Система комплексной безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов Российский патент 2018 года по МПК F23G5/00 C10J3/00 B09B3/00 

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО, именно к энерготехнологической системе комплексной переработки посредством высокотемпературной конверсии ТБПО путем пиролиза и газификации в герметичных высокотемпературных реакторах шахтного типа с аллотермическим теплоснабжением и жидким шлакоудалением.

Известна система переработки ТБПО, содержащая средства доставки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки (US №3511194, F23G 5/00, 12.05.1970).

Известна система комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащая средства доставки отходов и, по крайней мере, один модуль для их комплексной переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки, при этом вертикальная шахтная печь модуля системы снабжена средствами для ее герметизации в процессе эксплуатации и содержит устройства подачи дополнительных технологических компонентов, содержащих известь, флюсы и низкосортное твердое топливо для стабилизации температурного режима в печи и образования в ней восстановительной среды и зоны деструкции вредных компонентов, причем модуль комплексной переработки отходов содержит закрываемые бункеры для ограниченного во времени хранения поступающих на приемную эстакаду отходов, средства для их резки и/или компактирования, блок очистки уходящих из шахтной печи горючих газов, соединенный с энергоустановкой для выработки электроэнергии, линию непрерывной разливки низкосортного металла в целевой продукт и линию для изготовления изделий из шлака (RU 47492 U1, F23G 5/00, 27.08.2005).

Известна система комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащая средства доставки и подготовки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подачи отходов, вывода продуктов переработки и производства электроэнергии, при этом, вертикальная шахтная печь модуля состоит из накопительной и подовой частей, снабженных огнеупорной футеровкой и средней части, выполненной из жаростойкой стали с возможностью охлаждения ее стенок жидкометаллическим теплоносителем, контур циркуляции которого включает теплообменник-парогенератор, входящий в состав паротурбинной установки, причем в кольцевой зоне средней части шахтной печи установлены фурмы кислородного дутья, соединенные с выходом кислородной станции, выход шахтной печи по продуктам газификации соединен через высокотемпературный фильтр и охлаждающий регенеративный теплообменник с топливным входом генераторной установки на базе двигателя внутреннего сгорания, линия выхлопа которого снабжена средствами для снижения токсичности и утилизации тепла уходящих газов (RU 81291 U1, F23G 5/00, 10.03.2009).

Известные системы не отвечают установленным экологическим требованиям из-за высоких значений выноса вредных газов, в том числе диоксинов, пыли и золы; не обеспечивают полноты утилизации материальных и энергетических ресурсов отходов из-за пониженного выхода топливного синтез-газа и недостаточно высокой производительности процесса.

Задачей предлагаемого изобретения является создание рентабельной, экологически чистой и промышленно применимой системы высокотемпературной конверсии ТБПО путем пиролиза и газификации для комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов с аллотермическим теплоснабжением реактора и жидким шлакоудалением.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение производительности процесса переработки, коэффициента полезного действия всего цикла переработки при одновременной экологической безопасности системы за счет исключения образования токсичных газов, в том числе диоксинов.

Технический результат достигается тем, что система комплексной безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО посредством их высокотемпературной конверсии с аллотермическим теплоснабжением и жидким шлакоудалением включает: технологически связанные между собой: противоточный реактор шахтного типа 1, в который через блоки подготовки 2, загрузки 3 и загрузочные шлюзы 4 и 5 поступают ТБПО; высокотемпературный нагреватель 6, из которого через подводящую фурму с кольцевым газоходом 7 противотоком в реактор подают водяной пар, нагретый до температуры не менее 1700°C; летники 8 и 9, расположенные ниже фурмы, для выпуска расплава минералов и расплава металлов, соответственно; выпускные кольцевые газоотводы 10 и 11, расположенные выше фурмы и снабженные заслонками, для регулирования отвода из реактора продуктов конверсии: сырого синтез-газа и сырого пирогаза, соответственно; фильтр 12 для удаления твердых частиц из сырого синтез-газа; утилизатор тепла сырого синтез-газа 13 для обеспечения технологических потребностей, в том числе в производстве водяного пара, используемого для наддува шлюзов с целью выравнивания давления с давлением в реакторе; блок осушки сырого синтез-газа 14; разделитель газов 15 для отделения диоксида углерода от синтез-газа; ресивер 16 для сбора очищенного и осушенного синтез-газа; блок очистки 17 для удаления из сырого пирогаза твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей; блок осушки очищенного пирогаза 18; емкость 19 для сбора очищенного и осушенного пирогаза; смеситель газов 20 для получения нормализованной горючей смеси из очищенных и осушенных синтез-газа и пирогаза; газгольдер 21 для накопления горючей смеси, используемой в камерах сгорания высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22 для энергообеспечения заявленной системы; парогенератор 23 для запитки высокотемпературного нагревателя 6 водяным паром с температурой до 500°C; блок водоподготовки 24 для парогенератора, получающий подпитку от внешнего источника и использующий воду из блока очистки оборотной воды 25; утилизатор низкопотенциального тепла 26 для обеспечения коммунальных потребностей, использующий тепло продуктов сгорания из высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22; узел загрузки 27 для возврата в реактор жировых, смоляных загрязнений и твердых частиц с фильтров.

Для оптимизации процесса горения в камерах сгорания в качестве окислителя используют отсепарированный от азота воздух с повышенным содержанием кислорода.

Продукты сгорания из высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки после утилизации тепла и диоксид углерода из разделителя газов направляют в теплицу для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе с целью повышения фотосинтетической деятельности растений в промышленных теплицах; низкопотенциальное тепло из утилизатора направляют для отопления тепличного здания, обогрева грунта или гидропонных систем.

На чертеже представлена принципиальная блок-схема системы комплексной безотходной переработки ТБПО, которая включает: противоточный реактор 1; блок подготовки 2; блок загрузки 3; загрузочные шлюзы 4 и 5; высокотемпературный нагреватель 6, подводящая фурма с кольцевым газоходом 7; летники 8 и 9; два выпускных кольцевых газоотвода 10 и 11; фильтр 12; утилизатор тепла 13; блок осушки 14 синтез-газа; разделитель газов 15; ресивер 16; блок очистки 17 сырого пирогаза; блок осушки 18 пирогаза; емкость 19 для сбора очищенного и осушенного пирогаза; смеситель газов 20; газгольдер 21; газотурбинная электрогенерирующая установка 22; парогенератор 23; блок водоподготовки 24; блок очистки оборотной воды 25; утилизатор низкопотенциального тепла 26; узел загрузки 27.

Стрелками на чертеже показано направление технологических связей всех блоков, узлов и составляющих системы между собой.

Сущность изобретения заключается в построении системы согласованно взаимодействующих блоков и узлов, обеспечивающих устойчивую конверсию отходов в последовательных физико-химических превращениях по мере их продвижения по реактору навстречу потоку высоко нагретого водяного пара. После загрузки в реактор отходы проходят фазы прогрева, сушки, низкотемпературного и высокотемпературного пиролиза органической составляющей, завершающиеся образованием твердого углеродистого продукта. Ключевой фазой конверсии является безостаточная газификация твердого углерода по реакции «водяного газа» с образованием синтез-газа. Процесс конверсии в системе завершается расплавлением металлических и минеральных составляющих.

Кроме того, в реакторе обеспечивается непрерывность встречного движения высокотемпературного дутья и газообразных продуктов конверсии вверх и твердых масс вниз. Цикл работы загрузочных шлюзов синхронизирован с циклом конверсии ТБПО, синхронизированы циклы выпуска пирогаза, синтез-газа, расплавов минералов и металлов, что обеспечивает непрерывность и стабильность работы системы.

Предлагаемая система предназначена для переработки твердых бытовых отходов и углеродсодержащих промышленных отходов любого морфологического и химического состава.

Теплоснабжение реактора осуществляют дутьем водяного пара, нагретого до температуры не менее 1700°C, который из высокотемпературного нагревателя 6 поступает в реактор 1 противотоком относительно потока ТБПО через подводящую фурму с кольцевым газоходом 7, расположенным выше уровня расплава металлов и минералов.

В зоне плавления ниже фурмы выполнены два летника 8 и 9:

- летник 8 для выпуска расплава минералов в виде стеклообразной шлакомассы, свободной от углерода;

- летник 9 для выпуска расплава смеси металлов.

Летники 8 и 9 располагаются на уровне, определяемом скоростью наполнения пода реактора расплавами минералов и металлов.

Выходящая из летника 8 стеклообразная шлакомасса поступает на встроенную в систему линию по производству экологически чистых строительных материалов и изделий (на чертеже не показано).

Выходящий из летника 9 расплав смеси металлов собирается в специальные картриджи, передаваемые на последующий металлургический передел (на чертеже не показано).

В реакторе выполнен узел загрузки 27 для возврата твердых частиц с фильтров и жировых, смоляных загрязнений в реакционную зону с температурой около 1200°C.

Из реактора газы выводятся через два выпускных кольцевых газоотвода 10 и 11:

- газоотвод 10 служит для вывода сырого синтез-газа из реакционной зоны с температурой около 1000°;

- газоотвод 11 служит для вывода сырого пирогаза из реакционной зоны с температурой около 200°C.

Газоотводы снабжены задвижками для регулирования вывода продуктов высокотемпературной конверсии ТБПО из реактора.

Сырой синтез-газ из газоотвода 10 направляют на фильтр 12 для удаления твердых частиц, затем в утилизатор тепла 13 и блок осушки 14. Очищенный и осушенный синтез-газ из блока осушки 14 направляют в разделитель газов 15 для отделения диоксида углерода и далее - в ресивер 16.

Сырой пирогаз из газоотвода 11 направляют в блок очистки 17 для удаления твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей, затем - в блок осушки 18. Очищенный и осушенный пирогаз собирают в емкости 19.

Для обеспечения стабильной работы высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22 в камеры сгорания подается топливо в виде нормализованной горючей смеси, состоящей из продуктов конверсии ТБПО (синтез-газа и пирогаза), которая формируется в смесителе газов 20. Приведение продуктов конверсии ТБПО к нормализованному составу также необходимо и в случае отпуска товарной смеси сторонним потребителям.

В блоке подготовки ТБПО перед загрузкой в реактор выполняется операция брикетирования с установленным размером брикетов для обеспечения необходимой газопроницаемости ТБПО в реакторе и оптимальной скорости процесса конверсии.

Для выравнивания давления с давлением в реакторе проводят наддув шлюзов паром с температурой 200°C.

Воду в блок водоподготовки 24 подают от внешнего источника (водопровод, скважина) и оборотную воду из блока очистки 25. Подготовленная вода направляется в парогенератор 23, из которого пар с температурой до 500°C поступает в высокотемпературный нагреватель 6.

Тепло отработанных газов с температурой 400-500°C из газотурбинной электрогенерирующей установки 22 и из камеры сгорания высокотемпературного нагревателя 6 утилизируется в блоке 26 и используется для коммунальных потребностей, а также для отопления тепличных зданий, обогрева грунта или гидропонных систем. Затем, отработанные газы из блока 26 с температурой 30-40°C поступают в промышленные теплицы для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе с целью повышения фотосинтетической деятельности растений.

Утилизатор тепла синтез-газа 13 производит технологический пар с температурой 200°C, который используется системой и отпускается сторонним потребителям.

Воздух перед подачей в камеры сгорания газотурбинной электрогенерирующей установки 22 и высокотемпературного нагревателя 6 проходит сепарацию для отделения азота с целью существенного увеличения содержания кислорода, что обеспечивает необходимую тепловую эффективность системы. Отсепарированный газообразный азот накапливается и используется в местной системе пожаротушения, а избыток азота закачивают в тарные баллоны для реализации различным потребителям.

Таким образом, преимуществом предлагаемой системы перед всеми освоенными к настоящему времени в мировой практике способами и технологическими схемами переработки отходов являются: способность перерабатывать отходы любого состава без предварительной сортировки; полная утилизация материальных и энергетических ресурсов в виде товарной продукции высокого качества; высокая удельная производительность при непрерывной работе системы - не менее 6 т/час на 1 м² сечения реактора; полная экологическая безопасность, обеспечиваемая невозможностью образования вредных соединений, включая диоксины, и отсутствием вторичных отходов, требующих захоронения; энерго- и ресурсоавтономность функционирования системы; надежность, безопасность производства и комфорт для населения прилегающих территорий.

Окупаемость капитальных вложений при создании системы и рентабельность ее эксплуатации обеспечиваются, как за счет топливно-энергетических ресурсов собственного производства (газовое топливо, электроэнергия, технологический пар, отопление), так и за счет сбыта производимой товарной продукции (электроэнергия, экологичное газовое топливо, технологический пар для промышленных нужд, отопление для коммунальных объектов, экологически чистые строительные материалы, сплавы металлов).

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО. Техническим результатом является повышение производительности процесса переработки, коэффициента полезного действия при одновременной экологической безопасности за счет исключения образования диоксинов. Технический результат достигается тем, что система переработки ТБПО включает технологически связанные между собой: противоточный реактор шахтного типа 1, в который через блоки подготовки 2, загрузки 3 и загрузочные шлюзы 4 и 5 поступают ТБПО; высокотемпературный нагреватель 6, из которого через подводящую фурму с кольцевым газоходом 7 подают противотоком в реактор водяной пар, нагретый до температуры не менее 1700°C. Летники 8 и 9 для выпуска расплавов минералов и металлов соответственно. Два выпускных кольцевых газоотвода: первый, 10 - для отвода сырого синтез-газа, второй, 11 - для отвода сырого пирогаза. Сырой синтез-газ последовательно направляют через фильтр удаления твердых частиц 12 в утилизатор тепла 13, в блок осушки 14, разделитель газов 15, после чего очищенный и осушенный синтез-газ поступает в ресивер 16. Сырой пирогаз направляют в блок очистки 17 для удаления твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей, после чего очищенный пирогаз поступает в блок осушки 18, затем в емкость 19. Твердые частицы из фильтров, жировые и смоляные загрязнения возвращают в реактор через узел загрузки 27. Смеситель 20, в который поступают очищенные и осушенные синтез-газ и пирогаз для получения нормализованной горючей смеси, которую накапливают в газгольдере 21. Газотурбинная электрогенерирующая установка 22 для энергообеспечения заявленной системы. Парогенератор 23 для запитки высокотемпературного нагревателя 6 водяным паром с температурой до 500°C; блок водоподготовки 24 для парогенератора, получающий подпитку от внешнего источника и использующий воду из блока очистки оборотной воды 25; утилизатор низкопотенциального тепла 26 для обеспечения коммунальных потребностей, использующий тепло продуктов сгорания из высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22. Для оптимизации процесса горения в камерах сгорания в качестве окислителя используют отсепарированный от азота воздух с повышенным содержанием кислорода. Отработанные газы из высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22 после утилизации тепла и диоксид углерода из разделителя газов 15 направляют в теплицу для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе для повышения фотосинтетической деятельности растений в промышленных теплицах; низкопотенциальное тепло из утилизатора 26 направляют для отопления тепличного здания, обогрева грунта или гидропонных систем. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система комплексной безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО посредством их высокотемпературной конверсии в реакторе с аллотермическим теплоснабжением и жидким шлакоудалением, включающая технологически связанные между собой: противоточный реактор шахтного типа, в который через блоки подготовки, загрузки и загрузочные шлюзы поступают ТБПО; высокотемпературный нагреватель, из которого через подводящую фурму с кольцевым газоходом в реактор противотоком поступает горячее дутье в виде водяного пара, нагретого до температуры не менее 1700°C, обеспечивающее аллотермическое теплоснабжение; летники, расположенные ниже фурмы, для выпуска расплава минералов и расплава металлов, соответственно; выпускные кольцевые газоотводы, расположенные выше фурмы и снабженные заслонками, для регулирования отвода из реактора продуктов конверсии: сырого синтез-газа и сырого пирогаза, соответственно; фильтр для удаления твердых частиц из сырого синтез-газа; утилизатор тепла сырого синтез-газа для обеспечения технологических потребностей, в том числе в производстве водяного пара, используемого для наддува шлюзов с целью выравнивания давления с давлением в реакторе; блок осушки сырого синтез-газа; разделитель газов для отделения диоксида углерода от синтез-газа; ресивер для сбора очищенного и осушенного синтез-газа; блок очистки для удаления из сырого пирогаза твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей; блок осушки очищенного пирогаза; емкость для сбора очищенного и осушенного пирогаза; смеситель газов для получения нормализованной горючей смеси из очищенных и осушенных синтез-газа и пирогаза; газгольдер для накопления горючей смеси, используемой в камерах сгорания высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки для энергообеспечения заявленной системы; парогенератор для запитки высокотемпературного нагревателя водяным паром с температурой до 500°C; блок водоподготовки для парогенератора, получающий подпитку от внешнего источника и использующий воду из блока очистки оборотной воды; утилизатор низкопотенциального тепла для обеспечения коммунальных потребностей, использующий тепло продуктов сгорания из высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки; узел загрузки для возврата в реактор жировых, смоляных загрязнений и твердых частиц с фильтров.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что для оптимизации процесса горения в камерах сгорания высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки в качестве окислителя используют отсепарированный от азота воздух с повышенным содержанием кислорода.

3. Система по п.. 1 и 2, отличающаяся тем, что продукты сгорания из высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки после утилизации тепла и диоксид углерода из разделителя газов направляют в теплицу для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе с целью повышения фотосинтетической деятельности растений в промышленных теплицах, а низкопотенциальное тепло из утилизатора направляют для отопления тепличного здания, обогрева грунта или гидропонных систем.