ПРЕВРАЩЕНИЕ ШЛАМА С БУМАЖНЫХ ФАБРИК ИЛИ ПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК F23G7/04 F23G5/04 F23G5/32 

Данное изобретение относится к превращению отходов и, более конкретно, к превращению шламов, имеющих высокое содержание органического вещества и значительную долю золы, таких как шламы с бумажных фабрик.

Целлюлозно-бумажные компании производят большие количества отработанных отходов, известных как шламы. Эти шламы обычно ликвидируют путем захоронения. Увеличивающиеся сокращения свалочного пространства и более ограничивающие предписания по охране окружающей среды приводят к тому, что данный метод ликвидации становится более дорогим и менее желательным.

Шлам с процесса получения вторичной бумаги создает еще большую проблему с ликвидацией, чем шлам со стандартных процессов изготовления бумаги. Шлам с процесса переработки макулатуры содержит значительное количество волокон и покрытий бумаги. Количество шлама, образуемого в процессе переработки макулатуры, больше, чем количество шлама, образованного из первичной целлюлозной массы. Появление широко распространенной переработки макулатуры привело к увеличению общего количества шлама.

В качестве альтернативы захоронения отходов, шлам с бумажных фабрик сжигают с применением технологии котлов с псевдоожиженным слоем. Сжигание шлама приводит к выделению его теплосодержания, к испарению влажного содержимого и к уменьшению объема отходов. Однако, вследствие большого содержания золы в шламе с бумажных фабрик, все еще остается значительное количество отбросового продукта, который необходимо удалить, например, путем захоронения. Циклонные печи используют много лет для сжигания угля, чтобы питать энергией паровые котлы. Отличие циклонных печей заключается в том, что в них образуется шлак, который имеет консистенцию стекла. Шлак из циклонных паровых котлов на основе сгорания угля используют в качестве конструкционного материала для дорог, как абразив или абразивный материал, а также в кровельных продуктах.

Хотя циклонные печи были разработаны для того, чтобы сжигать сорта угля, которые не очень подходят для сжигания в измельченном виде, их также использовали для того, чтобы сжигать топлива из твердых отходов в качестве дополнительного топлива, или для того, чтобы сжигать жидкие топлива или газы в качестве первичного, нештатного или растопочного топлива. Когда отходы, применяемые в качестве топлива, используют с углем, такие дополнительные топлива обычно имеют сравнительно низкое содержание золы и обеспечивают менее 20 процентов от подводимой теплоты и меньшее число процентов по фунтам в час для топлива, подаваемого в циклонную печь.

Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с изобретением, шлам с бумажных фабрик или другие подобные органические шламы с высоким содержанием золы превращают путем его сжигания в циклонной печи вместе с другим источником топлива, чтобы использовать теплосодержание шлама и превратить зольное содержимое шлама в требуемый шлаковый продукт. Вторым источником топлива предпочтительно является природный газ, и шлам вносит до 40 или более процентов в теплоту, подводимую в циклонную печь, и он может вносить основной вклад в число фунтов топлива в час. Для работы может потребоваться осушка шлама перед сжиганием. Доказано, что для ввода в циклонную печь приемлема сушка до содержания влаги 20% или менее. К шламу можно добавить флюс, такой как известняк, для того, чтобы обеспечить развитие желаемого стеклообразного шлака при рабочих температурах.

Шлам с бумажных фабрик обычно имеет высокое содержание золы от 20 до 50 процентов по твердому веществу. Шлам также имеет значительный органический состав, так что его теплотворная способность обычно составляет от 4,000 Б.т. е./фунт (9.303 кДж/г) до 7,500 Б.т.е./фунт (17.444 кДж/г) по твердому веществу. Хотя шламы с бумажных фабрик являются предпочтительным источником топлива, можно использовать другие шламы, имеющие подобные содержание золы и теплотворную способность, такие как шламы от сточных вод и шламы от других промышленных отходящих вод.

Теплотворная способность шлама используется с помощью парового котла или другого теплообменника, соединенного с печью. Большое количество зольного содержимого шлама будет захвачено шлаком, который при охлаждении будет иметь прочную, твердую, долговечную стеклообразную консистенцию, в результате чего с ним можно легко обращаться при использовании в качестве конструкционного материала, абразива, для кровельных продуктов и других полезных применений. Любые тяжелые металлы или другие опасные или нежелательные компоненты золы будут удержаны внутри стеклообразного шлака.

Основная цель данного изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ превращения шлама с бумажных фабрик или подобных материалов экономичным и безопасным для окружающей среды образом.

Другая цель изобретения заключается в том, чтобы разработать способ использования теплотворной способности шлама с бумажных фабрик и подобных материалов, одновременно образуя полезный продукт из зольного содержимого шлама.

Вышеуказанные и другие цели и преимущества изобретения будут приведены в последующем подробном описании. В описании делается ссылка на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематический чертеж в продольном разрезе циклонной печи для использования в способе по настоящему изобретению, и
Фиг. 2 представляет собой поперечный разрез циклонной печи, взятый в плоскости по линии 2-2 на фиг. 1.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Шлам с бумажных фабрик может широко изменяться по своему составу. Однако, обычно он характеризуется большим содержанием летучих веществ, включая значительное процентное содержание углерода, а также высокой зольностью. Кроме того, он имеет относительно высокую теплотворную способность. Приближенный, элементный и минеральный анализ трех типичных шламов с бумажных фабрик, которые были получены при процессах переработки макулатуры, приведены в табл. 1-3 (см. в конце описания).

Приведенные ниже анализы показывают содержание золы от 18 до 43% и летучего вещества от 44 до 50%. Теплотворные способности находятся в интервале от 4,031 до 7,734 Б.т.е. на фунт (от 9.375 до 17.988 кДж/г) по весу сухого вещества. Данные шламы с бумажных фабрик также показывают профили горения, указывающие на хорошие параметры воспламенения для высушенных образцов. Точки воспламенения благоприятны в сравнении с углем различного типа. Другие шламы с бумажных фабрик, имеющие очень большое содержание волокон, могут иметь всего лишь 10% зольность.

Опытные испытания по сжиганию шлама с бумажных фабрик в циклонной печи осуществляли в небольшой модели котла по Бабкоку и Вилкоксу (Babcock & Wilcox), которая работала на горении одной циклонной печи Бабкока и Вилкокса уменьшенного масштаба. Типичная циклонная печь показана на фиг. 1 патента США 5,022,32g, выданного 11 июня 1991 г. Рэкли (Rackley) и др. и переданного компании Бабкок и Вилкокс. Опытные испытания проводились на смеси шламов с бумажных фабрик с известняком, добавленным как флюс, и на шламе из одного источника без флюса. В табл. 4 перечислены результаты приближенного и элементного анализов смеси шламов с известняком, в полученном, обожженном виде и на вес сухого вещества.

Влажный шлам приводит к проблемам в работе. Предпочтительно, чтобы шлам был высушен до 20 или менее % содержания влаги перед тем, как ввести его в циклонную печь. Высушенный шлам с известняком пропускали через 3/8" (0,95 см) сито перед тем, как загружать его в подающее устройство, ведущее к циклонной печи.

Были проведены испытания с использованием теплоты, подводимой от шлама, которая составляла от примерно 10% до примерно 40% от всей теплоты, подводимой в печь. В первых испытаниях другим источником топлива служил природный газ. Циклонная печь была горячей, и шлак вытекал из спускного отверстия для него. Шлак от совместного сжигания шлама был твердым, жестким, прочным и долговечным и был подобен шлаку от сжигания угля в циклонной печи.

После успешной демонстрации совместного сжигания шлама и природного газа в малой модели котла, были проведены испытания, в которых добавляли измельченные шины для того, чтобы снизить подвод природного газа. Топливо на основе измельченных шин пропускали через 1/2" (1,27 см) сито и смешивали со шламом. Испытания проводили при примерно 10% и примерно 20% подводимой теплоты от шин, 40% от шлама, и остальной теплоте - от природного газа. Оба испытания были удовлетворительными.

Хотя в опытных испытаниях использовался шлам, который вносил меньшую, чем основную, долю в теплотворную способность, шлам превосходил природный газ по массовому потоку (то есть, по количеству фунтов топлива в час).

Хотя шлам с бумажных фабрик содержал только небольшие количества тяжелых металлов, они были захвачены в шлаке, и шлак проходил испытания на выщелачивание.

Результаты были сравнимы для шлама с бумажной фабрики как единственного источника и для композиционного шлама с известняком, добавленным как флюс.

На фиг. 1 и 2 изображена циклонная печь, приспособленная для сжигания шлама с бумажных фабрик. Циклонная печь состоит из циклонного барабана 10, который представляет собой горизонтальный цилиндр, охлаждаемый водой. Циклонный барабан 10 включает в себя вход для вторичного воздуха 11, который направлен в циклонный барабан тангенциально, как показано на фиг. 2, барабана 10 внутрь печи 15. На входе воздуха 11 в циклонный барабан 10 установлены газовые форсунки 12. Рядом с форсунками 12 расположен воспламенитель газа 13. Вдоль циклонного барабана расположены инжекторы 14. Шлам вместе с первичным воздухом поступает в циклонный барабан через инжекторы 14. Первичный и вторичный воздух вызывает завихренный поток природного газа, шлама и воздуха внутри циклонного барабана 10 и из барабана 10 внутрь печи 15. Печь 15 может быть связана с котлом любым из ряда известных способов.

На внутренней поверхности циклонного барабана 10 образуется шлак. Расплавленный шлак выходит через сливное отверстие для шлака 16 и проходит к спуску шлака 17, где расплавленный шлак удаляют и обычно резко охлаждают.

Так как единственный источник шлама с бумажной фабрики может быть неподходящим как источник дополнительного топлива для циклонной печи, подающей топливо в котел, возможно, что может потребоваться смесь шламов с бумажных фабрик. Шламы можно смешать в части процесса их барабанной сушки. Для работы циклонной печи большого масштаба оптимальный размер шлама будет от 3/8" (0,95 см) до 5/8" (1,59 см). Кроме того, для простоты работы может быть желательным агломерировать шлам в гранулы.

Известняк или другие флюсы могут не потребоваться. Потребность в флюсе зависит от вязкости шлака, образованного шламом. Стандартом измерений является температура T-250, которая является температурой, при которой шлак имеет вязкость 250 Пуаз. Если температура T-250 ниже рабочих температур в циклонной печи, то флюс не требуется.

Хотя шлак обычно быстро охлаждают путем гашения, а затем измельчают для применения, расплавленный шлак можно направлять непосредственно на операции отливки или формования для отливки их в полезные изделия, такие как кирпичи или плитки, или для формования в волокнистое вещество, такое как минеральная шерсть. Однако, даже будучи охлажденным, шлак будет иметь стеклообразную консистенцию. Если требуется захоронение отходов, шлак находится в таком состоянии, что с ним легко работать в сравнении со шламом или золой.

С использованием способа по данному изобретению можно произвести превращение шламов из сточных вод или других шламов, которые получаются после обработки промышленных сточных вод. Такие шламы имеют летучий компонент, органические компоненты, а также зольное содержимое, аналогичные таковым для шлама с бумажной фабрики. Элементный и минеральный анализы типичных шламов из сточных вод приведены в патенте США 5,057,009, выданном 15 октября 1991 г. автору настоящего изобретения.

Способность циклонных печей сжигать шлам и превращать его зольное содержимое в пригодный шлак является технологией, которая превосходит другие доступные в настоящее время методы ликвидации шламов с бумажных фабрик. Оптимальные результаты получены в обычных циклонных печах путем использования частично высушенного шлама (то есть содержащего около 20% влаги или менее). Однако, более влажные шламы можно привести в соответствие с подходящим оборудованием для подачи в печь, если генерируется теплота, достаточная для испарения влаги, и при этом поддерживаются температуры, достаточно высокие для образования шлака.

Шлам может обеспечивать более 50% теплотворной способности топлива для циклонной печи. Это особенно верно, если влагосодержание шлама, поступающего в печь, мало, или если мала зольность. Кроме того, добавление большей доли флюса снизит температуру, необходимую для образования шлака, и даст возможность повысить процентное количество теплотворной способности от шлама.

Измельченные шины можно совместно сжигать со шламом с бумажных фабрик для того, чтобы снизить потребность в природном газе. В качестве дополнительного топлива можно использовать уголь или жидкое топливо. Во всех случаях массовый расход шлама может превышать таковой для остальных топлив, подаваемых в циклонную печь.

Большая часть золы из шлама будет сплавлена в шлак, и только малая доля золы (менее 5%) будет, вероятно, захвачена в выхлопных газах. Шлак после совместного сжигания шлама является твердым, жестким, прочным и долговечным, а также подобным шлаку после сжигания угля в циклонной печи.

Способ превращения шлама бумажных фабрик или подобных органических шламов, имеющих зольность 20 - 50% по сухому веществу, включает введение шлама в циклонную печь вместе со вторым источником топлива для сжигания шлама, использование теплотворной способности шлама, превращение зольного содержимого шлама в шлак. Шлам обеспечивает 10 - 40% и более теплоты, подводимой в печь. Шлам сушат до содержания влаги, подходящего для работы, перед его введением в циклонную печь, возможно гранулирование шлама перед сжиганием. При значительном содержании органических веществ в шламе и зольности 20 - 50% по сухому веществу способ включает сжигание шлама в циклонной печи для образования твердого, прочного и долговечного стекловидного шлака и удаление расплавленного шлака из печи. Расплавленный шлак может быть сформован в стеклообразный продукт или волокно. Решаемая техническая задача: повышение экономичности превращения шлама с получением полезного продукта. 8 з.п.ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ превращения шлама бумажных фабрик или подобных органических шламов, имеющих зольность 20 - 50% по сухому веществу, характеризующийся тем, что он включает введение шлама в циклонную печь вместе со вторым источником топлива для сжигания шлама, использование теплотворной способности шлама, превращение зольного содержимого шлама в шлак. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлам обеспечивает 10 - 40% теплоты, подводимой в печь. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шлам обеспечивает более 50% теплоты, подводимой в печь. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлам сушат до содержания влаги, подходящего для работы, перед его введением в циклонную печь. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что шлам перед сжиганием сушат до содержания влаги 20% или менее. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что он содержит стадию агломерирования шлама в гранулы перед сжиганием. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что шлам имеет значительное содержание органических веществ и зольность 20 - 50% по сухому веществу, при этом способ включает сжигание шлама в циклонной печи для образования твердого, прочного и долговечного стекловидного шлака и удаление расплавленного шлака из печи. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что расплавленный шлак формуют в стеклообразный продукт. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что расплавленный шлак формуют в волокна.