СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
METHOD OF PROCESSING ORGANIC WASTES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к технологии переработки органических промышленных и бытовых отходов, в частности к способам и устройствам для переработки органических отходов, и может быть использовано в жилищно-коммунальном хозяйстве для утилизации отходов, топливно-энергетическом комплексе, промышленности органического синтеза, а также в резинотехнической промышленности.
Известен способ переработки органических отходов, включающий подачу отходов в реактор в передвижном контейнере из первой камеры загрузки/выгрузки, их термолиз в реакторе в среде содержащего водяной пар теплоносителя, пропускаемого через слой отходов, с образованием газообразной и твердой фаз, вывод газообразной фазы из реактора, возврат части газообразной фазы в реактор, вывод твердой фазы из реактора путем перемещения контейнера с твердой фазой из реактора по окончании процесса термолиза в реакторе в первую камеру загрузки/выгрузки, выгрузку твердой фазы при повороте контейнера относительно продольной оси, измельчение твердой фазы и ее магнитную обработку, охлаждение газообразной фазы, отделение жидкой фазы, сконденсированной при охлаждении газообразной фазы, сжигание несконденсированной газообразной фазы для нагрева водяного пара в теплообменнике, последующее повторение процесса, в котором подачу отходов в реактор в передвижном контейнере осуществляют из второй камеры загрузки/выгрузки, и контейнер по окончании процесса термолиза в реакторе перемещают из реактора во вторую камеру загрузки/выгрузки (см. международную заявку WO 2008/030137, кл. В29В 17/00, опубл. 13.03.08).
Известно устройство для переработки органических отходов, содержащее реактор термолиза в виде камеры с газоходами для подачи и вывода парогазовой смеси, парогенератор, теплообменник для перегрева пара, образующегося в парогенераторе, топку для обогрева теплообменника, вентилятор для циркуляции парогазовой смеси через реактор и теплообменник, конденсатор и сепаратор, последовательно подключенные к газоходу для вывода парогазовой смеси из реактора, а также две камеры загрузки/выгрузки с контейнерами на тележках, расположенные с двух противоположных сторон реактора и соединенные с ним шлюзовыми затворами, причем каждый контейнер содержит в нижней части камеру с беспровальной решеткой и патрубком подвода парогазовой смеси, а также механизм поворота вокруг продольной оси, а каждая камера загрузки/выгрузки в донной части своим выходом подключена к ленточному транспортеру, к которому последовательно подключены измельчитель и магнитный сепаратор (см. международную заявку WO 2008/030137, кл. В29В 17/00, опубл. 13.03.08).
Недостатки известного способа - использование в качестве теплоносителя парогазовой смеси, что приводит к высокому расходу энергии на процесс переработки отходов, большим выбросам в окружающую среду вредных соединений, которые содержатся в продуктах сгорания топлива, используемого для обогрева реактора и перегрева больших количеств водяного пара, низкому качеству продуктов переработки из-за наличия в твердой фазе золы и в жидкой фазе непредельных соединений, а также значительного количества воды, что, как следствие, снижает удельную теплоту сгорания и приводит к невозможности хранить топливо при температуре ниже нуля.
Недостатком известного устройства является низкое качество жидких и твердых продуктов переработки из-за наличия в твердой фазе золы и в жидкой фазе непредельных соединений.
Технический результат предложенного способа - снижение расходов энергии на процесс переработки, снижение вредных выбросов в окружающую среду, повышение качества продуктов переработки.
Технический результат предложенного устройства - снижение расходов энергии на процесс переработки, снижение вредных выбросов в окружающую среду, повышение качества продуктов переработки.
Указанный технический результат в отношении способа достигается тем, что в способе переработки органических отходов, включающем подачу отходов в реактор, их термолиз в реакторе в среде теплоносителя, пропускаемого через слой отходов, с образованием газообразной и твердой фаз, вывод газообразной фазы из реактора, ее охлаждение, отделение жидкой фазы, сконденсированной при охлаждении газообразной фазы, сжигание несконденсированной газообразной фазы, вывод твердой фазы из реактора по окончании процесса термолиза, ее охлаждение, выгрузку твердой фазы из контейнера и ее магнитную обработку, согласно изобретению в качестве теплоносителя используют газообразную смесь из продуктов сгорания, поступающих в теплообменник, и воздуха в реакторе, при этом теплоноситель нагревают до температуры 750-1150°С и пропускают через слой отходов со скоростью 2-15 м/с при давлении в реакторе в пределах 0,1-1,0 МПа.
Нагрев теплоносителя до указанной температуры является существенным признаком. При нагреве стенок реактора до температуры ниже 750°С резко снижается интенсивность передачи тепла излучением к стенкам контейнера с отходами, поэтому необходимое для разложения отходов время значительно взрастает, что приводит к росту тепловых потерь, а значит, увеличиваются затраты энергии на процесс переработки отходов. Известно, что разложение основных видов органических веществ (резина, древесина, бумага, текстиль и др.) завершается при температуре не ниже 700-800°С, т.е. нагрев стенок реактора до температуры ниже 750°С не обеспечит полного разложения органических отходов, а также уничтожения вредных микроорганизмов. С ростом температуры стенок интенсифицируется передача тепла к отходам. В то же время нагрев стенок выше 1150°С приведет к снижению прочности металла и возможности разрушения реактора, резкому увеличению тепловых потерь, а также коксованию стенок реактора (отложению кокса в результате термической деструкции органических составляющих газовой фазы) и снижению эффективность теплопередачи за счет роста теплового сопротивления стенок (кокс играет роль тепловой изоляции). Интенсификация термического разложения органических составляющих газовой фазы при температуре выше 1150°С приводит к снижению качества газообразных продуктов разложения (растет количество взрывоопасного водорода в газовой смеси, снижается количество жидких продуктов разложения). Таким образом для снижения энергетических затрат на процесс переработки органических отходов, получения качественных (не взрывоопасных) продуктов разложения необходимо температуру стенок реактора поддерживать в пределах 750-1150°С.
Признак «теплоноситель пропускают через слой отходов со скоростью 2-15 м/с» является существенным признаком. Снижение скорости циркуляционного потока теплоносителя ниже 2 м/с приводит к резкому падению интенсивности передачи тепла к отходам в контейнере, т.к. при таких скоростях движения теплоносителя снижается турбулентность потока в слое отходов и, как следствие, снижается теплообмен между потоком и отходами. Увеличение скорости циркуляционного потока теплоносителя выше 15 м/с приводит к резкому росту энергетических затрат на циркуляцию теплоносителя за счет роста гидродинамического сопротивления слоя отходов в контейнере. При этом также резко возрастает вынос мелкой фракции твердых продуктов разложения из контейнера, в результате чего газообразная фаза загрязняется твердыми частицами, что приведет к отложению данных частиц в конденсаторе и выходу его из строя. В результате этого из-за загрязнения твердыми частицами ухудшается качество получаемой жидкой фазы.
Давление в реакторе находится в пределах 0,1-1,0 МПа. Использование высоких давлений в реакторе увеличивает материалоемкость оборудования, так как необходимо усиливать стенки реактора путем увеличения их толщины. При этом перед выводом контейнера из реактора необходимо снижать в нем давление, т.к. открытие шлюза при высоком давлении в реакторе неизбежно приведет к выбросу газовой среды в камеру выгрузки, или разрушению данной камеры. Увеличение давления в реакторе выше 1,0 МПа приводит к резкой интенсификации вторичных реакций между компонентами газообразных продуктов разложения отходов, требует существенного увеличения прочности реактора за счет увеличения толщины стенок, применения специальных шлюзовых затворов. Снижение давления в реакторе ниже 0,1 МПа резко снижает интенсивность передачи тепла, в результате возрастает необходимое для разложения отходов время. Кроме того, при давлении ниже 0,1 МПа необходимо принимать дополнительные меры для герметизации реактора, т.к. возрастает интенсивность притока в реактор воздуха из окружающей среды, что неизбежно приведет к образованию взрывоопасной смеси в реакторе и взрыву. Таким образом, для эффективной переработки органических отходов путем термолиза необходимо давление в реакторе поддерживать в пределах 0,1-1,0 МПа.
В газообразную фазу в реакторе можно подавать водяной пар и устанавливать массовое соотношение водяного пара и газообразной фазы в смеси в пределах 1:6,0-1:20,0. Подача водяного пара в газообразную фазу приводит к эффекту очистки стенок реактора и стенок контейнера от отложений кокса, в результате того, что кокс (углерод) вступает в реакцию с водяным паром с образованием оксида углерода, водорода и диоксида углерода, т.е. газообразных продуктов. Снижение массового соотношения содержания водяного пара и газообразной фазы ниже 1:20,0 (менее 1 кг пара на 20 кг газообразной фазы) не обеспечивает подавления химических реакций между компонентами газообразной фазы. При снижении массового соотношения водяного пара и газообразной фазы ниже 1:20 (менее 1 кг пара на 20 кг газообразной фазы) реакция взаимодействия водяного пара с коксом практически не протекает. Увеличение массового соотношения водяного пара и газообразной фазы более 1:6 (более 1 кг пара на 6 кг газообразной фазы) приводит к повышенному расходу пара и образованию (после охлаждения газообразной фазы в конденсаторе) повышенного количества воды, что, в свою очередь, приводит к росту энергетических затрат, т.к. для получения водяного пара расходуется топливо, а при его конденсации необходимо отводить большие количества тепловой энергии (теплоту охлаждения и конденсации).
Продукты сгорания несконденсированной газообразной фазы можно использовать в качестве дополнительного топлива для получения теплоносителя, что позволяет снизить количество жидкого топлива.
Указанный технический результат в отношении устройства достигается тем, что в устройстве для переработки органических отходов, содержащем реактор с теплообменником и вентилятором, камеру с затворами, контейнер, сообщенный с накопителем отходов, бункер для твердых отходов, сообщенный с контейнером и подсоединенный к ленточному транспортеру, связанному последовательно с мельницей и магнитным сепаратором, при этом реактор сообщен с парогенератором, топкой и конденсатором, а контейнер имеет возможность перемещения в реактор и из реактора через затворы камеры, согласно изобретению дополнительно содержит газоход для вывода из контейнера воздуха в реактор, теплообменник выполнен в виде двойных боковых стенок реактора и сообщен с топкой нагрева газов, в качестве теплоносителя используют газообразную смесь из продуктов сгорания, поступающих в теплообменник, и воздуха в реакторе, при этом газоход выходом расположен в реакторе и имеет возможность герметичного соединения по входу с верхней частью контейнера при размещении контейнера в реакторе, вентилятор размещен в верхней части реактора, контейнер выполнен с перфорированным дном и с возможностью перемещения сначала в камеру, а затем в реактор помощи устройства для перемещения.
Устройство перемещения контейнера может быть выполнено в виде рельсового пути, связанного с транспортером, что упрощает перемещение контейнера в камеру и реактор.
На фиг.1 схематично изображено устройство для переработки органических отходов;
На фиг.2 - реактор с установленным внутри него контейнером.
Устройство содержит накопитель 1 с весовым дозатором 2, подключенным к бункеру - смесителю 3, снабженному мешалкой 4, транспортер 5 для загрузки контейнера 6, выполненного с перфорированным дном 7.
Устройство также содержит шлюзовую камеру 8 с затвором 9, подключенным к двигателю 10. При помощи транспортера 11 по рельсам 12 контейнер 6 имеет возможность перемещения в (из) камеру 8. Шлюзовой затвор 9 с примыкающими к нему рельсами 12 представляет собой модуль загрузки/выгрузки камеры 8. Двигатель 13 подключен к шлюзовому затвору 14 с клапаном 15. В камере 8 расположены форсунки 16. Температуру охлаждения камеры 8 контролируют по показаниям датчика температуры 17.
В реакторе 18 термолиза, выполненном в виде камеры и с газоходом 19 для вывода воздуха, имеющим выход 20 и вход, расположены теплообменник 21, выполненный в виде двойных боковых стенок реактора 18, вентилятор 22 в верхней части реактора 18, датчик 23 температуры нагрева стенок реактора 18 и датчик 24 для контроля температуры нагрева теплоносителя, датчик давления 25, датчик 26 контроля объемного расхода теплоносителя в реакторе 18.
Емкость 27 для жидкого топлива сообщена с топкой 28 для сжигания топлива. Парогенератор 29, дымосос 30 и дымовая труба 31. Через кран 32 подают в топку 28 неконденсирующийся газ. Через кран - расходомер 33 в пароперегреватель 34 с заданным расходом подают водяной пар из парогенератора 29. Пароперегреватель 34 сообщен через кран 35 с емкостью 27. Температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика температуры 36.
Реактор 18 гидравлически сообщен с конденсатором 37 через кран 38.
Воздушный теплообменник 39 выполнен с вентилятором 40. Температуру охлаждения газообразной фазы, находящейся в конденсаторе 37, контролируют по показаниям датчика температуры 41.
Из емкости с водой 42 через кран 43 с помощью насоса 44 в форсунки 16 подают воду.
Бункер выгрузки 45 связан с ленточным транспортером 46 и расположен под перфорированным дном 7 контейнера 6.
С помощь ленточного транспортера 46 твердую фазу подают в мельницу 47, связанную с магнитным сепаратором 48. Накопитель 49 предназначен для металла, а накопитель 50 - для углеродистого остатка.
Жидкую фазу подают в сепаратор 51. Воду через кран 52, подключенный к емкости 42, подают в эту емкость, выполненную с фильтром.
В накопитель 53 через кран 54 подают жидкую фазу.
Способ реализуется, а устройство работает следующим образом.
Из накопителя 1 через весовой дозатор (весы) 2 в бункер - смеситель 3 в заданном количестве подают измельченные отходы, например резиновые шины и бытовые отходы, которые содержат пластмассу, древесину, текстиль, кожу, бумагу. В бункере -смесителе 3 с помощью мешалки 4 отходы перемешивают до равномерного распределения компонентов в образующейся смеси. Далее полученную смесь с помощью транспортера 5 загружают в контейнер 6 до его полного заполнения, что контролируют визуально. С помощью двигателя 10 открывают путем смещения в сторону затвор 9 камеры 8, включают транспортер 11 и контейнер 6 по рельсам 12 подают в камеру 8 и устанавливают его там. После этого затвор 9 закрывают и таким образом камеру 8 герметизируют. С помощью двигателя 13 открывают путем смещения в сторону шлюзовой затвор 14 и транспортером 11 контейнер 6 с отходами из камеры 8 перемещают в реактор 18 и устанавливают его там. Затем затвор 14 закрывают, в результате чего реактор 18 герметизируется.
Контейнер 6 с отходами устанавливают таким образом, что газоход 19 своим входом герметично подключается к верхней части контейнера 6 (контейнер при перемещении въезжает под газоход 19 и стыкуется верхней частью (по периметру ее) с газоходом).
Из емкости 27 в топку 28 с заданным расходом подают жидкое топливо и сжигают, а продукты сгорания подают в теплообменник 21 реактора 18. Проходя через теплообменник 21, продукты сгорания топлива нагревают боковые стенки реактора 18 до температуры 750-1150°С, что контролируют по показаниям датчика температуры 23, нагрев стенок регулируют путем изменения количества сжигаемого в топке 28 топлива, в результате чего регулируется количество продуктов сгорания, подаваемых в теплообменник 21.
Из теплообменника 21 «разбавленные» продукты сгорания подают в топку парогенератора 22 по дымоходу в качестве вторичного дутья, а затем с помощью дымососа 30 продукты сгорания выводят в дымовую трубу 31. Это позволяет повысить температуру горения топлива в горелке парогенератора 29 и повысить коэффициент использования топлива для получения водяного пара.
Одновременно с подачей продуктов сгорания в теплообменник 21 включают вентилятор 22 и создают циркуляционный поток воздушной среды в реакторе 18. Воздух, который присутствует в реакторе 18 на начальном этапе переработки отходов, под действием вентилятора 22 через перфорированное дно 7 контейнера 6 затягивается в контейнер 6, проходит через слой отходов, выбрасывается через выход 19 газохода 17 в верхнюю часть реактора, протекает в пространстве между стенками контейнера 6 и стенками реактора 18 и вновь поступает через перфорированное дно 7 в контейнер 6 (см. фиг.2).
Проходя в пространстве между стенками контейнера 6 и реактора 18, воздух интенсифицирует конвективную передачу (в результате образования турбулентного потока) от нагретых стенок теплообменника 21 к стенкам контейнера 6.
Одновременно, воздух в реакторе 18 в результате теплообмена со стенками теплообменника 21 нагревается до температуры 750-1150°С и переносит тепло от теплообменника непосредственно к отходам в контейнере 6, в результате чего отходы нагреваются и при достижении некоторой температуры (для каждого вида отходов это определенная температура) начинают претерпевать термическое разложение с выделением газообразной фазы. Температуру нагрева теплоносителя в виде газообразной смеси из продуктов сгорания, поступающих в теплообменник, и воздуха в реакторе, контролируют по показаниям датчика температуры 24 (она соответствует температуре в реакторе), а регулируют путем изменения оборотов вентилятора, в результате чего изменяется скорость циркуляции теплоносителя, а это приводит к тому, что изменяется время контакта теплоносителя с нагретыми стенками теплообменника. При увеличении времени контакта (снижении скорости циркуляции) температура теплоносителя повышается, а при снижении времени контакта (увеличении скорости циркуляции) температура теплоносителя снижается.
В процессе нагрева отходов кислород воздуха расходуется на окисление органических веществ с образованием оксида и диоксида углерода, водяного пара. Поскольку количество воздуха в реакторе незначительное в сравнении с тем количеством, которое необходимо для полного окисления всей массы отходов в контейнере 6 (реактор герметизирован), то процесса горения в реакторе 18 не возникает. В результате окисления части отходов выделяется дополнительное к подводимому с воздухом тепло, и процесс нагрева отходов ускоряется (начинает резко возрастать температура), что приводит к интенсификации термического разложения отходов и росту давления в реакторе. При этом температуру в реакторе 18 контролируют по показаниям датчика температуры 24, а давление - по показаниям датчика давления 25.
При нагреве отходов до температуры 400°С начинается интенсивное термическое разложение их с образованием газообразной фазы и твердой фазы (твердых продуктов), что приводит к росту давления в реакторе 18. Для поддержания давления в реакторе в пределах 0,1-1,0 МПа открывают кран 38, и часть газовой фазы выводят из реактора 17 в конденсатор 37 по трубопроводу.
В конденсаторе 37 газообразную фазу охлаждают до температуры ниже 100°С путем теплообмена с циркулирующей через конденсатор 37 водой, которую в свою очередь охлаждают в воздушном теплообменнике 39 путем прокачки воздуха через теплообменник 39 с помощью вентилятора 40. Температуру газообразной фазы в конденсаторе 37 контролируют по показаниям датчика температуры 41. В конденсаторе 37 в результате охлаждения газообразной фазы образуется жидкая фаза и неконденсирующийся газ. Жидкую фазу подают в сепаратор 51, отделяют воду, которую через кран 52 подают в емкость 42 с фильтром, а жидкую фазу через кран 54 подают в накопитель 53.
Неконденсирующийся газ через кран 32 подают в топку 28 и при этом снижают расход топлива, подаваемого из емкости 27 в топку 28. Сжигание неконденсирующихся газов позволяет снизить расход топлива, т.е. использовать энергию самих отходов для их термической переработки.
Для предотвращения вторичных реакций между компонентами в газообразную фазу, циркулирующую в реакторе, подают водяной пар и устанавливают массовое соотношение водяного пара и газообразной фазы в пределах 1:(6,0-20,0). Для этого от парогенератора 29 через кран - расходомер 33 в пароперегреватель 34 с заданным расходом подают водяной пар. Пар перегревают до температуры 750-1150°С путем сжигания топлива в пароперегревателе 34, которое через кран 35 подают из емкости 27. Температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика температуры 36. Массовое содержание водяного пара и газообразной фазы контролируют по показаниям датчика 6 концентрации водяного пара в образующейся парогазовой смеси.
Поскольку тепло, необходимое для термической переработки органических отходов, в контейнер 6 с отходами подводится с теплоносителем, то для повышения эффективности процесса переработки необходимо подводить оптимальное количество тепла, т.е. расход теплоносителя должен быть оптимальным (минимально возможным).
Циркуляционный поток теплоносителя в реакторе 18 устанавливают таким, чтобы его скорость в контейнере с отходами был в пределах 2-15 м/с. Для этого при заданной площади поперечного сечения контейнера 6 и пористости слоя отходов определяют пределы необходимого объемного расхода теплоносителя, при котором скорость потока теплоносителя в контейнере будет изменяться в пределах 2-15 м/с. Объемный расход теплоносителя поддерживают путем регулирования оборотов вентилятора 22 и контролируют по показаниям датчика расхода 26.
При термическом разложении органических отходов количество выделяющейся газообразной фазы возрастает во времени, достигает своего максимума и затем начинает снижаться. Момент полного прекращения выделения газообразной фазы соответствует моменту завершения процесса разложения отходов. Этот момент определяется следующим образом. Так как давление в реакторе 18 регулируют путем вывода части газообразной фазы из реактора через кран 38 в конденсатор 37, то с ростом количества выделяющейся газообразной фазы для поддержания давления в реакторе 18 открытие крана увеличивают до максимальной величины, а затем постепенно закрывают при падении количества выделяющейся газообразной фазы. Таким образом, момент полного закрытия крана 38 будет соответствовать моменту прекращения выхода газообразной фазы, т.е. моменту завершения процесса разложения отходов.
После завершения процесса термического разложения органических отходов открывают кран 38 и снижают давление в реакторе до атмосферного путем вывода остаточной газообразной фазы из реактора 18 в конденсатор 37, а затем с помощью двигателя 13 открывают шлюзовой затвор 14 и транспортером 11 контейнер 6 перемещают из реактора 18 в камеру 8, после чего затвор 14 закрывают.
Из емкости с водой 42 через кран 43 с помощью насоса 44 в форсунки 16 подают воду и распыляют ее над контейнером 6. Вода попадает в контейнер, орошает твердую фазу, нагревается и испаряется, в результате чего контейнер и твердая фаза охлаждаются.
Образующийся водяной пара через клапан 15 из камеры 8 выходит в реактор 18 и затем поступает в конденсатор 37, где конденсируется.
Температуру охлаждения контейнера 6 и твердой фазы контролируют по показаниям датчика температуры 17 и при достижении температуры, равной 100-140°С, распыление воды прекращают.
С помощью двигателя 10 открывают шлюзовой затвор 9 камеры 8, включают транспортер 11 и контейнер 6 по рельсам 12 выводят из камеры 8 и устанавливают его над бункером выгрузки 45. Поворачивают перфорированное дно 7, и твердая фаза под действием собственного веса вываливается в бункер выгрузки 45. После выгрузки твердой фазы перфорированное дно 7 поворачивают в исходное положение, и в контейнер 6 загружают отходы.
С помощь ленточного транспортера 46 твердую фазу подают в мельницу 47, где ее размалывают, после чего подают в магнитный сепаратор 48 и отделяют металл от углеродистого остатка. Металл подают в накопитель 49, а углеродистый остаток подают в накопитель 50.
Как вариант исполнения, устройство может быть выполнено еще с одним накопителем с весовым дозатором, транспортером для загрузки еще одного контейнера, выполненного с перфорированным дном, камерой, которые выполнены аналогично и имеют аналогичные с перечисленными выше признаки. Работа устройства с дополнительными элементами аналогична и осуществляется по окончании работы одного из них.
Пример
Из накопителя 1 через весовой дозатор (весы) 2 в бункер - смеситель 3 подают 100 кг измельченных до размеров 50 мм изношенных шин и подают 100 кг отсортированных (удалены металл, стекло, камни) бытовых отходов, которые содержат 35 кг полиэтилена, 30 кг древесины, 5 кг текстиля, 5 кг кожи, 25 кг бумаги. В бункере - смесителе 3 с помощью мешалки 4 отходы перемешивают до равномерного распределения компонентов в образующейся смеси. Далее полученную смесь в количестве 200 кг с помощью транспортера 5 загружают в контейнер 6 до полного заполнения контейнера, что контролируют визуально. С помощью двигателя 10 открывают затвор 9 камеры 10, включают транспортер 11, и контейнер 6 по рельсам 12 подают в камеру 8 и устанавливают его там. После этого затвор 9 закрывают, и таким образом камеру герметизируют. С помощью двигателя 13 открывают путем смещения в сторону шлюзовой затвор 14 и транспортером 11 контейнер 6 с отходами из камеры 8 перемещают в реактор 18 и устанавливают его там. Затем затвор 14 закрывают, в результате чего реактор герметизируется.
Контейнер 6 с отходами устанавливают таким образом, что газоход 19 своим входом 20 герметично подключается к верхней части контейнера 6 (контейнер при перемещении въезжает под газоход 19 и стыкуется верхней частью (по периметру ее) с газоходом).
Из емкости 27 в топку 28 с расходом 30 кг/ч подают жидкое топливо и сжигают, а продукты сгорания с расходом 330 кг/ч подают в теплообменник 21 реактора 18. Проходя через теплообменник 21, продукты сгорания топлива нагревают боковые стенки реактора 18 до температуры 750°С, что контролируют по показаниям датчика температуры 23.
п
Из теплообменника 21 продукты сгорания с расходом 330 кг/ч подают в топку парогенератора 29, а затем с помощью дымососа 30 продукты сгорания выводят в дымовую трубу 31. Это позволят использовать теплоту продуктов сгорания топлива для получения водяного пара и одновременно снизить их температуру до 150°С перед выбросом в дымовую трубу, чтобы исключить выброс тепла в окружающую среду, т.е. повысить эффективность использования топлива. Так как из теплообменника 21 продукты сгорания выходят с температурой 750°С, а в дымовую трубу 31 выбрасываются при температуре 150°С, то количество тепла Q, которое используется в парогенераторе 29 для получения водяного пара, будет равно:
п
п.с.
п.с.
т
д.т.
Q=СМ(Т-Т)=(1,2 кДж/кг°С) 330 кг/ч (750°С-150°С)=237600 кДж/ч,
п.с.
где С=1,2 кДж/кг°С - удельная теплоемкость продуктов сгорания;
п.с.
М=330 кг/ч - расход продуктов сгорания;
т
Т=750°С - температура продуктов сгорания, подаваемых в парогенератор;
д.т.
Т=150°С - температура продуктов сгорания, выбрасываемых в дымовую трубу.
пара
В современных парогенераторах удельный расход тепла на производство 1 кг водяного пара не превышает q=3500 кДж/кг. В нашем случае за счет использования тепла продуктов сгорания может производиться в парогенераторе следующее количество водяного пара:
пара
п
пара
М=Q/q=(237600 кДж/ч)/(3500 кДж/кг)=68 кг/ч
Одновременно с подачей продуктов сгорания в теплообменник 21 включают вентилятор 22 и создают циркуляционный поток воздушной среды в реакторе. Воздух, который присутствует в реакторе на начальном этапе переработки отходов, под действием вентилятора 22 через перфорированное дно 7 контейнера 6 затягивается в контейнер 6, проходит через слой отходов, выбрасывается через выход 20 газохода 19 в верхнюю часть реактора термолиза 18, протекает в пространстве между стенками контейнера 6 и стенками реактора 18 и вновь поступает через перфорированное дно 7 в контейнер 6. Проходя в пространстве между стенками, воздух интенсифицирует конвективную передачу (за счет образования турбулентного потока) от нагретых стенок теплообменника к станкам контейнера 8.
Одновременно воздух в результате теплообмена со стенками теплообменника 21 нагревается до температуры 750°С и переносит тепло от теплообменника непосредственно к отходам в контейнере 6, в результате чего отходы нагреваются и при достижении температуры 275°С начинается термическое разложение резины, древесины, бумаги с выделением газообразной фазы. Температуру нагрева теплоносителя контролируют по показаниям датчика температуры 24 (она соответствует температуре в реакторе), а регулируют путем изменения оборотов вентилятора 22. Давление в реакторе контролируют по показаниям датчика давления 25.
При дальнейшем нагреве отходов до температуры 400°С начинается интенсивное термическое разложение всех составляющих смеси отходов с образованием газообразной фазы и твердой фазы (твердых продуктов), что приводит к росту давления в реакторе 18. Для поддержания давления 0,1 МПа в реакторе открывают кран 38, и часть газообразной фазы выводят из реактора 18 в конденсатор 37.
В конкретном примере полное разложение смеси отходов завершается в течение 3600 с, а количество выделившейся газообразной фазы для компонентов смеси составит следующие величины: резиновые отходы - 40 кг; полиэтилен - 28 кг; древесина - 21 кг; текстиль - 3 кг; кожа - 3 кг; бумага - 20 кг. Общее количество выделившейся газообразной фазы составит величину 115 кг, а количество образующейся твердой фазы (твердых продуктов) будет равно 200 кг - 115 кг=85 кг.
В конденсаторе 37 газообразную фазу охлаждают до температуры ниже 100°С путем теплообмена с циркулирующей через конденсатор 37 водой, которую в свою очередь охлаждают в воздушном теплообменнике 39 путем прокачки воздуха через теплообменник с помощью вентилятора 40. Температуру охлаждения газообразной фазы контролируют по показаниям датчика температуры 41. В конденсаторе 37 в результате охлаждения газообразной фазы образуется жидкая фаза и неконденсирующийся газ.
В данном примере при охлаждении 115 кг газообразной фазы образуется 65 кг жидкой фазы и 50 кг неконденсирующихся газов, которые содержат в своем составе водород, метан, оксид углерода, этилен, водяной пар, диоксид углерода и др., т.е. образуется горючий газ, удельная теплота сгорания которого составляет 20 МДж/кг.
Жидкую фазу в количестве 65 кг подают в сепаратор 51, отделяют воду в количестве 20 кг, которую через кран 52 подают в емкость 42 с фильтром, а жидкую фазу в количестве 45 кг через кран 54 подают в накопитель 53. Неконденсирующийся газ через кран 32 в количестве 50 кг подают в топку 28 и сжигают. Сжигание 50 кг неконденсирующихся газов с удельной теплотой сгорания 20 МДж/кг эквивалентно сжиганию 25 кг жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40 МДж/кг.
Сжигание неконденсирующихся газов позволяет снизить расход топлива с 30 кг/ч до 5 кг/ч, которое подают из емкости 27 в топку 28.
Для предотвращения вторичных реакций между компонентами в газообразную фазу, циркулирующую в реакторе 18, подают водяной пар и устанавливают массовое соотношение водяного пара и газообразной фазы в пределах 1: 6,0. Для этого от парогенератора 29 через кран - расходомер 33 в пароперегреватель 34 подают водяной пар. Пар перегревают до температуры 750°С путем сжигания топлива в пароперегревателе 34, которое через кран 35 подают из емкости 27. Температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика температуры 36. Массовое содержание водяного пара и газообразной фазы контролируют по показаниям датчика 6 концентрации водяного пара в образующейся парогазовой смеси.
В данном примере образуется 115 кг газообразной фазы, а значит, для установления массового соотношения 1: 6,0 потребуется 19,17 кг водяного пара.
2
2
2
3
3
Циркуляционный поток теплоносителя в реакторе устанавливают таким, чтобы его скорость в контейнере с отходами была в пределах 2 м/с. Пусть площадь поперечного сечения контейнера составляет 1 м, а пористость слоя отходов в контейнере составляет 0,40. Следовательно, площадь сечения каналов для течения теплоносителя через слой отходов в контейнере составит величину S=0,40 м. В этом случае объемный расход теплоносителя будет равен V=2 м/с×0,40 м=0,8 м/с. Объемный расход теплоносителя, равный 0,8 м/с, поддерживают путем регулирования оборотов вентилятора 22 и контролируют по показаниям датчика расхода 56.
При термическом разложении органических отходов количество выделяющейся газообразной фазы возрастает во времени, достигает своего максимума и затем начинает снижаться. Момент полного прекращения выделения газообразной фазы соответствует моменту завершения процесса разложения отходов. Этот момент определяется следующим образом. Так как давление в реакторе 18 регулируют путем вывода части газообразной фазы из реактора 18 через кран 38 в конденсатор 37, то с ростом количества выделяющейся газообразной фазы для поддержания давления в реакторе 18 открытие крана увеличивают до максимальной величины, а затем постепенно закрывают при падении количества выделяющейся газообразной фазы. Таким образом, момент полного закрытия крана 38 будет соответствовать моменту прекращения выхода газообразной фазы, т.е. моменту завершения процесса разложения отходов.
После завершения процесса термического разложения органических отходов открывают кран 38 и снижают давление в реакторе до атмосферного путем вывода остаточной газообразной фазы из реактора 18 в конденсатор 37, а затем с помощью двигателя 13 открывают шлюзовой затвор 14 и транспортером 11 контейнер 6 перемещают из реактора 18 в камеру 8, после чего затвор 14 закрывают.
Из емкости с водой 42 через кран 43 с помощью насоса 44 в форсунки 16 подают воду и распыляют ее над контейнером 6 в количестве 25 кг. Вода попадает в контейнер, орошает твердую фазу, нагревается и испаряется, в результате чего контейнер и твердая фаза охлаждаются.
Образующийся водяной пар через клапан 15 в количестве 25 кг из камеры 8 выходит в реактор 18 и затем поступает в конденсатор 37, где конденсируется.
Температуру охлаждения контейнера 6 и твердой фазы контролируют по показаниям датчика температуры 17, и при достижении температуры, равной 100°С, распыление воды прекращают.
С помощью двигателя 10 открывают шлюзовой затвор 9 камеры 10, включают транспортер 11 и контейнер 6 по рельсам 12 выводят из камеры 8 и устанавливают его над бункером выгрузки 45. Поворачивают перфорированное дно 7, и твердая фаза под действием собственного веса в количестве 85 кг вываливается в бункер выгрузки 45. После выгрузки твердой фазы перфорированное дно 7 поворачивают в исходное положение, и в контейнер 6 загружают отходы.
С помощь ленточного транспортера 46 твердую фазу подают в мельницу 47, где ее размалывают до частиц 1-5 мм, после чего подают в магнитный сепаратор 48 и отделяют металл в количестве 8 кг от углеродистого остатка. Металл подают в накопитель 49, а углеродистый остаток в количестве 77 кг подают в накопитель 50.
Таким образом заявленное изобретение позволяет снизить энергетические затраты на переработку органических отходов, снизить выбросы в окружающую среду и повысить качество получаемых продуктов переработки отходов.