Способ совместной селективной переработки твердых отходов Российский патент 2024 года по МПК B09B3/00 F23G5/00 F27B1/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области термических методов обезвреживания отходов, в частности к области термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО) и твердых промышленных отходов (ТПО), в частности, к способу одновременная переработка бытовых, промышленных и других отходов различного происхождения и вещественного состава в едином многозональном технологическом аппарате единым теплоносителем и раздельным выводом целевых продуктов переработки из каждой зоны».

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время в мировой практике применяется более десятка технологий сжигания твердых бытовых отходов (ТБО)./ А.В. Гречко, В.М. Парецкий «Современные технологии термической переработки твердых бытовых отходов и сравнение их показателей», «Цветные металлы», 2006, №2, стр. 30-31.

Самой распространенной является технология сжигания в слоевой топке на колосниковых решетках. Сжигание отходов в топках с псевдосжиженном слоем широко распространено в Японии. В США работает технология по сжиганию отходов в циркулирующем псевдосжиженном слое.

Главным недостатком вышеперечисленных технологий является образование в отходящих газах полиароматических углеводородов (ПАУ) и диоксинов.

По технологиям сжигания ТБО на колосниковых решетках при температуре 800-900°С остается 25-30% вторичных твердых отходов, зараженных высокотоксичными веществами и требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме этого, при сжигании отходов при указанной температуре при медленном нагреве идет интенсивное образование диоксинов и ПАУ как в процессе сжигания отходов, так и в процессе, охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по переработке ТБО закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или переводятся на дорогостоящую систему очистки газов с помощью угольных фильтров и специальных катализаторов окисления окислов азота, ПАУ и диоксинов.

Технологии по сжиганию отходов в топках с псевдоожиженным слоем и в топках с циркулирующим псевдоожиженным слоем не решают проблему утилизации и обезвреживания твердых остатков - шлака, и особенно летучей золы.

Сжигание ТБО по технологии «Пиролиз и высокотемпературное сжигание» сложно в аппаратурном оформлении как на стадии пиролиза и сжигания отходов, так и на стадии газоочистки и поэтому вряд ли окупаемо.

Технология плавки отходов расплавом шлака (ПОРШ) при всей сложности системы газоочистки малоэффективна в смысле осаждения получаемых аэрозолей на сажевых образованиях и, следовательно, и очистки от диоксинов, т.е. не гарантирует необходимую экологическую обработку. Институтом «ГИНЦветМет» / Гречко А.В., Калнин Е.И., Денисов В.Ф. Печь Ванюкова и ее использование для решения проблемы твердых бытовых отходов // Металлы. - 1998. - N;6. - С.3-11 совместно с другими организациями разработана экологически чистая технология переработки твердых бытовых и промышленных отходов. Она базируется на плавке в расплаве шлака, продуваемом (барботируемом) газовыми струями. Для этой цели используются агрегаты типа печей Ванюкова (ПВ), получивших промышленное распространение на заводах цветной металлургии России и Казахстана, /прототип/.

Сущность технологии заключается в плавке отходов при условиях, обеспечивающих отсутствие высокотоксичных соединений (диоксинов, фуранов и др.) уже на выходе газопылевого потока из печи. По сравнению с существующими способами переработки ТБО (например, в печах-котлоагрегатах с колосниковыми решетками) имеет высокие температуры 1250-1400°С, окислительную среду окислительных. При этом отсутствуют восстановительные процессы. Кроме того, при создании большого количества кислорода в отходящих окислительных газах при переработке низкокалорийного сырья для создания высокотемпературного процесса потребуется использование чисто кислородного или обогащенного по кислороду дутьевого газа, что потребует дополнительных как капитальных, так и эксплуатационных затрат.Учитывая непостоянство состава ТПО, необходимо включение специальных подготовительных операций по подготовке сырья к переработке из-за отсутствия в указанных способах оперативных систем терморегулирования. Известен способ, в котором термическую обработку ведут по газлифтной технологии в циркулирующем расплаве шлака в специально выгороженных газлифтных камерах двузонной газлифтной печи. В первой окислительной зоне проводят обработку ТПО циркулирующим шлаком с интенсивным перемешиванием воздухом (вплоть до создания пеножидкостного состояния) Отстоявшийся в отстойной камере окислительной зоны шлак направляют в зону обработки в газлифтном режиме восстановительными газами. Отходящий газовый поток восстановительной зоны объединяют с отходящим окислительным газовым потоком окислительной зоны в газовом пространстве отстойной камеры окислительной зоны. Регулирование температуры процесса осуществляют электрическим током от поляризованных электродов, установленных в отстойных камерах окислительной и восстановительной. Такая обработка позволяет полностью обезвредить отходы с получением товарных форм только двух видов электроэнергии и металлофазы сложного состава в зависимости от вида перерабатываемых отходов, (коэффициент избытка окислителя а=1,05-1,2), определенную длительность пребывания газов (2-4 с и более), «термическую мгновенность» в процессе плавки. Последнее условие обеспечивается в печи ПВ благодаря специфической гидроаэродинамической обстановке в рабочем пространстве («барботажный эффект»).

Эта технология прошла крупномасштабные испытания на специально переоборудованной под этот вид перерабатываемого сырья (ТБО, БПО) установке ПВ на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе ГИНЦветМет.

Переработка ТПО в печах Ванюкова, однако, имеет ограничения по скоростям протекающих процессов вследствие использования сравнительно малоэффективных барботажных процессов и не позволяет получать шлак свободный от тяжелых металлов пригодный для использования, например, в производстве строительных материалов, так как эти печи предусматривают проведение только одного вида технологических процессов, в данном конкретном случае окислительных. При этом отсутствуют восстановительные процессы. Кроме того, при создании большого количества кислорода в отходящих окислительных газах при переработке низкокалорийного сырья для создания высокотемпературного процесса потребуется использование чисто кислородного или обогащенного по кислороду дутьевого газа, что потребует дополнительных как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Учитывая непостоянство состава ТБПО, необходимо включение специальных подготовительных операций по подготовке сырья к переработке из-за отсутствия в указанных способах оперативных систем терморегулирования.

Известен способ (RU 2563374 С2, опубл. 20.09.2015, прототип), в котором термическую обработку ведут по газлифтной технологии в циркулирующем расплаве шлака в специально выгороженных газлифтных камерах двузонной газлифтной печи. В первой окислительной зоне проводят обработку ТПО циркулирующим шлаком с интенсивным перемешиванием воздухом (вплоть до создания пеножидкостного состояния) Отстоявшийся в отстойной камере окислительной зоны шлак направляют в зону обработки в газлифтном режиме восстановительными газами. Отходящий газовый поток восстановительной зоны объединяют с отходящим окислительным газовым потоком окислительной зоны в газовом пространстве отстойной камеры окислительной зоны. Регулирование температуры процесса осуществляют электрическим током от поляризованных электродов, установленных в отстойных камерах окислительной и восстановительной. Такая обработка позволяет полностью обезвредить отходы с получением товарных форм только двух видов электроэнергии и металлофазы сложного состава в зависимости от вида перерабатываемых отходов.

Недостатком известного способа что он преследуют главным образом решение экологических проблем по утилизации коммунальных отходов и получения шлака, не содержащего тяжелых элементов, что позволяет использовать шлак как сырье для производства строительных материалов и как сырьевой компонент для производства цемента. Однако наряду с коммунальными отходами в процессе производственных процессах образуются отходы, содержащие драгоценные металлы (например, гальваностоки, электронный ломи т.д.), объединение которых в единую смесь металлов недопустимо, а отправление на переработку на специфические предприятия нерентабельно.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка способа переработки бытовых, промышленных и других отходов различного происхождения и вещественного состава (в том числе отходы, содержащие драгоценные металлы, например, гальваностоки, электронный лом и т.п.) с раздельным извлечением тяжелой металофазы и цветных металлов в едином комплексе переработки бытовых отходов с получением индивидуальных металлов без получения смеси металлов, переработка которой является довольно сложной задачей.

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащих цветные и драгоценные металлы, включает термическую обработку твердых бытовых отходов в расплаве шлака в печи, разделенной перегородкой на две зоны – окислительную и восстановительную, при этом в каждой зоне расположены разделенные перегородками плавильная, газлифтная и отстойная камеры, в плавильной и газлифтной камерах первой зоны осуществляют окислительную обработку отходов циркулирующим расплавом основного шлака с использованием газлифтной технологии с последующим отделением тяжелой металофазы, после окислительной обработки осуществляют извлечение цветных металлов из расплава основного шлака отстойной камеры первой зоны при помощи погружной газлифтной камеры с образованием единого расплава шлака и отдельным выводом смеси цветных металлов от основной металлофазы, осуществляют объединение единого расплава шлака первой зоны с расплавом шлака второй зоны с последующей обработкой восстановительными реагентами циркулирующего объединенного шлака в плавильной и газлифтной камерах второй зоны с использованием газлифтной технологии с последующим извлечением драгоценных металлов из восстановленного расплава шлака отстойной камеры второй зоны с использованием газлифтной технологии и отделением расплава единого шлака тяжелой металлофазы.

Осуществляют извлечение тяжелой металофазы из отстойной камеры первой зоны.

Осуществляют объединение единого расплава шлака первой зоны с расплавом шлака второй зоны с последующей обработкой восстановительными реагентами циркулирующего объединенного шлака в выгороженных плавильной и газлифтной камерах второй зоны с использованием газлифтной технологии с последующим извлечением драгоценных металлов из восстановленного расплава шлака отстойной камеры второй зоны с использованием газлифтной технологии и отделением от расплава единого шлака тяжелой металофазы.

Циркуляцию указанных расплавов шлака в указанных первой и второй зонах с использованием газлифтной технологии осуществляют при помощи реакционного (кислород, легкокипящие хлориды и др. газы, позволяющие удалить из шлака углеродсодержащие компоненты) или нейтрального (азот, аргон, гелий и др.) газов.

После извлечения цветных и драгоценных металлов расплавы единых шлаков возвращают в отстойные камеры соответствующих зон.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленный способ имеет два варианта осуществления. В соответствии с первым вариантом осуществления способа переработку ТБО и ТПО ведут в печи, содержащей одну, содержащую плавильную, газлифтную и отстойную камеры, разделенные перегородкам.

В соответствии с первым вариантом осуществления, способ селективной переработки твердых бытовых и промышленных отходов осуществляют следующим образом.

В предварительно разогретую печь, через загрузочное окно плавильной камеры загружают сначала расчетное количество расплава тяжелой фазы (на основе железа), а затем расплава основного шлака. Загружаемые расплавы тяжелой фазы и основного шлака должны соответствовать составам, образующимся в процессе плавки шихты. После заполнения печи включают ее обогрев за счет тепла, генерируемого электродами, расположенными в отстойной камере, и подачу дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, расположенные в расплаве основного шлака газлифтной камеры.

При этом начинается циркуляция основного шлака через газлифтную камеру, в которой происходит отбор основного шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, с последующим образованием в слое расплава основного шлака пеножидкостной фазы, которая за счет образованного потока дутьевых газов из газлифтной камеры поступает в газоотделительную камеру, расположенную над плавильной камерой, где пеножидкостная фаза расслаивается на газообразную и жидкую фазы. Газообразная фаза через газоход для удаления газов, расположенный над плавильной камерой, удаляется из печи на газоочистку, а жидкая фаза поступает в слой расплава основного шлака в плавильной камере с загрузочным окном. Исключение направленного потока отходящих газов в отстойную камеру, с установленными в ней электродами, достигают за счет установки отбойной перегородки.

При выходе печи на рабочие температурные параметры начинают подачу твердых отходов на термическую обработку через загрузочное окно плавильной камеры и регулирование температурного режима работы печи за счет тепла, генерируемого электродами, расположенными в отстойной камере. Через загрузочное окно можно осуществлять подачу бытовых, промышленных и других отходов различного происхождения и вещественного состава как отдельно поочереден, так и в смеси по крайней мере двух различных видов твердых отходов. В плавильной камере происходит плавление твердых бытовых отходов за счет тепла перегретого расплава основного шлака и направление образованного вновь шлака совместно с циркулирующим основного шлаком в газлифтную камеру для обработки дутьевыми газами, где под действием кислорода воздуха с а≥1,05 окисляются до элементарных соединений без образования сажистых продуктов и сложных полиароматических соединений и соединений диоксинового ряда. Далее основной шлак поступает в отстойную камеру, в которой осуществляют извлечение цветных металлов из основного при помощи погружной газлифтной камеры первой зоны. В погружной газлифтной камере первой зоны происходит отбор перегретого основого шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, образовавшаяся за счет перегретого отстоявшегося шлакового расплава эмульсия в замкнутом объеме погружной газлифтной камеры разделяется на металофазу, содержащую цветные металлы, и шлак, не содержащий цветные металлы, далее указанный шлак поступает обратно в отстойную камеру и смешивается с основным шлаком с образованием единого шлака, а металофаза, содержащая цветные металлы, удаляется из погружной газлифтной камеры. Далее происходит отделение от единый шлака тяжелой металофазы.

Избыточный единый шлак максимально очищенный от металлофазы удаляют через канал слива избыточного шлака. Избыточная тяжелая металлофаза, максимально очищенная от шлака, удаляется через затвор в стенке печи.

В соответствии со вторым вариантом осуществления способа переработку ТБО и ТПО ведут в печи, содержащей по крайней мере в двух зонах, разделенные перегородками. При этом в каждой зоне расположена плавильная, газлифтная и отстойная камеры, разделенные перегородками. Данный вариант способа осуществляют при переработке отходов, содержащих драгоценные металлы.

В соответствии со вторым вариантом осуществления (на примере двух зон), способ селективной переработки твердых бытовых и промышленных отходов осуществляют следующим образом.

В предварительно разогретую печь, через загрузочное окно плавильной камеры первой зоны загружают сначала расчетное количество расплава тяжелой фазы (на основе железа), а затем расплава основного шлака. Загружаемые расплавы тяжелой фазы и основного шлака должны соответствовать составам, образующимся в процессе плавки шихты. После заполнения печи включают ее обогрев за счет тепла, генерируемого электродами, расположенными в отстойных камерах первой и второй зон, и подачу дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, расположенные в расплаве основного шлака газлифтных камер первой и второй зон.

При этом начинается циркуляция основного шлака через газлифтную камеру первой зоны, в которой происходит отбор шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, с последующим образованием в слое расплава основного шлака пеножидкостной фазы, которая за счет образованного потока дутьевых газов из газлифтной камеры первой зоны поступает в газоотделительную камеру первой зоны, расположенную над плавильной камерой первой зоны, где пеножидкостная фаза расслаивается на газообразную и жидкую фазы. Газообразная фаза через газоход для удаления газов, расположенный над плавильной камерой первой зоны, удаляется из печи на газоочистку, а жидкая фаза поступает в слой расплава основного шлака в плавильной камере с загрузочным окном первой зоны. Исключение направленного потока отходящих газов в отстойную камеру, с установленными в ней электродами, достигают за счет установки отбойной перегородки.

При выходе печи на рабочие температурные параметры начинают подачу твердых отходов на термическую обработку через загрузочное окно плавильной камеры первой зоны и регулирование температурного режима работы печи за счет тепла, генерируемого электродами, расположенными в отстойных камерах первой и второй зон. Через загрузочное окно можно осуществлять подачу бытовых, промышленных и других отходов различного происхождения и вещественного состава как отдельно поочереден, так и в смеси по крайней мере двух различных видов твердых отходов. В плавильной камере первой зоны происходит плавление твердых бытовых отходов за счет тепла перегретого расплава основного шлака и направление образованного вновь шлака совместно с циркулирующим основным шлаком в газлифтную камеру первой зоны для обработки дутьевыми газами, где под действием кислорода воздуха с а>1,05 окисляются до элементарных соединений без образования сажистых продуктов и сложных полиароматических соединений и соединений диоксинового ряда. Далее основной шлак поступает в отстойную камеру первой зоны, в которой осуществляют извлечение цветных металлов при помощи погружных газлифтных камер первой зоны. В погружной газлифтной камере первой зоны происходит отбор перегретого основного шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, образовавшаяся за счет перегретого основного шлакового расплава эмульсия в замкнутом объеме погружной газлифтной камеры первой зоны разделяется на металофазу, содержащую цветные металлы, и шлак, не содержащий цветные металлы, далее указанный шлак поступает обратно в отстойную камеру и смешивается с основным шлаком с образованием единого шлака первой зоны, а металофаза, содержащая цветные металлы, удаляется через затвор погружной газлифтной камеры первой зоны.

Далее единый шлак из отстойной зоны первой зоны поступает плавильную камеру второй зоны. Во второй зоне осуществляется циркуляция объединенного шлака (шлака из первой зоны и шлака из второй зоны) через газлифтную камеру второй зоны, в которой происходит отбор объединенного шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, с последующим образованием в слое расплава шлака пеножидкостной фазы, которая за счет образованного потока дутьевых газов из газлифтной камеры второй зоны поступает в газоотделительную камеру второй зоны, расположенную над плавильной камерой второй зоны, где пеножидкостная фаза расслаивается на газообразную и жидкую фазы. Газообразная фаза через газоход для удаления газов, расположенный над отстойной камерой первой зоны, удаляется из печи на газоочистку, а жидкая фаза поступает в слой расплава шлака в плавильной камере с загрузочным окном первой зоны. В процессе циркуляции объеденного шлака осуществляют подачу восстановительного реагента (например, уголь) через загрузочное окно, расположенное в плавильной камере второй зоны, в результате чего происходит обработка циркулирующего объединенного газа восстановительным реагентом, в результате которой окисленные формы отходов переходят в металлическую форму.

Далее восстановленный шлак поступает в отстойную камеру второй зоны, в которой осуществляют извлечение драгоценных металлов при помощи погружной газлифтной камеры второй зоны. В погружной газлифтной камере происходит отбор восстановленного перегретого шлака при помощи подачи дутьевых газов (реакционных или нейтральных) через фурмы, образовавшаяся за счет перегретого восстановленного шлакового расплава эмульсия в замкнутом объеме погружной газлифтной камеры разделяется на металофазу, содержащую драгоценные металлы, и шлак, не содержащий драгоценные металлы, далее указанный шлак поступает обратно в отстойную камеру второй зоны и смешивается с восстановленным шлаком с образованием единого шлака второй зоны, а металофаза, содержащая драгоценные металлы, удаляется из погружной газлифтной камеры.

Далее происходит отделение от единый шлака второй зоны тяжелой металофазы.

Избыточный шлак максимально очищенный от металлофазы удаляют через канал слива избыточного шлака. Избыточная тяжелая металлофаза, максимально очищенная от шлака, удаляется через затвор в стенке печи.

Таким образом, заявленное изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет извлечь их перерабатываемых отходов цветные и драгоценные металлы без получения смеси металлов.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области термических методов обезвреживания отходов, в частности к области термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО) и твердых промышленных отходов (ТПО). Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств. Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащих цветные и драгоценные металлы, включает термическую обработку твердых бытовых отходов в расплаве шлака в печи, разделенной перегородкой на две зоны - окислительную и восстановительную. В каждой зоне расположены разделенные перегородками плавильная, газлифтная и отстойная камеры. В плавильной и газлифтной камерах первой зоны осуществляют окислительную обработку отходов циркулирующим расплавом основного шлака с использованием газлифтной технологии с последующим отделением тяжелой металофазы. После окислительной обработки осуществляют извлечение цветных металлов из расплава основного шлака отстойной камеры первой зоны при помощи погружной газлифтной камеры с образованием единого расплава шлака и отдельным выводом смеси цветных металлов от основной металлофазы. Осуществляют объединение единого расплава шлака первой зоны с расплавом шлака второй зоны с последующей обработкой восстановительными реагентами циркулирующего объединенного шлака в плавильной и газлифтной камерах второй зоны с использованием газлифтной технологии с последующим извлечением драгоценных металлов из восстановленного расплава шлака отстойной камеры второй зоны с использованием газлифтной технологии и отделением расплава единого шлака тяжелой металлофазы.

Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащих цветные и драгоценные металлы, включающий термическую обработку твердых бытовых отходов в расплаве шлака в печи, разделенной перегородкой на две зоны - окислительную и восстановительную, при этом в каждой зоне расположены разделенные перегородками плавильная, газлифтная и отстойная камеры, в плавильной и газлифтной камерах первой зоны осуществляют окислительную обработку отходов циркулирующим расплавом основного шлака с использованием газлифтной технологии с последующим отделением тяжелой металофазы, после окислительной обработки осуществляют извлечение цветных металлов из расплава основного шлака отстойной камеры первой зоны при помощи погружной газлифтной камеры с образованием единого расплава шлака и отдельным выводом смеси цветных металлов от основной металлофазы осуществляют объединение единого расплава шлака первой зоны с расплавом шлака второй зоны с последующей обработкой восстановительными реагентами циркулирующего объединенного шлака в плавильной и газлифтной камерах второй зоны с использованием газлифтной технологии с последующим извлечением драгоценных металлов из восстановленного расплава шлака отстойной камеры второй зоны с использованием газлифтной технологии и отделением расплава единого шлака тяжелой металлофазы.