СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО БИОТОПЛИВА ИЗ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF SOLID BIOLOGICAL FUEL OUT OF MUNICIPAL SOLID WASTE

Изобретение относится к области предотвращения и ликвидации загрязнения окружающей среды, а именно к области обращения с отходами, а более конкретно к производству твердого биотоплива, изготовленного из твердых коммунальных отходов (ТКО).
Данный вид биотоплива может применяться в различных энергоемких технологических процессах на тепловых электростанциях, в цементном производстве, металлургии, в том числе с использованием печей, не оборудованных системами фильртации выброса, с целью получения электрической и тепловой энергии, как самостоятельно, так и в качестве добавки к основному топливу. Положительным аспектом использования твердого биотоплива является то, что при сгорании оно практически не оказывает влияние на окружающую среду.
3
Ежегодно в Российской Федерации образуется более 260 млн м твердых коммунальных отходов (ТКО), которые в основном направляются на объекты захоронения (90-95%), и только до 10% извлекается в качестве ценных ресурсов. Основное внимание переработчиков ТКО уделяется выделению вторичного сырья, которое может быть повторно использовано в хозяйственном обороте для производства различной продукции. Однако в составе отходов, оставшихся после выделения вторичного сырья, все еще содержатся компоненты, обладающие высокой теплотой сгорания, такие как бумага, полимеры, дерево, текстиль, что позволяет рассматривать их как возможный энергетический ресурс, использование которого позволит снизить потребление традиционных топлив и нагрузку на окружающую среду, в том числе за счет размещения меньших объемов ТКО на объектах их захоронения [«Управление свойствами твердого топлива из отходов», С.В. Полыгалов, Г.В. Ильиных, В.Н. Коротаев // Экология и промышленность России, 2018. Т. 22. №10. С. 18-23].
Процент извлечения вторичного сырья на станциях ручной сортировки составляет 7-10 масс. %, на автоматизированных станциях сортировки - до 30-35 масс. %.
Масса «хвостов» сортировки составляет - 65-93 масс. %.
В практике «хвосты» сортировки являются неутилизируемыми отходами и направляются на объекты захоронения отходов.
Заявляемое изобретение позволяет направлять на утилизацию часть ТКО, попадающих в «хвосты» сортировки, тем самым увеличить долю полезного использования ТКО.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения альтернативного топлива из ТКО, включающий сортировку отходов с выделением горючих фракций с последующим их измельчением, сушку, характеризующийся 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 C10L 5/48, 5/40, В09В 3/00, В03В 9/06 (2006.01)).
Недостатками данного способа являются следующие:
- недостаточно полное использование ТКО, так как для изготовления топлива используют только горючую массу ТКО (макулатура, полимеры, дерево, текстиль, тетрапак, кожа, резина и обувь), остальная же часть отходов подлежит захоронению, при этом значительная часть приходится на пищевые и растительные отходы (до 40 масс. %), которые являются также горючими компонентами биогенного происхождения, однако в практике редко используются в качестве твердого топлива из отходов из-за высокой влажности. Так как доля пищевых и растительных отходов довольно-таки высокая (около 25 масс. %) в составе ТКО, то изымаются значительные площади под их складирование на объектах захоронения ТКО, где допускается разложение отходов органического происхождения с выделением метана. Парниковый эффект углекислого газа, выделяющегося при энергетической утилизации ТКО, в 21-25 раз меньше парникового эффекта от эквивалентного количества метана.
- состав получаемого альтернативного топлива включает полимеры, при сжигании которых образуются токсичные газы, поэтому такое топливо может использоваться только в специализированных установках по сжиганию отходов и непригодно для использования в печах, необорудованных системами фильтрации;
- способ, не предусматривает очистку мелкой фракции (до 35 масс. %) от опасных компонентов (батареек, шприцев), поэтому возможно загрязнение чистых компонентов отходов опасными материалами, попадающими в мелкую фракцию и впоследствии добавляемыми к основной горючей фракции, что может привести к негативным последствиям для окружающей среды при использовании такого топлива, так как снижается качество получаемого топлива;
- технология позволяет получать альтернативное топливо с теплотой сгорания 9-18 МДж/кг (на рабочую массу), так как топливо состоит из смешанных компонентов с разной теплотой сгорания (например, теплота сгорания для отсева и полимеров на сухую беззольную массу колеблется от 16,9 до 46 МДж/кг, соответственно, на рабочую массу - от 1,5 до 44 МДж/кг, соответственно), что зависит от компонентного состава отходов, соотношения горючих компонентов с менее калорийными компонентами, высушивания отсева и т.д., однако технология не подразумевает разделять отходы для получения топлива с разными теплотехническими характеристиками в зависимости от заданных параметров, например, получить топливо с высокой теплотой сгорания (на рабочую массу) от 19 до 44 МДж/кг.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения биотоплива из ТКО с максимальным их использованием, безопасного и экологически чистого для здоровья населения и окружающей среды.
Поставленная техническая задача решается при помощи заявляемого способа получения твердого биотоплива из ТКО, который предполагает исключение из общей массы ТКО всех компонентов не биогенного состава, отбор и подготовку только биокомпонентов, при этом достигаются следующие технические результаты:
- улучшение качества топлива за счет полного исключения опасных компонентов, снижение токсичности продуктов горения до уровня, позволяющего использовать биотопливо в печах, не оборудованных системами фильртации выброса, без нарушения допустимых пределов;
- снижение массы подлежащих захоронению отходов (с 65-93 масс. % до 35-63 масс. %), и, как следствие, снижение нагрузки на окружающую среду;
- снижение эмиссий парниковых газов за счет того, что парниковый эффект углекислого газа, выделяющегося при энергетической утилизации компонентов биогенного происхождения, в 21-25 раз меньше парникового эффекта от эквивалентного количества метана, образующегося при захоронении.
Поставленная задача была решена за счет того, что производят разделение основного потока ТКО на мелкую (отсев до 80 мм) и крупную фракции, с их последующей раздельной сортировкой: из крупной фракции при необходимости извлекают вторичное сырье, также при необходимости осуществляют отбор полимеров (кроме изделий из ПВХ), и осуществляют отбор компонентов биогенного происхождения, формирующих биотопливо, после чего компоненты биогенного происхождения измельчают до получения фракции до 40 мм и, при необходимости сушат. Обработку мелкой фракции (отсев до 80 мм.) осуществляют путем выделения из отсева фракции 20-80 мм, с последующим отбором из нее компонентов биогенного происхождения, и их сушкой. Обработка мелкой фракции является дополнительной технологической схемой получения твердого биотоплива, поэтому используется при необходимости.
Необходимость сушки отобранных биокомпонентов определяется в зависимости от исходной влажности отходов (например, в жарких районах страны и летом влажность будет низкая, поэтому, возможно, сушить не обязательно), а также от требований заказчика (если заказчику требуется биотопливо с более высоким значением теплоты сгорания отходов, то он может у производителя топлива запросить нужную влажность).
Общими признаками заявляемого способа и способа по прототипу является получение топлива из ТКО, путем деления основного потока ТКО на две фракции, мелкую (отсев до 80 мм) и крупную (ТКО без отсева), и сортировку крупной фракции с выделением необходимых компонентов, формирующих топливо, далее их измельчают и сушат.
Признаки, являющиеся отличительными от прототипа, при осуществлении сортировки крупной фракции (основная технологическая линия) отбирают компоненты биогенного происхождения, формирующие биотопливо, дробление биокомпонентов производят до 40 мм.
Отбор вторичного сырья из крупной фракции не является обязательной операцией и при осуществлении заявляемого способа может отсутствовать. Например, в случае, когда на переработку поступают ТКО, полученные в результате «раздельного сбора мусора» и свободные от компонентов вторичного сырья.
Отбор полимеров (кроме изделий из ПВХ, которые удаляют) из крупной фракции также не является обязательной операцией, и при осуществлении заявляемого способа может отсутствовать.
При сортировке мелкой фракции (отсев до 80 мм) (дополнительная технологическая линия) дополнительно при помощи грохота с размерами ячеек 20 мм осуществляют разделение на фракции 0-20 мм и 20-80 мм. Из фракции 20-80 мм осуществляют отбор компонентов биогенного происхождения.
Фракцию 0-20 мм, в состав которой попадают опасные материалы (батарейки, шприцы и т.д.), не смешивают с отобранными компонентами, а направляют на утилизацию или захоронение. Соответственно, полностью исключается попадание в состав биотоплива опасных материалов, за счет чего повышается экологичность получаемого биотоплива. Из материала фракцией 20-80 мм выделяют только компоненты биогенного происхождения. Технологический цикл обеспечивает специально подготовленное для этих целей оборудование.
Биотопливо, полученное из крупной фракции и отсева не смешивают.
Изобретение поясняется схемой, на которой представлены:
- основная технологическая линия обработки ТКО с получением биотоплива из «хвостов» сортировки, включающая операции - 1, 2, 3, 4, 5, где операция 2 «отбор вторичного сырья» и операция 3 «отбор полимеров» не являются обязательными и могут осуществляться по необходимости;
- дополнительная технологическая линия обработки ТКО с получением биотоплива из отсева 20-80 мм, включающая операции - 6, 10, 11 осуществляется только при необходимости.
На схеме обозначены:
1 - Грохочение (до 80 мм);
2 - Отбор вторичного сырья;
3 - Отбор полимеров;
4 - Отбор компонентов биогенного происхождения;
5 - Подготовка (дробление и сушка) компонентов биогенного происхождения;
6 - Грохочение (до 20 мм);
7 - Повторное использование вторичного сырья;
8 - Повторное использование полимерного топлива;
9 - Утилизация/захоронение ТКО;
10 - Отбор компонентов биогенного происхождения из отсева 20-80 мм;
11 - Сушка компонентов биогенного происхождения из отсева;
12 - Повторное использование биотоплива.
Процесс производства биотоплива протекает в следующей последовательности операций.
Операция 1. В грохоте, куда поступают ТКО, производится разделение основного потока ТКО на две фракции: мелкую (отсев размером до 80 мм) и крупную (ТКО без отсева).
Операция 2. Из ТКО без отсева, при помощи ручной или автоматизированной сортировки, выделяют вторичное сырье и "хвосты" сортировки. В качестве вторичного сырья выделяют ценные компоненты (например, металлы (алюминий, железо), картон, бумагу (газетную, офисную), полимеры (полиэтиленовую (ПЭ) тару из-под шампуней, моющих средств и т.д.), ПЭ пленку, ПЭТ-бутылку), которые отправляют на операцию 7 - повторное использование.
Перечень выделяемых компонентов вторичного сырья может меняться в зависимости от условий заказчика.
В случае, когда на переработку поступают ТКО, полученные в результате «раздельного сбора мусора» и свободные от компонентов вторичного сырья, операцию 2 не осуществляют.
Операция 3. Из ТКО без отсева (в случае, когда отсутствует операция 2 отбора вторичного сырья), либо "хвостов" сортировки (в случае, когда операцию 2 выполняют) при помощи механизированной или автоматизированной сортировки, осуществляют отбор полимеров (все пластики кроме ПВХ, а именно полиэтиленовая пленка, металлизированные и комбинированные пакеты (из-под чипсов, майонеза), ПЭТ бутылка, ПЭ тара, коррексы, подложки и т.д.). Отобранные полимеры направляют на подготовку для получения полимерного топлива с высокой теплотой сгорания с целью использования в энергетических процессах на предприятиях (например, на цементных заводах). Данная операция используется при необходимости.
Далее осуществляют операцию 4, при которой из «хвостов» сортировки осуществляют ручной или автоматизированный отбор компонентов биогенного происхождения (например, пищевые отходы, растительные отходы (ветки, листва), макулатура (книги, тетради, гофрокартон, мелкий картон, газетная бумага, офисная бумага и т.д.), натуральный текстиль (хлопок, шерсть), дерево, подгузники (из ваты)).
Операция 5. Компоненты биогенного происхождения измельчают до 40 мм и, если необходимо, направляют на сушку для получения необходимой влажности.
Операция 6. Мелкая фракция из грохота 1 (отсев до 80 мм, подгрохотная фракция) поступает на повторное грохочение 6, при котором в отсеве выделяют фракцию размером 20-80 мм, которую направляют на операцию 10 «отбор компонентов биогенного происхождения».
Фракцию размером менее 20 мм направляют на захоронение 9, так как из нее не удастся убрать примеси, это будет полигонный пересыпной слой или так называемый техногрунт.
Операция 10. Из отсева 20-80 мм осуществляют ручной или автоматизированный отбор компонентов биогенного происхождения, которые направляют на операцию 11.
Прочий отсев, в состав которого входят опасные материалы (батарейки, шприцы и т.д.), направляются на утилизацию или захоронение 9.
Операция 11. Осуществляют сушку компонентов биогенного происхождения (влажностью до 10-15%), полученных при помощи операции 10.
Операция 12. В результате осуществления операции 5 и 11 получают биотопливо, которое представляет собой измельченный гомогенизированный продукт.
Основные теплотехнические свойства различных видов топлива представлены в таблице 1-3.
Предлагаемый способ позволяет получить экологически чистое, безопасное топливо из неутилизируемых отходов, снизить объем подлежащих захоронению ТКО и, таким образом, минимизировать негативное воздействие на окружающую среду, а также снизить потребление первичных энергетических ресурсов.
Биотопливо из неутилизируемых ТКО, изготовленное предлагаемым способом, является энергетическим ресурсом для энергоемких технологических процессов с нулевой стоимостью (т.е. часто производители аналогичного топлива готовы поставлять его промышленным предприятиям бесплатно или за минимальную стоимость) и не уступает по теплотехническим свойствам некоторым видам традиционного топлива.
Биотопливо может применяться как самостоятельное топливо, так и в качестве добавки к основному топливу в различных энергоемких технологических процессах, использующих в качестве энергоресурса твердое природное топливо (каменный и бурый уголь, торф, антрацит, древесину и т.п.).