СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2000 года по МПК C10L5/44 C10L5/46 

Изобретение относится к производству твердого топлива в виде целевых продуктов (брикетов, гранулятов) на основе использования осадков городских сточных вод и может быть использовано в качестве заменителя природного твердого топлива, например угля, в энергетике.

Известно техническое решение по использованию осадков сточных вод (ОСВ) в качестве удобрения [см., например, Гумен С.Г. Обработка и утилизация осадков городских сточных вод//Водоснабжение и санитарная техника.- 1995.- N 4.- С. 6-8; Нефедов Ю.И. Обработка осадка городских сточных вод в России//Водоснабжение и санитарная техника.- 1996.- N 1.- С. 9]. Однако такое техническое решение не может использоваться на большинстве очистных сооружений из-за смешения на них хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Поскольку в осадках таких сточных вод содержатся тяжелые металлы в количествах, в несколько раз превышающих ПДК для почвы, это делает невозможным использование ОСВ в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Поэтому в настоящее время ОСВ большинства очистных сооружений в основном складируются на свалках или вывозятся на полигоны захоронения. Вследствие этого, например, на территории Российской Федерации скопилось несколько десятков миллионов тонн ОСВ городских очистных сооружений, являющихся потенциальными источниками загрязнения биосферы.

Известно техническое решение по использованию ОСВ в качестве топлива. Такое техническое решение обусловлено содержанием в осадках сточных вод большого количества органических веществ (до 80-85%), что делает возможным использование ОСВ как компонента топливных составов. Рецептуры и способы использования ОСВ и качестве топливных материалов приведены, например, в патенте N 2248848 (Великобритания, кл. C 10 L 5/46) от 22.04.92 г. (Изобретения стран мира. - 1993, N 9.- С.19); патенте N 4111442 (Германия, кл. C 10 L 5/40, 9/00) от 02.07.92 г. (Изобретения стран мира.- 1993, N 10.- С. 3); патенте N 5125931 (США, кл. C 10 L 5/14, 5/46) от 30.06.92 г. (Изобретения стран мира. - 1994, N 1.- С.26). Перспективность выбранного направления утилизации осадков обусловлена тем, что при сжигании ОСВ в образующейся золе металлы находятся в виде невыщелачиваемых форм [см., например, Комплексная оценка технологий утилизации осадков сточных вод гальванических производств//С. С.Тимофеева, А.Н.Баранов, А.Э.Балаян, Л.Д.Зубарева.- Химия и технология воды. - 1991.- Т. 13, N 1.- С. 68-71], что полностью отвечает экологическим требованиям.

Прототипом предлагаемого изобретения является патент N 5125931 (США) от 30.06.92 г. , согласно которому для получения топливного брикета смешивают уголь с твердыми осадками городских сточных вод в соотношении 0,5-2 части угля на 1 часть твердого осадка сточных вод (в пересчете на сухую массу) и полученную массу прессуют в брикеты при влажности 8-13% под давлением 70-351,5 кг/см².

Однако описанный способ имеет существенные недостатки и не нашел широкого применения, поскольку, во-первых, согласно патенту N 5125931 (США) при производстве топливных брикетов используется уголь, относящийся к невозобновляемым природным ресурсам. Во-вторых, использующийся уголь требует транспортировки и предварительной подготовки. В-третьих, для получения твердого осадка в процессе механического обезвоживания ОСВ используются дорогостоящие флокулянты. Все вышеперечисленное влечет за собой значительные финансовые затраты на производство топлив, приводит к росту себестоимости изготавливаемых топливных материалов и делает его неконкурентоспособным.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание эффективного твердого топлива с высокими энергетическими и потребительскими свойствами, не требующего для производства невозобновляемых природных ресурсов, а также дорогостоящих дефицитных материалов - флокулянтов.

Поставленная цель достигается тем, что в ОСВ перед их обезвоживанием вводятся целлюлозосодержащие материалы в количестве 10-75% на сухую массу топлива, которые перетираются с ОСВ до гомогенной массы с образованием волокон целлюлозы двух видов: длинных - с размерами волокна 0,1-1,0 мм и коротких - с размерами волокна менее 0,05 мм, затем полученная смесь механически обезвоживается, сушится при температуре не ниже 80^oC, прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением.

Положительный эффект предлагаемого способа получения твердого топлива на основе ОСВ достигается за счет использования измельченных до определенных размеров целлюлозосодержащих материалов (растительного, древесного происхождения и/или производственных отходов деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности).

При совместном перетире целлюлозосодержащих материалов с ОСВ образуются целлюлозные волокна двух видов: длиной 0,1-1,0 мм и длиной менее 0,05 мм. Волокна длиной 0,1-1,0 мм выступают как вспомогательный фильтрующий материал, который улучшает структурно-механические показатели ОСВ, в частности повышает их пористость (т.е. соотношение объема пор и осадка), и увеличивает показатель сжимаемости осадка.

В результате на механическое обезвоживание поступает несжимаемый высокопористый осадок, который не заиливает поверхности фильтрующего материала.

В процессе получения целлюлозных волокон длиной менее 0,05 мм происходит механодеструкция целлюлозы, приводящая к формированию специфических поверхностных свойств волокон, что объясняется физико-химической теорией размола полимерных волокнистых материалов [см., например, Барамбойм Н.К. Механодеструкция высокомолекулярных соединений.- М.: Химия, 1978. - 84 с.]. В результате процесса механодеструкции осуществляется разрушение внутримолекулярных и межмолекулярных связей и образование на поверхности каждого волокна поверхностного слоя активных макрорадикалов, которые сорбируют на поверхности частицы осадка.

Одновременно вследствие механического воздействия на целлюлозосодержащий материал происходит частичное растворение целлюлозы в дисперсионной среде осадка и взаимодействие растворенных макромолекул с поверхностью дисперсной фазы, приводящее к образованию крупных и прочных агрегатов. В результате агрегирования мелкодисперсных частиц удельная поверхность осадка уменьшается, соответственно снижается удельное сопротивление осадка фильтрации и улучшаются его фильтрационные характеристики.

Процесс перетира целлюлозосодержащих материалов с ОСВ позволяет заменить процесс предварительной обработки осадка дорогостоящими флокулянтами перед его механическим обезвоживанием. Одновременно введение целлюлозы в состав топливной смеси обеспечивает повышение технических характеристик топливных элементов.

Топливная смесь после обезвоживания сушится в целях обеззараживания осадка при температуре не ниже 80^oC до влажности 8-13%, а затем прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением.

Предлагаемый способ позволяет получать на основе осадков городских сточных вод твердые топлива, обладающие теплотехническими характеристиками представленными в таблице. Как видно из таблицы, топливные материалы имеют зольность, соизмеримую с зольностью торфяных брикетов, по теплоте сгорания превосходят торфяные брикеты, а по остальным теплотехническим характеристикам находятся на уровне торфяных брикетов.

Из вышеперечисленного следует, что предлагаемый способ получения твердого топлива на основе ОСВ имеет практическую полезность, которая заключается в следующем:
- замена невозобновляемых угольных ресурсов на отходы целлюлозосодержащих материалов;
- совместная утилизация ОСВ и отходов целлюлозосодержащих материалов;
- снижение зольности производимых топливных материалов за счет использования целлюлозосодержащих материалов;
- отказ при обезвоживании ОСВ от использования дорогостоящих флокулянтов;
- совмещение процесса сушки и обеззараживания топливной смеси;
- снижение затрат на производство топливных материалов;
- уменьшение загрязнения окружающей среды, уменьшение площадей, отводимых под свалки и полигоны захоронения целлюлозосодержащих отходов и ОСВ городских очистных сооружений.

Таким образом, изобретение позволяет получить высококачественное твердое топливо с относительно малой зольностью и низкой себестоимостью изготовления, отказаться от использования дорогостоящих флокулянтов и одновременно решить важную и актуальную проблему утилизации осадков городских сточных вод и отходов целлюлозосодержащих материалов.

Описывается способ получения твердого топлива на основе осадков городских сточных вод (ОСВ) и целлюлозосодержащих материалов (растительных, древесных, а также производственных отходов деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности), которые вводятся в осадок перед его механическим обезвоживанием в количестве 10-75% на сухую массу топлива и перетираются с ОСВ до получения гомогенной массы с образованием волокон целлюлозы двух видов: длинных - с размерами волокна 0,1 - 1,0 мм и коротких - с размерами волокна менее 0,05 мм. Полученная смесь поступает на механическое обезвоживание, сушку при температуре не ниже 80^oC и прессование в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением. Способ позволяет получить высококачественное твердое топливо с относительно малой зольностью и низкой себестоимостью изготовления, отказаться от использования дорогостоящих флокулянтов и одновременно решить важную и актуальную проблему утилизации осадков городских сточных вод и отходов целлюлозосодержащих материалов. 1 табл.

Способ получения твердого топлива на основе осадков городских сточных вод, отличающийся тем, что в осадки сточных вод перед их обезвоживанием вводятся целлюлозосодержащие материалы в количестве 10 - 75% на сухую массу топлива, полученная смесь перетирается до гомогенной массы с образованием волокон целлюлозы двух видов: длинных - с размерами волокна 0,1 - 1,0 мм и коротких - с размерами волокна менее 0,05 мм, а гомогенная масса механически обезвоживается, сушится при температуре не ниже 80^oC и прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением.