Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов

СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ(56) Агрегат плавильный многоцелевой и его применение. Проект Магма. Челябинск,Технология металлов, промышленная компания,2008, с. 4-11, 23, 25 Изобретение относится к области утилизации и переработки твердых бытовых, промышленных,медицинских и других отходов, их обезвреживания и вторичного использования продуктов переработки. Сущность изобретения заключается в том, что сушку и нагрев отходов производят в плавильной печи под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных материалов, конечную стадию - в шлаковом расплаве. В качестве шлакообразующих материалов используют смесь в составе, об.%: базальт - 55-45,шунгит - 20-30, известняк - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Загрузку отходов и шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности "отходы шлакообразующие материалы" при следующем соотношении объемов слов: VШМ:VТБО=1:5-1:11. Изобретение обеспечивает высокопроизводительную непрерывную переработку отходов при их глубокой деструктуризации и экологической безопасности технологического процесса. Грачев Владимир Александрович,Розен Андрей Евгеньевич, Кирин Евгений Михайлович, Воробьев Евгений Викторович, Усатый Сергей Геннадьевич, Розен Андрей Андреевич (RU) Симакина Ольга Васильевна (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ ИНЖЕНЕРНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР Изобретение относится к области утилизации и переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО), их обезвреживания и вторичного использования газообразных, твердых и иных продуктов переработки для различных целей, точнее - к способам переработки отходов методом термохимического пиролиза, считающегося наиболее эффективным и универсальным способом переработки отходов. Перерабатываемыми материалами могут являться медицинские отходы, промышленные отходы,включая пластики, краски, ветошь, древесные опилки и т.д.; отходы очистных городских станций и другие материалы. Известны контейнерные способы переработки ТБО, разработанные многими зарубежными и отечественными фирмами - ATI INCINERATEURS MULLER (Франция), ЗАО "ТУРМАЛИН" (Россия), ООО Ин-Тех-Синтез (Россия) и другие [1-3]. Установки, называемые инсинераторами, как правило, состоят из камеры пиролитического сжигания ТБО, камеры дожигания пиролизных синтез-газов, вентилятора для подачи воздуха в горелки, системы очистки отходящих газов, рекуператора для утилизации выделяющегося тепла, емкости для жидкого дизельного топлива, системы управления процессом переработки ТБО и других вспомогательных устройств. Инсинераторы производятся в стационарном и мобильном исполнениях. Главным недостатком контейнерного способа переработки ТБО является периодичность технологического процесса, низкая производительность (от 5 до 100 кг/ч), большая трудоемкость погрузочноразгрузочных работ, необходимость использования для проведения процесса пиролиза дефицитного и дорогостоящего дизельного топлива, невозможность широкомасштабной утилизации тепла отходящих газов для производства, например, тепла, пара, электрической энергии и т.д. Известен также способ переработки ТБО [4] микроволновым излучением. В способе используется реактор, оборудованный генератором для получения микроволнового излучения. В реакторе размещается пиролизная камера, стенки которой выполнены из материала, не чувствительного к микроволновому излучению. Перед пиролизом ТБО на дно пиролизной камеры помещают порошкообразный материал,содержащий углерод, после чего на слой порошка загружают отходы. После включения микроволнового генератора порошкообразный материал разогревается за счет образования в слое индукционных токов до температуры около 400. При этом отходы возгораются и начинается процесс их пиролиза, который развивается за счет экзотермических реакций разложения материала и дополнительного тепла раскаленного слоя порошкообразного материала. Описанный способ имеет недостатки, аналогичные вышеупомянутым инсинераторам. Известен способ утилизации ТБО по патенту 2230093 [5], согласно которому после сортировки и прессования отходы смешивают с вязкотекучими жидкими продуктами коксохимического производства в соотношении 1:1 и полученную смесь вместе с угольной шихтой подают в коксовую печь для получения металлургического кокса. Изобретение позволяет комплексно утилизировать ТБО и вязкие отходы коксохимического производства, получить качественный кокс и химические продукты. Недостатком известного способа является большая трудоемкость смешивания ТБО и вязких отходов и подготовки шихты, содержащей ТБО. Способ экономически неэффективен. Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов по патенту 2213908[6], включающий сортировку, измельчение, смешивание отходов с флюсом, прессование смеси в цилиндрические пакеты, загрузку пакетов в реактор (газовую печь), где ТБО подвергаются сжиганию и пиролизу. Пиролиз отходов ведут при давлении 0,08-0,095 МПа, 15-30% пиролизного газа используют для отопления реактора, остальную часть газа - для получения электроэнергии. Недостатками известного способа являются значительная трудоемкость подготовки ТБО к пиролизу, повышенное давление в печи из-за плотной загрузки пакетов, значительный расход топлива на сушку ТБО, нерациональная конструкция реактора и др. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ переработки ТБО в плавильной многоцелевой печи "Магма" [7]. Способ заключается в следующем: твердые бытовые и промышленные отходы измельчают, смешивают с твердыми минеральными шлакообразующими материалами (флюсом), сушат в среде нагретого газообразного азота и подают в плавильную камеру печи. В плавильной камере отходы сжигаются в атмосфере кислорода, подаваемого в печное пространство плавильной камеры. ТБО сгорают с образованием продуктов сгорания с температурой до 1900 С. Минеральная часть отходов и флюс, добавляемый в отходы, расплавляются с образованием жидкого шлака, накапливающегося в нижней части плавильной камеры. Металл, имеющийся в отходах,также расплавляется. Конечными продуктами переработки ТБО являются жидкий шлак, металлический расплав, синтез-газ. Печь "Магма" снабжена котлом-утилизатором, системой газоочистки и системой охлаждения корпуса плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем. Способ переработки ТБО, взятый за прототип, имеет следующие недостатки: большая трудоемкость подготовительных работ (измельчение ТБО, сушка, смешивание с флюсом,нагрев газообразного азота для сушки, транспортировка ТБО в плавильную камеру, производство кислорода на кислородной станции и т.д.); отсутствие процесса пиролиза отходов, так как производится полное сжигание отходов в среде чистого кислорода, что влечет за собой образование вредных соединений ( фуранов и диоксинов); нарушение теплотехнических закономерностей в плавильной камере печи (отсутствие перегрева шлакового и металлического расплавов, отсутствие противопотока горячих газов и расплава, неравномерный подвод тепла в печь, низкая температура в нижней части камеры из-за отсутствия горячих газов и интенсивного охлаждения корпуса печи и др.), что может привести к "замораживанию" шлакового и металлического расплавов и образованию трудноудаляемого настыля; невозможность утилизации из ТБО металла в виде металлического расплава, так как в среде чистого кислорода и при высоких температурах согласно физико-химическим законам произойдет полное окисление всех элементов металла и переход их в шлак; необходимость использования для процесса переработки ТБО чистого кислорода, что значительно повышает энергетические и финансовые затраты; возможность выдувания ТБО из плавильной печи потоком продуктов сгорания и скапливание их в котле-утилизаторе и трубопроводах. Из перечисленных недостатков главным недостатком является переработка ТБО путем их сжигания в среде чистого кислорода. Сжигание отходов само по себе, как правило, не дает эффективного результата уничтожения по следующим причинам: вредные и опасные вещества не разлагаются, не деструктурируются в менее опасные, а переходят в газообразную фазу; при сжигании отходов могут образовываться новые вредные соединения, например диоксины, фураны и др.; продукты сгорания отходов, как правило, являются негорючими, в связи с чем не могут быть использованы как альтернативное топливо. Предлагаемое изобретение направлено на разработку такого способа переработки твердых бытовых и промышленных отходов, который обеспечивал бы высокотемпературный и высокоскоростной пиролиз с глубокой деструкцией перерабатываемых отходов при высокой производительности и непрерывности процесса, высокой экологической безопасности и простоты осуществления. Задача решена тем, что в способе переработки бытовых и промышленных отходов, включающем загрузку отходов совместно с твердыми минеральными шлакообразующими материалами в плавильную печь, сушку, нагрев, пиролиз отходов с образованием синтез-газа, утилизацию синтез-газа, плавление минеральных материалов и получение жидких продуктов переработки, загрузку отходов и минеральных шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности "отходы - шлакообразующие материалы", при этом сушку и нагрев отходов производят в газовой вагранке под слоем твердых кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550 С, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных и ошлакованных упомянутых материалов при температуре 600-700 С, а конечную стадию - путем растворения продуктов пиролиза в шлаковом расплаве при температуре 13001400 С, после чего шлаковый расплав перегревают до температуры 1450-1500 С путем фильтрации его через слой нагретой до температуры 1670-1700 С огнеупорно-углеродистой насадки и полученный многокомпонентный расплав используют для производства товарной продукции. В качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45; шунгит природный - 2030; известняк природный - 35; бой силикатного и красного кирпича - остальное. Послойную загрузку минеральных кусковых шлакообразующих материалов и отходов производят при соотношении объемов слоев VШМ:VТБО=1:5-1:11. Предлагаемый способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов иллюстрируется чертежом, где изображена плавильная печь в продольном разрезе, в которой реализуется предлагаемый способ. Технологическим топливом в предлагаемом способе переработки ТБО является природный газ. Возможно использование жидкого топлива, например мазута. Природный газ может использоваться в смеси с синтез-газом, образующимся во время пиролиза отходов. Не исключается отопление печи только синтез-газом. Печь состоит из горна 1 с огнеупорно-углеродистой насадкой 2, шахты 3, шлюзового узла загрузки 4 отходов, кусковых минеральных веществ и насадочных материалов, узла отвода 5 синтез-газа,узла 6 газовых горелок и желоба 7 для выпуска жидких продуктов переработки. Огнеупорноуглеродистая насадка служит для перегрева шлакового расплава и состоит из 80% шамотного огнеупорного кирпича и 20% углеродсодержащего электродного боя. Природный газ сжигается в пространстве между кусками огнеупорно-углеродистой насадки. Горн 1 и шахта 3 печи выполнены в виде ватержакета, куда подают охлаждающую воду. Предлагаемый способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов осуществляют следующим образом. Перед запуском печи производят проверку работоспособности оборудования, состояния топливных магистралей и контрольно-измерительной аппаратуры. Затем разжигают газовые горелки,постепенно начинают разогрев печи до температуры 1000-1200 С и устанавливают оптимальные режимы горения топлива. Далее в вагранку через шлюзовый узел 4 производят загрузку материалов огнеупорноуглеродистой насадки 2 и разогревают ее до 1450-1550 С. Затем начинают послойную загрузку сначала ТБО, а затем смеси кусковых минеральных шлакообразующих материалов (ШМ). Слои отходов 8 чере-2 020576 дуют со слоями шлакообразующих материалов 9, при этом кусковые шлакообразующие материалы всегда загружаются поверх слоя отходов. В качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный 55-45, шунгит природный - 20-30, известняк природный - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Размер кусков шлакообразующих материалов в поперечнике целесообразно выдерживать в пределах 80-150 мм. Соотношение объемов слоев шлакообразующих минеральных материалов и твердых бытовых и промышленных отходов выдерживают в пределах 1:5-1:11. Сжигание технологического газа производят с коэффициентом расхода воздуха равным 0,9-0,98(коэффициент расхода воздуха - это отношение практического расхода воздуха к стехиометрическому). При коэффициенте 1,00 происходит неполное горение газа, и продукты сгорания газа становятся менее окислительными. Такой режим горения топлива необходим для того, чтобы в продуктах сгорания газа не содержался свободный кислород и не развивался процесс горения перерабатываемых отходов. После загрузки ТБО и ШМ в шахте печи происходят следующие процессы. В зоне III под слоем шлакообразующих материалов происходят сушка и нагрев отходов до температуры около 500-550 С. В зоне IV при температуре 600-700 С наблюдается начальная стадия пиролиза и развиваются термохимические реакции разложения ТБО. Шлакообразующие материалы также нагреваются до температуры 600700 С, размягчаются и частично оплавляются. В зоне V процесс пиролиза отходов продолжается и при температуре 800-1200 С достигает максимального развития, при этом пиролиз идет под слоем оплавленных и ошлакованных минералов. Объем ТБО значительно уменьшается. В результате пиролиза отходов образуются жидкие и твердые продукты переработки, которые движутся вместе со всеми материалами в горн вагранки. Реакции разложения отходов являются экзотермическими, тепло этих реакций расходуется на развитие процесса пиролиза и повышение температуры в шахте. В зоне VI термохимические реакции пиролиза имеют наибольшую скорость и устойчивость. К концу этой зоны весь объем отходов деструктурируется. Объем и вес остатков отходов в конце пиролизной переработки составляет 5-10% от первоначального. В зоне VII при температуре 1300-1400 С шлакообразующие материалы окончательно расплавляются и образуют шлаковый расплав, в котором растворяются продукты пиролизной переработки отходов. После этого шлаковый расплав с растворенными в нем продуктами переработки ТБО поступает в огнеупорно-углеродистую насадку 2 печи (зона VIII), где при температуре 1670-1700 С процесс пиролиза отходов заканчивается, многокомпонентный шлаковый расплав перегревается, а затем по желобу 7 выпускается из печи и направляется для изготовления деталей каменного литья (трубы, желоба, кровельная черепица, основания, противовесы и т.д.), для производства минеральной теплоизоляционной шлаковаты, строительного щебня и других изделий. В процессе пиролиза выделяется синтез-газ, который удаляется через узел отвода 5 и направляется либо в систему отопления печи и других агрегатов, либо в котел-утилизатор для рекуперации тепла. Плавильная печь для переработки ТБО оборудуется стандартной системой очистки отходящих газов (на фигуре не показана). По сравнению с прототипом предлагаемый способ переработки ТБО содержит следующие новые технологические приемы, являющиеся существенными признаками новизны: сушку и нагрев отходов производят под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550 С, что обеспечивает аккумуляцию тепла, рациональное его расходование на сушку и нагрев отходов и исключает выдувание отходов в узел загрузки и трубопроводы отвода синтез-газа; начальную стадию пиролиза отходов производят под слоем оплавленных и ошлакованных минеральных материалов при температуре 600-700 С, что обеспечивает герметизацию слоя отходов и активное протекание термохимических реакций пиролиза без присутствия кислорода и горения отходов; конечную стадию пиролиза производят в шлаковом расплаве при температуре 1300-1400 С, что обеспечивает полную деструктуризацию отходов, их экологическую безопасность и растворение продуктов переработки в шлаковом расплаве; шлаковый расплав пропускают через слой нагретой до 1670-1700 С огнеупорно-углеродистой насадки, что обеспечивает окончательный пиролиз наиболее стойких соединений и высокую температуру шлакового расплава, необходимую для производства товарной продукции; в качестве шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45, шунгит природный - 20-30; известняк природный - 3-5, бой силикатного и красного кирпича - остальное. Приведенный состав смеси является оптимальным, так как обеспечивает максимальную жидкотекучесть шлакового расплава, минимальную стоимость, низкую температуру плавления и, следовательно, минимальные затраты тепла на получение расплава; загрузку отходов и шлакообразующих кусковых материалов производят послойно в последовательности "отходы - шлакообразующие материалы", что обеспечивает непрерывность процесса пиролиза в слоях, герметизацию слоев отходов, возможность проведения пиролиза без доступа свободного кислорода и устранение выдувания отходов в верхнюю часть вагранки; соотношение объемов слоев шлакообразующих материалов и отходов выдерживают в пределахVШМ:VТБО=1:5-1:11, что обеспечивает одинаковую толщину слоев в зоне плавления вагранки в связи со значительным уменьшением объема отходов в процессе пиролиза. Это обстоятельство, в свою очередь,позволяет равномерно и рационально распределить тепло по слоям материалов. Предлагаемое изобретение обеспечивает следующий положительный эффект: повышение производительности пиролиза, что обеспечивается повышением скорости сушки и нагрева отходов, высокой температурой в вагранке, увеличением скорости термохимических реакций пиролиза, интенсификацией теплообменных процессов в печи. Предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности на 5-7% по сравнению с прототипом и на 20-30% по сравнению с контейнерным способом пиролизной переработки отходов за счет непрерывности процесса пиролиза в вагранке. Удельная производительность вагранки также возрастает до 3-4 т ТБО на 1 м 2 сечения печи в час. повышение степени переработки отходов за счет организации высокотемпературного многостадийного пиролиза отходов, глубокой деструкции отходов и интенсификации термохимических процессов по всему объему перерабатываемых отходов и по всей высоте шахты печи. Степень переработки ТБО достигает 95-98%; повышение экологической безопасности выбросов в атмосферу, достигаемое за счет глубокого высокотемпературного и высокоскоростного пиролиза отходов и последующего дожигания отходящих газов. В результате такой обработки отходов токсичные вещества деструктурируются в менее или полностью безопасные соединения, а высокая скорость процесса предотвращает образование диоксинов и фуранов; снижение трудоемкости подготовительных операций переработки отходов. В предлагаемом способе все подготовительные операции производятся непосредственно в печи в автомодельном режиме. Затраты на подготовительные операции снижаются на 20-30%; технико-экономическая эффективность и окупаемость затрат на переработку ТБО за счет снижения затрат на технологический процесс, сокращения числа операций, использования продуктов переработки в качестве источников тепловой и иной энергии и материала для изготовления товарной продукции. Затраты на переработку ТБО снижаются по сравнению с прототипом на 30-40%; непрерывность процесса переработки ТБО и простота осуществления без применения азота и кислорода, дорогостоящих систем охлаждения. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает высокопроизводительную пиролизную переработку ТБО при непрерывности и простоте технологического процесса, минимальных трудозатратах на подготовительные работы, обеспечении экологической безопасности и экономической целесообразности. Источники информации. 1. Мобильные пиролизные инсинераторы "Мюллер" для сжигания опасных отходов С.Р.М. ATI INCINERATEURS MULLER (France) - дистрибьютер фирма "ELVECO GROUP" (Россия). - М.: 2008 г. 2. Термическое уничтожение (обезвреживание) отходов. Технологии и оборудование. Инсинераторы серии ИН-50 для термического уничтожения медицинских и биоорганических отходов. ЗАО "ТУРМАЛИН". - Санкт-Петербург, 2008 г. 3. Технология термохимической деструктивной переработки твердого топлива. Самарская обл. ООО "Интех-синтез". г. Тольятти, 2008 г. 4. Патент РФ 2080994 "Способ пиролиза отходов и устройство для его осуществления", дата приоритета 26.07.1991, опубл. 10.06.1997. 5. Патент РФ 2230093 "Способ утилизации твердых бытовых и промышленных отходов", МПК С 10 В 57/06, дата приоритета 11.11.2002 (26.07.1991), опубл. 10.06.2004. 6. Патент РФ 2213908 "Способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов", МПКF23G 5/00, опубл. 10.10.2003. 7. Реклама промышленной компании "Технология металлов" - агрегат "Магма" и его применение. Челябинск, 2008 г. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ переработки бытовых и промышленных отходов, включающий загрузку отходов совместно с твердыми минеральными шлакообразующими материалами в плавильную печь, сушку, нагрев,пиролиз отходов с образованием синтез-газа, утилизацию синтез-газа, плавление минеральных материалов и получение жидких продуктов переработки, отличающийся тем, что загрузку отходов и минеральных шлакообразующих материалов производят послойно в последовательности "отходы - шлакообразующие материалы", при этом сушку и нагрев отходов производят под слоем кусковых минеральных шлакообразующих материалов при температуре 500-550 С, начальную стадию пиролиза - под слоем оплавленных и ошлакованных упомянутых материалов при температуре 600-700 С, а конечную стадию путем растворения продуктов пиролиза в шлаковом расплаве при температуре 1300-1400 С, после чего шлаковый расплав перегревают до температуры 1450-1500 С путем фильтрации его через слой нагретой до температуры 1670-1700 С огнеупорно-углеродистой насадки и полученный жидкий многокомпонентный расплав используют для производства товарной продукции. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральных шлакообразующих материалов используют смесь природных минералов и боя строительных материалов при следующем соотношении компонентов (об.%): базальт природный - 55-45; шунгит природный - 20-30; известняк природный - 3-5; бой силикатного и красного кирпича - остальное. 3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что послойную загрузку минеральных шлакообразующих материалов и отходов производят при соотношении объемов слоев VШМ:VТБО=1:5-1:11.