СПОСОБ ПИРОЛИЗНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ И МУСОРОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SOLID CARBON-CONTAINING WASTE PYROLYSIS UTILIZATION METHOD AND WASTE TREATMENT SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области термической переработки углеродсодержащих материалов методом пиролиза и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для создания комплексов утилизации твердых коммунальных отходов (ТКО) и обезвоженных канализационных илов, а также на предприятиях агропромышленного комплекса для утилизации отходов птицеводства, животноводства, растениеводства. Изобретение включает технологию термической деструкции органических материалов при низких температурах пиролиза в бескислородной среде во вращающемся реакторе барабанного типа, использует известные подходы при организации теплового обмена в технологическом процессе и метод разделения парогазовой смеси на жидкие фракции путем управляемой конденсации, что позволяет получать из углеродсодержащих отходов топливные фракции с заданными температурными диапазонами кипения (конденсации), горючий газ, высокоуглеродистый мелкодисперсный материал. При этом энергозатраты технологического цикла с использованием внешних энергоносителей снижаются за счет применения режима последовательно-параллельной работы нескольких пиролизных установок в производственном процессе мусороперерабатывающего комплекса.
Барабанные вращающиеся печи широко используют за рубежом для сжигания твердых и пастообразных промышленных, бытовых и медицинских отходов, а также обезвоженных осадков сточных вод. В технологическом отношении барабанные вращающиеся печи являются наиболее универсальными термическими реакторами для переработки крупнокусковых отходов переменного состава. Низкотемпературный сухой пиролиз при температуре 450-500°С относится к одной из технологий в сфере обезвреживания твердых отходов термическим способом. Общая схема пиролиза включает следующие этапы: сортировка и подготовка отходов, загрузка в пиролизный реактор, подача энергоносителя к горелкам реактора, охлаждение пиролизных газов, конденсация и сбор жидких фракций, очистка дымовых газов, сбор и использование продуктов пиролиза: неконденсируемая часть пиролизного газа, жидкое топливо пиролиза, твердый углеродсодержащий остаток (Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 9-2015. С. 56, 57, 129).
Известны способ экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательный завод для его осуществления (RU Патент №2502017 С1, 10.05.12). Отходы сжигают в наклонной вращающейся печи барабанного типа, дымовые газы дожигают в вихревом дожигателе. Образующуюся при сжигании отходов золу утилизируют в плазменном реакторе с получением инертного шлака и нетоксичных газовых выбросов.
Существенным недостатком известного способа являются значительные капитальные и эксплуатационные затраты, связанные со сложной системой обезвреживания загрязненных газообразных и твердых продуктов сжигания, а также низкая экономическая эффективность с точки зрения получения ценных товарных продуктов.
Известны способ и устройство переработки бытовых и промышленных органических отходов (RU Патент №2392543 С2, 22.02.08). Переработку отходов осуществляют методом пиролиза, при этом парогазовую смесь разделяют на фракции путем отделения среды жидких углеводородов от воды, отвода газообразных продуктов, их охлаждения и конденсации. Устройство содержит группу конденсаторов, каждый из которых представлен в виде охлаждаемых внешнего и внутреннего цилиндров. Конденсаторы соединены с узлом разделения жидких сред, где осуществляется сбор жидких продуктов пиролиза и разделение их на составляющие: жидкие углеводороды и водные продукты пиролиза.
К недостаткам рассмотренного изобретения следует отнести: низкую эффективность термической деструкции органических веществ, связанную с наличием в перерабатываемых отходах большого количества поверхностной воды; низкое качество жидкого топлива, получаемого после отделения от воды.
Известны способ переработки бытовых и производственных отходов в печное топливо и углеродное вещество и устройство для его осуществления (RU Патент №2552259 С2, 10.06.13). Предварительным этапом перед утилизацией бытовых отходов является измельчение отходов до 95%-ного содержания класса крупности 1…10 мм, извлечение балластных (неорганических) компонентов, состоящих из фракций металла, стекла, строительного мусора, смета, отсева, в пневмосепараторе под действием напора разделяющего агента (в частности, воздуха). Процесс пиролиза проводят в полунепрерывном режиме в течение 12 часов. Низконапорную газопаровую фазу направляют в скруббер, где осуществляется контакт с промывной водой. Сконденсированную фракцию углеводородов направляют в колонные аппараты на ректификацию, откуда выходит аналог-заменитель печного топлива с температурой кипения 100-250°С. Углеродное вещество выводят из печных камер к общему разгрузочному питателю, представляющему собой пластинчатый конвейер в герметичном корпусе. При этом в корпус газодувкой подают охлажденные инертные газы для тушения (охлаждения) углеродного вещества.
Рассмотренному способу и установке для его осуществления присущи сложность аппаратного исполнения, значительные эксплуатационные и энергетические затраты, связанные с мелкодисперсным дроблением отходов и охлаждением углеродного вещества, небольшое количество получаемого печного топлива с широкими углеводородными фракциями.
Известно устройство технологической линии утилизации твердых бытовых отходов с применением термической деструкции (RU Патент №2576711 С2, 10.10.14). Отходы перерабатывают методом медленного низкотемпературного пиролиза в горизонтальном реакторе барабанного типа, внутри которого смонтирована камера сгорания с отходящим от нее трубчатым пирозмеевиком для нагрева отходов в бескислородной среде. Образуемые в процессе деструкции отходов пиролизные газы выходят из реактора через соответствующие выпускные трубы и поступают в теплообменники, первый из которых представляет собой металлический бак с рубашкой водяного охлаждения, а второй реализован в виде цилиндрической колонны-разделителя с установленными на разных уровнях двумя контактными устройствами тарельчатого типа. Отходы загружают в реактор через люк загрузки, после чего герметично закрывают крышку и начинают разогрев реактора. Оставшаяся после пиролиза твердая часть удаляется из реактора механическим (специальным совком) или пневматическим (пылесосом) путем.
К недостаткам рассмотренного устройства можно отнести: небольшая производительность и повышенные энергетические затраты из-за необходимости длительного охлаждения углеродистого остатка в реакторе перед выгрузкой и последующим нагревом реактора для проведения пиролиза; низкое качество получаемых жидких фракций в связи с малоэффективным разделением парогазовой смеси на воду и топливные фракции в применяемых теплообменниках.
В качестве прототипа к заявленному изобретению выбраны способ термической переработки твердых органических отходов и установка для его осуществления (RU Патент № 2393200 С2, 12.09.08). Согласно изобретению загрузку отходов и выгрузку углеродистого остатка из реактора производят циклически. Парогазовую смесь перед конденсацией предварительно очищают от сажистых и смолистых фракций орошением органической и/или водно-органической жидкостью при температуре 500-350°С при пропускании парогазовой смеси через барботер-промыватель. Конденсацию парогазовой смеси осуществляют с разделением ее на несколько фракций топливной жидкости и пиролизный газ. Для получения заданного состава топливных фракций контролируют температуру последних на выходе из трех конденсаторов, выполненных в виде трубчатых газоводяных теплообменников. При выходе из первого конденсатора температура газовой фазы равняется 250°С, из второго конденсатора - 150°С, из третьего конденсатора - 70°С, что позволяет исключить попадание воды в жидкое топливо. Вода конденсируется в четвертом конденсаторе при температуре 25-60°С. Конденсаторы охлаждают подаваемой из циркуляционной емкости водой с температурой 25°С. Нагретую в конденсаторах воду до температуры 50°С направляют в холодильник, а затем возвращают в циркуляционную емкость.
Указанный способ и установка для его осуществления имеют технологическую линию конденсации парогазовой смеси с использованием трубчатых газоводяных теплообменников, что не позволяет точно выдерживать заданные температуры газовой фазы при выходе из конденсаторов и, как следствие, затрудняет получение топливных фракции с требуемыми температурными диапазонами кипения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа пиролизной утилизации твердых углеродсодержащих отходов и мусороперерабатывающего комплекса для его осуществления, позволяющих повысить качество термической деструкции отходов при низких температурах пиролиза, увеличить удельную производительность реактора, максимально эффективно извлекать из парогазовой смеси топливные фракции, снизить энергозатраты технологического процесса.
Поставленная задача решается предлагаемым способом пиролизной утилизации твердых углеродсодержащих отходов, заключающемся: в разделении процесса термической переработки подготовленных отходов в горизонтальном вращающемся реакторе барабанного типа на два последовательных этапа - вначале удаляется поверхностная (капиллярная) вода из отходов при температуре 120-150°С, а затем осуществляется низкотемпературный пиролиз в диапазоне температур 200-450°С при непрерывном ворошении сырья; в регулируемой конденсации парогазовой смеси для получения топливных фракций с заданными температурами кипения, извлечения пирогенной воды и неконденсируемых газов; в применении шнековой выгрузки углеродистого остатка сразу после цикла пиролиза в отводящий шнековый транспортер-охладитель с последующей шнековой загрузкой отходов в реактор; в применении режима последовательно-параллельной работы нескольких пиролизных установок с использованием конвейерной линии подачи отходов к реакторам и конвейерной линии транспортировки углеродистого остатка к месту складирования.
Технические результаты предлагаемого способа заключается в том, что:
1. Повышается эффективность термической деструкции отходов при низких температурах пиролиза в барабанном реакторе за счет разделения процесса на два последовательных этапа - удаление поверхностной (капиллярной) воды из отходов при температуре 120-150°С и термическая деструкция при температурах 200-450°С.
2. Парогазовая смесь после реактора разделяется на топливные фракции с заданными температурными диапазонами кипения за счет автоматического регулирования процесса конденсации парогазовой смеси.
3. Повышается производительность удельного рабочего объема барабанного реактора за счет уменьшения времени технологического цикла благодаря шнековой выгрузке углеродистого остатка сразу после цикла пиролиза в отводящий шнековый траспортер-охладитель и последующей шнековой загрузке отходов в реактор.
4. Снижаются энергетические затраты на проведение технологического процесса с использованием внешних энергоносителей за счет последовательно-параллельной работы нескольких пиролизных установок в составе мусороперерабатывающего комплекса, при этом получаемый пиролизный газ используется для питания горелочных устройств реакторов, теплогенераторов сушилок, газоэлектрогенераторных установок без компримирования и резервирования газа в газгольдерах.
5. Способ экологически чист и позволяет практически полностью утилизировать твердые коммунальные отходы методом низкотемпературного пиролиза, так как хвосты сортировки после отбора полезных фракций вторсырья, неорганических и хлорсодержащих материалов подвергаются термической деструкции в бескислородной среде без образования токсичных отходов и газовых выбросов.
Разработанный способ реализуется в мусороперерабатывающем комплексе, в состав которого входят: площадка приема ТКО и отбора крупногабаритного мусора; конвейерная линия полуавтоматической сортировки для отбора неорганических материалов (земля, песок, камни, стекло), хлорсодержащих компонентов и полезных фракций вторсырья (при необходимости), включающая разрыватель пакетов с бытовым мусором, сепараторы мелкой фракции, посты ручной сортировки, металлоотделители; участок дробления хвостов сортировки; участок предварительной сушки измельченных отходов; согласно изобретению блок пиролиза хвостов сортировки, содержащий по меньшей мере две пиролизные установки с реакторами барабанного типа и блоками конденсации парогазовой смеси, конвейерную линию для подачи подготовленных отходов к реакторам, конвейерную линию для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер, систему транспортировки и временного накопления жидких и газообразных продуктов пиролиза, блок нейтрализации пирогенной воды, при этом в барабанном реакторе цилиндрическая камера сгорания размещена соосно и вынесена за пределы реакционной зоны реактора, камера сгорания сопряжена с внутренним контуром обогрева рабочего объема реактора, выполненного в виде горизонтально и радиально расположенных труб различного диаметра для отвода топочных газов наружу, возле внутренней стенки цилиндра реактора по всей его длине размещен шнековый транспортер с разделяемым приводом и газоплотной шиберной задвижкой, предназначенный как для выгрузки из реактора мелкодисперсного углеродистого остатка после цикла пиролиза в шнековый транспортер-охладитель, так и для загрузки отходов с максимальным размером фрагментов, не превышающем шага витка спирали шнека, блок конденсации парогазовой смеси содержит скруббер ударно-инерционного действия для очистки парогазовой смеси от сажи и тяжелых углеводородных фракций, по меньшей мере два насадочных скруббера для разделения парогазовой смеси на углеводородные фракции с заданными температурами кипения, кожухотрубный теплообменник для конденсации пирогенной воды, причем орошение парогазовой смеси в скрубберах осуществляется пирогенной водой (смесь легкокипящих топливных фракций с водой), а заданные температуры кипения (конденсации) разделяемых жидких фракций достигают автоматическим регулированием подачи орошающей жидкости в каждый скруббер с контролем установленного максимального значения температуры парогазовой смеси на выходе из соответствующего скруббера.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлена блок-схема мусороперерабатывающего комплекса, на фиг. 2, где показана схема пиролизной установки, на фиг. 3, где показана циклограмма производственного процесса блока пиролиза (вариант).
Мусороперерабатывающий комплекс содержит: площадку приема ТКО (1) и отбора крупногабаритного мусора; конвейерную линию (2) полуавтоматической сортировки отходов; участок дробления (3) хвостов сортировки; участок предварительной сушки (4) измельченных отходов; блок пиролиза (5) хвостов сортировки, содержащий по меньшей мере две пиролизные установки (6), конвейерную линию (7) для подачи подготовленных отходов к реакторам, конвейерную линию (8) для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер (9); систему транспортировки и временного накопления жидких и газообразных продуктов пиролиза, включающую топливные емкости (11) и газовые ресиверы (10); блок нейтрализации пирогенной воды (12).
Пиролизный реактор (13) барабанного типа содержит соосно размещенную цилиндрическую камеру сгорания (14), вынесенную за пределы реакционной зоны реактора и сопряженную с внутренним контуром обогрева рабочего объема реактора, выполненного в виде горизонтально и радиально расположенных труб различного диаметра и заканчивающегося патрубками (15) для отвода топочных газов наружу. Камера сгорания содержит соосно размещенное горелочное устройство (19). Возле внутренней стенки цилиндра реактора по всей его длине размещен шнековый транспортер (16) с разделяемым приводом мотор-редуктора (17) и газоплотной шиберной задвижкой (18). Под реактором расположен шнековый транспортер-охладитель (23) с рубашкой для циркуляции охладительного агента, загрузочная горловина которого находится в плоскости перемещения загрузочно-выгрузной горловины шнекового транспортера (16) при вращении реактора, а выгрузная горловина шнекового транспортера-охладителя совмещена с приемным устройством закрытого пластинчатого конвейера (24) конвейерной линии (8) для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер (9). Над реактором в плоскости перемещения загрузочно-выгрузной горловины шнекового транспортера (16) размещено устройство (33) для ссыпки отходов, подаваемых в реактор с ленточного конвейера (34) конвейерной линии (7).
Газоотводная труба (20) реактора соединена с блоком конденсации (21) парогазовой смеси через соосно расположенную соединительную муфту (22). Блок конденсации парогазовой смеси содержит скруббер (25) ударно-инерционного действия, по меньшей мере два насадочных скруббера (26), кожухотрубный теплообменник (27), переливной бак (28) пирогенной воды с перекачивающим насосом (29), оросительный бак (30). Скруббера (25,26) содержат соленоидные клапаны (31) и оснащены гидравлическими затворами (32).
Способ осуществляется следующим образом.
Отходы разгружаются на площадке приема ТКО (1), где после отбора крупногабаритного мусора они подаются на конвейерную линию (2) полуавтоматической сортировки отходов, включающую разрыватель пакетов с бытовым мусором, сепараторы мелкой фракции, посты ручной сортировки, магнитный сепаратор черных металлов, вихретоковый отделитель цветных металлов. После отбора неорганических материалов, хлорсодержащих компонентов и полезных фракций вторсырья хвосты сортировки измельчаются на участке дробления (3) и поступают на участок предварительной сушки (4), где в сушильных аппаратах влажность отходов снижается до 20-30%. Далее подготовленные отходы по конвейерной линии (7) направляются в блок пиролиза (5) к одной из пиролизных установок (6). С ленточного конвейера (34) через устройство (33) отходы ссыпаются в горловину шнекового транспортера (16) и через открытую шиберную задвижку (18) поступают на вращающийся шнек и перемещаются в реактор. Вращение шнека осуществляется через разъемный привод мотор-редуктора (17). При этом в ходе загрузки отходов в горячий реактор (в случае непродолжительного временного интервала между технологическими циклами) обеспечивается дополнительная сушка отходов, а образующаяся парогазовая смесь поступает в газоотводную трубу (20) и через соединительную муфту (22) направляется в блок конденсации (21), откуда, минуя скруббера (25, 26), выводится через кожухотрубный теплообменник (27) наружу.
После заполнения отходами рабочего объема реактора разъединяется привод мотор-редуктора (17), закрывается газоплотная шиберная задвижка (18) и запускается горелочное устройство (19). Топочные газы из камеры сгорания (14) поступают в трубы внутреннего контура обогрева реактора, передают тепло загруженным отходам через стенки труб, нагревают внутренний объем реактора и направляются через патрубки (15) в приемное устройство системы вентиляции (на чертеже не показана).
На первом этапе термической переработки отходов осуществляется разогрев внутреннего объема реактора до температуры 120-150°С при его непрерывном вращении и поддержание заданного диапазона температур автоматическим регулированием режима работы горелочного устройства. Парогазовая смесь из реактора отводится, минуя скруббера (25, 26), в кожухотрубный теплообменник (27), где разделяется на воду и неконденсируемые газы. Охлаждение теплообменника осуществляется с помощью системы циркуляции охладительного агента (на чертеже не показана).
После выхода поверхностной (капиллярной) воды из отходов, что определяется падением давления в реакторе до соответствующего значения (определяется опытным путем), температуру в реакторе увеличивают до 450°С, а парогазовую смесь из реактора направляют последовательно в скруббера (25, 26) и кожухотрубный теплообменник (27). В скруббере (25) ударно-инерционного действия из парогазовой смеси отделяются сажа и тяжелые углеводородные фракции с температурой кипения 300°С и более. В насадочных скрубберах (26) осаждаются топливные фракции (керосиновые, дизельные, бензиновые) с заданными температурами кипения. В кожухотрубном теплообменнике (27) парогазовая смесь разделяется на пирогенную воду и неконденсируемые горючие газы. При этом подача орошаемой жидкости в каждом скруббере осуществляется автоматически через соленоидный клапан (31) по заданной программе в момент превышения установленного значения температуры паргогазовой смеси, измеряемого термодатчиком на выходе из соответствующего скруббера. При снижении температуры парогазовой смеси ниже установленного значения орошение прекращается. Осаждаемые в скрубберах жидкие фракции через гидрозатворы (32) отводятся в соответствующие топливные емкости (11). Пирогенная вода из кожухотрубного теплообменника (27) поступает в переливной бак (28), откуда используется для наполнения оросительного бака (30) с помощью перекачивающего насоса (29). Излишки пирогенной воды из переливного бака направляются в блок нейтрализации пирогенной воды (12), где с использованием известных технологий легкокипящие углеводородные соединения нейтрализуются, а полученная техническая вода используется для собственных технологических нужд или сбрасывается в канализацию.
Горючие пиролизные газы после блока конденсации направляются в газовые ресиверы (10), откуда распределяются между потребителями (горелочные устройства реакторов, теплогенераторы сушилок, газовые котлы котельных, газоэлектрогенераторные установки) и/или сжигаются в факеле.
После окончания цикла пиролиза и выключения горелочного устройства (19) выгрузку углеродистого остатка из горячего реактора осуществляют шнековым транспортером (16), для чего совмещают его горловину с горловиной шнекового транспортера-охладителя (23) и за счет вертикального перемещения последнего герметично соединяют горловины друг с другом. Далее открывают шиберную задвижку (18), подключают приводы мотор-редукторов (17) и выгружают углеродистый остаток, одновременно охлаждая его в ходе перемещения по шнековому транспортеру-охладителю, в рубашку которого подают охладительный агент из системы циркуляции охладительного агента (на чертеже не показана). Далее охлажденный углеродистый остаток по закрытому пластинчатому конвейеру (24) конвейерной линии (8) транспортируется в приемный бункер (9).
После выгрузки углеродистого остатка из реактора отключают приводы мотор-редукторов, отводят горловину шнекового транспортера-охладителя (23) вниз и вращением реактора подводят горловину шнекового транспортера (16) к ленточному конвейеру (34) для загрузки отходов, тем самым заканчивая технологический цикл пиролизной установки.
Процесс переработки отходов в блоке пиролиза (5) включает последовательно-параллельную работу пиролизных установок (фиг. 3). Загрузка реакторов осуществляется поочередно с помощью конвейерной линии (7). Термическая переработка отходов в реакторе длится 12-14 часов. Благодаря последовательному запуску в работу нескольких реакторов с интервалом 2-3 часа (время загрузки одного реактора) и примерно одинаковым по времени технологическим циклам пиролизных установок, блок пиролиза мусороперерабатывающего комплекса вырабатывает горючий газ в постоянном режиме. Общее количество получаемого газа в единицу времени зависит от количества пиролизных установок, режима их работы, массы перерабатываемого сырья, влажности и морфологического состава отходов. Топливные фракции и углеродистый остаток отводятся в накопительные емкости, а пирогенная вода после нейтрализации органической составляющей используется для технологических нужд или сбрасывается в канализацию.
Предлагаемый способ апробирован на опытно-промышленной установке низкотемпературного пиролиза с реактором барабанного типа и предлагаемым блоком конденсации парогазовой смеси. В ходе проведения опытно-экспериментальных исследований подтверждено, что термическая деструкция углеродсодержащих отходов, в частности отсортированных твердых коммунальных отходов, проходит эффективно при выполнении следующих технологических этапов: предварительно крупные фрагменты отходов измельчаются до 100-150 мм, сырье высушивается до влажности 20-30%, из отходов во вращающемся реакторе удаляется поверхностная (капиллярная) вода при температуре 120-150°С и отводится через кожухотрубный теплообменник, сухое сырье подвергается термической деструкции в диапазоне температур 200-450°С при непрерывном ворошении сырья. Из парогазовой смеси в скруббере ударно-инерционного действия извлекаются сажа и тяжелые фракции с температурой кипения 450-300°С, а в насадочных скрубберах осаждаются керосиновые, дизельные и бензиновые фракции, причем составы фракций по температурам кипения регулируются с помощью автоматической системы управления процессом конденсации. В топливных фракциях отсутствует вода. Газ и жидкое топливо используются для работы горелочного устройства реактора. Углеродистый остаток после цикла пиролиза практически не имеет запаха и представляет собой порошкообразную массу.