает в зону охлаждения, где он охлаждается противотоком газифицирующего агента от температуры горения до температуры разгрузки. Встречный поток газа-окислителя, в свою очередь, нагревается до температуры, близкой к температуре горения, прежде, чем он поступает в зону горения. Вышеприведенная классификация зон отчасти произвольна. Эти зоны можно было бы определить и иначе, например по температуре газов, составу реагентов и т. п. При любой классификации зон существенным является то, что за счет противотока газа и твердой загрузки происходит предварительный нагрев газа-окислителя (газифицирующего агента) на твердом остатке горения, а в дальнейшем горячие газообразные продукты горения передают свое тепло исходной загрузке.

Следует также отметить, что упомянутый противоток вовсе не обязательно подразумевает пространственное перемещение мусора. В частности, процесс может быть реализован как непрерывный путем непрерывной или порционной загрузки ТБО в реактор и выгрузки из него твердого остатка по мере того, как ТБО расходуются в процессе. В этом частном случае ТБО действительно перемещаются противотоком к газовому потоку. Однако тот же процесс можно осуществить как процесс в неподвижном слое, где реактор загружается и разгружается после его остановки. В этом случае упомянутая последовательность зон движется по загрузке и мусор попадает в соответствующую зону по мере того, как эта зона приходит в определенное сечение реактора.

Максимальную температуру в зоне горения (она же максимальная температура в реакторе) поддерживают в пределах 700 1400^oC (предпочтительно 1000 - 1200^oC) и при этом температуру продукт-газа на выходе из реактора поддерживают ниже 400^oC (предпочтительно ниже 250^oC).

Температурный режим процесса регулируют путем управления по крайней мере одним из следующих параметров: массовой доли кислорода в газифицирующем агенте "a", массовой доли негорючего материала в ТБО "b" и массовой доли горючего материала в ТБО "c", поддерживая при этом отношение A ab/c в пределах 0,1 4,0. При этом предпочтительное значение "A" лежит в пределах 0,15 < A < 1,0. Для обычных средних составов городского мусора оптимальными являются условия 0,2 < A < 0,5. Регулирование вышеуказанных температур может также включать и регулирование расхода газа-окислителя (преимущественно в пределах 200 5000 кг/ч на квадратный метр проходного сечения реактора в зоне горения и газификации) и доли горючих составляющих в ТБО (преимущественно в пределах 20 60).

При этом отношение "A" увеличивают и/или расход газа-окислителя уменьшают, если температура продукт-газа превышает предписанные пределы; упомянутое отношение A уменьшают и/или расход газа-окислителя уменьшают, если максимальная температура в зоне горения и газификации превышает предписанные пределы; упомянутое отношение А увеличивают и/или расход газифицирующего агента увеличивают и/или массовую долю горючего в ТБО увеличивают, если максимальная температура в зоне горения и газификации падает ниже предписанных пределов.

Регулирование отношения "А" может, в частности, осуществляться за счет введения в ТБО дополнительно кусков твердого негорючего материала или изделий из подобного материала, предпочтительно с максимальными линейными размерами кусков до 250 мм (или кускового твердого топлива) в количестве до 30 от массы исходных ТБО. Последняя возможность относится к крайнему случаю переработки влажных отходов с очень малым содержанием горючих составляющих. В частности, можно переработать твердый остаток горения и использовать его часть для регулирования состава ТБО. ТБО могут также предварительно готовиться путем фракционирования и измельчения с тем, чтобы сделать их более однородными по размерам. Подготовка производится таким образом, чтобы куски ТБО по линейным размерам не превышали 350 мм. Хотя эта операция не обязательна, она может существенно улучшить газопроницаемость загрузки и сделать более однородными соответствующие зоны.

Отношение "А" можно также регулировать за счет изменения состава газифицирующего агента, например обогащая или обедняя его кислородом, вводя в газифицирующий агент воду (жидкую или пар), двуокись углерода и т. д. В частности, могут использоваться двуокись углерода и вода, извлеченные из продукт-газа (например, углекислый газ, получаемый как побочный продукт при аминной очистке газа, и вода, сконденсированная из газа). Для того, чтобы использовать и обезвредить воду, загрязненную органическими соединениями, полученную в ходе процесса, ее можно вводить в зону горения и газификации и/или зону охлаждения золы в области, где температура высока (температура твердых продуктов выше 400^oC) и преобладает окислительная атмосфера, что позволяет окислить органические примеси, присутствующие в воде. Подобный способ подачи воды также обеспечивает дополнительный путь аварийного управления максимальной температурой в случае, когда температура выходит за предписанные пределы.

Для очистки продукт-газа от серы и иных кислотных компонентов, например хлора, фтора, в состав ТБО вводят реагент, например известняк или доломит, химически связывающий кислые компоненты в соединения, выводимые из реактора в составе твердого остатка горения.

Вышеупомянутые отношение "А" являет собой основной параметр для осуществления процесса в оптимальном режиме.

Действительно, оптимально протекающий процесс должен (по возможности одновременно) удовлетворять следующим критериям:
а) высокий энергетический КПД;
б) высокая производительность;
в) высокая калорийность газа;
г) низкая температура продукт-газа;
д) низкая температура твердого остатка.

Легко видеть, что критерии (а) и (в д) взаимно согласованы. Действительно, высокий энергетический КПД означает, что соответственно значительна передача теплосодержания от исходного топлива к продукт-газу и мала тепловая энергия выводимых продуктов. Кроме того, низкая температура продуктов упрощает обращение с ними, в то же время критерии (а в) одновременно удовлетворяются, когда температура переработки высока, и, значит, скорости химических реакций в зоне горения высоки, а химические равновесия сдвинуты в сторону образования горючих газов (что обычно достигается при температуре выше 1000^oC, при этом максимальная температура ограничена возможным плавлением конструкций реактора и/или твердых продуктов в реакторе).

Таким образом, задача в основном сводится к тому, чтобы совместить высокую температуру горения с низкими температурами продуктов. Сама по себе противоточная схема процесса дает частичный ответ на этот вопрос, поскольку она обеспечивает теплообмен продуктов, давая им избавиться от существенной части тепловой энергии до того, как они покидают реактор. Тем не менее, поставленная задача на существующем уровне техники не решена. Все дело в том, что регулирование заявленных параметров, а именно массовой доли кислорода в газе-окислителе, и массовых долей горючих и негорючих составляющих в ТБО, если эти параметры регулируются по одному, а не координированно, не приводит к оптимальному (в соответствии с вышеуказанными критериями) режиму процесса.

На фиг. 1 представлена зависимость температуры горения от состава модельного мусора (состоящего из угля и кусков огнеупорного кирпича), перерабатываемого в процессе с неподвижным слоем. Точки представляют экспериментальные значения, а линии результаты расчета температуры горения (I), температуры газа на выходе из реактора (II) и температуры твердых продуктов (III) для достаточно длинного и теплоизолированного реактора непрерывного действия. Легко видеть, что зависимость температуры горения от состава топлива носит экстремальный характер, максимум достигается при определенном содержании горючего. Легко понять, почему вышеперечисленные параметры комбинируются в отношении "А" как в значимую величину. В самом деле, отношение "а/с" прежде всего представляет собой обратное отношение расходов ТБО и газифицирующего агента, которые связаны стехиометрическим коэффициентом расходов топлива и кислорода, а стехиометрическое соотношение не может существенно изменяться. В то же время массовая доля негорючих в ТБО определяет эффективность теплообмена между газифицирующим агентом, подаваемым в зону охлаждения, и твердым остатком.

Таким образом, только согласованное регулирование трех составляющих "А" параметров может обеспечить оптимальный режим процесса.

Влияние абсолютного значения расхода газифицирующего агента более очевидно: чем больше расход, тем выше максимальная температура горения. На то есть две причины: во-первых, дело в относительной роли теплопотерь в тепловом балансе реактора (топлопотери становятся относительно меньше при большей производительности). Вторая причина заключается в кинетических ограничениях на эндотермические реакции в зоне горения. В то же время больший расход газа-окислителя вызывает (при фиксировании прочих параметров) более высокую температуру продукт-газа, поскольку больший расход газа делает менее эффективным теплообмен между продукт-газом и загрузкой.

Массовая доля горючего в ТБО, которая является косвенным показателем калорийности мусора, должна приниматься во внимание и возможно регулироваться в крайнем случае чрезмерно влажного и низкокалорийного мусора. Она может быть увеличена путем дополнительного введения твердого топлива (в той мере, в какой это не противоречит регулированию через "А") или же, в ином случае, путем предварительной сушки мусора.

На фиг. 2 схематично представлено одно из возможных воплощений процесса. ТБО (F) измельчают в дробилке 1, затем в смесителе 2 смешивают с твердым негорючим материалом (S) и затем загружают в реактор шахтного типа 4 через шлюзовую камеру 3. ТБО проходят последовательно через зоны сушки 5, пиролизы 6, горения 7 и охлаждения 8. Твердый остаток горения (R) непрерывно выгружают через шлюз 9 со скоростью, регулируемой таким образом, чтобы обеспечить положение зоны горения на определенной высоте от дна реактора. Упомянутый твердый остаток фракционируют на грохоте 10 и часть его возвращают в качестве дополнительного твердого материала, а остальной направляют на захоронение. Воздух (А) подается компрессором 11 в нижнюю часть реактора. Продукт-газ (G) отбирают в верхней части реактора и направляют в конденсатор 12. Вода (W), сконденсированная из продукт-газа, рециркулируется в зону охлаждения для дожигания органических загрязнителей. Продукт-газ направляют для дальнейшего использования, которое может включать дальнейшую очистку и сжигание его для нагрева, например, парового котла. Температура в соответствующих зонах непрерывно измеряют и, когда температуры выходят за предписанные оптимальные пределы, производят постройку управляющих параметров.

Изобретение, в отличие от известных методов, предлагает эффективный способ газификации ТБО с высоким выходом горючего газа и высокой энергетической эффективностью. Низкая температура продукт-газа упрощает его последующую очистку и предотвращает полимеризацию ненасыщенных смол пиролиза в трубопроводах. В то же время высокая температура горения гарантирует высокую калорийность неконденсируемого газа и высокую производительность процесса.

Пример. Для моделирования процесса переработки твердых бытовых отходов была использована экспериментальная установка с неподвижным слоем. Основной узел установи реактор с огнеупорной футеровкой длиной 1600 мм и внутренним диаметром 250 мм. В ходе опыта непрерывно контролировали температуры и давления по зонам. В нижнем фланце реактора находится патрубок, через который паровоздушную смесь подают в реактор. Через отверстие в верхнем фланце продукт-газ поступает в конденсатор, где происходит охлаждение газа и конденсация паров воды и жидких углеводородов. Конденсируемые газообразные продукты смешиваются с воздухом и сжигаются в дожигателе.

В качестве модели бытовых отходов использовали смесь, содержащую, мас.

Пищевые отходы (картофель) 35
Картон, бумага 30
Дерево 2
Текстиль 5
Металл 3
Резина и пластик 6
Стекло 7
Камни и песок 12
Смесь дополнительно увлажняли до влажности 40 также в нее вводили куски огнеупорного кирпича размером 3 7 см в количестве 50 мас. В процессе переработки температура в зоне горения составила 1370^oC, температура продукт-газа на выходе из реактора не превышала 200^oC, температура золы в зоне охлаждения составила 250^oC. Весовые измерения показали, что зольный остаток (без учета кирпича) составил 28 от первоначальной массы ТБО. Условленный конденсат состоял преимущественно из воды, малое количество (менее 3) составили жидкие углеводороды в виде масла темного цвета. Неконденсируемый горючий газ устойчиво сгорал в дожигателе без видимых следов дыма или копоти.

Использование: при переработке твердых бытовых отходов путем газификации. Сущность изобретения: твердые бытовые отходы (ТБО), содержащие горючие компоненты, загружают в вертикальную шахтную печь (реактор), в которую противотоком к ТБО подают газифицирующий агент, содержащий кислород. В реакторе организуют режим пиролиза ТБО с последующим сжиганием/газификацией углеродистых остатков пиролиза. Проводят оптимизацию режима переработки ТБО путем регулирования расхода газифицирующего агента и соотношения содержания в ТБО негорючих и горючих составляющих и содержания кислорода в газифицирующем агенте, а также возможно и путем введения твердого негорючего материала или твердого топлива в состав перерабатываемых ТБО. При этом температуру горения поддерживают в пределах 700 - 1400^oC и одновременно температуру газов на выходе из реактора - ниже 400^oC. Неконденсируемые газы, имеющие высокую теплотворную способность, могут быть использованы как топливо. 14 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ переработки твердых бытовых отходов путем загрузки последних в реактор, подачи в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, со стороны реактора, где происходит накопление твердых продуктов переработки, вывод твердых продуктов переработки из реактора, а также вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза и горения в виде продукт-газа так, что газификация проводится посредством последовательного пребывания отходов в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения, отличающийся тем, что максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах 700 1400^oC путем регулирования по меньшей мере одного параметра, выбираемого из следующих: массовой доли a кислорода в газифицирующем агенте, массовой доли b негорючего материала в отходах и массовой доли c горючего материала в отходах, поддерживая при этом отношение А ab/с в пределах 0,1 4,0. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах 1000 -1200^oС. 3. Способ по п. 2, отличающихся тем, что отношение А поддерживают в пределах 0,15 < А < 1,0. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отношение A поддерживают в пределах 0,2 < А < 0,5. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что температуру продукт-газа поддерживают ниже 400^oС. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что температуру продукт-газа поддерживают ниже 250^oС. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что для изменения величины А и/или массовой доли горючего материала в отходах дополнительно вводят в отходы куски твердых негорючих и неплавящихся материалов и/или изделия из них в количестве до 200% от массы исходных отходов и/или вводят твердое кусковое топливо в количестве до 30% от массы исходных отходов. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в состав газифицирующего агента водят воду и/или диоксид углерода. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в реактор вводят воду путем подачи ее в зону горения и/или зону охлаждения в области, где температура твердых материалов превышает 400^oC. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что для очистки продукт-газа от соединений серы, хлора, фтора в состав отходов вводят компоненты, например известняк, которые химически связывают эти соединения в продукты, которые выводятся из реактора в составе твердых продуктов переработки отходов. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что регулирование состава отходов производится путем предварительного перед загрузкой в реактор смешения исходных отходов с твердым негорючим материалом и/или кусковым топливом. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что производится предварительная подготовка отходов, например сортировка, измельчение, так, что загружаемые в реактор отходы не превышают по линейным размерам 350 мм. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что процесс осуществляют периодически, для чего загрузку отходов и выгрузку твердых продуктов переработки производят после остановки реактора. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что процесс проводят непрерывно, дпя чего производят непрерывно, дпя чего производят непрерывную или порционную загрузку отходов и выгрузку твердых продуктов переработки без остановки реактора. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что производят регулирование расхода газифицирующего агента, подаваемого в реактор.