СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИКУ Российский патент 2008 года по МПК F23G5/27 

Изобретение относится к области утилизации твердых отходов, содержащих органические материалы, в том числе хлорсодержащие и инфицированные.

Предлагаемый способ утилизации включает загрузку отходов, через постоянно промываемое инертным газом шлюзовое устройство, в металлическую камеру термического разложения (КТР), где они подвергаются термическому разложению (пиролизу) при температуре 550-700°С. Камера термического разложения нагревается с внешней стороны комплексно расположенной в непосредственной близости к ней горелкой, дымовыми газами от сжигания в циклонной топке при температуре 1200-1300°С газообразных продуктов пиролиза (парогазовой смеси) и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза (полукокса). Теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в нижнюю часть камеры нагретого до 600-700°С инертного газа. Приготовление нагретого инертного газа осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов. Газообразные продукты из камеры термического разложения вводят для сжигания в горелочное устройство циклонной топки, снабженное постоянным источником открытого огня, посредством инжекции, причем в качестве инжектирующей среды используется необходимый для горения продуктов воздух, предварительно подогретый до 350-400°С отходящими дымовыми газами. Твердые продукты пиролиза выгружают из КТР на колосниковую решетку, где они дожигаются до золы за счет окислительной составляющей и теплового потенциала дымовых газов из топки и от горелки. Дымовые газы от всех источников дообезвреживают в каталитическом дожигателе, охлаждают в теплообменнике, очищают в циклоне и «мокром» скруббере ударного действия и через дымосос выбрасывают в атмосферу. Уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения. Весь процесс проводят под разрежением.

Известны методы термического обезвреживания твердых промышленных отходов и установки для их осуществления [1].

Известен способ, предусматривающий сжигание отходов с недостатком воздуха в камере сжигания, дожиг образующегося швельгаза в камере дожигания при температуре 1200°С, охлаждение и очистку дымовых газов. [2]

Известен аналогичный способ сжигания отходов и устройство для его осуществления (инсинератор), предусматривающий сжигание отходов с недостатком воздуха при температуре 600-700°С в нижней части камеры сжигания, горение выделяющихся газов в верхней части камеры при температуре 900-1000°С и в пламени верхней форсунки при температуре 1500°С и дожигание отходящих газов в камере дожигания при температуре 1000°С. Далее дымовые газы поступают в пылеуловитель и затем в дымоход, где разбавляются воздухом до температуры 450°С. [3]

Общим недостатком этих способов является невозможность обезвреживания, в частности, хлоросодержащих, газообразных продуктов путем их дожигания в камере дожига, так как относительно небольшое количество вредных компонентов рассредоточено в большой массе дымовых газов, что делает практически невозможным их нагрев до высоких температур.

Еще одним недостатком является то, что для поддержания процесса используется теплота от сжигания внешнего топлива и, в то же время, не используется для этой цели тепловой потенциал дымовых газов, образующихся при сжигании отходов.

Наиболее близкой к заявляемому способу, по организации процесса и достигаемому результату, является установка для пиролиза отходов композиционных материалов, включающая камеру пиролиза, систему обезвреживания продуктов сгорания, состоящую из камеры дожигания, узла восстановления окислов азота, газоохладителя, адсорбера и фильтра, и дымососа [4].

Недостатком данной установки является невозможность полноценного огневого обезвреживания в камере дожигания газообразных продуктов пиролиза, поскольку при проведении окислительного пиролиза в камеру дожигания поступает большой объем дымовых газов с рассредоточенными в них газообразными продуктами пиролиза. Догрев всей массы дымовых газов до температуры порядка 1200°С, которая исключает возможность сохранения диоксинов и патогенных компонентов в выбросах при утилизации хлорсодержащих и инфицированных материалов, при таких условиях невозможен. При такой организации процесса какая-то часть вредных компонентов, находящихся в дымовых газах обязательно покидает зону дожига без контакта с факелом горелки и, следовательно, не подвергается огневому обезвреживанию. Поэтому для обеспечения экологической чистоты выбросов в установке используется дополнительная, эффективная, а следовательно, дорогая, система пылеочистки, включающая циркониевую каталитическую насадку, адсорбер и волокнистый фильтр.

Недостатком способа является также то, что процесс пиролиза проводится при высоких температурах, следствием чего является повышенное образование окислов азота, что, в свою очередь, делает необходимым использование дорогостоящего узла гомогенного восстановления окислов азота.

Недостатками данной установки также являются: - отсутствие в камере пиролиза устройств, интенсифицирующих процесс термического разложения, - отсутствие устройств для выгрузки и утилизации твердого остатка (полукокса), - отсутствие топочного устройства, обеспечивающего обезвреживание газообразных продуктов пиролиза и унесенных твердых частиц непосредственно в процессе их собственного горения.

Еще одним недостатком является то, что для поддержания процесса пиролиза используется теплота от сжигания внешнего топлива и, в то же время, не используется для этой цели тепловой потенциал дымовых газов, образующихся при сжигании отходов.

Задачей данного изобретения является экологически чистая утилизация отходов, содержащих органические компоненты (включая хлорсодержащие и инфицированные биологические), путем обеспечения наиболее благоприятных условий для проведения каждой из стадий технологического процесса, а также достижение экономического эффекта за счет уменьшения продолжительности процесса и сокращения затрат тепла на его проведение.

Поставленная задача достигается следующим:

1. Использование процесса пиролиза при утилизации хлорсодержащих отходов позволяет снизить возможность образования диоксинов (дибензодиоксинов и дибензофуранов) за счет связывания хлора уже на стадии термического разложения, так как выделяющийся в процессе разложения свободный хлор немедленно реагирует с обязательным продуктом пиролиза - водородом, образуя стойкое соединение HCl.

2. Загрузка отходов в камеру термического разложения через шлюзовое загрузочное устройство, постоянно промываемое инертным газом, исключает возможность попадания в камеру воздуха и образование в ней взрывоопасной газовоздушной смеси.

3. Косвенный нагрев отходов в камере термического разложения до температур 550-700°С через металлическую стенку камеры позволяет проводить процесс термического разложения (среднетемпературный пиролиз) без доступа кислорода и получать в качестве полупродуктов концентрированную горючую парогазовую смесь и полукокс.

4. Сжигание концентрированной парогазовой смеси в циклонной топке при температуре 1200-1350°С и времени пребывания в этой зоне более двух секунд обеспечивает сгорание в качестве топлива всех органических компонентов, включая вредные, что гарантирует огневое обезвреживание газообразных продуктов и экологическую безопасность дымовых газов.

5. Подача в горелочное устройство циклонной топки воздуха, нагретого до 350-400°С отходящими дымовыми газами, позволяет интенсифицировать процесс горения.

6. Нагрев камеры термического разложения дымовыми газами, полученными от сжигания газообразных продуктов пиролиза в циклонной топке и от сжигания полукокса на колосниковой решетке, позволяет использовать собственное тепло на поддержание и тепловое регулирование процесса пиролиза, обеспечивает автомодельность процесса и позволяет экономить внешнее топливо.

7. Перемешивание отходов в камере термического разложения, при одновременной подаче в ее нижнюю часть нагретого до 600-700°С инертного газа, приводит к образованию внутри камеры вынужденной циркуляции газовой среды, что способствует съему тепла со стенок камеры и значительно интенсифицирует процесс пиролиза. В качестве инертного газа может быть использован водяной пар.

8. Использование «мокрого» скруббера ударного действия обеспечивает эффективную очистку дымовых газов от твердых взвешенных частиц, которые улавливаются жидкостью и оседают в его нижней части в виде шлама. Повторный пиролиз уловленного в скруббере шлама в КТР вместе с отходами снимает проблему необходимости его депонирования. Раствор HCl, образующийся в ходе термического разложения, нейтрализуется в скруббере добавлением соды.

9. Ведение всего технологического процесса под разрежением, создаваемым дымососом, расположенным в конце технологической цепочки, обеспечивает увеличение глубины термических превращений при пиролизе исходного материала, а также исключает возможность попадания газообразных продуктов пиролиза в окружающую среду.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Установка содержит теплоизолированный корпус 1, во внутреннем объеме которого размещена металлическая камера термического разложения 2 (КТР), соединенная газоходом с вертикальной циклонной топкой 3. Верхняя часть камеры термического разложения снабжена загрузочным шлюзовым устройством 4, содержащим устройство для подачи инертного газа 5, а нижняя часть камеры снабжена люком 6, для выгрузки коксозольного остатка (полукокса) на колосниковую решетку 7. Камера термического разложения снабжена механическим перемешивающим устройством 8 и расположенной в ее нижней части системой подачи нагретого инертного газа 9. Инертный газ нагревается в устройстве 10 и догревается в устройстве 11, размещенных в корпусе установки. В корпусе 1, в непосредственной близости от КТР, размещена горелка 12. Вертикальная циклонная топка снабжена расположенным в ее верхней части газоходом 13 для ввода парогазовой смеси из КТР, постоянным источником открытого огня 14 (дежурным факелом) и системой подачи воздуха 15, снабженной системой подогрева 16, размещенной в газоходе-дожигателе 17 циклонной топки. Циклонная топка в нижней части снабжена двумя выходами для дымовых газов, один из которых направлен в сторону КТР, а другой соединен с газораспределителем 18, соединенным, через каталитический дожигатель 19 с теплообменником 20. Выход дымовых газов из теплообменника соединен через циклон 21, скруббер 22 и дымосос 23 с дымовой трубой 24.

Утилизация отходов осуществляется следующим образом.

Отходы через постоянно промываемое инертным газом шлюзовое устройство, перемещаются в камеру термического разложения (КТР), где они подвергаются термическому разложению (пиролизу) при температуре 550-700°С, в результате которого образуется примерно 60-70% газообразных горючих газов и 30-40% коксозольного остатка (полукокса). Камера термического разложения нагревается с внешней стороны комплексно расположенной в непосредственной близости к ней горелкой, дымовыми газами от сжигания в циклонной топке при температуре 1200-1300°С, газообразных продуктов пиролиза (парогазовой смеси) и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза (полукокса). Теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием вынужденной циркуляции газовой фазы за счет подачи в нижнюю часть камеры нагретого до 600-700°С инертного газа. Газообразные продукты пиролиза из камеры термического разложения вводят для сжигания в топочный объем циклонной топки, снабженный постоянным источником открытого огня, за счет разрежения, создаваемого дымососом, и посредством инжекции воздухом. Необходимый для горения продуктов воздух предварительно подогревается до 350-400°С отходящими дымовыми газами и используется в качестве инжектирующей среды. Дымовые газы из топки за счет тяги дымососа последовательно просасываются через картридж каталитического дожигателя, где происходит низкотемпературное доокисление остатков органических соединений, теплообменник, где осуществляется снижение температуры газов до уровня 150-120°С, и поступают в систему пылеочистки. В системе пылеочистки производится сначала очистка дымовых газов от пыли в «сухом» пилоне, а затем их промывка жидкостью в «мокром» скруббере ударного действия. Очищенные дымовые газы поступают в дымовую трубу, через которую выбрасываются в атмосферу. Твердые продукты пиролиза выгружают из КТР на колосниковую решетку, где они дожигаются до золы за счет окислительной составляющей и теплового потенциала дымовых газов из топки и от горелки. Приготовление нагретого инертного газа осуществляют также за счет теплового потенциала дымовых газов. Уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения. Весь процесс проводят под разрежением.

Ниже приведены примеры, подтверждающие практическую применимость предлагаемого способа.

Пример 1. Утилизирована партия хлорсодержащих отходов в количестве 50 кг следующего морфологического состава (мас.%):

резина - 85%, ветошь - 5%, ткань ПХВ - 5%, пластикат - 2%, бумажные отходы + полиэтилен - 3%. Хлор (до половины массы) содержится в пластикате и ткани ПХВ.

В качестве конечных продуктов процесса образовались дымовые газы, сухая зола и шлам.

Основные экологические показатели процесса.

Среднее содержание твердых взвешенных частиц в дымовых газах в дымовой трубе на выходе в атмосферу - 2,34 мг/м³.

Выход золы на исходное сырье - 4%, выход шлама - 0,5%.

Соляная кислота, накапливающаяся в скруббере, периодически нейтрализовалась добавлением углекислого натрия (сода) в соотношении сода/кислота = 1,45 кг/кг.

Пример 2. Утилизирована партия ТБО усредненного морфологического состава в количестве 30 кг.

Выполнены прямые замеры содержания полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в устье источника выброса - дымовой трубе установки.

Анализ отобранной пробы производился методом хромато-масс-спектрометрии (ПНД Ф 13.3.10-97).

Величина массового выброса в атмосферу полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов составила 0,6 нг/с, в эквивалентах токсичности 2,3,7,8-ТХДД. Значение максимальной приземной концентрации полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в эквивалентах токсичности 2,3,7,8-ТХДД, полученное расчетным путем по методике ОНД-86 (при высоте трубы 10 м для европейской части РФ без учета фона), составляет 0,5 пг/н.м³ на расстоянии 45 м от источника выброса.

Пример 3. Для разогрева установки до рабочей температуры и в том числе камеры термического разложения до 800°С, в течение 1 часа необходимо затратить 8 кг дизельного топлива, что составляет примерно 80000 ккал. Для поддержания процесса пиролиза с учетом потерь, при использовании в качестве дежурного факела той же горелки, необходимы затраты тепла в количестве примерно 95000 ккал/час. В то же время при пиролизе 50-ти килограмм ТБО (Q_н ^p=˜3000 ккал/кг) в течение часа выделяется ˜150000 ккал. Это тепло концентрируется в дымовых газах, выходящих из циклонной топки, и необходимая его часть путем байпастирования используется для постоянного подогрева камеры термического разложения. Таким образом, отключение горелочного устройства, после нагрева установки до рабочей температуры, позволяет экономить внешнее топливо.

Пример 4. Перемешивание отходов внутри камеры механической мешалкой со скоростью 15 об/мин, при одновременной подаче в нижнюю часть камеры перегретого до 540°С водяного пара в количестве 3 кг/час, за счет увеличения интенсивности конвективного переноса тепла, позволило сократить время пиролиза на 12%.

Таким образом, совокупность указанных существенных признаков обеспечивает возможность экологически чистой термической утилизации твердых отходов, а также улучшает экономические показатели за счет экономии топлива и сокращения времени процесса.

В связи с вышеизложенным предлагаемое изобретение отвечает критерию «новизна».

Анализ технических решений, относящихся к способу утилизации отходов, позволяет выявить в них признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, что, в свою очередь, позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Источники информации

1. Беспамятов Г.П., Богушевская К.К. и др. Технические методы обезвреживания отходов. Л.: Химия, 1975 г.

2. JOSEPH EGLI AG, Verbrennungsanlagen, Industrie - und umweltschutzanlagen, http/www.jeag.com.

3. Инсинератор, серия ИН, ТУ 4859-003-27478712-96, Торговый дом «Турмалин», С-Петербург, 1997 г.

4. Установка для пиролиза отходов композиционных материалов. RU 2208203, С2.

Изобретение относится к области утилизации органосодержащих отходов. Способ утилизации отходов содержит органические материалы, в том числе хлорсодержащие и инфицированные. Включает загрузку отходов в камеру термического разложения (КТР), нагрев и разложение органики в КТР с образованием газообразных и твердых продуктов, их сжигание, каталитическое обезвреживание, охлаждение в теплообменнике и пылеочистку дымовых газов. Загрузку отходов в камеру термического разложения производят через шлюзовое устройство, постоянно промываемое инертным газом. Отходы подвергают бескислородному термическому разложению при температуре 550-700°С в металлической камере, нагреваемой снаружи комплексно дымовыми газами от сжигания внешнего топлива в расположенной в непосредственной близости к ней горелке, дымовыми газами из циклонной топки, полученными от сжигания в ней при температуре 1200-1300°С газообразных продуктов пиролиза, и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза. Теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в ее нижнюю часть нагретого до 600-700°С инертного газа, приготовление которого осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов. Газообразные продукты из камеры термического разложения вводят в циклонную топку посредством инжекции. В качестве инжектирующей среды используют нагнетаемый под давлением воздух, предварительно подогретый до 350-400°С отходящими дымовыми газами, уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения, а весь технологический процесс проводят под разрежением. Технический результат - утилизация отходов с обеспечением условий безопасной эксплуатации оборудования и допустимых по условиям экологии выбросов в окружающую среду. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ утилизации отходов, содержащих органические материалы, в том числе хлорсодержащие и инфицированные, включающий загрузку отходов в камеру термического разложения (КТР), нагрев и разложение органики в КТР - пиролиз, с образованием газообразных и твердых продуктов, их сжигание, каталитическое обезвреживание, охлаждение в теплообменнике и пылеочистку дымовых газов, отличающийся тем, что загрузку отходов в камеру термического разложения производят через шлюзовое устройство, постоянно промываемое инертным газом, отходы подвергают бескислородному термическому разложению - пиролизу, при температуре 550-700°С в металлической камере, нагреваемой снаружи комплексно дымовыми газами от сжигания внешнего топлива в расположенной в непосредственной близости к ней горелки, дымовыми газами из циклонной топки, полученными от сжигания в ней при температуре 1200-1300°С газообразных продуктов пиролиза, и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза, причем теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в ее нижнюю часть нагретого до 600-700°С инертного газа, приготовление которого осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов, газообразные продукты из камеры термического разложения вводят в циклонную топку посредством инжекции, причем в качестве инжектирующей среды используют нагнетаемый под давлением воздух, предварительно подогретый до 350-400°С, отходящими дымовыми газами, уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения, а весь технологический процесс проводят под разрежением.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют водяной пар.