СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК F23G5/27 

Изобретение относится к термической переработке бытовых, промышленных, медицинских и других отходов для их обезвреживания и последующего использования продуктов переработки.

Одна из важных проблем современных городов - защита окружающей среды от загрязнения разнообразными отходами.

Наиболее эффективным способом уничтожения отходов является комплексный метод их термической обработки, включающий пиролиз, при котором обеспечивают переработку отходов и их обезвреживание [1].

В основу классификации способов, использующих пиролиз, положен температурный уровень процесса, который определяет степень переработки отходов и их качественный состав.

Увеличение температуры протекания процесса повышает его эффективность, т. к. с увеличением температуры скорость реакции возрастает по экспоненте, в то время как тепловые потери растут линейно.

Известны способы переработки и уничтожения отходов с твердым и жидким шлакоудалением. Высокие температуры, обеспечиваемые при жидком шлакоудалении, вызывают ускорение химических реакций, что позволяет интенсифицировать процесс по сравнению с процессами, использующими твердое шлакоудаление [2].

К недостаткам этого метода относятся: выброс в атмосферу тяжелых металлов, излишняя запыленность и токсичность выделяемых при пиролизе газов и недостаточная степень преобразования отходов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ термической переработки твердых бытовых и технических отходов, при котором отходы подвергают пиролизу с разделением в реакционном объеме на газообразную и твердую составляющие, расплавляют твердую составляющую до получения жидкого слоя с последующим удалением газообразной составляющей и парообразных элементов, испаряемых с поверхности жидкого слоя [3].

К недостаткам способа следует отнести наличие в газообразной составляющей излишков пылевидных загрязнений и вредных и токсичных соединений. К таким соединениям относятся соединения тяжелых металлов, диоксины, хлориды, фураны, а также полиароматические углеводороды (ПАУ), образующиеся при пиролизе и находящиеся в составе газообразной составляющей.

Анализ известных способов переработки и уничтожения отходов бытового и промышленного происхождения и присущих им недостатков определил техническую задачу разработки способа термической переработки отходов, который бы обеспечил высокую эффективность процесса и более высокую степень обезвреживания отходов за счет снижения содержания вредных и токсичных соединений в продуктах переработки, что и решается изобретением.

Согласно изобретению предлагается способ термической переработки отходов, при котором отходы подвергают пиролизу с разделением в реакционном объеме на газообразную и твердую составляющие, расплавляют твердую составляющую до получения жидкого слоя с последующим удалением газообразной составляющей и парообразных элементов, испаряемых с поверхности жидкого слоя, который отличается тем, что выделенную газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем и подвергают химико-термической обработке компонентами твердой составляющей, образовавшими жидкий слой.

Согласно изобретению получение жидкого слоя ведут в ванне, перекрывающей реакционный объем в горизонтальной плоскости с образованием открытой поверхности, ограниченной замкнутым объемом, выделенную газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем в зоне, ограниченной реакционным объемом, а удаление продуктов химико-термической обработки газообразной составляющей и парообразных элементов осуществляют с периферийной области замкнутого объема, удаленной от реакционного объема.

Согласно изобретению контакт газообразной составляющей с жидким слоем осуществляют по поверхности последнего внутри его объема.

Согласно изобретению также одновременно с вводом газообразной составляющей в контакт с жидким слоем дополнительно осуществляют барботаж жидкого слоя.

Способ отличается также тем, что перед вводом в контакт с жидким слоем газообразную составляющую предварительно прогревают до температуры не менее 75 % от температуры жидкого слоя. При этом из подогретой газообразной составляющей удаляют влагу.

Согласно изобретению также перед вводом в контакт с жидким слоем из газообразной составляющей удаляют твердые частицы и углерод.

Согласно изобретению также выделенную газообразную составляющую сжигают и продукты сжигания вводят в контакт с жидким слоем.

Согласно изобретению в жидкий слой вводят корректирующие добавки на минеральной основе.

Совокупность существенных признаков, характеризующих предлагаемый способ термической обработки отходов, обеспечивает при его реализации достижение нового технического результата, заключающегося в повышении эффективности переработки и обезвреживания отходов и существенным снижением уровня содержания вредных и токсичных соединений в продуктах, полученных после переработки.

Указанный результат достигается благодаря тому, что образующуюся при пиролизе газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем и подвергают химико-термической обработке компонентами твердой составляющей, образовавшими жидкий слой.

Указанный результат достигается также благодаря тому, что газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем в зоне с повышенной температурой и пограничной с реакционным объемом. При этом максимизируется эффективность химико-термической обработки.

Наличие компонентов твердой составляющей в жидком слое в расплавленном состоянии повышает их активность и максимальную степень их взаимодействия с элементами газообразной составляющей. При этом обнаружено, что химико-термические реакции в приграничной области между газообразными элементами и расплавленными компонентами твердой составляющей протекают наиболее эффективно.

Итак, максимизация процессов химико-термической обработки достигается, во-первых, благодаря вводу газообразной составляющей в зону максимально высоких температур (1400-1600^oC) и воздействию на нее в этой зоне расплавленных элементов твердой составляющей, обладающих, как было обнаружено, повышенной активностью в этой зоне. Наличие замкнутого объема над открытой поверхностью жидкого слоя за пределами реакционного объема позволяет максимально сконцентрировать продукты химико-термической обработки и испарения с поверхности жидкого слоя вне реакционного объема, минимизировав тем самым возможность его попадания в последний и вероятность загрязнения продуктами пиролиза.

Итак, изобретение обеспечивает максимальное повышение эффективности обработки за счет осуществления двойной (высокотемпературной и химической) обработки газообразной составляющей, что позволяет повысить степень удаления вредных и токсичных элементов из продуктов переработки и существенно повысить экономичность проведения процесса, поскольку указанная двойная обработка проводится без дополнительных энергетических затрат.

Изобретение поясняется чертежом.

Предлагаемый способ реализован на установке, содержащей вертикальную шахту 1, состыкованную в основании с плавильной ванной 2, перекрывающей в поперечном сечении (горизонтальной плоскости) сечение шахты, ограничивающей реакционный объем, та часть ванны 2, которая выступает в поперечном сечении за пределы шахты, ограничена сверху замкнутым объемом 3, в переферии которого выполнено газозаборное отверстие 4, соединенное через ловушку 5 с газовой магистралью 6. В верхней части шахты размещено устройство 7 для подачи в нее отходов 8. Устройство 7 своим объемом соединено, например, через циклон 9 для осаждения пыли, холодильник 10, газгольдер 1 с одной из фурм 12, тем самым формируя газовый тракт для ввода образовавшейся газообразной составляющей в контакт с жидким слоем.

Нагрев и плавление твердой составляющей, а также поддержание необходимого уровня температуры образовавшегося жидкого слоя в ванне 2 может быть осуществлено за счет подвода электроэнергии и выделения тепла в жидком слое, например, электродами 13, введенными в замкнутый объем и подсоединенными к трансформатору 14 переменного тока.

Способ может быть реализован на описанном выше устройстве следующим образом.

Загружаемые через устройство 7 отходы 8 подвергаются пиролизу в шахте 1, образующей реакционный объем 15. В процессе нагрева и пиролиза отходов интервале температур 300-900^oC идет интенсивное разделение отходов на газообразную и твердую составляющие. Последняя, опускаясь в ванну, расплавляется в ней, образуя жидкий слой. Выделенная газообразная составляющая, в состав которой входят вредные и токсичные примеси, за счет естественной и вынужденной конвекции поднимается вверх по шахте 1 и через устройство 7 направляется в образованный, например, из системы циклон-холодильник-газгольдер 9-10-11 газовый тракт для последующего ввода в контакт с жидким слоем через фурму 12, в зависимости от расположения которой в плавильной ванне можно осуществить указанный контакт либо по поверхности, либо внутри объема жидкого слоя, либо и там и там одновременно. При этом расположение фурм выполняют таким образом, чтобы газообразная составляющая была введена в плавильную ванну со стороны реакционного объема в зону, где была бы температура жидкого слоя не менее 1400^oC. Особенность этой зоны такова, что в ней компоненты твердой составляющей наиболее активно вступают в реакцию с компонентами газообразной составляющей.

Таким образом, газообразная составляющая, в которой, как правило, содержатся вредные и токсичные вещества, в том числе соединения хлора и фтора, диоксины, фураны, полиароматические углеводороды и другие, подвергается химико-термической обработке. При этом происходит их разрушение благодаря нагреву до температуры, при которой их стабильность резко понижается, и протеканию химических реакций с образованием новых нетоксичных или значительно менее токсичных веществ.

Продукты химико-термической обработки газообразной составляющей и парообразные элементы, испаряемые с поверхности жидкого слоя, могут быть удалены через ловушку 5, где осуществляется их дополнительное обезвреживание, и направлены в газовую магистраль и далее в систему пылегазочистки. Место их удаления определено условиями максимального возможного исключения контакта с газообразными элементами реакционного объема, что снижает возможность выноса необезвреженных вредных и токсичных веществ.

Ввод газообразной составляющей может быть осуществлен согласно изобретению на поверхность жидкого слоя или непосредственно внутрь его объема. При этом в первом случае достигается контакт с ним в приграничной зоне, в которую можно дополнительно вводить и другие газообразные продукты, например окислитель, с помощью которого может быть значительно повышена температура в реакционном объеме.

Протекание процессов разложения вредных и токсичных соединений осуществляется, в основном, на границе раздела введенной газообразной составляющей и жидкого слоя, состоящего из компонентов твердой составляющей, чем усиливается эффект их обезвреживания.

Ввод газообразной составляющей внутрь объема обеспечивает интенсификацию процессов ее взаимодействия с жидкой составляющей, а осуществление барботажа жидкого слоя позволяет увеличить площадь взаимодействия разделенных элементов и время их взаимного контакта, что значительно повышает эффективность разрушения вредных и токсичных соединений.

Установлено, что эффективность химико-термической обработки газообразной составляющей может быть повышена за счет предварительного удаления из нее пыли в циклоне 9, удаления влаги в холодильнике 10 и т.д.

Это обеспечивает дополнительную очистку газообразной составляющей и улучшение условий протекания химико-термических реакций.

Подогрев газообразной составляющей позволяет существенно повысить энергетические показатели эффективности технологического процесса, т.к. вводимый в жидкий слой предварительно подогретый поток газа не снижает существенно температуру жидкого слоя, что позволяет минимизировать дополнительный подвод тепла за счет подачи электроэнергии. Высокий уровень температур жидкого слоя позволяет поддерживать высокую эффективность протекания реакций химико-термической обработки газообразной составляющей.

Удаление углерода из газообразной составляющей перед вводом в контакт с жидким слоем позволяет повысить ее температуру и снизить дополнительные энергетические затраты.

Твердые частицы в виде пыли или порошка в составе газообразной составляющей при попадании в жидкий слой могут оказывать нежелательное воздействие на протекание химических реакций в нем и поэтому их выведение из газообразной составляющей перед вводом последней в контакт с жидким слоем позволяет более эффективно провести технологический процесс.

Ввод корректирующих добавок позволяет управлять характером протекания химико-термических реакций и поэтому их состав, как правило, зависит от исходного состава отходов.

Пример конкретной реализации.

На экспериментальной установке МП "Термоэкология" производительностью 180-200 кг/ч подвергались переработке твердые бытовые и технические отходы, соответствующие по морфологическому составу ТБО г.Челябинска следующему, % от общей массы:
Бумага, картон - 20,1
Пищевые отходы - 42,1
Дерево - 3,7
Текстиль - 5,9
Кожа, резина - 2,8
Кожа, резина - 2,8
Полимерные материалы - 3,8
Кости - 2,8
Металлолом - 4,7
Стекло - 6,8
Шлаки, камни - 0,9
Отсев - 6,4
В реакционном объеме шахты 1 экспериментальной установки проводилось их пиролитическое разложение на газообразную и твердую составляющие при температуре 300-800^oC. Газообразная составляющая вводилась в контакт с жидким слоем вариантами A, B и C:
по варианту A - непосредственно в объем жидкого слоя;
по варианту B - по газовому тракту через систему 9-10-11;
по варианту C - на поверхность жидкого слоя.

Ванна поддерживалась в жидком состоянии за счет пропускания через нее электрического тока силой 3-5 кА, который подводился от источника питания с помощью графитовых электродов диаметром 100 мм. Уровень перегрева над температурой плавления смеси компонентов, образующих жидкий слой, составлял 250-300^oC, что позволяло поддерживать температуру в диапазоне 1400-1500^oC.

Геометрия плавильной ванны была такова, что ее сечение в горизонтальной плоскости представляло собой трапецию с большим основанием, равным 700 мм, меньшим - 400 мм, высотой 770 мм. Глубина плавильной ванны 350 мм.

Продукты химико-термической обработки удалялись через систему пылегазоочистки, включая ловушку, выполненную в виде электропечи с кипящим слоем, пылеуловитель, выполненный в виде "мокрого" скруббера, газоходы и вентилятор.

По мере накопления массы жидкого слоя в процессе переработки отходов осуществляется его периодический выпуск через леточное отверстие 16.

Процесс переработки отходов велся в соответствии с предлагаемым способом и сравнивался с результатами, полученными при использовании известных методов. С этой целью в различных точках системы пылегазоочистки проводился отбор проб отходящих газов и их исследование на содержание вредных и токсичных веществ.

Результаты исследований показали, что содержание вредных и токсичных веществ на входе в систему пылегазоочистки за счет использования предлагаемого способа снижался по сравнению с известными, соответственно, следующим образом:
хлористый и фтористый водород в 2-3 раза;
окислы азота на 20-30 %;
оксид и диоксид углерода в 1,5-2 раза;
полиароматические углеводороды в 1,6-1,8 раза.

В процессе переработки отходов осуществлялся контроль их химического состава и анализ состава жидкого слоя. В зависимости от их изменения для стабилизации состава жидкого слоя в него вводились корректирующие добавки, в качестве которых наиболее часто использовались глинозем и известняк. С помощью известняка осуществлялся также барботаж жидкого слоя, который вспенивается за счет интенсивного газовыделения.

При осуществлении варианта A перед вводом газообразной составляющей ее дополнительно подогревали до температуры 1100-1200^oC.

Изобретение относится к термической переработке бытовых, промышленных, медицинских и других отходов для их обезвреживания и последующего использования продуктов переработки. В способе термической переработки отходов, при котором последние подвергают пиролизу с разделением в реакционном объеме на газообразную и твердую составляющие, расплавляют твердую составляющую до получения жидкого слоя с последующим удалением газообразной составляющей и парообразных элементов, испаряемых с поверхности жидкого слоя, выделенную газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем и подвергают химико-термической обработке компонентами твердой составляющей, образовавшими жидкий слой. Получение жидкого слоя ведут в ванне, перекрывающей реакционный объем в горизонтальной плоскости с образованием открытой поверхности, ограниченной замкнутым объемом, выделенную газообразную составляющую вводят в контакт с жидким объемом, а удаление продуктов химико-термической обработки газообразной составляющей и парообразных элементов осуществляют с периферийной области замкнутого объема, удаленной от реакционного объема. Контакт газообразной составляющей с жидким слоем осуществляют по его поверхности и/или внутри его, при этом осуществляют барботаж жидкого слоя. Перед вводом в контакт с жидким слоем газообразную составляющую предварительно прогревают до температуры не менее 75 % от температуры жидкого слоя. Из газообразной составляющей удаляют влагу, твердые частицы и углерод. В жидкий слой вводят добавки, преимущественно на минеральной основе. Выделенную газообразную составляющую можно сжигать, а продукты сжигания вводить в контакт с жидким слоем. 1 с. и 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ термической переработки отходов, включающий пиролиз отходов в реакционном объеме с разделением на твердую и газообразную составляющие, плавление твердой составляющей до получения жидкого слоя, удаление газообразной составляющей и введение ее в контакт с жидким слоем с последующей химико-термической обработкой компонентами твердой составляющей, образовавшими жидкий слой, отличающийся тем, что получение жидкого слоя осуществляют в ванне, перекрывающей реакционный объем в горизонтальной плоскости с образованием открытой поверхности, ограниченной замкнутым объемом, при этом газообразную составляющую вводят в контакт с жидким слоем в зоне, ограниченной реакционным объемом, а удаление продуктов химико-термической обработки газообразной составляющей и парообразных элементов, испаряемых с поверхности жидкого слоя, осуществляют с периферийной области замкнутого объема, удаленной от реакционного объема. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контакт газообразной составляющей с жидким слоем осуществляют либо по поверхности слоя, либо внутри его объема, либо одновременно как по поверхности слоя, так и внутри него. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что одновременно с вводом газообразной составляющей в контакт с жидким слоем осуществляют дополнительно барботаж жидкого слоя. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что газообразную составляющую предварительно подогревают до температуры не менее 75% от температуры жидкого слоя. 5. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что из газообразной составляющей удаляют влагу. 6. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что из газообразной составляющей удаляют твердые частицы и углерод. 7. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в жидкий слой вводят корректирующие добавки.