СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК C10L5/44 C10L5/46 

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

Известен ряд технических решений по использованию ОСВ в качестве горючего компонента топливных композиций, что обусловлено высоким содержанием органических веществ (до 80...85%) в составе ОСВ. Перспективность выбранного направления утилизации осадков обусловлена также 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. Баранова, А.Э. Балаян, Л.Д. Зубарева // Химия и технология воды - 1991, -т. 13, N 1, с. 68-71], что полностью отвечает экологическим требованиям. 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).

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 просчете 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 результате изготавливаемые топливные материалы становятся дорогостоящими и неконкурентоспособными.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- повышение эффективности процессов механического обезвоживания и получения топливных материалов в целом;
- 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 вводят целлюлозосодержащие материалы в количестве менее 30% в пересчете на сухую массу топлива с последующим перетиранием полученной смеси 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, обработкой гомогенной массы флокулянтами, ее механическим обезвоживанием, сушкой и прессованием в виде топливных брикетов или гранулятов.

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. 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 фильтрующего материала.

Кроме того, 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 удельная поверхность ОСВ уменьшается и улучшаются фильтрационные характеристики гомогенной массы.

Существенно интенсифицировать процесс обезвоживания гомогенной массы, содержащей менее 30% целлюлозосодержащих материалов, позволяют гомеопатические добавки водорастворимых полимеров - флокулянтов.

В основе интенсификации процесса обезвоживания лежит явление флокуляции, характеризующееся изменением степени агрегации дисперсных частиц ОСВ под влиянием высокомолекулярного флокулянта. В зависимости от природы применяемого флокулянта его молекулярной массы и плотности зарядов механизм флокуляции предполагает протекание процесса мостикообразования между дисперсными частицами ОСВ, ЦМ через молекулы (ионы) адсорбированного высокомолекулярного соединения, в результате чего образуются крупные агрегаты - флокулы, обладающие значительной рыхлостью и хорошей фильтруемостью. Кроме того, при использовании в качестве флокулянтов катионно-модифицированных полимеров одновременно с процессом мостикообразования может протекать процесс нейтрализации заряда поверхности дисперсной фазы, т.к. известно [см. Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод - М: Стройиздат, 1988. -256 с.], что средний электрокинетический потенциал грубодисперсных частиц ОСВ размером от 1 мкм до 1 мм составляет минус 15 мВ, а коллоидных частиц размером от 1 нм до 1 мкм составляет минус 35 мВ.

Обработка гомогенной массы флокулянтами осуществляется в виде 0,1%-ных растворов полимеров, в среднем для обработки 1 т гомогенной массы (по сухому веществу) требуется 3...5 кг флокулянта, поэтому его остаточная концентрация в составе топливной композиции не превышает 0,5%.

Для оценки фильтруемости гомогенной массы, содержащей ОСВ и ЦМ, применяется косвенный метод - измерение удельного сопротивления фильтрации R. Данный метод позволяет судить об интенсификации водоотдачи гомогенной массы в результате ее обработки флокулянтами. Удельное сопротивление фильтрации R является обобщающим параметром, характеризующим водоотдачу, и рассчитывается по формуле

где P - давление (вакуум), при котором происходит фильтрование, Па;
F - площадь фильтрующей поверхности, м²;
η - вязкость фильтрата, Па·с;
C - масса твердой фазы кека, отлагающегося на фильтре при получении единицы объема фильтрата, кг/м³;
B - параметр, полученный опытным путем: B = t/V² (здесь t - время фильтрации, с; V - объем выделяемого фильтрата, м³).

Определение удельного сопротивления фильтрации R производится на установке, имитирующей работу вакуум-фильтра, по методике, представленной в [Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод - М: Стройиздат, 1988. - 256 с.)
Предварительная обработка флокулянтами гомогенной массы, поступающей на обезвоживание, снижает удельное сопротивление фильтрации R (см. табл. 1), улучшает водоотдачу и в несколько раз повышает эффективность процесса обезвоживания при содержании ЦМ менее 30%.

После обезвоживания полученная топливная смесь поступает на фазу сушки, а затем прессуется в виде топливных элементов (брикетов, гранулятов), либо сжигается в пылевидном виде.

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 табл. 2. Из данной таблицы видно, что твердые топлива 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 и целлюлозосодержащих материалов имеет практическую ценность, которая заключается в следующем:
совместной утилизации ОСВ и ЦМ в топливные материалы;
интенсификации процесса обезвоживания гомогенной массы при производстве топливных материалов;
снижении загрязнения окружающей среды осадками городских сточных вод и целлюлозосодержащими отходами производства и сокращении площадей, отводимых под полигоны их захоронения;
включении в топливно-энергетический баланс страны дополнительных ресурсов.

Таким образом, изобретение позволяет получить топливные материалы на основе ОСВ, обладающие гибким рецептурным составом, не зависящим от имеющихся запасов целлюлозосодержащих материалов, и одновременно решить вопросы экологии, экономии природных ресурсов и утилизации отходов.

Изобретение относится к области производства твердого топлива на основе осадков городских сточных вод (ОСВ) и целлюлозосодержащих материалов (ЦМ) растительного, древесного происхождения (или производственных отходов деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, содержащих аналогичные отходы). ЦМ вводят в осадок перед его механическим обезвоживанием в количестве менее 30% в расчете 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. Гомогенная масса обрабатывается флокулянтами, далее поступает на механическое обезвоживание, сушку и прессование в виде топливных элементов (брикетов или гранулятов). Изобретение позволяет одновременно решить вопросы экологии, экономии природных ресурсов, утилизации отходов и получить топливные материалы, которые могут найти применение в быту, котельных коммунально-бытового назначения, на теплоэлектростанциях, в топках железнодорожных вагонов. 2 табл.

Способ получения твердого топлива на основе осадков городских сточных вод, отличающийся тем, что в осадки сточных вод перед их обезвоживанием вводят целлюлозосодержащие материалы в количестве менее 30% в расчете на сухую массу топлива с последующим перетиранием полученной смеси 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, обработкой гомогенной массы флокулянтами, ее механическим обезвоживанием, сушкой и прессованием в виде топливных брикетов или гранулятов.