СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК F23G5/00 

Изобретение относится к комплексной переработке твердых бытовых и промышленных отходов с одновременным получением строительных материалов, горючих газов и жидкого металла.

Известен способ переработки твердых отходов в энергетическое топливо, заключающийся в термическом разложении отходов в процессе пиролиза. В этом способе утилизируется максимальное количество тепла от сжигания горючей составляющей отходов, однако не решается задача комплексного использования продуктов переработки отходов для энергетических и промышленных нужд. В результате переработки отходов по известному способу образуются собственные шлаковидные материалы с неконтролируемым составом, в том числе с содержанием вредных компонентов, которым необходимо захоронение [1].

Наиболее близким техническим решением является способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов при их газификации в шахтной печи. Известный способ заключается в загрузке отходов в вертикальную негерметичную шахтную печь, подачу дополнительного топлива и горячего воздуха в нижнюю часть шахтной печи, вывод из нее горючего газа и парообразных компонентов, а также шлака и жидкого металла из нижней части шахтной печи [2].

В данном способе могут использоваться твердые бытовые и промышленные отходы с теплотворной способностью 1000-1300 ккал/кг; предусмотрена подача снизу печи горячего воздуха с температурой 1000-1200^oС и дополнительного газообразного, жидкого или пылевидного топлива для подогрева перерабатываемых материалов с низким содержанием в них собственных горючих компонентов.

К недостаткам известного способа можно отнести нестабильность процесса переработки отходов по высоте ствола шахтной печи, высокие значения выноса пыли и золы и сравнительно низкую эффективность процесса в целом.

Нестабильность процесса переработки отходов в стволе печи по известному способу связана, с одной стороны, с колебаниями состава и локальной плотности шихты по высоте печи при низкой средней плотности загружаемых отходов (0,3-0,7 т/м³), а с другой стороны - с необходимостью поддержания в печи рабочей температуры выше 1800^oС, что связано с высокой температурой плавления образующихся шлаков (1550-1650^oС). При меньшей температуре в результате неравномерного оплавления негорючих компонентов отходов образуются сплавленные конгломераты шихты, дестабилизирующие процесс переработки.

Задача изобретения - создание способа комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов в широком диапазоне составов исходных компонентов твердых бытовых и промышленных отходов, в том числе при их недостаточной теплотворной способности, а также повышение надежности, экономической эффективности и экологической безопасности переработки отходов промышленным способом, позволяющим получать в значительных объемах энергетическое топливо, строительные шлаки и жидкий чугун.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающем их подготовку и загрузку в вертикальную шахтную печь, подачу топлива и горячего воздуха в нижнюю часть шахтной печи, вывод генераторного газа и парообразных компонентов в ее верхней части и вывод шлака и жидкого металла в нижней части шахтной печи, согласно изобретению переработку отходов осуществляют в герметичной шахтной печи с дополнительным введением известняка, низкосортного твердого топлива и флюсосодержащих материалов, причем отходы заранее подвергают компактированию и резке на мерные куски, которые загружают в шахтную печь послойно с указанными дополнительными компонентами с долей известняка 0,05-0,25 от массы отходов, причем в колошниковой зоне печи ниже загрузочного устройства создают избыточное давление газообразных продуктов переработки в диапазоне 1,1-1,5 ата.

Кроме того, в предложенном способе резку компактированных отходов осуществляют на мерные куски размером 50-600 мм; высоту слоя загружаемых в шахтную печь отходов выдерживают в диапазоне 0,2-1,2 м; долю низкосортного твердого топлива устанавливают в диапазоне 0,1-0,35 от массы загружаемых отходов; дополнительно в жидкий шлак вводят флюсы в количестве до 0,15 от массы шлаков; дополнительно осуществляют загрузку металлического лома в количестве до 0,15 от массы отходов и поддерживают температуру подаваемого в печь воздуха в диапазоне 1000-1500^oС при суммарном коэффициенте избытка окислителя 0,5-0,7.

Послойная загрузка шахтной печи для комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов с подачей указанного количества известняка позволяет решить важную задачу понижения температуры плавления шлаков до 1200-1300^oС и одновременно обеспечивает улавливание вредных парогазовых компонентов переработки, в том числе серы и ее соединений.

При загрузке в печь известняка в количестве менее 0,05 от массы отходов не обеспечивается снижение температуры образующегося шлака, не полностью связывается сера.

Загрузка известняка в количестве более 0,25 от массы отходов ухудшает состав шлака, в результате чего он не может быть использован для производства строительных материалов.

Избыточное давление в колошниковой зоне печи не должно быть меньше 1,1 ата для преодоления гидравлического сопротивления тракта потребителя, которое обычно не превышает 0,1-0,5 ати. Для свободного вывода генераторного газа и снижения его зольности в колошниковой зоне между загрузочным устройством и верхним слоем загруженных отходов организуется свободное пространство для парогазовой подушки, занимающее 15-20% от полной высоты печи.

Подача в шахтную печь твердого низкосортного топлива (бурый уголь, торф, кокс, сланец и др.) в количестве менее 0,1 от массы загружаемых отходов не обеспечивает гарантированное расплавление негорючих компонентов шихты в случае колебания количества негорючей составляющей в загружаемых отходах.

Доля топлива 0,35 от массы загружаемых отходов обеспечивает гарантированную переработку отходов, состоящих полностью из негорючих компонентов.

Высоту слоев, загружаемых в печь отходов, поддерживают в диапазоне 0,2-1,2 м. При толщине слоя меньше 0,2 м трудно обеспечить фракционирование крупногабаритных отходов, а при толщинах более 1,2 м не успевают проходить процессы пиролиза и расплавления за время прохождения им рабочего пространства печи.

Компактирование отходов проводят на стандартном оборудовании до средней плотности 1,0-2,5 т/м³, после чего осуществляют их резку на мерные куски размером не менее 50 мм, при которых унос твердых частиц золы невелик, и не более 600 мм - по размерам проходных сечений загрузочных устройств.

Введение флюсов в количестве более 0,15 от массы шлака горновой части печи приводит к недопустимому изменению состава шлаков, затрудняющего их полезное использование.

Подача дополнительного количества металлического лома в печь свыше 0,15 от массы загружаемых отходов нарушает стабильность работы печи, поскольку при этом не обеспечивается своевременное и полное расплавление негорючих составляющих отходов.

Температура подаваемого в нижнюю часть шахтной печи воздуха не должна быть ниже 1000^oС вследствие недостатка тепла для переработки отходов (газификации, плавки шлака и чугуна). При увеличении температуры воздуха более 1500^oС происходит снижение стойкости футеровки горна.

Суммарный коэффициент избытка окислителя в этом случае должен быть не ниже 0,5 для полной газификации углерода в СО и не должен быть более 0,7, так как в этом случае растет количество СО₂ на выходе печи.

В целом предложенный способ переработки отходов осуществляется с указанным выше последовательностью операций и режимами их проведения.

Особенностью этого способа является то, что радикально изменяется операция подготовки отходов, дополнительно осуществляется компактирование отходов до плотности 1,0-2,5 т/м³ и последующая резка их на мерные куски.

Такое изменение плотности и состава отходов с дополнительной послойной загрузкой в печь известняка, низкосортного твердого топлива и флюсов в указанных пропорциях и последовательности обеспечивает равномерный прогрев шихты, выделение генераторного газа, проплавление негорючих компонентов и разделение жидкого чугуна и шлаков.

Изменение состава отходов без нарушения стабильности работы печи возможно в весьма широких пределах вплоть до отсутствия горючих компонентов или металлической или минеральной составляющих. В этих случаях осуществляются соответствующие добавки необходимого состава.

Добавление известняка в корне изменяет схему процесса переработки твердых бытовых и промышленных отходов, обеспечивая снижение температуры плавления шлаков, связывание вредных парогазовых компонентов, в том числе сернистых соединений. Введение низкосортного твердого топлива, как указывалось, также стабилизирует процесс переработки отходов в шахтной печи. Ввод флюсов в шлак и/или в печь способствует получению шлака такого состава, из которого можно получать качественную строительную продукцию.

Создание избыточного давления газообразных продуктов переработки отходов в герметичной зоне в верхней части шахтной печи способствует поддержанию параметров температуры, давления и состава парогазовых продуктов переработки отходов по высоте печи в необходимых пределах, обеспечивающих ее стабильную работу.

Толщина слоев загружаемых в печь отходов является важным параметром, влияющим на температурный режим переработки отходов по всей высоте шахтной печи при заданной производительности.

Тепловые расчеты и экспериментальные данные подтверждают стабильность процесса в печи при указанных параметрах загрузки.

Кроме того, приведенный комплекс операций и режимов обеспечивает повышение надежности работы футеровки в горновой зоне печи и металлоконструкций в колошниковой зоне.

Повышение экологических характеристик предложенного способа переработки отходов связано с более полным удалением из уходящей парогазовой смеси соединений серы, тяжелых металлов, пыли и золы за счет коренного изменения состава загружаемых компонентов вместе с отходами, проведение пиролиза отходов и угля при недостатке кислорода, режимов их переработки и введения соответствующих фильтров очистки генераторного газа в линии потребителя.

Цикл переработки отходов согласно данному способу является замкнутым по собственным отходам.

Экономическая эффективность данного способа переработки может быть определена при конкретных технико-экономических расчетах мусороперерабатывающего предприятия заданной производительности с известными ограничениями по экологической безопасности.

Предварительные оценки показывают значительное увеличение выхода передельного чугуна и строительных шлаков, пригодных для использования в качестве высококачественных материалов при выпуске соответствующей продукции, например методом литья, а также повышение калорийности горючих газов, используемых, например, в парогазовых установках для производства электроэнергии.

Пример осуществления предложенного способа рассмотрен по структурной схеме устройства для переработки твердых бытовых и промышленных отходов, представленного на чертеже.

Устройство для переработки отходов содержит вертикальную шахтную печь 1 и участок 2 приемки, хранения, компактирования и резки отходов на мерные куски для их подачи в печь 1 послойно с твердым топливом, известняком и флюсами.

Кроме того, устройство имеет систему 3 для очистки уходящих газов из печи 1, систему 4 для использования генераторного газа, например, для выработки электроэнергии в парогазовых установках, систему 5 для нагрева воздуха и подачи его в шахтную печь 1 и участки 6,7 для выпуска чугуна и шлака.

Шахтная печь 1 для переработки отходов в верхней части снабжена соответствующими средствами для загрузки отходов, низкосортного твердого топлива, известняка, флюсов и вывода генераторного газа, а в нижней части - средствами для подвода горячего воздуха, вывода чугуна и шлака.

Верхняя часть шахтной печи 1 имеет герметичную конструкцию загрузочного устройства, обеспечивающую избыточное давление для подачи генераторного газа потребителю.

Устройство для переработки отходов по предложенному способу работает следующим образом.

На участок 2 непрерывно поступают и складируются твердые бытовые и промышленные отходы различных предприятий. Отходы затем поступают на участок для компактирования и резки на мерные куски. После подготовки отходы загружают, например, транспортером в шахтную печь 1. Послойная укладка отходов, топлива, известняка и флюсов в печь осуществляется с помощью автоматических загрузочных механизмов. Высокотемпературные регенеративные нагреватели системы 5 обеспечивают подачу горячего воздуха в нижнюю часть печи 1. Уходящий из шахтной печи генераторный газ подается через систему очистки 3 в систему 4 для использования газа потребителем и в систему 5 на собственные нужды. На участках 6 и 7 осуществляется выпуск чугуна и шлака из шахтной печи для транспортировки их потребителям.

Рассмотрим более подробно работу шахтной печи.

В горн печи 1 через фурменные устройства вдувается горячий воздух с температурой не ниже 1000^oС. Кислород дутья сжигает углерод шихты по реакции
С + 0,5 О₂ + 1,88 N₂ = СО + 1,88 N₂ + Q,
где Q - тепловой эффект реакции.

Образующиеся продукты сгорания имеют температуру выше 2000^oС и не содержат таких окислителей как О₂, СО₂, Н₂О, так как они при наличии в шихте большого количества углерода с высокой реакционной способностью вступают с ним во взаимодействие с образованием СО и Н₂. Высокая температура образующихся газов обеспечивает расплавление любых негорючих материалов шихты, а высокая восстановительная способность газов обеспечивает восстановление из окислов железа, цветных металлов, марганца и частично кремния.

Сжигание углерода и расплавление шихты приводят к образованию незаполненного пространства в горне, в которое устремляются сверху нерасплавленные шихтовые материалы. Образующиеся газы, проходя по зазорам вверх навстречу опускающейся шихте, нагревают ее, обеспечивая испарение всех летучих элементов и влаги, и выходят из печи через газоотводы с температурой 100-400^oС.

Наличие высоких температур и восстановительной газовой среды обеспечивает безусловное разложение органических веществ и предотвращение образования сложных молекул вредных примесей, таких как диоксины, фураны, окислы азота и т. п. В результате пиролиза в диапазоне температур 250-900^oС твердых бытовых отходов образуются газы Н₂, СН₄, СО, СО₂, твердый коксозольный остаток, ароматические углеводородные соединения. Вредные вещества в атмосфере пиролиза образуют N₂S, и NH₃, а тяжелые металлы, хром, медь, никель, цинк, свинец полностью переходят в твердый остаток пиролиза, ртуть переходит в газообразное состояние, кадмий при температуре больше 600^oС в основном переходит в газовую фазу.

Предлагаемый способ получения горючих газов из отходов, очистки их, дожигания в энергоблоке и воздухонагревателях обеспечивает экологическую чистоту выбрасываемых и дымовой трубы газов, удовлетворяющую существующие на сегодняшний день допустимые нормы выбросов развитых стран.

Осаждающиеся в системе при газоочистке шламы вместе с отработанными фильтрующими материалами устройств водоочистки, в системах 6,7 и участках 2-5, 8, 9 загружаются снова в печь. Сюда же загружаются и отходы от переработки шлака и металла. Таким образом, предлагаемый способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов в указанную продукцию является безотходным.

Расплавленные шлаки и металл накапливаются в горне печи 1 двумя слоями: внизу - металл, вверху - более легкий шлак. Они периодически выпускаются из печи через шлаковую и чугунную летки в шлаковый и чугуновозный ковши для потребителя.

Пример. В способе переработки твердых бытовых и промышленных отходов используется шахтная печь с заданной годовой производительностью 60 тыс.тонн перерабатываемых отходов в год.

Состав отходов, мас.%: бумага 29,85; текстиль 3-13; стекло 2,54; пищевые отходы 19,56; металл 13,92; прочие отходы (дерево, резина, кожа, пластмасса, камни и др.) 6,53.

Подготовка отходов заключается в их компактировании (прессовании) до средней плотности 1,0-2,5 т/м³ без классификации по составу минеральной и металлической составляющей и последующей резки на куски размером 300 мм на подготовительном участке, связанном со складом отходов соответствующими коммуникациями. Загрузка шихты в печь производится через специальное герметичное загрузочное устройство, состоящее из конусов с возможностью их перемещения в открытое и закрытое положение. Подготовленные отходы транспортными механизмами подаются наверх печи. Одновременно с загрузкой в печь на каждую тонну отходов, чередуя слоями по 0,6 м, осуществляют загрузку известняка и флюсов в виде кусков размером 50-100 мм в количестве 0,24 от массы отходов, низкокачественного угля 0,21 от массы отходов с размером кусков 50-60 мм и флюсовые добавки 0,02 от массы отходов в виде песка.

Состав угля: 60% углерода; 10% влаги.

Состав известняка: 97% СаСО₃; 1,5% МgСО₃.

Флюсовые добавки: 90% SiO₂.

При необходимости вводят в шлак флюсовые добавки в количестве от массы шлака в печи.

Воздух нагревают в высокотемпературных регенеративных нагревателях до 1300^oС с коэффициентом избытка окислителя 0,5 и подают в фурменную зону печи газодувкой, поддерживая в период переработки шихты давление в колошниковой зоне печи 1,3 ата.

Металл и шлак выпускаются периодически из печи по мере их накопления в горне с периодичностью несколько часов.

В расчете на одну тонну отходов из печи получают: горючий газ в количестве 1650 м³, содержащий, об.%: СО 29,5; СО₂ 3,5; N₂ 31,5; Н₂ 19; Н₂О 16,5.

После осаждения влаги в скрубберах остается 1378 м³ газа, содержащего, об. %: СО 35,33; СО₂ 4,2; Н₂ 22,75; N₂ 37,72. Калорийность такого газа составляет около 1650 ккал/м³, температура горения его в холодном воздухе 1900^oС.

Выход металла составляет 128 кг, шлака 105 кг.

Металл представляет собой практически обыкновенный передельный чугун.

Состав шлака, мас.%: SiO₂ 51,5; СаО 46,5; MgO 1,0; Al₂O₃ 0,5; S 0,5.

Изобретение относится к области комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов. Способ переработки твердых отходов включает подготовку, загрузку в шахтную печь, подачу топлива, воздуха и вывод генераторного газа, жидкого шлака и жидкого металла. Особенностью способа является то, что переработку отходов осуществляют с дополнительным введением в печь известняка, низкосортного твердого топлива и флюсов, причем отходы подвергаются заранее компактированию, резке и загружаются в печь послойно с указанными компонентами, причем в колошниковой зоне печи создают избыточное давление газа. В результате предложенной переработки отходов получают товарную продукцию в виде горючего газа, чугуна и шлака заданного состава, из которого получают качественные строительные материалы. Собственные отходы отсутствуют. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, включающий их подготовку и загрузку в вертикальную шахтную печь, подачу топлива и горячего воздуха в нижнюю часть шахтной печи, вывод генераторного газа и парообразных компонентов в ее верхней части и вывода шлака и жидкого металла в нижней части шахтной печи, отличающийся тем, что переработку отходов осуществляют в герметичной шахтной печи с дополнительным введением известняка, низкосортного твердого топлива и флюсосодержащих материалов, причем отходы заранее подвергают компактированию и резке на мерные куски, которые загружают в шахтную печь послойно с указанными дополнительными компонентами с долей известняка 0,05 0,25 от массы отходов, причем в колошниковой зоне печи ниже загрузочного устройства создают избыточное давление газообразных продуктов переработки в диапазоне 1,1 1,5 ата. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высота слоя загружаемых в шахтную печь отходов составляет 0,2 1,2 м, а доля низкосортного топлива составляет 0,1 0,35 от массы отходов. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что резку компактированных отходов осуществляют на мерные куски 50 600 мм. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в жидкий шлак дополнительно вводят флюсы в количестве до 0,15 от массы шлака в печи. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что в шахтную печь осуществляют дополнительную загрузку металлического лома в количестве до 0,15 от массы твердых отходов. 6. Способ по пп. 1 5, отличающийся тем, что температура подаваемого в шахтную печь воздуха 1000 1500^oС при суммарном коэффициенте избытка окислителя 0,5 0,7.