СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ СИНТЕЗ-ГАЗА
METHOD OF PROCESSING SOLID HOUSEHOLD AND INDUSTRIAL WASTES USING SYNTHESIS GAS

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО) с получением в качестве конечного продукта синтез-газа и может быть использовано в коммунальном хозяйстве и в различных отраслях промышленности для последующего химического синтеза жидких углеводородов и, в первую очередь, - высококачественных моторных топлив.
Важнейшей глобальной экономической и экологической задачей, стоящей перед мировым сообществом, является переход на использование возобновляемых источников энергии. Одним из альтернативных энергоносителей являются твердые бытовые и промышленные отходы (ТБПО).
Еще в 60-е годы XX века ряд промышленно развитых стран, в том числе США, Германия, Франция, Япония, Швейцария, Канада, начали интенсивно заниматься вопросами утилизации и переработки ТБПО, причем успешное решение этой задачи позволило бы не только получить новый источник энергии, но также и предотвратить дальнейшее расширение, а в дальнейшем добиться и уменьшения площадей, занимаемых полигонами-хранилищами ТБПО и несанкционированными свалками бытового мусора, наносящими колоссальный вред природе из-за попадания из них огромных количеств токсичных веществ в атмосферу, почву и водоемы.
В результате многолетних исследований в ряде стран были разработаны и построены мусоросжигательные заводы, созданы технологии по переработке ТБПО с получением топливного газа, используемого для теплофикационных целей и производства электроэнергии.
Основные применяемые способы утилизации и переработки ТБПО.
- Сжигание при температуре не менее 1200°С, которое проводят в печах различной конструкции, в том числе в шахтных печах, в псевдоожиженном слое, во вращающихся печах и т.д. При этом наряду с образованием воды и диоксида углерода образуются оксиды азота, оксиды серы, оксиды углерода, бензопирен, диоксин и десятки других соединений, оказывающих негативное воздействие на живые организмы и природу.
Применяемые системы очистки отходящих дымовых газов не могут обеспечить качественную очистку от вредных компонентов.
3
- Газификация при температуре 600-1300°С автотермическим методом (т.е. с непосредственным контактом теплоносителя - дымовых газов с обрабатываемым продуктом) в шахтных или вращающихся печах с использованием в качестве окислителя и газифицирующего агента воздуха. Состав получаемого газа отличается высоким содержанием азота до 55-58% и низкой теплотворной способностью, не превышающей 1800-2000 ккал/нм.
3
- Разложение ТБПО в шлаковом расплаве при температуре 1300-1700°С. При этом также получают топливный газ с низкой теплотворной способностью 1500-1800 ккал/нм, который может быть использован только как топливо для теплофикационных целей или производства электроэнергии.
3
2
2
2
n
m
2
- Плазменная газификация при температуре 2800-5500°С с получением топливного газа с низшей теплотворной способностью до 2500 ккал/нм. При высокотемпературной плазменной переработке отходов проходит процесс пиролиза компонентов ТБПО без доступа воздуха извне. При этом из генератора выходит газ с температурой 870-900°С, который кроме СО, H, СО, N, CH и HO содержит соединения серы, хлора, оксиды свинца, цинка и др. При снижении температуры газа в процессе газификации проходят параллельные и последовательные реакции с образованием новых веществ, в том числе образование смол и выделение свободного углерода. Это приводит к забивке аппаратуры и другим негативным последствиям. Кроме того, высокая температура при сжигании топливного газа приводит к образованию в отходящих дымовых газах повышенного содержания оксидов азота и оксида углерода.
Таким образом, традиционные методы газификации ТБПО, предусматривающие автотермический метод подвода тепла к обрабатываемому продукту, не позволяют получить газ с высокой теплотворной способностью. Теплотворная способность такого газа не превышает 2500 ккал/кг, в нем содержится более 50% азота, и он может быть использован только в качестве низкокалорийного топлива. Применение вместо воздуха в традиционных генераторах газа (газификаторах ТБПО) в качестве окислителя чистого кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, значительно повышает стоимость получаемого газа за счет повышения капитальных вложений и эксплуатационных затрат и делает реализацию такого проекта экономически нецелесообразной.
Ниже приведены примеры известных способов переработки и уничтожения ТБПО и устройств для их осуществления.
x
Известна технологическая схема в виде устройства для сжигания бытовых отходов (патент RU №2114357, кл. F23G 5/00, опубл. 1998, бюл. №18), включающая приемно-разгрузочное устройство с бункером, мусоросжигательный котел с топкой и хвостовыми поверхностями нагрева, котел-утилизатор, дымосос для нагнетания дымовых газов от мусоросжигательного котла в топку котла-утилизатора, систему ввода раствора аммиака в газоход котла-утилизатора для нейтрализации NO, газоочистное оборудование и дымовую трубу. Для дожигания продуктов неполного сгорания отходов мусоросжигательный котел снабжен камерой дожигания. Поскольку сжигаемые отходы имеют низкое значение теплоты сгорания (<1700 ккал/кг), для обеспечения устойчивого процесса горения в камеру дожигания, а также в топку котла-утилизатора дополнительно подводится топливо от внешнего источника (газ или мазут). В котле-утилизаторе генерируется водяной пар для собственных или внешних потребителей, а также для производства электроэнергии.
Недостатками данной технологической схемы являются следующие:
- необходимость использования высококалорийного топлива (газа, мазута) от внешнего источника;
- использование в технологическом процессе аммиака, являющегося взрывоопасным и токсичным веществом, приводит к существенному ужесточению требований к производственным помещениям и значительному возрастанию капитальных и эксплуатационных затрат;
x
2
- сжигание отходов при высокой температуре (>1340°С) сопровождается образованием вредных примесей (NO, CO, SO и др.), выбрасываемых в атмосферу;
x
- невозможность эффективной очистки дымовых газов от NO;
2
- выброс в атмосферу большого количества парникового газа СО;
- в качестве конечного продукта вырабатывается только тепловая и/или электрическая энергия, которая в реальных условиях не всегда может найти применение.
2
Известен способ переработки ТБПО по патенту RU №2213908, кл. F23G 5/00, опубл. 2003, бюл. №28, включающий предварительную обработку ТБПО, загрузку в реактор, нагрев, сушку, пиролиз и сжигание с образованием продуктов переработки в газообразной и жидкой фазах, вывод продуктов переработки из реактора; все процессы в реакторе ведут при абсолютном давлении 0,08-0,095 МПа, 15-30% полученного пиролизного газа используют в качестве технологического топлива, подмешивая к нему перед подачей на горелку воздух с коэффициентом 1,0-4,69 и подводя образовавшуюся высокотемпературную смесь продуктов сгорания, содержащую воздух, водяной пар и СО, в реактор в качестве газифицирующего агента при пиролизе, а остальную часть пиролизного газа используют в качестве энергетического топлива, например, для производства тепловой и электрической энергии в котлотурбинном блоке.
К недостаткам данного способа относятся следующие:
- пиролиз ТБПО осуществляют автотермическим методом, т.е. теплоту эндотермической реакции пиролиза подводят путем непосредственного контакта перерабатываемого материала с продуктами сжигания технологической части полученного ранее пиролизного газа, вследствие чего во вновь получаемом пиролизном газе содержится более 50% азота, из-за чего теплотворная способность газа не превышает 2500 ккал/кг;
- значительную часть получаемого пиролизного газа (70-85%) сжигают в паровом котле, дымовые газы из которого, содержащие большое количество токсичных и парниковых газов, сбрасывают в окружающую среду, т.к. существующие средства очистки дымовых газов от этих компонентов недостаточно эффективны; кроме того, они существенно увеличивают стоимость технологического процесса;
- не всегда и не везде можно реализовать получаемую тепловую и электрическую энергию.
Известен способ высокотемпературной переработки отходов жизнедеятельности мегаполиса (патент RU №2295092, кл. F23G 5/027, опубл. 2004, бюл. №7), предусматривающий нагревание массы отходов в печи без доступа воздуха до температуры 2000°С подводимым по трубам из жаростойкого материала и впрыскиваемым в печь диоксидом углерода, который получается термическим разложением кальцита с температурой 1000°С и дополнительно нагревается до температуры 2300°С продуктами сжигания водорода в кислороде. Температура водородного факела около 2600°С. Поступая в печь, горячий диоксид углерода восстанавливается углеродом, содержащимся в перерабатываемых отходах, до оксида углерода, который смешивают за пределами печи с водяным паром при температуре 500°С. Затем в результате химического взаимодействия полученной смеси с окисью кальция получают газообразный водород и кальцит, который используют для получения окиси кальция и диоксида углерода. Часть диоксида углерода, отдавшего в печи тепло перерабатываемым отходам, отводят из печи для производства карбамида при температуре 200°С и давлении 20 МПа с подводом аммиака.
Недостатки известного способа заключаются в следующем:
- часть технологических операций проводят при высоких температурах (до 2600°С), вследствие чего неизбежно использование весьма дорогостоящих жаростойких конструкционных материалов, например тантала;
- покрытие недостающего количества азота, в том числе для получения аммиака, предусматривают получением его из сжиженного атмосферного воздуха, для чего необходима дорогостоящая и энергоемкая криогенная воздухоразделительная установка;
- рассматриваемый способ включает весьма энергоемкий процесс электролиза воды для получения водорода;
- предусмотрено проведение процесса преобразования карбаминовокислого аммония в карбамид при давлении 200 бар и температуре 190°С, для чего требуется дорогостоящее компрессорное и теплообменное оборудование высокого давления;
- использование в технологическом процессе аммиака, являющегося взрывоопасным и токсичным веществом, приводит к существенному ужесточению требований к производственным помещениям и значительному возрастанию капитальных и эксплуатационных затрат.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы по патенту RU №2346026, кл. C10J 3/00, опубл. 2009, бюл. №4, предусматривающий транспортировку биомассы последовательно через три оснащенные шнеками камеры - сушильную, в которой производят сушку перерабатываемого сырья, пиролизную, в которой осуществляют разложение сухой биомассы, и разделительную, где продукты газификации сепарируют, после чего синтез-газ и полукокс направляют потребителям; при этом обогрев сушильной и пиролизной камер производят дымовыми газами, образующимися при сжигании в топке части биомассы, высушенной в сушильной камере, а также смол и дегтя, выделенных в разделительной камере, после чего дымовые газы, отдавшие тепло в сушильной и пиролизной камерах, выводят через дымовую трубу в атмосферу.
Недостатки этого способа заключаются в следующем:
- предлагаемый способ рассчитан на переработку только биомассы и не обеспечивает утилизации других составных частей ТБПО;
- получаемый из разделительной камеры пиролизный газ содержит ряд вредных компонентов (кислые газы, соединения серы, органические соединения и др.), очистка от которых способом не предусмотрена; поэтому несмотря на высокую калорийность пиролизного газа он может использоваться только как топливо;
x
- сжигание части высушенной биомассы, а также смол и дегтя приводит к тому, что с дымовыми газами в атмосферу выбрасываются ряд токсичных веществ (СО, NO, соединения серы, хлора, оксиды свинца, цинка и др.), а также в большом количестве парниковый газ - диоксид углерода.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа эффективной переработки ТБПО с получением на выходе высококондиционного синтез-газа, пригодного для последующей переработки в ценные целевые продукты, и в первую очередь - в синтетические жидкие моторные топлива.
Задачей предлагаемого изобретения является также увеличение выхода синтез-газа на единицу массы перерабатываемых ТБПО.
x
2
2
Задачей предлагаемого изобретения является также минимизация выбросов в атмосферу с дымовыми газами токсичных компонентов (NO, СО, SO) и парникового газа СО.
Задачей предлагаемого изобретения является также минимизация содержания азота и его соединений в получаемом газе.
Задачей предлагаемого изобретения является также исключение воздуха, или воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода в качестве окислителя при переработки ТБПО.
2
Задачей предлагаемого изобретения является также обеспечение на выходе в синтез-газе, в зависимости от его дальнейшего использования, необходимого соотношения H/СО, в частности равного 2, для получения синтетических жидких углеводородов.
Задачей предлагаемого изобретения является также максимальная утилизация тепла отходящих дымовых газов и других технологических потоков.
Поставленные задачи решаются следующим путем:
измельченные бытовые и/или промышленные отходы забирают питательным устройством из загрузочного бункера, подмешивают к ним в качестве газифицирующих агентов диоксид углерода и воду, после чего образовавшуюся смесь проталкивают через теплоподводящие трубы газификатора, обогреваемые с наружной стороны дымовыми газами, поступающими от горелки и имеющими температуру 900-1150°С;
перерабатываемую смесь нагревают в газификаторе до температуры 850-1100°С и выдерживают при этой температуре до завершения процесса газификации;
дымовые газы, частично охлажденные в газификаторе, с помощью дымососа последовательно прокачивают через подогреватель смеси воздуха и подмешиваемой к нему части охлажденных дымовых газов, направляемой на горелку, затем через дополнительный газоводяной охладитель, в котором водой от внешнего источника охлаждают до температуры 40-60°С, и абсорбер, в котором из дымовых газов отделяют диоксид углерода, который затем выделяют известным способом из абсорбента; выделенный диоксид углерода нагнетателем направляют на вход газификатора, а дымовые газы, в основном очищенные от диоксида углерода, разделяют на два потока, один из которых сбрасывают в атмосферу, а второй направляют на подмешивание к воздуху, подаваемому на горелку;
образовавшиеся в газификаторе газообразные и твердые продукты направляют в орошаемую водой разделительную камеру, где смоченный и охлажденный водой до температуры 50-90°С шлам собирают в нижней части разделительной камеры, откуда шнековым устройством выводят для дальнейшего использования или захоронения, а частично охлажденный газ вместе с образовавшимся в разделительной камере водяным паром подают на закалку в газовую полость двухполостного закалочного устройства, орошаемую водой;
через вторую полость закалочного устройства прокачивают охлаждающую воду от внешнего источника, после чего смесь воды орошения и образовавшегося конденсата, скапливающуюся в нижней части газовой полости закалочного устройства, сливают в водяной бак, а газ, выходящий из закалочного устройства с температурой 60-90°С, дополнительно охлаждают водой от внешнего источника в поверхностном теплообменнике до температуры 40-50°С;
охлажденный газ забирают эксгаустером и прокачивают через блок аппаратов очистки от пыли, кислых газов, соединений серы, смол и органических соединений, после чего очищенный газ разделяют на два потока, один из которых направляют в качестве топлива на горелку, а второй поток пропускают через устройство стабилизации соотношения водорода и оксида углерода, в результате чего получают синтез-газ требуемого состава, который отводят для дальнейшей переработки;
воду, поступающую из газовой полости закалочного устройства в водяной бак, забирают насосом, после чего разделяют на три потока, причем первый поток направляют на вход газификатора для подмешивания к поступающим на переработку отходам, а второй и третий потоки подают на орошение соответственно разделительной камеры и газовой полости закалочного устройства;
в зависимости от дальнейшего использования получаемого синтез-газа необходимое соотношение в нем содержания водорода к оксиду углерода поддерживают путем изменения количеств воды и диоксида углерода, подаваемых в газификатор;
сжигание топливного газа осуществляют на горелке беспламенного типа с использованием в качестве окислителя нагретой смеси воздуха и подмешиваемых к нему части дымовых газов и с поддержанием адиабатической температуры горения газа в пределах 900-1150°C;
для утилизации тепла отходящих дымовых газов используют рекуперативные теплообменные аппараты радиально-спирального типа;
для очистки синтез-газа от примесей и вредных компонентов используют массообменные аппараты пенного типа.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где представлена технологическая схема процесса переработки твердых бытовых и промышленных отходов с получением синтез-газа.
Способ осуществляют следующим образом:
измельченные бытовые и/или промышленные отходы забирают из загрузочного бункера 1 питательным устройством 2, подмешивают к ним диоксид углерода и воду по линиям соответственно 3 и 4, после чего образовавшуюся смесь проталкивают через теплоподводящие трубы 5 газификатора 6, обогреваемые с наружной стороны дымовыми газами, поступающими от горелки 7 беспламенного типа и имеющими температуру 900-1150°С;
перерабатываемую смесь нагревают в газификаторе 6 до температуры 850-1100°С и выдерживают при этой температуре до завершения процесса газификации;
дымовые газы, частично охлажденные в газификаторе 6, с помощью дымососа 8 последовательно прокачивают через подогреватель 9 радиально-спирального типа, нагревая смесь воздуха и подводимой к нему по линии 31 части охлажденных дымовых газов, подаваемую затем вентилятором 10 по линии 11 на горелку 7;
дымовые газы, прошедшие подогреватель 9, затем прокачивают через дополнительный газоводяной охладитель 12 радиально-спирального типа, в котором водой от внешнего источника охлаждают до температуры 40-60°С, и абсорбер 13, в котором из дымовых газов отделяют диоксид углерода, который затем выделяют известным способом из абсорбента в десорбере 14, после чего выделенный диоксид углерода нагнетателем 15 направляют на вход газификатора 6, а дымовые газы, в основном очищенные от диоксида углерода, разделяют на два потока, один из которых сбрасывают в атмосферу, а второй направляют по линии 31 на подмешивание к воздуху, подаваемому вентилятором 10 на горелку 7;
образовавшиеся в газификаторе газообразные и твердые продукты направляют в орошаемую водой разделительную камеру 16, где смоченный и охлажденный водой до температуры 50-90°С шлам собирают в нижней части разделительной камеры 16, откуда шнековым устройством 17 выводят для дальнейшего использования или захоронения, а частично охлажденный газ вместе с образовавшимся в разделительной камере 16 водяным паром подают на закалку в газовую полость 18 двухполостного закалочного устройства 19, орошаемую водой;
через вторую полость 20 закалочного устройства 19 прокачивают охлаждающую воду от внешнего источника, после чего смесь воды орошения и образовавшегося конденсата, скапливающуюся в нижней части газовой полости 18 закалочного устройства 19, сливают в водяной бак 21, а газ, выходящий из закалочного устройства 19 с температурой 60-90°С, дополнительно охлаждают водой от внешнего источника в поверхностном теплообменнике 22 радиально-спирального типа до температуры 40-50°С;
охлажденный газ забирают эксгаустером 23 и прокачивают через блок 24 массообменных аппаратов очистки от пыли, кислых газов, соединений серы, смол и органических соединений, после чего очищенный газ разделяют на два потока, один из которых по линии 25 направляют в качестве топлива на горелку 7, а второй поток пропускают через устройство 26 стабилизации соотношения водорода и оксида углерода, в результате чего получают синтез-газ требуемого состава, который отводят по линии 27 для дальнейшей переработки;
воду, поступающую из закалочного устройства 19 в водяной бак 21, забирают насосом 28, после чего разделяют на три потока, причем первый поток по линии 4 направляют на вход газификатора 6 для подмешивания к поступающим на переработку отходам, а второй и третий потоки подают по линиям 29 и 30 на орошение соответственно разделительной камеры 16 и газовой полости 18 закалочного устройства 19;
2
в зависимости от дальнейшего использования получаемого синтез-газа необходимое соотношение в нем содержания водорода к оксиду углерода поддерживают путем изменения количеств диоксида углерода и воды, подаваемых соответственно по линиям 3 и 4 в газификатор 6; в частности, если предусматривают переработку полученного синтез-газа в синтетическое жидкое моторное топливо, то соотношение H/CO поддерживают равным 2:1.
Предлагаемый способ отличается следующими преимуществами.
1. Подвод тепла от теплоносителя - дымовых газов к перерабатываемому сырью осуществляется через теплопередающую стенку, благодаря чему исключается попадание в синтез-газ азота, а вредных примесей, содержащихся в синтез-газе, в дымовой газ.
2
2
2. В качестве окислителя и газифицирующих агентов в процессе газификации (пиролиза) используются СО и HO, т.е. процесс пиролиза осуществляется без доступа воздуха, благодаря чему в синтез-газе минимизировано содержание азота.
2
2
3. Введение в газификатор СО и HO позволяет увеличить выход синтез-газа на единицу массы перерабатываемых ТБПО.
4. Утилизация тепла дымовых газов и других технологических потоков позволяет снизить расход топливного газа и тем самым повысить полезный выход синтез-газа.
x
5. Использование горелки беспламенного типа с окислителем в виде смеси воздуха и дымовых газов позволяет поддерживать процесс устойчивого горения при адиабатической температуре не выше 1150°С, благодаря чему практически не образуются NO и СО.
6. В качестве топлива на горелку подается очищенный от вредных компонентов синтез-газ, благодаря чему в дымовых газах, сбрасываемых в атмосферу, не содержатся эти компоненты.
2
7. Отбор значительного объема диоксида углерода из дымовых газов для использования в процессе газификации ТБПО приводит к существенному уменьшению количества СО, выбрасываемого с дымовыми газами в атмосферу.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает возможность эффективной, экологически чистой переработки ТБПО с получением высококалорийного синтез-газа, очищенного от вредных примесей и пригодного для дальнейшего использования в качестве исходного сырья для производства ценных целевых продуктов и, в первую очередь, - синтетических жидких углеводородов и моторных топлив.