СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПИРОЛИЗА КОММУНАЛЬНЫХ И ИНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2022 года по МПК B09B3/00 B09B5/00 F23G5/27 F23G5/08 

Изобретение относится к области переработки твердых коммунальных и прочих органических отходов, включая загрязненные утилизируемые материалы, биоматериалы, и, в частности, может быть использовано в области утилизации опасных и особо опасных органических и неорганических отходов с использованием СВЧ-энергии. Изобретение может быть использовано в области утилизации опасных и особо опасных органических и неорганических отходов, а также может применяться в области транспорта, включая автомобильный, водный и железнодорожный транспорт.

Проблема обезвреживания отходов и переработки твердых коммунальных и прочих органических отходов, включая загрязненные утилизируемые материалы, биоматериалы, существует уже долгое время и уже приобрела постоянно возрастающее значение вследствие все увеличивающегося количества отходов, как промышленных, так и из других источников.

Уровень техники

Одним из способов утилизации бытовых (коммунальных) отходов, пластмасс, шин и биологических отходов является пиролиз /газификация. В результате этого процесса образуются такие газы, как водород, монооксид углерода и углеводороды, которые затем могут сжигаться, или подаваться в двигатели внутреннего сгорания, соединенные с электрогенераторами. Это конкурентоспособное решение применяется при сжигании отходов в крупных мусоросжигательных печах.

Существует много технических решений для газификации отходов.

Известные технические решения установок пиролиза /газификации основаны на процессах совместного сгорания, в которых реактор частично сжигает газифицированные отходы и нагревает материал за счет энергии, полученной от сжигания, или процесс нагревания материала осуществляется контактным способом за счет теплопроводности стенок реактора. Такие способы нагрева газифицированного материала имеют ряд недостатков. Например, при совместном сжигании обычно используется газ с составом, содержащим большое количество углекислого газа, и поэтому состав этого газа не позволяет увеличить питание двигателей внутреннего сгорания. Поэтому часто получаемые таким образом газы смешиваются с чистым природным газом для того, чтобы обогатить смесь и получить лучшие энергетические параметры.

Известен контактный способ нагрева, основанный на теплопроводности стенок реактора характеризуется эффектом создания слоев мелкого кокса и шлака на внутренней поверхности реактора, что снижает теплопроводность стенок и замедляет скорость процесса нагрева. Кроме того, в этом процессе энергетическая эффективность нагрева газифицированного материала является низкой.

Известен способ нагрева материала в реакторе с помощью СВЧ-энергии (международная заявка WO2014184290A1, а также Европейский патент EP2997110). В этом способе материал перемешивается внутри барабана, выполненного из керамики, и нагревается микроволновым излучением от одного или нескольких СВЧ-генераторов. Этот метод позволяет получить пиролитический газ лучшего состава. Однако недостаток этого метода состоит в том, что вместе с газом из реактора в систему охлаждения газа поступают также тяжелые углеводородные фракции, сажа, что приводит к быстрому загрязнению труб и фильтров. Другой важной технической проблемой в этом решении является необходимость применения барабана, выполненного из керамики, размеры которого и вероятность растрескивания керамики ограничивают производительность процесса.

При применении способа пиролиза и газификации отходов образуются высокоэнергетические газы, содержащие такие горючие газы как водород, метан, монооксид углерода, а также сложные углеводороды, которые после охлаждения превращаются в смолистые вещества, а сажа осаждается. Эти вещества должны быть отделены от горючих газов (и от жидких углеводородных фракций, образующихся при пиролизе). Как правило, для этого используются специальные системы фильтров с применением термического крекинга и плазменных систем. Недостатком системы фильтров является их быстрое засорение поглощаемыми веществами и, как следствие, необходимость частой замены фильтров. Кроме того, использованные фильтры содержат вредные вещества и должны быть утилизированы как опасные отходы.

Для отделения водорода, метана, этана, пропана, бутана и других газов, используемых в качестве ценных источников энергии, используются методы фильтрации, мембранные методы и адсорбция с изменением давления. Фильтрация является самым старым методом, однако имеет большой недостаток: фильтры очень быстро расходуются и сложны для последующей утилизации побочных продуктов. Кроме того, эффективность работы фильтров во время работы снижается из-за засорения пылью и тяжелыми углеводородными фракциями, и смолистыми веществами.

Метод адсорбции с изменением давления, часто применяемый в настоящее время, характеризуется относительно высокой эффективностью. Однако этот способ дорог и сложен при эксплуатации оборудования в промышленных условиях. Кроме того, тяжелые фракции, адсорбированные на активных слоях, трудно удалить во время фазы очистки колонны. Этот метод также очень чувствителен к водяному пару, присутствующему в отходящих после газификации газах.

Еще одним из испытанных в настоящее время методов является метод мембранного разделения с высокой селективностью. Правильный подбор мембраны обеспечивает очень высокую эффективность (выше, чем для фильтров). Мембраны, также, как и фильтры изнашиваются, и представляют собой опасный побочный продукт, требующий дальнейшей особой утилизации. Присутствие соединений серы или летучих аминов, которые после процесса газификации в большом количестве попадают в поток отходящих газов, вызывает старение мембран, которые теряют свою эффективность. По причинам, изложенным выше, мембранные методы имеют ограниченное применение в промышленных условиях.

В свою очередь, методы термического крекинга требуют нагревания газов, содержащих смолистые вещества, для разложения сложных углеводородных веществ на простые соединения, такие как метан, этан, пропан, монооксид углерода и т. д. Одним из известных методов такого термического крекинга является плазменный метод, при котором происходит разложение сложных углеводородных веществ в газовой плазме при очень высоких температурах. Термические методы, в том числе плазменный, требуют больших затрат энергии и строительства специальных дорогостоящих установок. Эффективность очистки смолистого газа также ограничена из-за реакций DE NOVO (охлаждение газовой смеси вызывает неблагоприятные химические реакции и, как следствие, вновь самостоятельно синтезируются вредные вещества).

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является полная утилизация твердых коммунальных и прочих органических отходов, включая загрязненные утилизируемые материалы, биоматериалы.

Задача решается за счет способа пиролиза бытовых, органических и особо опасных органических и неорганических отходов. При осуществлении способа фрагментированные отходы в фракциях до диаметра 5 - 20 мм из резервуара вводят в питатель (1). Затем периодическим образом вводят в технологическую камеру реактора (2), в которой материал нагревают от горячих стенок реактора (2) и с помощью СВЧ- энергии, излучаемой в камере реактора (5) СВЧ-излучателями (6). При этом материал дополнительно нагревается до температуры от 600°С до 900°С, а образующиеся в результате термического разложения газы поступают в двухсекционный сепаратор (4), тяжелые углеводородные фракции и осажденную сажу удаляют и возвращают в технологическую камеру (5) ректора (2) с помощью ленточного конвейера (9), а оставшиеся очищенные газы направляют в двигатель (13) электрогенератора (14) или сжимают в емкостях.

В соответствии с частным случаем осуществления способа стенки сепаратора (4) охлаждают в двух секциях. Причем в первой секции (10) охлаждение осуществляют потоком воздуха, с помощью вентилятора, а во второй секции (11) водой, охлаждаемой теплообменником с замкнутой циркуляцией.

Кроме того, задача решается за счет того, что устройство для пиролиза бытовых, органических и особо опасных органических и неорганических отходов включает контейнер, дозатор, технологическую камеру, питатель (1), реактор (2), СВЧ-излучатели (6), подключенные к СВЧ-генераторам мощностью 3 кВт каждый, с частотой 2,45 ГГц, а так же/ или СВЧ-генераторам с частотой в диапазоне от 900 МГц до 4000 МГц, а так же циклон или мультициклон (15), скруббер (12) и двигатель (13), соединенный с электрогенератором (14). Реактор (2) включает камеру (5) с теплоизоляцией и встроенными на стенках СВЧ-излучателями (6), соединенными с СВЧ-генераторами и с мешалкой (7), которая размещена внутри камеры (5) реактора (2), сепаратор (4) со стенками, охлаждаемыми в двух секциях (10;11), трубу (8), расположенную в верхней части камеры (5) реактора (2), два или более ленточных конвейера (9).

В соответствии с частными случаями выполнения устройства мешалка (7) имеет форму вращающегося конуса. Кроме того, вращающийся конус выполнен из жаропрочной стали, предпочтительно со встроенными элементами из карбида кремния (SiC).

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1: Блок-схема системы;

Фиг. 2: Схема устройства;

Фиг. 3: Схема устройства по примеру 1;

Фиг. 4: Схема устройства по примеру 2;

Фиг. 5: Схема устройства по примеру 4.

Обозначение на рисунках: питатель (1), реактор (2), система СВЧ-нагревателей (3), сепаратор (4), камера реактора (5), СВЧ-излучатели (6), мешалка (7), труба сепаратора (8), ленточный конвейер (9), воздухо-охлаждаемая секция сепаратора (10), водоохлаждаемая секция сепаратора (11), скруббер (12), двигатель (13), электрогенератор (14), циклон/ мультициклон (15).

Технический результат заключается в том, что отходы коммунальные, медицинские, отходы из пластика, иные отходы на первом этапе измельчают до фракции Ø5-20 мм, высушивают и предварительно нагревают газами, поступающими из теплообменника. Затем отходы вводят через дозатор с помощью специального конвейера в рабочую камеру. Система дозирования, в качестве которой предпочтительно используют систему сотового дозатора или поршневую конвейерную систему с импульсным впрыском материала, сжимает порции материала для того, чтобы предотвратить попадание слишком большого количества воздуха в технологическую камеру вместе с газифицированным материалом. Этот материал внутри технологической камеры реактора предварительно нагревают с помощью стенок реактора и дополнительно нагревают внутри второй технологической камеры с помощью СВЧ-энергии до температуры в диапазоне 600-900°С, одновременно материал медленно перемещают по камере реактора используя ленточный конвейер или вибрационный конвейер с помощью толкающих стержней.

В конце первой технологической камеры, в ее нижней части, имеется отверстие, через которое твердые фракции, оставшиеся после газификации, высыпают в емкость, расположенную за пределами реактора, размер (объем), которой обычно составляет около 0,2 - 1 м3.

Материал (твердые фракции - карбонизат) удаляют в изолированные емкости (без воздуха или емкости, заполненные азотом). Горячие газы из второй технологической камеры возвращают в первую секцию камеры устройства разделения (сепаратор, в котором происходит последующая конденсация тяжелых углеводородных фракций на охлаждаемых стенках. В первой секции, обычно размещаемой в верхней части камеры сепаратора, стенки выполнены из керамики, которая хорошо проводит тепло (например, из карбида кремния), или из жаропрочной стали, и охлаждаются потоком холодного воздуха, поступающим из вентилятора. Затем газы направляют во вторую секцию со стенками, охлаждаемыми водой. Охлаждающая вода предпочтительно циркулирует в замкнутом контуре в теплообменнике вода-воздух, в котором она охлаждается, что позволяет снизить ее температуру примерно до 40-50 °С.

Жидкие углеводородные фракции и сажу осаждают во время охлаждения на стенках сепаратора и переносят обратно в технологическую камеру с помощью двух- или трехполосного конвейера. Эти фракции повторно вводят в зону высокой температуры, нагревают с помощью СВЧ-энергии до высокой температуры в диапазоне 600-900 °С, что приводит к дальнейшему разложению сложных углеводородов на простые углеводороды, водород, монооксид углерода и карбонизат.

Газы из камеры сепаратора, очищенные от тяжелых углеводородных фракций, направляют в циклон или мультициклон, в котором улавливается пыль, переносимая в потоке газа. Затем газы, предварительно обработанные в циклоне или мультициклоне, направляют в контейнеры, в которых размещены полки со слоями негашеной извести и активированным углем для поглощения серы, хлора и фтора. Затем, таким образом очищенный газ сжигают в горелке парогенератора, в нагревателе или они поступают в двигатель внутреннего сгорания, соединенный с электрогенератором.

СВЧ-излучатели излучают электромагнитные волны, типа E01 (TM01) и/или E02 (TM02), а расположенные рядом излучатели излучают поляризованные электромагнитные волны с взаимно перпендикулярными полярностями.

Для реализации этого способа используется устройство (фиг.1), включающее контейнер и дозатор, в котором размещен утилизируемый материал, питатель (1) который выполнен в виде продолговатой гильзы с поршнем, реактор (2), который состоит из камеры (5) с теплоизоляцией и СВЧ-излучатели (6), встроенные в стенки камеры, соединенные с СВЧ-генераторами мощностью 3 кВт каждый, с частотой 2,45 ГГц, а так же/ или СВЧ-генераторами с частотой в диапазоне от 900 МГц до 4000 МГц, и с мешалкой (7), расположенной в камере реактора (5), для удаления пиролитических газов через трубу (8), расположенную в верхней части камеры (5) реактора (2) газы поступают в сепаратор (4) со стенками, охлаждаемыми в двух секциях (10;11): в первой секции (10) холодным воздухом, а во второй секции (11) водой, при помощи двух или более ленточных конвейеров (9) внутри трубы (8), транспортирующей вещества, осевшие на внутренних стенках трубы (8), с возвратом обратно внутрь камеры (5) реактора (2). Газы, очищенные от тяжелых углеводородных фракций и шлама, направляют через циклон (или мультициклон) (15) в скруббер (12), и после удаления хлора, фтора и серы газы вводят в двигатель (13), соединенный с электрогенератором (14). СВЧ-излучатели (6) излучают электромагнитные волны, типа E01 (TM01) и/или E02 (TM02), а расположенные рядом излучатели излучают поляризованные электромагнитные волны с взаимно перпендикулярными полярностями.

1 пример осуществления способа согласно изобретению:

Утилизируемый материал из емкости дозатора подают в питатель (1). Материал из питателя (1) подают в реактор (2), в котором нагревают СВЧ-энергией, излучаемой тубовыми излучателями (3), соединенными с СВЧ-генераторами мощностью 3 кВт каждый, с частотой 2,45 ГГц. Утилизируемый материал нагревают во второй камере до температуры в диапазоне от 600 до 900 °С. В результате нагревания в атмосфере без кислорода, или с большим недостатком кислорода, материал разлагают и газифицируют. Удаляемые из камеры реактора (5) газы всасываются в сепаратор (4), включающий две секции (10;11) со стенками, охлаждаемыми холодным воздухом и водой (фиг.2).

На холодных стенках сепаратора (4), имеющего секции (10;11), смолистые фракции и сажа конденсируются из газов, которые, далее при помощи двойного ленточного конвейера (9) возвращают во вторую камеру (2), в которой за счет высокой температуры разлагают на простые углеводороды, окись углерода и водород (фиг.2). Газы, предварительно очищенные в сепараторе (4) от смолистых веществ и сажи, направляют в систему очистки (12), в которой поглощаются хлор, фтор и сера. Для этой цели применяют так называемый скруббер (12)- устройство, в котором поглощается хлор, фтор и сера соединениями кальция. Очищенные газы вводят в двигатель (13) внутреннего сгорания (например, бензиновый двигатель), приводящий в действие электрогенератор (14).

Твердые фракции (карбонизат) выгружают из камеры (5) реактора (2), и они поступают в резервуар (ёмкость для твердых частиц).

Например, при введении пластиковых отходов, раздробленных на частицы размером до 3-5 см, в резервуар, и введении этих отходов в первую камеру, и использовании 16 микроволновых генераторов мощностью 3 кВт каждый, в реакторе (2) может быть достигнута температура около 900°C. При производительности утилизации около 300 кг отходов в час, из таких отходов вырабатываются высокоэнергетические газы, которые после обработки позволяют получать до 350-400 кВт электроэнергии.

2 пример осуществления способа согласно изобретению:

Устройство (фиг. 3) состоит из камеры (5), в которую встроены СВЧ-излучатели (6). Измельченный утилизируемый материал вводят в камеру реактора (5) и перемещают с помощью толкателей. Пиролизные газы выделяются при нагреве материала СВЧ-волнами в диапазоне частот от 900 МГц до 4000 МГц внутри камеры (5) при температуре в диапазоне 650 - 900 °C, засасываются в трубу сепаратора (8), внутри которой расположен ленточный конвейер (9). На трубе (8) установлены две секции охлаждения: секция (10), охлаждаемая холодным воздухом, и секция (11), охлаждаемая холодной водой. В результате охлаждения трубы (8), тяжелые углеводородные фракции и сажа оседают на ее поверхности и возвращают в камеру (5) с помощью ленточного конвейера (9). Тяжелые углеводороды, вводимые в камеру (5), и сажу, нагретую до высокой температуры, дополнительно разлагают и газифицируют. Пиролизные газы после конденсации (отделения) тяжелых углеводородов по трубе (8) вводят в сепаратор, затем перемещают в циклон (15), а затем в систему очистки хлора, фтора, серы скруббера (12).

3 пример осуществления способа согласно изобретению:

Измельченный утилизируемый материал (коммунальные или другие отходы) вводят в камеру реактора (5), где установлены СВЧ-излучатели (6) (фиг.4). Этот материал нагревают с помощью СВЧ-энергии до температуры около 650-900 °C, разлагают и газифицируют. Утилизируемый материал перемещают внутри камеры реактора (5) с помощью мешалки (7). Пиролизные газы всасывают в трубу сепаратора (8), внутри которой размещен ленточный конвейер (9). Труба (8) охлаждается в секции (10) холодным воздухом и в секции (11) водой. В результате охлаждения поверхности трубы (8), тяжелые углеводороды и сажу накапливают на ее внутренней поверхности и возвращают в камеру (5) посредством ленточного конвейера (9), где в результате нагревания до высокой температуры разлагают и газифицируют. Очищенные от тяжелых углеводородов и сажи пиролизные газы направляют в двигатель (13) с электрогенератором (14).

4 пример осуществления способа согласно изобретению:

Измельченный утилизируемый материал вводится в камеру реактора (5), на которой установлены СВЧ-излучатели (6), а внутри камеры реактора (5), в результате производимого нагрева до температуры в диапазоне 650 - 900 °C, материал разлагают и газифицируют. Утилизируемый материал перемещают внутри камеры (5) с помощью мешалки (7), имеющей форму вращающегося конуса (фиг.5). Пиролизные газы, выделяющиеся в процессе нагревания, всасываются в трубу сепаратора (8), внутри которой расположен ленточный конвейер (9). Труба (8) охлаждается в секции (10) холодным воздухом, а в секции (11) водой. В результате охлаждения поверхности трубы (8) тяжелые углеводороды и сажа накапливаются на ее внутренней поверхности и возвращаются в камеру реактора (5) с помощью ленточного конвейера (9), где в результате нагревания до высокой температуры разлагаются и газифицируются. Очищенные пиролизные газы направляются в двигатель (13).

В примерах 2, 3, 4 система очистки газа от хлора, серы и фтора производится как описано в примере 1, а также двигатель (13) и электрогенератор (14), как в примере 1.

Группа изобретений относится к области переработки твердых коммунальных и прочих органических отходов, включая загрязненные утилизируемые материалы, биоматериалы, и, в частности, может быть использовано в области утилизации опасных и особо опасных органических и неорганических отходов с использованием СВЧ-энергии. Способ пиролиза отходов заключается в том, что фрагментированные отходы в фракциях до диаметра 5-20 мм из резервуара вводят в питатель. Затем отходы периодическим образом вводят в технологическую камеру реактора, в которой материал нагревают от горячих стенок реактора и с помощью СВЧ-энергии, излучаемой в камере реактора СВЧ-излучателями. При этом материал дополнительно нагревается до температуры от 600 до 900°С, а образующиеся в результате термического разложения газы поступают в двухсекционный сепаратор. Тяжелые углеводородные фракции и осажденную сажу удаляют и возвращают в технологическую камеру ректора с помощью ленточного конвейера, а оставшиеся очищенные газы направляют в двигатель электрогенератора или сжимают в емкостях. Достигаемый технический результат заключается в полной утилизации твердых коммунальных и прочих органических отходов, включая загрязненные утилизируемые материалы, биоматериалы. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 пр.

1. Способ пиролиза бытовых, органических и особо опасных органических и неорганических отходов, в котором фрагментированные отходы в фракциях до диаметра 5-20 мм из резервуара вводят в питатель (1), затем периодическим образом вводят в технологическую камеру реактора (2), в которой материал нагревают от горячих стенок реактора (2) и с помощью СВЧ-энергии, излучаемой в камере реактора (5) СВЧ-излучателями (6), отличающийся тем, что материал дополнительно нагревается до температуры от 600 до 900°С, а образующиеся в результате термического разложения газы поступают в двухсекционный сепаратор (4), тяжелые углеводородные фракции и осажденную сажу удаляют и возвращают в технологическую камеру (5) ректора (2) с помощью ленточного конвейера (9), а оставшиеся очищенные газы направляют в двигатель (13) электрогенератора (14) или сжимают в емкостях.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стенки сепаратора (4) охлаждают в двух секциях, причем в первой секции (10) охлаждение осуществляют потоком воздуха с помощью вентилятора, а во второй секции (11) водой, охлаждаемой теплообменником с замкнутой циркуляцией.

3. Устройство для пиролиза бытовых, органических и особо опасных органических и неорганических отходов, включающее контейнер, дозатор, технологическую камеру, питатель (1), реактор (2), СВЧ-излучатели (6), подключенные к СВЧ-генераторам мощностью 3 кВт каждый, с частотой 2,45 ГГц, а также/ или СВЧ-генераторам с частотой в диапазоне от 900 до 4000 МГц, а также циклон или мультициклон (15), скруббер (12) и двигатель (13), соединенный с электрогенератором (14), отличающееся тем, что реактор (2) включает камеру (5) с теплоизоляцией и встроенными на стенках СВЧ-излучателями (6), соединенными с СВЧ-генераторами и с мешалкой (7), которая размещена внутри камеры (5) реактора (2), сепаратор (4) со стенками, охлаждаемыми в двух секциях (10;11), трубу (8), расположенную в верхней части камеры (5) реактора (2), два или более ленточных конвейера (9).

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что мешалка (7) имеет форму вращающегося конуса.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что вращающийся конус выполнен из жаропрочной стали, предпочтительно со встроенными элементами из карбида кремния (SiC).