Данное изобретение относится к способу и устройству для пиролиза и газификации отходов, в частности особых и/или опасных отходов.
Проблема обезвреживания отходов и, в частности, проблема обезвреживания отходов, классифицированных как особые и/или опасные твердые, жидкие и/или шламообразные отходы, существует уже долгое время и уже приобрела постоянно возрастающую важность вследствие все увеличивающегося количества отходов, как промышленных, так и из других источников, а также вследствие все более и более жестких условий, налагаемых законом на их удаление.
Ранее уже пытались решить указанную проблему при помощи установок различного типа, в которых использовали пиролиз или газификацию или в целом процессы сгорания при определенных температурных условиях с последующим использованием подходящих способов обработки полученных газов. Термин “газификация” обозначает процесс частичного некаталитического окисления твердого, жидкого или газообразного вещества, конечной целью которого является получение газообразного топлива, состоящего главным образом из СО, H2 и в меньшей степени - из легких углеводородов, таких как метан. В качестве окисляющих агентов используют воду и диоксид углерода.
С другой стороны, выражение “пиролиз и газификация” относится к процессу, в котором молекулы органических веществ разрушаются путем термического разложения и при этом не требуется окисляющих агентов. В ЕР-В1-0292987 описаны способ и устройство для превращения загрязняющих видов топлива или отходов в чистую энергию и пригодные для использования продукты. Способ предусматривает обработку отходов при температуре по меньшей мере 1600°С в отсутствие воздуха для получения горючего газа, состоящего в основном из H2 и СО, негорючих и инертных газов, затем резкое охлаждение для отделения инертных газов водой с образованием пара и доведением газов до температуры не ниже 1200°С, с последующим пропусканием пара и газов через очищающую угольную массу, и, наконец, он предусматривает охлаждение газов, выходящих из очищающей угольной массы.
Тем не менее, описанные в ЕР'987 способ и устройство не позволяют достичь желаемых результатов, то есть полного превращения твердых, жидких и газообразных отходов в чистую энергию и пригодные для использования продукты. Фактически, полученные в соответствии с изобретением №ЕР'987 продукты содержат высокие количества несгоревших веществ и воздуха, а также значительную долю угольного остатка. Более того, срок службы реактора чрезвычайно ограничен, он не достигает и двух лет (что является минимальным сроком эксплуатации аппарата этого типа) вследствие непрерывного травления огнеупорного материала, покрывающего внутреннюю часть камеры сгорания. Кроме того, очищающую угольную массу могут легко засорить несгоревшие остатки и угольная фракция, а это вызывает блокировку всего процесса и устройства.
Данное изобретение предназначено для преодоления недостатков, присущих известным решениям.
В частности, задачей данного изобретения является способ пиролиза и газификации отходов, в частности особых и/или опасных отходов, включающий операции газификации и плавления, операцию обработки смеси полученных газов, а также операцию остекловывания, отличающийся тем, что вышеуказанные операции предусматривают следующие этапы:
а) обрабатываемый материал газифицируют при температуре между 1300 и 1500°С в течение времени от 3 до 15 с и плавят в течение времени от 5 до 30 мин при полном отсутствии воздуха, с получением смеси горючих газов, негорючих газов и инертных газов, путем по меньшей мере двух операций газификации, выполняемых последовательно, во время которых температуру сохраняют постоянной посредством использования по меньшей мере одного теплового копья во время любой из операций газификации;
б) смесь полученных таким образом горючих и негорючих газов подвергают очистке и обработкам для энергетической утилизации;
в) инертные газы, или неорганическую и минеральную составляющую, выделяют в остеклованном состоянии.
В частности, операция б) обработки смеси газов, поступающей с операции а), может предусматривать, в качестве альтернатив, следующие этапы:
б1) смесь газов целиком направляют в дожигательную камеру для выделения тепла и получения тепловой энергии в виде пара, который затем выделяют и превращают в электрическую энергию;
б2) часть газовой смеси очищают путем охлаждения, фильтрации, нейтрализации, адсорбции СО2 и сжатия, и обработанную таким образом газовую смесь подают на тепловые копья для поддержания определенной температуры в камерах газификации в качестве альтернативы и/или параллельно с традиционным топливом, тогда как оставшуюся часть газа направляют на обработку, предусмотренную в пункте б1);
б3) смесь газов целиком подвергают операции б2), и часть обработанной таким образом газовой смеси подают на тепловые копья для поддержания определенной температуры в камерах газификации, тогда как оставшуюся часть (более 50%) направляют на переработку для выделения электрической энергии.
Газовая смесь, образующаяся в реакции газификации, состоит из СО, CO2, H2 и H2O, и ее можно использовать по-разному в зависимости от размера установки и определенных энергетических целей.
Газовую смесь, которая может еще присутствовать по окончании операции б1), направляют в систему удаления и нейтрализации, чтобы выбросы в атмосферу находились в согласии с соответствующими положениями закона.
Кроме того, задачей данного изобретения является устройство для осуществления предлагаемого способа, отличающееся тем, что оно включает одну или более накопительных систем для обработки отходов, связанных - посредством системы транспортировки и подачи - с реактором, указанный реактор включает по меньшей мере одну первичную камеру газификации, связанную со вторичной и плавильной камерой газификации, причем каждая камера газификации снабжена по меньшей мере одним тепловым копьем, а указанная вторичная и плавильная камера газификации снабжена с одной стороны системой подачи газов на обработку в последовательных операциях, а с противоположной стороны - системой выгрузки расплавленного материала в систему остекловывания.
В частности, термические условия в первичной и вторичной плавильной камерах газификации достигаются при помощи подходящих типов теплового копья, использующих традиционные виды топлива, такие как метан, пропан и т.д., и/или смесь Н2 и СО, поступающую с предлагаемого процесса.
Необходимо поддерживать рабочую температуру в камерах в пределах 1300-1500°С, так как это позволяет провести газификацию органической составляющей обрабатываемого материала при максимально возможной скорости и расплавить неорганическую минеральную составляющую, для того чтобы впоследствии осуществить ее выделение в остеклованном состоянии.
Действительно, выделение в остеклованном состоянии важно для решения задач данного изобретения, так как благодаря пребыванию в остеклованном состоянии с его высокой степенью инертности металлические и неорганические остатки стабильны, нерастворимы и инертны по отношению к окружающей среде.
Более того, работа в указанном температурном интервале позволяет решить проблему травления огнеупорных материалов внутри реактора.
Система накопления обрабатываемых отходов, как правило, состоит из бункеров, размер которых соответствует часовой пропускной способности установки, для того чтобы гарантировать сохранение необходимой автономии.
Накопительные контейнеры изготовлены практически воздухонепроницаемыми, либо в них поддерживают давление, равное или ниже рабочего давления в камере газификации.
В частности, вне зависимости от физической природы отходов (жидкие, твердые, шламообразные), указанное условие необходимо для предотвращения попадания воздуха в первичную камеру газификации.
В частности, жидкие отходы подают посредством специальных распыляющих фурм при помощи насосов с напором средней силы и с контролем скорости потока.
Шламообразные отходы можно подавать, контролируя скорость потока, посредством шнеков или подходящих насосов, таких как, например, одновинтовые насосы, поршни и т.д.
Твердые отходы необходимо предварительно обработать перед загрузкой в подающий бункер. Фактически, их необходимый размер составляет 2-3 см. В любом случае предварительная обработка зависит от природы твердых отходов и от их состава.
Отходы подают в первичную камеру газификации посредством простых или комбинированных транспортировочных систем.
Обрабатываемый материал извлекают из бункера и транспортируют, всегда по полностью воздухонепроницаемым системам, к запорному клапану, расположенному вертикально над зоной входа в первичную камеру газификации. Затем отходы посредством звездчатого клапана с электроприводом (или других эквивалентных приспособлений) подают в реактор, всегда контролируя скорость потока, без сжатия, которое может увеличить их плотность, так, чтобы в точке входа в первичную камеру газификации отходы были настолько текучими, насколько возможно.
Как уже было сказано, реактор разделен на две секции:
- одна (или более) первичная камера (камеры) газификации;
- вторичная и плавильная камера газификации.
Первичная камера газификации состоит из вертикального цилиндра, снабженного отверстием, или горловиной, для загрузки отходов, в центре оболочки указанного цилиндра. В верхней части цилиндра, в пределах тангенциальной муфты, всегда предусмотрено место, куда выходит тепловое копье. Нижняя часть цилиндра сужается в форме усеченного конуса, для того чтобы цилиндр был соединен с трубопроводом, который связывает его с вторичной плавильной камерой газификации. Объем и длина цилиндра и соединительного трубопровода определяют время контакта отходов с горячими газами, генерируемыми тепловым копьем, и с поверхностью огнеупорного покрытия, температура которых находится в ожидаемом рабочем интервале (1300-1500°С). Цилиндр имеет объем в интервале от 0,4 м3 до 16 м3 и длину в интервале от 1,5 м до 6 м, тогда как система соединения, или соединительный трубопровод, имеет объем в интервале от 0,06 м3 до 9 м3 и длину в интервале от 1,5 м до 5 м.
Поток газа, образующийся в первичной камере газификации, формирует нисходящий поток, который по касательной входит во вторичную плавильную камеру газификации вместе с частью подаваемых отходов, которые еще необходимо газифицировать или расплавить.
Вторичная и плавильная камера также состоит из вертикального цилиндра, расположенного на более низком уровне по отношению к первой камере. Нижняя часть указанного цилиндра составляет днище, или бассейн расплава, для остатков минеральных отходов. Огнеупорное покрытие этого днища нанесено таким образом, чтобы получался скат, или наклон, составляющий от 5 до 30%, предпочтительно 20%, между наивысшей точкой (зоной входа газов из предыдущей камеры) и самой низкой точкой, расположенной диаметрально напротив (зона выхода расплавленной золы). Длина днища находится в интервале от 1,5 до 3 м.
Длина и угол наклона этого пути определяют время пребывания и, соответственно, плавления остатков газификации. На стенке цилиндра вторичной плавильной камеры газификации, всегда поблизости от днища, предусмотрено второе тепловое копье, задача которого - поддерживать определенное значение рабочей температуры (1300-1500°С). Это копье расположено в виде тангенциального входа. Таким образом, наряду с выполнением плавления завершают газификацию, и так как она проходит в два последовательных этапа, то ее эффективность очень высока.
Верхняя часть цилиндра, образующего вторичную и плавильную камеру газификации, имеет конец в виде усеченного конуса, связанного с трубопроводом, который направляет газы на последующую обработку. Нисходящий поток, выходящий из первичной камеры, превращается в восходящий поток во вторичную камеру при условиях высокой турбулентности, вызванной тангенциальным расположением входных отверстий.
Таким образом, газовая смесь, поступающая из первой камеры газификации, состоит из нисходящего потока, который превращается в восходящий поток на втором этапе газификации в условиях высокой турбулентности, вызванной тангенциальным расположением входных отверстий.
Сток расплавленного материала происходит через специальное отверстие, расположенное в периферической части днища вторичной плавильной камеры газификации. Расплавленный материал поступает прямо в нижележащий бассейн, уровень воды в котором поддерживают постоянным. Таким образом создают жидкостной затвор, который предотвращает попадание воздуха во вторичную и плавильную камеру газификации. Остеклованный материал непрерывно удаляют из бассейна посредством ковшового элеватора.
В частности, предлагаемое устройство может быть снабжено двумя или более первичными камерами газификации, которые сходятся в одну вторичную и плавильную камеру газификации.
Действительно, в случае установки, в которой необходимо достичь максимальной скорости потока однотипных отходов или в которую необходимо подавать в одно и то же время отходы различной природы, наличие двух (или даже трех) первичных камер, геометрически эквивалентно сходящихся в одну и ту же вторичную камеру, чрезвычайно полезно.
Таким образом, необходимо предусмотреть двойную систему загрузки в две первичные камеры с возможностью дозирования в зависимости от качества отходов или требований к удалению отходов.
В зависимости от диаметра вторичной камеры может оказаться необходимой установка в ней более чем одного теплового копья для того, чтобы лучше распределять тепло, генерируемое этими копьями. Действительно, одно высокомощное копье может подвергать огнеупорное покрытие слишком сильным термическим нагрузкам (температурным максимумам), которые значительно уменьшат срок его службы.
В тепловые копья обычно подают традиционное топливо и/или смесь Н2 и СО, генерируемых в установке. Их регулируют при помощи полностью автоматической системы, которая позволяет пропускать от 0% до 100% любого из двух видов топлива. Количество кислорода как единственного окислителя регулируют стехиометрически в зависимости от количества топлива и его теплотворной способности (в случае смеси). Каждое из установленных копий снабжают системой контроля и регулирования.
Это позволяет использовать традиционные виды топлива на этапах запуска и достижения рабочей температуры, поскольку от момента ввода отходов и далее начинается образование газовой смеси, и становится возможным постепенная (0-100%) подача газовой смеси на горелку с одновременным - медленным и постепенным (100-0%) - уменьшением подачи традиционного топлива. Таким образом достигают автономности процесса.
Как указано выше, выходящую из вторичной и плавильной камеры газовую смесь подвергают различным видам обработки в зависимости от того, каким именно образом ее собираются использовать.
Предлагаемый способ позволяет реализовать процесс полной утилизации обрабатываемого материала максимально эффективно и абсолютно безопасно.
Следующее преимущество данного изобретения состоит в возможности автономной работы тепловых копий, что делает предлагаемые способ и устройство особенно привлекательными.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения будут более понятны из последующего описания. Это описание приведено в примерах, но не ограничивается ими, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На этих чертежах:
- на фиг.1 показана блок-схема предлагаемого способа;
- на фиг.2 схематически изображена боковая вертикальная проекция предлагаемого аппарата в первом варианте его осуществления;
- на фиг.3 изображена боковая вертикальная проекция части предлагаемого аппарата;
- на фиг.4 схематически изображена боковая вертикальная проекция предлагаемого аппарата во втором варианте его осуществления;
- на фиг.5 изображен пример теплового копья, используемого в предлагаемых способе и устройстве.
На фиг.2 номером 10 отмечено предлагаемое устройство в целом. Оно состоит из накопительного бункера для отходов, который посредством транспортировочной системы, не показанной на фиг.2, связан с реактором 11, который включает первичную камеру газификации 12 и вторичную и плавильную камеру газификации 13.
Указанная первичная камера газификации 12 состоит из цилиндра 14, снабженного отверстием 15 в верхней крышке, тангенциальной муфты 16 теплового копья 17, нижней части в форме усеченного конуса 18, соединенной с соединительной системой 19, которая сообщается с вторичной и плавильной камерой газификации 13.
В частности, в объемном варианте осуществления аппарата, изображенного на фиг.2, цилиндр 14 имеет объем 0,41 м3 и длину 2 м, тогда как система связи 16 имеет объем 0,06 м3 и длину 1,5 м.
Указанная вторичная и плавильная камера 13 газификации состоит из цилиндра 20, снабженного отверстием 21 в нижнем днище 22. Нижнее днище 22 имеет наклон, величина которого находится в интервале между 5 и 30%, а длина - в интервале от 1,5 до 3 м; в частности, в варианте осуществления аппарата, изображенном на фиг.2, днище 22 имеет величину наклона 20% и длину 1,5 м.
Отверстие 21 дает возможность выхода расплавленного материала по системе спуска 23 в систему остекловывания 24.
Система остекловывания 24 включает бассейн 25 и систему извлечения остеклованных остатков 26.
Кроме того, в своей нижней части цилиндр 20 снабжен с одной стороны тангенциальной муфтой системы связи 19, идущей от первичной камеры газификации 12, а с противоположной стороны - тангенциальной муфтой 27 теплового копья 28, а верхняя часть этого цилиндра имеет форму усеченного конуса 29, соединенного с системой подачи газов на последующие этапы обработки.
На фиг.3, в частности, изображен загрузочный бункер 30, который посредством транспортировочной системы 31, приводимой в действие звездчатым клапаном 32, через запорный клапан 33 соединен с первичной камерой газификации 12.
На фиг.4 изображен другой вариант осуществления предлагаемого устройства, который предусматривает две первичные камеры газификации 12 и 12', соединенные с двумя соединительными системами 19 и 19', которые сообщаются с вторичной и плавильной камерой газификации 13.
На фиг.5 изображено тепловое копье 17 с соответствующей системой 34 контроля и регулирования, которая дает возможность подачи на горелку только традиционного топлива (метана) 35 и кислорода 36, либо только газов, образующихся в ходе газификации и пиролиза, либо любой другой смеси традиционных видов топлива или газов, образующихся в ходе предлагаемого процесса.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют два пути применения предлагаемого процесса.
Пример 1.
В установку со скоростью 307 кг/ч подавали C.D.R. (топливо, получаемое из отходов) с теплотворной способностью ниже 5184 ккал/кг; процесс расщепления проходил полностью, что следует как из состава получаемого газа, так и из состава золы, которая полностью остекловывается.
Средний состав полученного газа представлен в табл. 1.
Процесс проводили при температуре приблизительно 1650 К (1377°С), энергетический баланс установки составил 80%.
Пример 2.
В установку загружали покрышки после разборки. Покрышки загружали со скоростью 232 кг/ч; их теплотворная способность составляла 8114 ккал/кг.
Средний состав полученного газа представлен в табл. 2.
Процесс проводили при температуре приблизительно 1600 К (1327°С), энергетический баланс установки составил 88%.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Способ остеклования токсичных отходов с высокой зольностью | 2021 |
|
RU2770298C1 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО МАТЕРИАЛА В ТОПЛИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПУТЕМ ГАЗИФИКАЦИИ (ПИРОЛИЗА) | 2014 |
|
RU2569667C1 |
ГАЗИФИКАТОР ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ И СПОСОБ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ | 2007 |
|
RU2342598C1 |
ГАЗИФИКАТОР ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ И СПОСОБ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ | 2007 |
|
RU2342599C1 |
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2011 |
|
RU2575719C2 |
ВИХРЕВОЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗА ИЗ ВЫСОКОЗОЛЬНОГО ТОПЛИВА | 2015 |
|
RU2594210C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2005 |
|
RU2293108C1 |
КОМПЛЕКС ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ С АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СОРТИРОВКОЙ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ОСТАТКА | 2019 |
|
RU2731729C1 |
Плазменная шахтная печь для переработки радиоактивных отходов | 1990 |
|
SU1810911A1 |
КОМПЛЕКСНАЯ РАЙОННАЯ ТЕПЛОВАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ С ПРОИЗВОДСТВОМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2012 |
|
RU2502018C1 |
Данное изобретение относится к способу и устройству для пиролиза и газификации отходов, в частности особых и/или опасных отходов. Способ пиролиза и газификации отходов, в частности особых и/или опасных отходов, включает операцию газификации и плавления, операцию обработки смеси полученных газов, а также операцию остекловывания, в котором указанные операции предусматривают следующие этапы: а) обрабатываемый материал газифицируют при температуре между 1300 и 1500°С в течение промежутка времени от 3 до 15 с и плавят в течение времени от 5 до 30 мин при полном отсутствии воздуха, с получением смеси горючих газов, негорючих газов и инертных газов, путем по меньшей мере двух операций газификации, выполняемых последовательно, во время которых температуру сохраняют постоянной при помощи по меньшей мере одного теплового копья во время любой из операций газификации; б) смесь полученных таким образом горючих и негорючих газов подвергают очистке и обработке для энергетической утилизации; в) выделение инертных газов или неорганических и минеральных составляющих в остеклованном состоянии. Также описано устройство для осуществления такого способа. Изобретение позволяет практически полно превратить отходы в чистую энергию и пригодные для использования продукты. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.
US 3761568 A, 25.09.1973 | |||
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ, НАХОДЯЩИХСЯ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ ПОЧВЫ | 1993 |
|
RU2103604C1 |
СПОСОБ ОТВОДА И УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1993 |
|
RU2126028C1 |
ГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | 1992 |
|
RU2073926C1 |
Авторы
Даты
2004-04-20—Публикация
2000-07-11—Подача