СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК C02F1/16 B01D1/14 F23G7/00 

Изобретение относится к установкам термического обезвреживания промышленных и бытовых сточных вод, загрязненных вредными веществами, и способам его реализации. Термическое обезвреживание сточных вод проводится с целью снижения уровня их опасности и (или) уменьшения их массы, минимизации выбросов в окружающую среду вредных веществ, а также извлечения и утилизации растворенных компонентов и твердых суспендированных включений, содержащихся в сточной воде. Состав и количественное содержание растворенных и суспендированных включений в сточных водах зависит от технологического процесса, при котором они образуются. Для каждого конкретного случая эти характеристики определяют выбор оптимальных технологических и технических решений по термическому обезвреживанию сточных вод.

Особенно важно решение экологических проблем при утилизации сточных вод в районах с особым режимом природопользования, например, в районах Крайнего Севера и Арктической зоны. Так, при добыче природного газа по мере выработки месторождений происходит обводнение скважин и увеличивается объем промышленных сточных вод, подлежащих утилизации. По мере выработки месторождений и обводнения скважин наблюдается устойчивая тенденция роста количества сточных вод, при этом одновременно растут затраты на их утилизацию. Поэтому для решения экологических проблем в районах Крайнего Севера и Арктической зоны создание эффективной энергосберегающей технологии утилизации промышленных и бытовых стоков является актуальным.

Эффективность технологии концентрирования и очистки сточных вод оценивается по отношению объема сточных вод, подаваемых на концентрирование, к отношению объема остатка, по удельным затратам энергии, по количественному снижению содержания вредных веществ, сбрасываемых в окружающую среду. В качестве теплоносителя, как правило, используются продукты сгорания топлива. При этом могут быть использованы разные источника тепла, например, продукты сгорания, получаемые при сжигании топлива в печах, в камерах сгорания, на факельных горелках, сбросные газы после двигателей внутреннего сгорания или газовых турбин и т.д.

При термическом обезвреживании сточных вод известно множество способов передачи теплоты от теплоносителя к испаряемой жидкости. Наиболее широкое распространение получил способ прямой передачи теплоты от теплоносителя к испаряемой жидкости, при котором греющая среда приводится в непосредственное соприкосновение с этой жидкостью. Чаще всего утилизацию стоков термическим обезвреживанием проводят на горизонтальных факельных установках, в инсинераторах, подачей теплоносителя в испаряемую жидкость.

При термическом обезвреживании сточных вод с применением горизонтальных факельных установок летучие компоненты и вода испаряются, а содержащиеся в них твердые включения и растворенные соли рассеиваются в окружающей среде и выпадают на поверхности почвы и водоемов, загрязняя их. Способ утилизации сточных вод на горизонтальных факельных установках прост в эксплуатации, но требует значительного потребления топливного газа, примерно 350-400 м³ природного газа на 1 м³ утилизируемых стоков.

Способ утилизации сточных вод в инсинераторах примерно в два раза снижает потребление топливного газа, уменьшает вредное воздействие на окружающую среду, но более капиталоемкий, имеет большие размеры печи, малопроизводителен и требует больших затрат на обслуживание.

По патенту США №5.342.482 с прямой передачей теплоты, реализован способ барботажного теплообмена, согласно которому газообразные продукты сгорания генерируются и подаются по впускной трубе в диспергирующее устройство, погруженное в испаряемую жидкость. Диспергирующее устройство содержит несколько расположенных на расстоянии друг от друга газовыпускных трубок, расходящихся в радиальном направлении от впускной трубы. Каждая газовыпускная трубка имеет небольшие отверстия, расположенные на расстоянии друг от друга в разных местах по поверхности газовыпускной трубки, чтобы обеспечить выход газообразных продуктов сгорания в виде мелких пузырьков равномерно по всему поперечному сечению сосуда заполненного испаряемой жидкостью. Особенность этого способа заключается в том, что и теплообмен, и массообмен происходят в динамических условиях на постоянно обновляемой межфазной поверхности, образующейся в результате барботажа газовой фазы через жидкость. Недостатками указанного способа является засорение отверстий твердыми веществами в газовыпускных трубках, которые используются для распределения горячих газов по объему испаряемой жидкости, осаждающимися из накипеобразующих жидкостей. При необходимости пропускать большой объем газа через непрерывно поступающий поток жидкости из-за ограниченности контакта газовой и жидкой фаз при барботаже корпус концентратора должен иметь большое поперечное сечение. Другим недостатком является необходимость значительных затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления потоку газа за счет ограниченного сечения отверстий газовыпускных трубок, а также столба жидкости над ними.

Анализ существующих технологий и применяемого оборудования для утилизации промышленных стоков показывает, что стоимость установок, энергетические затраты, затраты на обслуживание остаются высокими, а экологическая эффективность традиционно применяемых технологий остается низкой.

Задачей настоящего изобретения является создание способа утилизации промышленных и бытовых сточных вод, обеспечивающего сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду, снижение удельного потребления топливного газа, уменьшение массогабаритных характеристик установок, а также снижение стоимости установок и затрат при их обслуживании.

Задачей настоящего изобретения также является создание установки для реализации предлагаемого способа термического обезвреживания загрязненных промышленных и бытовых сточных вод, в том числе содержащих в своем составе вредные вещества. В соответствии с поставленными задачами разработана установка термического обезвреживания загрязненных сточных вод, загрязненных вредными веществами, и способ для ее осуществления, согласно которому теплоноситель при температуре 400-1200°С и сточные воды подаются в пенный аппарат-испаритель, где процессы прямой передачи теплоты от теплоносителя к испаряемой жидкости, выделения из жидкости растворенных летучих компонентов и испарения воды осуществляются в пенном режиме.

Для решения поставленных задач и реализации предложенной установки и способа термического обезвреживания промышленных и бытовых сточных вод, предлагается установка, которая содержит горелку для получения теплоносителя и пенный аппарат-испаритель, содержащий вертикальный корпус круглого или прямоугольного поперечного сечения с патрубками подвода испаряемых сточных вод и теплоносителя, и отвода отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу, в нижней части аппарата размещен отстойник твердых частиц с устройством для выгрузки твердого осадка, верхняя часть аппарата-испарителя соединена с патрубком сброса отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу, при этом перед патрубком сброса отходящего газа и паров воды в атмосферу установлен каплеотбойник, отличающаяся тем, что содержит воздуходувку для подачи воздуха в горелку и обеспечения необходимого давления нагнетания для преодоления сопротивления всего тракта установки, при этом в средней части пенного аппарата-испарителя горизонтально размещены одна или на расстоянии друг от друга несколько распределительных перфорированных решеток, которые разделяют аппарат на подрешеточную и надрешеточную зоны, распределительные перфорированные решетки имеют одно отверстие по оси испарителя или несколько равномерно распределенных по площади решеток отверстий, в которые вертикально вставлены трубки для подвода теплоносителя в подрешеточную зону, при этом нижний торец каждой трубки установлен на уровне нижней поверхности нижней решетки, при установке в решетки нескольких трубок в надрешеточной зоне эти трубки объединены в общий коллектор, который соединен с патрубком входа теплоносителя, теплоноситель и сточные воды, подлежащие утилизации, подаются в подрешеточную зону аппарата через патрубки входа теплоносителя и сточных вод, а на верхней решетке установлен порог для перелива неиспарившейся воды в подрешеточную зону по каналу, соединяющему надрешеточную и подрешеточную зоны, при этом газообразные продукты сгорания топлива подаются в аппарат-испаритель при температуре 400-1200°С, а испарение воды из подаваемых в аппарат-испаритель в сточных вод и выделение растворенных летучих компонентов, осуществляется в пенном режиме. В качестве теплоносителя могут быть использованы продукты сгорания углеводородного топлива, а также отходящие газы промышленных производств, в том числе от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Растворенные в сточных водах соли за счет перенасыщения их концентрации при испарении воды выпадают в осадок и совместно с твердыми частицами, содержащимися в сточной воде, отстаиваются в нижней части пенного аппарата-испарителя и периодически выводятся из аппарата на утилизацию. При этом в пенном аппарате-испарителе поддерживается заданный уровень жидкости.

Воздуходувка предназначена для подачи воздуха в горелку и обеспечения необходимого давления нагнетания для преодоления сопротивления всего тракта установки. Горелка предназначена для получения теплоносителя - продуктов сгорания топлива требуемой температуры. Теплоноситель подается в пенный аппарат-испаритель, в который также подаются загрязненные сточные воды. Передача теплоты от теплоносителя к испаряемой сточной воде происходит при их непосредственном контакте.

Для получения теплоносителя - продуктов сгорания топлива, может быть использовано любое газообразное или жидкое углеводородное топливо. В качестве горелки может быть использована горелка любого типа, однако, для минимизации образования вредных веществ (СО и NO_x) в продуктах сгорания топлива, а также обеспечения наиболее полного сгорания углеводородов, следует отдать предпочтение беспламенной горелке по патенту RU №2335699. Такое техническое решение наиболее целесообразно и обеспечивает надежное и стабильное поддержание заданной температуры теплоносителя, поступающего в пенный аппарат-испаритель. Если имеется готовый теплоноситель с требуемым давлением и температурой не менее 400°С, то из состава установки узел получения теплоносителя исключается. Нижний предел диапазона температур теплоносителя 400°С обуславливается возможным использованием в качестве теплоносителя отходящих газов двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Верхний предел диапазона температур теплоносителя 1200°С обуславливается тем, что при сжигании углеводородного топлива при температуре выше 1200°С происходит образование вредных веществ СО и NO_x, что является нежелательным.

Пенный аппарат-испаритель представляет собой вертикальный аппарат цилиндрического или прямоугольного поперечного сечения, в нижней части которого размещен отстойник с устройством для выгрузки твердого осадка, в средней части горизонтально размещены одна или на расстоянии друг от друга несколько распределительных перфорированных решеток, которые разделяют аппарат на подрешеточную и надрешеточную зоны. Кроме того решетки имеют одно отверстие по оси испарителя или несколько отверстий, равномерно распределенных по площади решеток, в которые вертикально вставлены трубки для подвода теплоносителя в подрешеточную зону, при этом нижний торец каждой трубки установлен на уровне нижней поверхности нижней решетки. При установке в решетки несколько трубок, в надрешеточной зоне эти трубки объединены в общий коллектор, который соединен с патрубком входа теплоносителя. Продукты сгорания топлива после горелки через патрубок входа теплоносителя поступают в пенный аппарат-испаритель в подрешеточную зону. Сточные воды, подлежащие утилизации, через патрубок входа сточных вод поступают в подрешеточную зону аппарата. Перфорированные решетки за счет кинетической энергии теплоносителя и образующегося водяного пара, поднимающихся вверх, обеспечивают равномерное их распределение по поперечному сечению аппарата и проходя через отверстия решеток, захватывают испаряемую жидкость, образуя при этом на решетках слой сильно подвижной нестабильной пены, создающей развитую поверхность контакта газовой и жидкой фаз, обеспечивая при этом оптимальные условия для передачи теплоты от газовой фазы теплоносителя к жидкой фазе испаряемой жидкости. Теплота горячего теплоносителя передается испаряемой жидкости, поднимая ее температуру, что создает условия для интенсивного испарения воды и выделения из нее растворенных летучих компонентов с одновременным частичным разложением органических летучих компонентов из-за высокой температуры теплоносителя. Таким образом, процессы передачи теплоты от газа к жидкости, испарение воды, выделение растворенных в сточных водах летучих компонентов проходят в пенном режиме. Такое техническое решение интенсифицирует процессы теплообмена и позволяет значительно снизить массогабаритные характеристики аппарата и установки в целом. Кроме того такое техническое решение исключает рассеивание твердых веществ, загрязняющих окружающую территорию и водоемы. На верхней решетке установлен порог для перелива неиспарившейся воды с повышенной концентрацией растворенных солей по каналу в подрешеточную зону, соединяющему надрешеточную и подрешеточную зоны аппарата. При этом в аппарате поддерживается заданный уровень жидкости. Верхняя часть надрешеточной зоны соединена с патрубком сброса отходящего газа и паров испаряемой воды в атмосферу. Для предотвращения уноса капель не испаренной жидкости в окружающую среду со сбрасываемой парогазовой смесью, в надрешеточной зоне аппарата перед патрубком сброса газа и паров, установлен каплеотбойник. Растворенные в стоках соли за счет перенасыщения их концентрации при испарении воды выпадают в осадок и совместно с твердыми частицами, содержащимися в сточной воде, отстаиваются в нижней части подрешеточной зоны и по мере их накопления периодически выводятся из аппарата для утилизации. При этом исключается рассеивание твердых веществ, загрязняющих окружающую территорию и водоемы. Высокая температура теплоносителя создает условия для выделения и частичного разложения растворенных в жидкости летучих компонентов и одновременно за счет передачи теплоты от газа к жидкости происходит испарение воды. Таким образом, процессы передачи теплоты от газообразного теплоносителя к испаряемой воде, испарение воды, выделение из сточной воды растворенных в ней летучих компонентов, проходят в пенном режиме, обеспечивающим развитую поверхность контакта фаз. Такое техническое решение по сравнению с барботажным режимом более чем на порядок интенсифицирует процесс теплообмена и позволяет значительно снизить массогабаритные характеристики аппарата и установки в целом.

Сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду достигается за счет испарения только воды и летучих компонентов без выноса с ними твердых веществ и капель испаряемых сточных вод. Кроме того, сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду также достигается за счет значительного сокращения количества сжигаемого топлива. Снижение количества потребляемого топлива достигается за счет практически полного полезного использования теплоты теплоносителя. Выброс сбрасываемого газа и паров воды в атмосферу осуществляется при температуре не более 140-170°С. При этом расход топлива, например, природного газа, на испарение 1 тонны стоков составит не более 80-100 м³.

Уменьшение массогабаритных характеристик установки достигаются за счет проведения процесса испарения сточных вод в высокоинтенсивном пенном режиме, а также за счет использования компактных конструкций беспламенной горелки и пенного аппарата-испарителя.

Ниже изобретение поясняется конкретным примером его использования и чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная технологическая схема установки термического обезвреживания сточных вод с продольным разрезом пенного аппарата-испарителя, в которой осуществляется предлагаемый способ.

На фиг. 2 представлены варианты исполнения пенного аппарата-испарителя с одним подводом теплоносителя (а) и несколькими подводами теплоносителя (б) в подрешеточную зону.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, которая содержит: воздуходувку 1 для подачи воздуха по воздуховоду 2 в горелку 3 для получения теплоносителя, подаваемого по газоходу 4 в пенный аппарат-испаритель 5. В горелку 3 также подается топливо по линии 6; пенный аппарат-испаритель 5 содержит корпус 7 цилиндрического или прямоугольного поперечного сечения, в котором горизонтально установлена одна или несколько на расстоянии друг от друга перфорированные решетки 11 и 15, разделяющие внутреннюю полость аппарата на нижнюю подрешеточную 8 и верхнюю надрешеточную 9 зоны. Горячие продукты сгорания топлива из горелки 3 по газоходу 4 и патрубку 10 поступают в аппарат в подрешеточную зону 8 на уровне нижней решетки 11. Сточные воды через патрубок входа сточных вод 12 поступают в подрешеточную зону 8. Перфорированные решетки 11 и 15 обеспечивают равномерное распределение по поперечному сечению аппарата поднимающиеся вверх газообразный теплоноситель, образующийся водяной пар и испаряемую жидкость. На верхней решетке установлен порог 13 для перелива неиспарившейся воды с повышенной концентрацией растворенных солей по каналу 14 в подрешеточную зону 8, соединяющему надрешеточную зону 9 и подрешеточную зону 8. При этом уровень жидкости в аппарате поддерживается между верхней решеткой 15 и верхнего горизонта 16 переливного порога 13. Верхняя часть надрешеточной зоны 9 соединена с патрубком 17 сброса отходящего газа и паров испаряемой воды в атмосферу. Для предотвращения уноса капель не испаренной жидкости в окружающую среду со сбрасываемой парогазовой смесью, в надрешеточной зоне аппарата перед патрубком 17 сброса газа и паров, установлен каплеотбойник 18. Растворенные в сточных водах соли за счет перенасыщения их концентрации при испарении воды выпадают в осадок и совместно с твердыми частицами, содержащимися в сточных водах, отстаиваются в нижней части подрешеточной зоны 8 и периодически выводятся из аппарата по патрубку 19 для утилизации.

На фиг. 2 представлены варианты исполнения пенного аппарата - испарителя с одним подводом теплоносителя (а) и несколькими подводами теплоносителя (б) в подрешеточную зону 8.

Преимущества данного способа и установки для его осуществления:

1. Предлагаемый способ обеспечивает сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду.

2. Сокращает удельное потребление топливного газа.

3. Уменьшает массогабаритные характеристик установки.

4. Снижает стоимость установки и затрат при ее обслуживании.

5. Позволяет поводить термическое обезвреживание сточных вод, загрязненных вредными веществами.

Изобретение относится к способам термического обезвреживания загрязненных промышленных и бытовых сточных вод, в том числе вредными веществами. Установка содержит горелку для получения теплоносителя и пенный аппарат-испаритель, содержащий вертикальный корпус круглого или прямоугольного поперечного сечения с патрубками подвода испаряемых сточных вод и теплоносителя и отвода отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу. В нижней части аппарата размещен отстойник твердых частиц с устройством для выгрузки твердого осадка. Верхняя часть аппарата-испарителя соединена с патрубком сброса отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу. Перед патрубком сброса отходящего газа и паров воды в атмосферу установлен каплеотбойник. Установка содержит воздуходувку для подачи воздуха в горелку и обеспечения необходимого давления нагнетания для преодоления сопротивления всего тракта установки. В средней части пенного аппарата-испарителя горизонтально размещены одна или на расстоянии друг от друга несколько распределительных перфорированных решеток, которые разделяют аппарат на подрешеточную и надрешеточную зоны. Распределительные перфорированные решетки имеют одно отверстие по оси испарителя или несколько равномерно распределенных по площади решеток отверстий. В отверстия вертикально вставлены трубки для подвода теплоносителя в подрешеточную зону. Нижний торец каждой трубки установлен на уровне нижней поверхности нижней решетки. При установке в решетки нескольких трубок в надрешеточной зоне эти трубки объединены в общий коллектор, который соединен с патрубком входа теплоносителя. Теплоноситель и сточные воды, подлежащие утилизации, подаются в подрешеточную зону аппарата через патрубки входа теплоносителя и сточных вод. На верхней решетке установлен порог для перелива неиспарившейся воды в подрешеточную зону по каналу, соединяющему надрешеточную и подрешеточную зоны. Теплоноситель подается при температуре 400-1200°С. Технический результат: сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду, снижение удельного потребления топлива. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для термического обезвреживания загрязненных промышленных и бытовых сточных вод, содержащая горелку для получения теплоносителя и пенный аппарат-испаритель, содержащий вертикальный корпус круглого или прямоугольного поперечного сечения с патрубками подвода испаряемых сточных вод и теплоносителя, и отвода отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу, в нижней части аппарата размещен отстойник твердых частиц с устройством для выгрузки твердого осадка, верхняя часть аппарата-испарителя соединена с патрубком сброса отходящего газа и паров испаренной воды в атмосферу, при этом перед патрубком сброса отходящего газа и паров воды в атмосферу установлен каплеотбойник, отличающаяся тем, что содержит воздуходувку для подачи воздуха в горелку и обеспечения необходимого давления нагнетания для преодоления сопротивления всего тракта установки, при этом в средней части пенного аппарата-испарителя горизонтально размещены одна или на расстоянии друг от друга несколько распределительных перфорированных решеток, которые разделяют аппарат на подрешеточную и надрешеточную зоны, распределительные перфорированные решетки имеют одно отверстие по оси испарителя или несколько равномерно распределенных по площади решеток отверстий, в которые вертикально вставлены трубки для подвода теплоносителя в подрешеточную зону, при этом нижний торец каждой трубки установлен на уровне нижней поверхности нижней решетки, при установке в решетки нескольких трубок в надрешеточной зоне эти трубки объединены в общий коллектор, который соединен с патрубком входа теплоносителя, теплоноситель и сточные воды, подлежащие утилизации, подаются в подрешеточную зону аппарата через патрубки входа теплоносителя и сточных вод, а на верхней решетке установлен порог для перелива неиспарившейся воды в подрешеточную зону по каналу, соединяющему надрешеточную и подрешеточную зоны.

2. Способ термического обезвреживания загрязненных промышленных и бытовых сточных вод, в том числе вредными веществами, характеризующийся тем, что испарение воды, выделение из сточных вод растворенных летучих компонентов осуществляется в пенном режиме в пенном аппарате-испарителе по п. 1, в который подается теплоноситель - газообразные продукты сгорания топлива при температуре 400-1200°С и сточные воды.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя могут быть использованы продукты сгорания углеводородного топлива.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя могут быть использованы отходящие газы промышленных производств, в том числе от двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что растворенные в сточных водах соли за счет перенасыщения их концентрации при испарении воды выпадают в осадок и совместно с твердыми частицами, содержащимися в сточной воде, отстаиваются в нижней части пенного аппарата-испарителя и периодически выводятся из аппарата на утилизацию.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в пенном аппарате-испарителе поддерживается заданный уровень жидкости.