Способ изготовления топлива из твердых коммунальных отходов
METHOD FOR MANUFACTURING FUEL FROM SOLID MUNICIPAL WASTES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к переработке твердых коммунальных отходов (ТКО) с изготовлением твердого топлива из горючей составляющей, остающихся после сортировки остатков, так называемых «хвостов», направляемых в настоящее время на захоронение на полигоны ТКО. Изготовленное в соответствие с данным изобретением топливо может применяться как самостоятельно в различных энергетических агрегатах, так и в качестве добавки к основному технологическому топливу в печах обжига известняка на известь, печах высокотемпературного синтеза цементного клинкера, доменных печах, на тепловых электростанциях, в других установках с целью получения электрической и тепловой энергии, а также в качестве исходного сырья для получения пиролизного газа.
Твердые коммунальные отходы представляют собой смесь веществ и материалов сложного морфологического состава, которая включает в себя горючие материалы (полимеры, бумага, картон, дерево, ветошь), черные и цветные металлы, балластную негорючую часть (камни, отходы стройматериалов, стеклобой и керамика, уличный смет, пищевые отходы, листья и др.), а также высокотоксичные загрязнители (ртутьсодержащие лампы, элементы питания, аккумуляторные батареи, хлорсодержащие материалы).
Мировая тенденция в области обращения с отходами городского хозяйства заключается в полном отказе от полигонного захоронения необезвреженных отходов и увеличении доли термической утилизации с последующим использованием в промышленности полученной тепловой энергии. Важным элементом в системе термической утилизации коммунальных отходов является сортировка отходов, предусматривающая отсев балластной негорючей части, высокотоксичных загрязнителей, извлечение из отходов вторичных материалов и изготовлении из остатков сортировки («хвостов») топлива пригодного для экологически безопасного использования в различных энергетических агрегатах.
Особые требования к сортировке ТКО обусловлены сложным морфологическим составом коммунальных отходов.
Для оценки реального значения энергетического потенциала «хвостов» авторами проведен морфологический анализ остаточной части ТКО после сортировки на мусоросортировочной станции г. Липецка, направляемой в настоящее время на захоронение на полигон ТКО. Морфологический анализ показал следующий фракционный состав (мас. %): полимерные материалы - около 19%; целлюлозосодержащие компоненты - около 19%; текстиль - 8,5%; дерево - 1,5%; металл - 1%, а также прочие несортируемые отходы - около 51%.
В составе прочих несортируемых отходов присутствуют горючие составляющие, указанные выше, а также могут присутствовать галогенсодержащие пластики (ПВХ), пищевые отходы, стеклобой, керамика, камни, уличный смет, листья и др. В зависимости от времени года влажность «хвостов» может изменяться от 35% до 55%.
На фигуре 1 приведен морфологический состав брикетированных «хвостов» ТКО направляемых в настоящее время на захоронение на полигон ТКО. Полученные данные по морфологическому составу «хвостов» позволяют рассматривать их как ресурс для производства твердого топлива.
Известно значительное количество технических решений направленных на реализацию естественного энергетического потенциала ТКО - решения направленные на использование ТКО в качестве альтернативного топлива. Эффективность данных решений обусловлена тем, что в результате сгорания ТКО осуществляется значительное и необратимое сокращение их объемов, а также тем, что при сгорании коммунальных отходов обеспечивается высокий выход тепловой энергии, которую возможно использовать для нужд народного хозяйства.
Известен способ получения альтернативного топлива из твердых коммунальных отходов, включающий сортировку отходов с выделением горючих фракций с последующим их измельчением, а также сушку отходов, отличающийся тем, что предварительно проводят подготовку ТКО путем деления основного потока ТКО на две фракции, мелкую и крупную, и сортировку крупной фракции с выделением вторичного сырья, в процессе которой образуются "хвосты" сортировки, из которых при последующей сортировке отделяют горючую фракцию, после измельчения горючей фракции к ней добавляют подсушенный отсев - мелкую фракцию, выделенную на стадии подготовки ТКО, и смешивают их (патент RU 2681655, МПК С10L 5|48, 5/40 (2018/08)).
Недостатком способа является необходимость разделения основного потока на две фракции мелкую и крупную что усложняет технологический процесс, а также то, что в выделенной мелкой фракции, до 30 мм могут присутствовать элементы питания (батарейки, аккумуляторы).
Известен способ производства твердого топлива, изготовленного из промышленных и бытовых отходов, заключающийся в том, что на первом этапе осуществляют сортировку промышленных и бытовых отходов на три группы: первая группа содержит крупногабаритные металлические объекты, шнуры и опасные вещества, которые удаляются из общей массы исходных объектов для изготовления твердого топлива и впоследствии утилизируются; вторая группа содержит крупногабаритные промышленные и бытовые отходы; третья группа содержит отходы, которые по габаритным размерам меньше 150 мм; на втором этапе осуществляют первый этап обработки промышленных и бытовых отходов для уменьшения их габаритных размеров менее 150 мм, при этом отходы второй группы помещают в шнековую дробилку; на третьем этапе осуществляют второй этап обработки промышленных и бытовых отходов, в процессе которого отходы второй и третьей групп подают в горизонтальную установку разбивания для уменьшения их объема; на четвертом этапе в полученные в горизонтальной установке разбивания отходы добавляют известь, затем осуществляют формовку круглых брикетов при высоких давлении и температуре, сушку полученных круглых брикетов с образованием конечного продукта диаметром 15-30 мм, длиной 30-150 мм, калорийностью свыше 6000 ккал/кг и температурой горения свыше 1100°С. (патент RU 2405027, МПК C10L 5/48, 5/46 (2006.01)).
Недостатком способа является отсутствие этапа извлечения из отходов вторичных материалов: бумаги, ветоши, пластика, стекла, черных и цветных металлов, используемых в дальнейшем для нужд народного хозяйства, а также использование для изготовления твердого топлива отходов второй и третьей группы отсортированных из общей массы в которых могут содержаться металлические предметы, стекло, другие инертные материалы по габаритным размерам менее 150 мм, которые повышают содержание золы в продуктах сгорания производимого топлива, снижают теплоту сгорания топлива, а также значительно затрудняют процесс горения и эксплуатацию печей.
Известен способ изготовления топливных брикетов из твердых бытовых отходов (ТБО) и других органических отходов, включающий сортировку ТБО с выделением горючей массы, измельчение выделенной из ТБО горючей массы, сушку измельченного материала, подогрев измельченного материала, формирование из измельченного материала гранул, отличающийся тем, что сортировка исходных ТБО с выделением горючей массы осуществляется гидромеханическим способом, измельчению подвергается масса с влажностью 40…55%, подогрев массы осуществляется в интервале температур 550…1000°С, энергообеспечение производства топливных брикетов производится полностью за счет скрытой внутренней энергии горючей массы ТБО, в качестве связующего при формировании брикетов используется смолистый конденсат, выделенный из газообразных продуктов термического распада горючей массы, нагретой до температуры 550…1000°С (патент RU 2567861, МПК C10L 5/46, 5/00, 5/40 (2006.01)).
Недостатками данного способа являются следующее:
- вымывание из отходов солей тяжелых металлов и других токсичных веществ, и, как следствие, насыщение применяемой при гидравлической сепарации жидкости солями тяжелых металлов и другими токсичными веществами, что приведет к загрязнению чистых компонентов отходов - макулатуры, полимеров, дерева и т.п.;
- необходимость последующей тщательной очистки применяемой при гидравлической очистке жидкости;
- пониженная теплота сгорания топлива ввиду наличия избыточной влаги в компонентах (т.к. используется гидравлическая сепарация);
- сложное аппаратное оформление процесса т.к. в качестве связующего при формировании брикетов используется смолистый конденсат, выделенный из газообразных продуктов термического распада горючей массы, нагретой до температуры 550-1000°С, который получают методом пиролиза (патент RU 2567861, Фиг. 1, позиция 4 общей технологической схемы производств топливных брикетов);
- так как гидравлическая сепарация проводится в помещении, воздух в помещении насыщается влагой и вредными испарениями, что является опасным для обслуживающего персонала;
- недостаточно полное использование энергетической составляющей твердых коммунальных отходов, т.к. для изготовления топлива используют только горючую массу твердых коммунальных отходов (ТКО) оставшуюся после пиролиза и отгонки летучих компонентов из горючей составляющей отходов при температуре выше 550÷1000°С.
Авторами были проведены исследования выхода летучих компонентов и угольного остатка при пиролизе горючей составляющей остающихся после сортировки остатков ТКО при варьировании температур с шагом 100 (50)°С и времени экспозиции 30 мин.
На фигуре 2 приведены результаты проведенных авторами исследований пиролиза для компонентов «хвостов» ТКО выхода в зависимости от температуры: а) - летучих; б) - углеродистого остатка.
Как видно по результатам, полимерные компоненты ТКО практически полностью подвергаются деструкции уже при температуре 500°С и не оставляют углеродистого остатка, тогда как целлюлозосодержащие фракции продолжают пиролизовываться при более высоких температурах, и только при температуре выше 700°С выход газа и углеродистого остатка становится постоянным.
Известен способ производства твердого топлива из отходов для направления указанного топлива на мусоросжигательный завод, включающий: обеспечение первого компонента, представляющего собой сухую фракцию, извлеченную из муниципальных твердых отходов, в измельченном виде, обеспечение, по крайней мере, одного второго компонента в измельченном виде, выбранного из эластомерного и термопластичного полимерного материала, или их смесей, раздельное дозирование и подачу первого компонента и, по крайней мере, одного второго компонента на транспортер непрерывного действия таким образом, чтобы компоненты образовывали перекрывающиеся слои, погрузку собранных таким образом компонентов в, по крайней мере, один временный накопитель с образованием твердого топлива из отходов, дозирование и подачу полученного таким образом твердого топлива из отходов на мусоросжигательный завод (патент RU 2334786, МПК C10L 5/46. 5/48, (2006.01)).
Недостатками данного способа является необходимость наличия, по меньшей мере, двух компонентов для изготовления твердого топлива - сухой фракции муниципальных отходов и измельченной фракции термопластичного полимерного материала которые смешиваются перед отгрузкой твердого топлива на мусоросжигающий завод и как следствие наличия зоны хранения сухой фракции муниципальных отходов, и по меньшей мере одной зоны хранения сухого измельченного термопластичного полимерного материала. Хранение подобных сухих измельченных материалов предъявляет особые требования к соблюдению норм и правил противопожарного режима. Кроме того проведенный авторами морфологический анализ остающихся после извлечения из твердых коммунальных (муниципальных) отходов вторичных материалов показал что в этих остатках (мас. %) уже присутствует около 19 % полимерных материалов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является способ переработки твердых бытовых отходов в топливо для печей высокотемпературного синтеза цементного клинкера (патент RU 2479622 МПК С10L 5/46, 5/08). Способ включает сортировку исходных ТБО с отсеиванием негорючих фракций и извлечением вторичных материалов, измельчение оставшейся массы до фракции 50-100 мм, её сушку до влажности 5-10%, дополнительное измельчение до фракции 8-10 мм, подогрев измельченной массы до температуры 160÷200°С, термопластическую экструзию подогретой массы с получением топливных гранул, которые по выходу из экструдера охлаждают и отправляют в качестве топлива на цементные заводы для последующего сжигания в печах высокотемпературного синтеза цементного клинкера. Данный способ принят за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- двойной процесс измельчения, особенно энергоемкий при измельчении сухой массы, увеличивающий капитальные и эксплуатационные затраты;
- низкая температура подогрева массы, нагрев измельченной массы до температуры 160÷200°С не обеспечивает выделение хлористого водорода из стабилизированных специальными добавками поливинилхлоридов. При нагревании чистого поливинилхлорида (ПВХ) выше 140°С происходит его деструкция, сопровождающаяся выделением хлористого водорода. Для повышения термостабильности полимерных изделий из поливинилхлорида к нему добавляют стабилизаторы, повышающие температурный порог деструкции (Е. В. Кузнецов, И. П. Прохорова, Д.А. Файзуллина Альбом технологических схем производства полимеров и пластических масс на их основе, М., «Химия», 1976, 108с.). Наличие хлорсодержащих соединений в изготовленном топливе приводит к выбросу в окружающую среду диоксинов и дибензофуранов (ПХДД и ПХДФ) в результате их рекомбинации в дымовых газах при охлаждении в интервале температур 400÷200°С;
- высокая вязкость расплавленных полимерных компонентов в измельченной массе при подогреве до 160÷200°С.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является удешевление изготовления и улучшение качества топлива, обеспечение возможности применения его как самостоятельно в различных энергетических агрегатах, так и в качестве добавки к основному технологическому топливу, а также в качестве исходного сырья для получения пиролизного газа. Способ позволяет извлечь галогены, галогенводороды из галогенсодержащих пластиков ПВХ и других материалов и веществ на этапе изготовления топлива и предотвратить их попадание в конечную продукцию (изготовленное топливо).
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в:
- уменьшении количества технологических операций при изготовлении топлива;
- извлечении из исходной массы на стадии ее подогрева перед термопластической экструзией галогенов, галогенводородов из пластиков ПВХ и других материалов и веществ;
- снижении нагрузок при термопластической экструзии за счет повышения температуры нагрева исходной массы и приведения полимерных компонентов, содержащихся в исходной массе в более пластическое состояние;
- повышении физико-механической прочности полученного топлива
за счет более полной пропитки компонентов топлива расплавленной полимерной составляющей, содержащейся в исходной массе;
- исключении водопоглощения за счет капсулирования гранул расплавленной полимерной составляющей в процессе их изготовления;
- предотвращении возможностей гниения и самовозгорания;
- снижении затрат при хранении и транспортировке;
- снижении энергоемкости производства топлива;
- улучшении экологической обстановки, в том числе уменьшения объема вывозимых на полигоны твердых бытовых отходов.
Предлагаемый способ переработки твердых коммунальных отходов в топливо для различных энергетических агрегатов включает:
- приём и сортировку исходных ТКО с отсевом негорючих фракций, таких как элементы питания, камни, отходы стройматериалов, стеклобой и керамика, уличный смет, пищевые отходы, листья и др. и компонентов ТКО содержащих токсичные вещества;
- извлечение вторичных материалов: бумаги, ветоши, полимерных материалов (пластика), в том числе черных и цветных металлов;
- обезвоживание оставшейся массы с влажностью более 15 % в шнековых прессах, валковых прессах, сушилах, либо другим образом до влажности 5÷15 %;
- измельчение обезвоженной массы до фракции 5÷50 мм;
- подогрев измельченной массы до температуры 180-250 °C с отводом паров воды и образующихся газообразных веществ с последующей нейтрализацией содержащихся в них галогенов и галогенводородов, известными способами;
- термопластическую экструзию подогретой массы с получением топливных гранул или брикетов.
Совокупность указанных существенных признаков позволяет получить указанный технический результат.
Согласно проведенным авторами исследованиям морфологического и компонентного состава «хвостов» ТКО (см. таблицу 1 фиг.1), они содержат незначительное количество пищевых отходов, но при этом полимерные фракции составляют более 30% от сухой массы ТКО. Данное обстоятельство позволяет использовать их в качестве связующего после подогрева исходной массы при термопластической экструзии. На фигуре 3 изображены образцы брикетов полученных методом термопластической экструзии в соответствие с предлагаемым техническим решением.
По заключению ФГУП «ВНИИМ им. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) среднеарифметическое значение удельной энергии сгорания образцов топлива изготовленного в соответствие с предлагаемым техническим решением составило 30709 кДж/кг (протокол измерений №2414-22.05.2012/Alternative Polymer Fuel -Q-19), что по удельной энергии сгорания сопоставимо удельной энергии сгорания каменных углей.
На фиг.1 представлена таблица 1 - морфологический состав ТКО после линии сортировки Липецкого мусоросортировочного завода (ЗАО «ЭкоПром-Липецк») в пересчете на сухое вещество; на фиг.2 - изображены графики зависимости выхода летучих (а) и углеродистого остатка (б) от температуры при пиролизе компонентов «хвостов» ТКО, на фиг.3 - фотографии образцов топливных брикетов, полученных из ТКО в эксперименте; на фиг.4 представлена технологическая схема установки.
Способ переработки ТКО в топливо осуществляется следующим образом. После доставки твердых коммунальных отходов на площадки накопители мусоросортировочных станций (заводов) из них предварительно извлекаются крупногабаритные отходы с дальнейшим измельчением их в дробилках. Разрушаются (разрезаются, разрываются) полиэтиленовые пакеты с ТКО, выполняется грохочение ТКО на барабанных либо других сепараторах, грохотах с отсеиванием из них элементов питания, отходов стройматериалов, камней, стеклобоя, керамики, песка и прочих мелкофракционных отходов. Дальнейшая сортировка ТКО осуществляется с максимальным извлечением из них вторичных материалов, в том числе черных и цветных металлов. Магнитной сепарацией извлекают черные металлы, цветные металлы извлекаются - с помощью переменного магнитного поля или методом дробления с последующей пневмовибросепарацией. Увеличение извлечения металлических фракций приводит к уменьшению токсичности остатка.
Оставшаяся масса отходов ТКО - «хвосты» (в данном случае - сырье) сбрасываются на конвейер и подаются им в шнековый или валковый пресс, либо в сушило (1), для обезвоживания до содержания влаги в массе 5÷15%. Далее масса перегружается в дробилку типа шредер (2) и измельчается до фракции 5÷50 мм . После дробилки измельченное сырье поступает в подогреватель сырья (3) для удаления из него оставшейся влаги и подогрева до температуры 180÷250°С. Отходящие при подогреве массы пары воды и образующиеся газообразные вещества, загрязненные галогенами и галогенводородами, подвергаются очистке либо нейтрализации известными способами. Подогретая масса поступает в пресс-гранулятор (4) шнекового, либо другого типа, где из него методом термопластической экструзии получаются топливные гранулы или брикеты.
Предлагаемый способ изготовления из ТКО топлива для энергетических агрегатов может быть реализован на штатном оборудовании мусоросортировочной станции, доукомплектованной необходимым для его реализации оборудованием.