СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2000 года по МПК C10L5/44 C10L5/46 C10L5/48 

Изобретение относится к области производства топливных материалов на основе осадков городских сточных вод (ОСВ) и может быть использовано в качестве заменителя природного твердого топлива, например, угля в быту, котельных коммунально-бытового назначения, на теплоэлектростанциях, в топках железнодорожных вагонов.

Известны технические решения по использованию 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 из-за смешения хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод на большинстве городских очистных сооружений в осадках содержатся тяжелые металлы в количествах, в несколько раз превышающих ПДК для почвы. Поэтому использование ОСВ в качестве удобрения в сельском хозяйстве является практически невозможным.

Известны технические решения по использованию ОСВ в качестве горючего компонента топливных композиций, что обусловлено высоким содержанием органических веществ (до 80... 85%) в составе ОСВ. Рецептуры и способы переработки ОСВ в топливные материалы приведены, например, в патенте N 4111442 (Германия, МКИ C 10 L 5/40, 9/00) от 02.07.92 г. (Изобретения стран мира - 1993, N 10 - С. 3); в патенте N 2248848 (Великобритания, МКИ C 10 L 5/46) от 22.04.92 г. (Изобретения стран мира - 1993, N 9 - С.19); в патенте N 5125931 (США, МКИ C 10 L 5/14, 5/46) от 30.06.92 г. (Изобретения стран мира - 1994, N 1 - С. 26). 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. Баранова, А.Э. Балаян, Л.Д. Зубарева / Химия и технология воды. - 1991. - Т. 13, N 1, с. 68 - 71), что обусловливает перспективность выбранного направления утилизации и 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.

Описанный способ имеет существенные недостатки и не нашел широкого применения, поскольку, во-первых, согласно патента 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 топливных материалов исходный осадок влажностью 96...99%, образующийся на очистных сооружениях, необходимо высушить до остаточной влажности 8...13%, что требует колоссальных энергозатрат на сушку. В результате изготавливаемые топливные материалы становятся дорогостоящими и неконкурентноспособными.

Снижению энергозатрат при производстве топливных материалов способствует предварительное обезвоживание осадка, в результате которого удаляется свободная влага. Существующие методы механического обезвоживания ОСВ позволяют снизить влажность осадка до 70...75 %, но они требуют использования дорогостоящих фтокулянтов. Наиболее распростравенный в России метод обезвоживания ОСВ в естественных условиях на иловых площадках позволяет достичь влажности 75...80 %. Этот процесс достаточно длителен и требует отведения больших земельных территорий под иловые площадки и полигоны захоронения осадка. Отсутствие технологии дальнейшей переработки ОСВ осложняет работу очистных сооружений и негативно сказывается на экологической обстановке.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- снижение энергозатрат при производстве топливных материалов;
- создание эффективного твердого топлива с высокими энергетическими и потребительскими свойствами, не требующего для производства невозобновляемых природных ресурсов.

Поставленная цель достигается тем, что в осадки сточных вод перед их обезвоживанием вводятся целлюлозосодержащие материалы в количестве 0...95% 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, обезвоживается на иловых площадках до влажности не более 85%, фрезеруется послойно на глубину не более 30 мм, ворошится и убирается пневматическим способом с влажностью не более 65%, сушится при температуре не ниже 80 градусов Цельсия, прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением или сжигается в пылевидном состоянии.

Кроме вышеизложенного, поставленная цель достигается также тем, что обезвоживавие на иловых площадках осуществляется на трех иловых картах, работающих циклически по схеме: "напуск исходной подготовленной гомогенной массы на иловую карту" - "обезвоживание (дренаж, испарение, вымораживание)" - "обработка по фрезерной технологии (послойное фрезерование, ворошение и уборка)". Сушка осуществляется полученным по "фрезерной технологии" топливным материалом с влажностью не более 50 %.

Положительный эффект предлагаемого способа получения твердого топлива на основе ОСВ достигается за счет использования измельченных до определенных размеров целлюлозосодержащих материалов (ЦМ) растительного, древесного происхождения или производственных отходов деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других, отраслей промышленности, содержащих аналогичные отходы. Совместно перетертые с ОСВ, целлюлозосодержащие материалы позволяют существенно интенсифицировать процесс обезвоживания гомогенной массы, в т.ч. в естественных условиях на иловых площадках.

Образующиеся при совместном перетире ОСВ с ЦМ целлюлозные 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 обезвоживание поступает несжимаемый высокопористый осадок, который не заиливает поверхности дренажной системы иловых площадок.

Образующиеся в процессе перетира ОСВ с ЦМ целлюлозные волокна длиной менее 0,05 мм за счет механодеструкции целлюлозы обладают специфическими поверхностными свойствами, объясняющимися физико-химической теорией размола полимерных волокнистых материалов [см. например, Барамбойм Н.К. Механодеструкция высокомолекулярных соединений. - М.: Химия, 1978. - 84 с.]. На поверхности каждого волокна образуется поверхностный слой активных макрорадикалов, способных сорбировать на поверхности мелкодисперсных частиц ОСВ. Также 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 скорость осаждения дисперсной фазы гомогенной массы "ОСВ - ЦМ" возрастает в 2...2,5 раза что способствует ускорению процесса удаления надосадочной воды через системы верхнего водослива иловых площадок.

На иловых площадках происходит обезвоживание гомогенной массы "ОСВ+ЦМ" до влажности не более 85%. Для непрерывного ведения процесса предусматривается оборот иловых площадок, с этой целью они подразделяются на 3 линии карт:
- первая линия - иловые площадки для напуска исходной влажной подготовленной смеси "ОСВ + ЦМ";
- вторая линия - иловые площадки для обезвоживания (дренажа, испарения и вымораживания) до влажности не более 85%;
- третья линия - иловые площадки для переработки обезвоженной массы по "фрезерной технологии".

Работы по утилизации осадка проводятся циклически в 3 этапа по следующей схеме:
- в течение первого года происходит заполнение подготовленной гомогенной массой "ОСВ + ЦМ" первой линии карт иловых площадок;
- в течение второго года происходит обезвоживание смеси "ОСВ + ЦМ" на иловых площадках первой линии карт и заполнение гомогенной массой "ОСВ + ЦМ" второй линии карт;
- в течение третьего года происходит уборка по "фрезерной технологии" подсушенной до влажности не более 85% смеси "ОСВ + ЦМ" с первой линии карт, обезвоживание второй линии карт и заполнение третьей линии карт иловых площадок.

Начиная с четвертого года происходит повторение цикла, при этом подготовленная гомогенная масса "ОСВ + ЦМ" поступает на освободившуюся первую линию карт иловых площадок, на второй линии карт происходит уборка подсушенной смеси "ОСВ + ЦМ", а на третьей линии карт - ее обезвоживание.

Предлагаемая схема работ по утилизации осадков городских сточных вод позволяет использовать эффект замораживания ОСВ в естественных условиях, т. к. в результате сезонного замораживания и оттаивания происходит резкое снижение удельного сопротивления фильтрации и интенсификация процесса обезвоживания.

Обезвоженная на иловых площадках смесь "ОСВ + ЦМ" далее перерабатывается по "фрезерной технологии", один цикл которой включает три стадии:
- I стадия - получение фрезерной крошки путем послойно-поверхностного фрезерования смеси на глубину не более 30 мм фрезерными барабанами;
- II стадия - ворошение и сушка слоя фрезерной крошки на поверхности эксплуатационной площади до влажности не более 65%;
- III стадия - уборка топливного полуфабриката пневматическим способом.

Фрезерование осуществляется строго на заданную глубину по всей площади карты с перекрытием фрезами ранее сфрезерованной полосы в каждом рабочем проходе на 0,1. ..0,2 м. Завышение глубины фрезерования повышает влажность готового полуфабриката или приводит к задержке и даже срыву цикла при резком ухудшении погоды или выпадении атмосферных осадков. В целях максимального использования времени цикла для сушки фрезерной крошки фрезерование выполняется одновременно с уборкой крошки, высушенной в предыдущем цикле.

После того, как на поверхности слоя фрезерной крошки в расстиле образуется тонкий сухой слой, препятствующий передвижению к поверхности испарения влаги из частиц, расположенных внизу, с целью восстановления процесса сушки выполняется ворошение. При ворошении происходит рыхление и проветривание слоя, когда влажный воздух между частицами заменяется более сухим из окружающей атмосферы. Кроме того, ворошением также разрушается капиллярная связь слоя фрезерной крошки с влажным подстилом, которая в отдельных случаях может восстанавливаться в ходе сушки.

При ворошении частицы с поверхности слоя фрезерной крошки укладываются на подстилающий грунт, а нижние сырые поднимаются на поверхность, т.е. фактически весь слой фрезерной крошки как бы поворачивается на 180 градусов. Одновременно для увеличения поверхности испарения слою при ворошении придается рифленная поверхность. Процесс ворошения осуществляется не ранее чем через 3 часа сушки после фрезерования.

При переработке ОСВ по "фрезерной технологии" на выполнении операций могут применяться комплекты оборудования, состоящие из уборочно-фрезерующих бункерных пневматических комбайнов (например, типа БПФ или КПФ-6,4 и др.) и ворошилок (например, типа ВФ-19, ВФ-18С3А, ВМФ-6А или ВМФ-4 и др.). Комбайны типа БПФ и КПФ оборудованы пневматической установкой для сбора высушенной фрезерной крошки из расстила в бункер и штифтовым фрезерным барабаном (например, типа БФ) для фрезерования залежи на площади, освобождаемой от сухой фрезерной крошки.

После фрезерования, сушки и уборки одного слоя фрезерной крошки на данной иловой карте, являющейся эксплуатационной площадью, производится новое фрезерование и все стадии "фрезерной технологии" повторяются в указанной последовательности. Продолжительность одного цикла составляет не более одного дня.

Полученный по "фрезерной технологии" топливный полуфабрикат с влажностью не более 65% направляется на фазу сушки, которая в целях обеззараживания осадка проводится при температуре топочных газов не ниже 80 градусов Цельсия. В качестве топлива для аппаратов сушки может использоваться часть полученного топливного полуфабриката, имеющего влажность не более 50%. Высушенный топливный полуфабрикат далее прессуется в виде топливных элементов (брикетов, гранулятов) или сжигается в пылевидном состоянии.

Предлагаемый способ позволяет получать на основе осадков городских сточных вод твердые топлива, обладающие теплотехническими характеристиками (теплотой сгорания Q_н, зольностью A, жаропроизводительностью T), представленными в таблице 1. Из данной таблицы видно, что топливные материалы на основе ОСВ по своим теплотехническим характеристикам находятся на уровне бурых углей и превышают торф.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ получения твердого топлива на основе осадков городских сточных вод имеет практическую ценность, которая заключается в следующем:
замене невозобновляемых угольных ресурсов на отходы целлюлозосодержащих материалов;
совместной утилизации ОСВ и ЦМ в топливные материалы;
отказе при обезвоживании ОСВ от использования дорогостоящих флокулянтов;
интенсификации процесса обезвоживания гомогенной массы на иловых площадках при производстве топливных материалов;
снижении энергозатрат на процесс утилизации ОСВ и производства топливных материалов;
снижении себестоимости производимых топливных материалов;
уменьшении загрязнения окружающей среды осадками городских сточных вод и целлюлозосодержащими отходами производства.

Кроме того, изобретение позволяет включить в топливно-энергетический баланс страны дополнительные знергоресурсы и решить вопросы экологии, экономии природных ресурсов и утилизации отходов.

Изобретение относится к производству твердых топлив и может быть использовано в качестве заменителя природного твердого топлива. Способ ведут следующим образом: осадки городских сточных вод (ОСВ) и целлюлозосодержащие материалы (ЦМ) растительного, древесного происхождения (или производственных отходов древоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, содержащих аналогичные отходы), вводят в осадок перед его механическим обезвоживанием в количестве 0 - 95% на сухую массу топлива и перетирают 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. Полученную смесь обезжиривают на иловых площадках до влажности не более 85%, фрезеруют способом с влажностью не более 65%. Затем топливный полуфабрикат сушат при температуре не ниже 80^oC и прессуют в виде топливных элементов (брикетов, гранулятов), либо сжигают в пылевидном состоянии. Для непрерывного ведения процесса обезвоживание на иловых площадках осуществляют на трех иловых картах, работающих циклически по схеме: "напуск исходной подготовленной гомогенной массы на иловую карту" - "обезвоживание (дренаж, испарение, вымораживание)" -"обработка по фрезерной технологии (послойное фрезерование, ворошение и уборка)". Сушка может осуществляться полученным по "фрезерной технологии" топливным материалом с влажностью не более 50%. Изобретение позволяет решить вопросы экологии, экономии природных ресурсов, утилизации отходов и интенсификации производства топливных материалов, которые могут найти применение в быту, котельных коммунально-бытового назначения, на теплоэлектростанциях, в топках железнодорожных вагонов. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. 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 0 - 95% 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, обезвоживается на иловых площадках до влажности не более 85%, фрезеруется послойно на глубину не более 30 мм, ворошится и убирается пневматическим способом с влажностью не более 65%, сушится при температуре не ниже 80^oC, прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением или сжигается в пылевидном состоянии. 2. Способ получения твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что обезвоживание на иловых площадках осуществляется на трех иловых картах, работающих циклически по схеме: "напуск исходной подготовленной гомогенной массы на иловую карту" - "обезвоживание (дренаж, испарение, вымораживание)" - "обработка по фрезерной технологии (послойное фрезерование, ворошение и уборка)". 3. Способ получения твердого топлива по п.1, отличающийся тем, что сушка осуществляется полученным по фрезерной технологии топливным материалом с влажностью не более 50%.