Система для переработки отходов
WASTE PROCESSING SYSTEM

Изобретение относится к системам для переработки отходов и очистке газов, полученных в процессе переработки отходов, и может быть применено в отрасли химической, сельскохозяйственной, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна система для очистки высокотемпературных газов, включающая многоуровневую емкость с воротниковыми патрубками, внутри которой на одном уровне расположен узел жидкостного охлаждения газообразной фазы, а на верхнем уровне расположен узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы, при этом на верхнем уровне емкости установлен рукавный фильтр, обеспечивающий отделение частиц адсорбирующего вещества от газообразной фазы, а на дне емкости установлены лопасти, обеспечивающие разбиение скомковавшегося при адсорбционной очистке и последующей фильтрации адсорбирующего вещества, при этом система снабжена клапанами, трубными демпферами и датчиками температуры, установленными на разных уровнях емкости для распределения газа по уровням [US5310528, дата публикации: 10.05.1994 г., МПК: B01D 53/34; B01D 53/50; B01D 53/68;].
Недостатком известного решения является низкая надежность системы, связанная с применением сложной системы подмешивания порций очищаемого газа и сложной системы температурного контроля состояния газа в разных частях емкости, в том числе применения во впускных каналах трубных демпферов или клапанов, обеспечивающих возможность осуществления подмешивания. Выход из строя любого из этих компонентов приводит к возникновению неполадок или остановке работы всей системы очистки высокотемпературных газов. Также недостатком является низкая эффективность работы системы очистки высокотемпературных газов, обусловленная тем, что весь процесс, включающий увлажнение и охлаждение высокотемпературных газов, циркуляцию увлажненных и сухих газов, реакцию увлажненных газов с адсорбирующим веществом, отфильтровывание частиц адсорбирующего вещества от очищенного газа, циркуляцию адсорбирующего вещества внутри емкости и разбивание комков адсорбирующего вещества осуществляется во внутреннем пространстве одной емкости системы, что неизбежно приводит к хаотичному движению очищенного и очищаемого газа внутри емкости, смешиванию увлажненного газа, вступившего в реакцию с адсорбирующим веществом, с сухим газом и/или смешивание увлажненного газа, который еще не вступил в реакцию с адсорбирующим веществом, с восходящими потоками газа, тем самым многократно увеличивая продолжительность цикла очистки газа и снижая КПД системы. Также недостатком известного решения является необходимость предварительного измельчения адсорбирующего вещества, так как его использование в системе в неразмельченном виде может привести к выходу из строя лопастных мешалок и прекращению адсорбционного взаимодействия адсорбирующего вещества с газом, что приводит к необходимости проведения внепланового ремонта системы, тем самым увеличивая трудоемкость очистки высокотемпературных газов.
Известна система для переработки отходов, которая содержит блок термической обработки отходов и блок очистки газообразной фазы, который содержит последовательно установленные узел жидкостного охлаждения газообразной фазы, полученной при термической обработке отходов и узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы в виде емкостей, заполненных адсорбирующим веществом, имеющих вход и выход газа [JP2012245448, дата публикации: 13.12.2012 г., МПК: A62D 3/40, B01D 53/50, B01D 53/56].
Преимуществом известного технического решения является простая конструкция, высокая производительность и степень очистки газообразной фазы при переработке отходов за счет применения в нем такой компоновки, в том числе компоновки узла адсорбционной очистки газов, представленного емкостями с адсорбирующим веществом, при которой обеспечивается последовательное охлаждение с одновременным насыщением газообразной фазы паром и отделение насыщенных паром кислых компонентов от газообразной фазы адсорбирующим веществом. Однако недостатком известного технического решения является высокая трудоемкость и ресурсоемкость переработки отходов такой системой. Высокая трудоемкость переработки отходов обусловлена необходимостью постоянного обслуживания и контроля состояния адсорбирующего вещества в емкостях и периодического проведения процесса полной замены адсорбирующего вещества, что также дополнительно повышает трудоемкость и негативно сказывается на ресурсоемкости системы для переработки отходов, так как для этого требуется остановка процесса переработки отходов, демонтаж емкостей с их последующей чисткой и заменой исчерпавшего свой ресурс адсорбирующего вещества, последующей необходимостью утилизации такого адсорбирующего вещества, зачастую содержащего в себе кислые компоненты, и запуска нового цикла переработки отходов. Высокая ресурсоемкость системы для переработки отходов обусловлена необходимостью частой регенерации адсорбента в емкостях узла адсорбционной очистки газов из-за того, что при контактировании охлажденной жидкостью газообразной фазы с частицами адсорбента происходит поглощение адсорбтива и закупоривание пор адсорбента адсорбатом, вследствие чего приходится прибегать к энергозатратному процессу прогрева большого объема адсорбирующего вещества в емкостях для регенерирования адсорбирующего вещества, вследствие чего в значительной степени ухудшаются эксплуатационные характеристики системы для переработки газов.
В качестве прототипа выбрана система для очистки газов, полученных от блока термического разложения в процессе переработки отходов, которая содержит блок очистки газообразной фазы, который содержит узел жидкостного охлаждения газообразной фазы, полученной при термическом разложении отходов, узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы, имеющий вход и выход газа и содержащий устройство для одновременного перемешивания и измельчения адсорбирующего вещества, выполненное в виде газопроницаемого барабана, заполненного измельчающими адсорбент элементами, и узел механической очистки газообразной фазы в виде рукавного фильтра [RU2687410, дата публикации: 25.06.2018 г., МПК: B01D 53/00].
Преимуществом прототипа является низкая трудоемкость и ресурсоёмкость очистки газов, полученных при термическом разложении отходов при помощи системы за счет возможности использования неподготовленного кускового адсорбирующего вещества, а также за счет отсутствия необходимости контроля состояния адсорбирующего вещества в узле адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы и необходимости проведения регенерационных мероприятий адсорбирующего вещества, так как при достижении сверхмалой величины частиц оно полностью исчерпывает адсорбционные свойства и выводится из системы. Однако недостатком прототипа является малая длительность взаимодействия измельченного сорбента с потоком движущейся через узел адсорбционной очистки газообразной фазы из-за того, что система обеспечивает активное прохождение процесса адсорбционной чистки увлажненного газа в основном в пределах газопроницаемого барабана или в пределах области выхода газа из узла адсорбционной очистки газа, что обуславливается недостаточной скоростью витания частиц сорбента во вращающемся барабане для их последующего перемещения в потоке газа по всему объему узла адсорбционной и механической очистки газообразной фазы, либо из-за преждевременного его удаления через отверстия в газопроницаемом барабане, либо из-за оседания адсорбента на выходе газа без перемещения в узел механической очистки вместе с потоком газа, вследствие чего снижается степень использования полезных свойств адсорбента в блоке очистки газа, что приводит к снижению степени очистки газообразной фазы блоком очистки газа и ухудшает эксплуатационные характеристики системы.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик системы для переработки отходов.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении степени очистки газообразной фазы блоком очистки газообразной фазы.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Система для переработки отходов содержит последовательно соединенные с возможностью передачи газообразной фазы блок термического разложения отходов и блок очистки газообразной фазы, содержащий узел жидкостного охлаждения газообразной фазы, полученной при термическом разложении отходов, узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы, имеющий вход и выход газообразной фазы и содержащий устройство для перемешивания и измельчения адсорбирующего вещества, выполненное в виде газопроницаемого барабана, и узел механической очистки газообразной фазы. В отличие от прототипа площадь отверстий газопроницаемого барабана обеспечивает значение суммарного коэффициента его живого сечения в диапазоне от 0,5 до 0,8.
Блок очистки газообразной фазы обеспечивает возможность очистки поступающей газообразной фазы от вредных соединений, кислых веществ и пр. Блок очистки газообразной фазы содержит узел жидкостного охлаждения газообразной фазы и узел адсорбционной очистки, а также имеет вход очищаемой увлажненной газообразной фазы и выход очищенной газообразной фазы.
Узел жидкостного охлаждения газообразной фазы обеспечивает возможность снижения температуры и сопутствующего насыщения газообразной фазы влагой. Узел жидкостного охлаждения газообразной фазы может быть представлен корпусом со входом горячей газообразной фазы, выходом газообразной фазы и устройством подачи жидкости. Устройство подачи жидкости может быть представлено насосом, соединительными шлангами и форсунками. При этом форсунки установлены в корпус узла жидкостного охлаждения газообразной фазы с возможностью подачи жидкости в полость корпуса этого узла. Соединительные шланги установлены снаружи корпуса и соединяют насос и форсунки. Корпус может иметь любую форму, обеспечивающую беспрепятственное продвижение газообразной фазы через узел жидкостного охлаждения газообразной фазы, например цилиндрическую, форму параллелепипеда, усеченного конуса и др. При этом корпус может быть выполнен из металла или композитных материалов.
Узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы обеспечивает возможность взаимодействия потока охлажденного жидкостью газа с адсорбентом. Узел адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы содержит корпус, внутри которого установлены устройство для перемешивания и измельчения адсорбирующего вещества, а также вход и выход газообразной фазы.
Устройство для перемешивания и измельчения адсорбирующего вещества в виде газопроницаемого барабана дает возможность получения взвеси из адсорбирующего вещества внутри корпуса узла адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы для обеспечения последующего взаимодействия с этой взвесью потока увлажненной газообразной фазы и задерживания кислых и других соединений адсорбирующим веществом из этого потока. Газопроницаемый барабан может быть снабжен приводным механизмом для его вращения.
Площадь отверстий газопроницаемого барабана обеспечивает значение суммарного коэффициента его живого сечения в диапазоне от 0,5 до 0,8. Коэффициент живого сечения представляет собой отношение свободной площади отверстий барабана к площади поперечного сечения отверстий входа и выхода газа. Указанная величина суммарного коэффициента живого сечения обеспечивает необходимую скорость движения потока газа через газопроницаемый барабан и мелкодисперсность взвеси из адсорбента, при которой скорость витания частиц адсорбента достаточна для их перемещения вместе с потоком до узла механической очистки газообразной фазы, что повышает длительность взаимодействия адсорбента с потоком газа и повышает тем самым степень его очистки. В случае, если суммарный коэффициент живого сечения газопроницаемого барабана будет менее 0,5, то воздушное сопротивление барабана будет увеличиваться. В случае если суммарный коэффициент живого сечения газопроницаемого барабана будет более 0,8, то будет происходить преждевременное удаление кусков адсорбента из газопроницаемого барабана до достижения фракции, при которой скорость витания частиц будет достаточной для подхватывания их потоком газа, при этом даже в случае подхватывания частиц адсорбента потоком газа его скорость при этом будет слишком высокой, вследствие чего время взаимодействия потока газа с ними будет мало и необходимая степень очистки достигаться не будет. В наиболее предпочтительном варианте исполнения значение коэффициента живого сечения газопроницаемого барабана составляет от 0,62 до 0,67, что обеспечивает оптимальное соотношение между скоростью потока газа и величиной фракции взвешенного в газопроницаемом барабане адсорбента, что обеспечивает наиболее долгий контакт между адсорбентом и потоком увлажненного газа вплоть до отсеивания адсорбента в узле механической очистки газообразной фазы и наиболее значительно повышает степень очистки газообразной фазы.
Вход и выход газа обеспечивают возможность подвода газообразной фазы к газопроницаемому барабану и отвода газообразной фазы от барабана со взвешенным в нем адсорбентом. Площадь поперечного сечения входа газа может обеспечивать от 30 до 40% величины суммарного живого сечения газопроницаемого барабана, что обеспечивает необходимую пропускную способность на входе в барабан и плотность потока газа и обеспечивает оптимальную скорость движения газа перед контактированием с адсорбентом. В случае если это значение будет менее 30%, то скорость газового потока будет чрезмерной для захвата необходимого для осуществления процесса очистки объема адсорбента. В случае если это значение будет более 40%, то скорость газового потока будет недостаточной для обеспечения длительного нахождения в потоке частиц адсорбента. При этом площадь поперечного сечения выхода газа может обеспечивать от 60 до 70% величины суммарного живого сечения газопроницаемого барабана, что обеспечивает необходимую пропускную способность потока газа с взвешенными в нем частицами адсорбента, снижая риск уменьшения скорости потока и оседания частиц адсорбента после покидания барабана. В случае если это значение будет менее 60%, то скорость потока газа будет слишком высокой, вследствие чего длительность нахождения в нем частиц адсорбента будет уменьшаться, что приведет к снижению степени очистки потока газа. В случае если это значение будет более 70%, то скорость потока газа будет низкой, вследствие чего будет усложняться перемещение частиц адсорбента и также ухудшаться степень очистки газа.
Газопроницаемый барабан может содержать измельчающие элементы. Измельчающие элементы могут быть представлены элементами любой формы, обеспечивающей измельчение адсорбирующего вещества, например цилиндрами или шариками. При этом для снижения риска препятствования движению потока газа с взвешенными в нем частицами адсорбента и повышению таким образом длительности нахождения большого объема адсорбента в потоке газа объем измельчающих элементов может составлять не более 15% от объема газопроницаемого барабана.
Узел механической очистки газообразной фазы обеспечивает возможность очистки газообразной фазы от адсорбента и повышения качества ее очистки. Для этого он содержит фильтрующий элемент, который может быть представлен рукавным, циклонным или сетчатым фильтрами. Узел механической очистки газообразной фазы может быть присоединен к выходу газообразной фазы узла адсорбционной очистки посредством трубопровода. При этом для дополнительного повышения степени очистки газа трубопровод может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивать движение газа в узел механической очистки газообразной фазы со скоростью не менее 4 м/с, что препятствует оседанию большого объема адсорбента в трубопроводе или самопроизвольному возврату адсорбента обратно в узел адсорбционной очистки и способствует его перемещению внутрь узла механической очистки газообразной фазы.
Блок термического разложения отходов обеспечивает возможность отделения газообразной фазы от твердой фазы и ее вывода в блок очистки газообразной фазы. Блок термического разложения отходов может быть представлен печью, камерой пиролиза или реактором. При этом для соединения блока термического разложения отходов с блоком очистки газообразной фазы может быть применен трубопровод.
Изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение характеризуется ранее не известной из уровня техники совокупностью существенных признаков, заключающейся в том, что суммарная площадь отверстий газопроницаемого барабана обеспечивает значение суммарного коэффициента его живого сечения в диапазоне от 0,5 до 0,8, за счет чего обеспечиваются необходимые пропускная способность газопроницаемого барабана и величина фракции измельченного в барабане адсорбента для свободного прохождения внутрь газопроницаемого барабана потока влажного газа, подхватывания этим потоком мелкодисперсной фракции адсорбента внутри барабана, выхода потока влажного газа со взвешенными в нем частицами адсорбента из барабана и перемещения потока газа внутрь узла механической очистки газообразной фазы с минимальным осаждением взвешенного в нем адсорбента в соединительном трубопроводе или самопроизвольным возвращением адсорбента обратно в узел адсорбционной очистки, тем самым не только обеспечивая длительное взаимодействие взвешенного адсорбента с потоком газа на всем пути от узла адсорбционной очистки до момента отделения взвешенного адсорбента от потока газа в узле механической очистки газа, но и переноса значительного объема взвешенного адсорбента в узел механической очистки, что помимо активного воздействия на движущийся газ сорбентом позволяет создать в узле механической очистки «фильтрационную подушку» из адсорбента и оказывать дополнительное положительное воздействие на очистку газа, благодаря чему обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении степени очистки газообразной фазы блоком очистки газообразной фазы, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики системы для переработки отходов.
Изобретение характеризуется ранее не известной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники не известен существенный отличительный признак изобретения, а также не известен эффект от его применения в системе для переработки отходов, заключающийся в повышении степени очистки газообразной фазы блоком очистки газообразной фазы за счет увеличения периода взаимодействия адсорбента с потоком газа, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – Система для переработки отходов, общий вид, местные вырезы.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Система для переработки отходов содержит последовательно соединенные с возможностью передачи газа блок 1 термического разложения отходов в виде барабанной печи и блок очистки газообразной фазы, содержащий узел 2 жидкостного охлаждения газообразной фазы, полученной при термическом разложении отходов, содержащий насос 3, соединенный с форсунками 4. Также система содержит узел 5 адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы, содержащий вход 6 газообразной фазы с устройством 7 загрузки адсорбента, газопроницаемый барабан 8, заполненный керамическими шариками 9, и выход 10 газообразной фазы, при этом суммарная площадь отверстий газопроницаемого барабана 8 обеспечивает значение живого сечения, составляющего на участке 11 входа газа – 30%, а на участке 12 выхода газа – 60%. Также система содержит узел 13 механической очистки газообразной фазы, содержащий рукавный фильтр 14, и соединенный трубопроводом 15 с выходом 10, и снабженный устройством 16 рециркуляции сорбента.
Изобретение работает следующим образом.
2
Из барабанной печи в узел 2 жидкостного охлаждения поступает нагретый газ температурой 1100 – 1200°С, где он охлаждается за счет распыляемой форсунками 4 технической воды. Охлажденный до температуры 200 – 250°С газ поступает на вход 6 и движется в барабан 8, где взаимодействует с измельченным керамическими шариками 9 сорбентом в виде гидроксида кальция (Ca(OH)). При этом за счет того, что коэффициент живого сечения барабана 8 на участке 11 входа газа составляет 30%, а на участке 12 выхода газа составляет 60%, обеспечивается не только возможность подхватывания и выведения потоком увлажненного газа пылевидного сорбента из барабана, за счет чего он вместе с потоком движется через выход 10 по трубопроводу 15 в узел 13 механической очистки газообразной фазы и распространяется по всему свободному их объёму, но и снижается риск преждевременного удаления крупных частей сорбента из барабана 8, дополнительно способствуя значительному уменьшению его фракции под воздействием керамических шариков 9, позволяя повысить плотность полученной взвеси внутри узла адсорбционной очистки. При этом такой активный перенос частиц помимо воздействия на газ адсорбентом в процессе переноса обеспечивает улучшенную реакцию при механической очистке, так как частицы сорбента налипают на поверхности рукавного фильтра 14, тем самым создавая дополнительную фильтрационную подушку 17 которая выполняет не только адсорбционную очистку, но и повышает качество механической фильтрации. После этого сорбент отделяется рукавным фильтром 14 от потока очищенного газа, возвращается устройством 16 в узел 5 адсорбционной очистки охлажденной жидкостью газообразной фазы и повторно используется в нем для очистки газа.
Таким образом, повышается степень очистки газообразной фазы блоком очистки газообразной фазы, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики системы для переработки отходов.