КОМПЛЕКС ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ С АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СОРТИРОВКОЙ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ И ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ ОРГАНИЧЕСКОГО ОСТАТКА
PROCESSING COMPLEX OF SOLID MUNICIPAL WASTES WITH AUTOMATED SORTING OF INORGANIC PART AND PLASMA GASIFICATION OF ORGANIC RESIDUE

Изобретение относится к области переработки твердых коммунальных отходов IV - V класса опасности, включающей предварительную автоматизированную сортировку отходов с получением вторичного сырья (пластика, металла, стекла) и плазменную газификацию органической части с получением синтез-газа, пригодного для производства тепловой и электрической энергии, и строительных материалов. Изобретение может быть использовано в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии.
Известны плазменная система и способ переработки отхода с получением вторичных продуктов, включая электроэнергию и тепло, [US 2011067376, 2011-03-24, F02C3/28]. Согласно указанному изобретению плазменная система включает:
1. систему измельчения и подачи отходов;
2. плазменный реактор, сконфигурированный для приема измельченных отходов и сжигания отходов с получением синтез-газа;
3. теплообменник для приема тепла из реактора и передачи тепла в жидкостный контур для теплообмена;
4. газовую турбина для производства электроэнергии из синтез-газа;
5. скруббер для очистки газов;
6. системный контроллер для управления реактором.
Согласно указанному изобретению способ извлечения энергии из отходов, включает:
1. введение отходов в плазменный реактор;
2. газификацию отходов в паровой плазме при температуре от 8000 до 15000°С;
3. использование энергии плазменного процесса;
4. генерирование тепла;
5. генерирование электроэнергии;
6. распределение электроэнергии на локальную электрическую сеть;
7. распределение электроэнергии в центр обработки данных;
8. генерирование синтез-газа;
9. подачу синтез-газа в один или несколько биореакторов, где синтез-газ превращается в этанол или уксусную кислоту;
10. использование синтез-газа как топлива турбины, которая имеет встроенный генератор;
11. использование синтез-газа для питания возвратно-поступательного дизельного или газового двигателя, который приводит в действие генератор;
12. использование горячей воды и/или пара, образующегося в реакторе во время процесса охлаждения, для питания турбины, которая сконфигурирована для привода генератора;
13. использование горячей воды и/или пара, образующегося при охлаждении неорганического шлака, когда шлак выводится из шлаковой ванны реактора.
В указанном изобретении не предусмотрена сортировка отходов.
Наиболее близкими по совокупности признаков и получаемому результату являются технология плазменной переработки промышленных и бытовых отходов, в том числе опасных медико-биологических, с получением синтез-газа и инертного шлака корпорации Westinghouse Plasma Corp. и завод для ее реализации [Обзор квалификационных требований, 2014]. Технология включает подготовку (измельчение) и подачу отходов в плазменный реактор, газификацию, очистку синтез-газа, плавление золы, преобразование полученного синтез-газа в разнообразные продукты, в том числе:
1. электричество (через газовые турбины и поршневые двигатели, а в будущем - топливные элементы);
2. тепловую энергию и пар;
3. жидкие топлива, включая этанол, реактивное топливо, дизельное топливо и нафту, метанол, пропанол.
Завод включает систему хранения, измельчения и подачи отходов, плазменный реактор (газификатор), систему очистки синтез-газа, систему преобразования полученного синтез-газа в конечные продукты. ТКО, сыпучие отходы и коксовый шлак доставляют на приемный пункт завода. Исходный материал в заданных объемах выгружают на конвейер общей подачи, который осуществляет транспортировку исходного материала к газификатору. Внутри газификатора загружаемый материал преобразуется в синтез-газ. Синтез-газ частично охлаждают распыленной водой в верхней части газификатора, прежде чем он выйдет из газификатора через два патрубка. Охлажденный синтез- газ проходит ряд процессов очистки с целью удаления твердых частиц, хлора, серы и ртути. Промежуточные фазы сжатия и охлаждения позволяют удалить из газа влагу. Затем очищенный синтез- газ сжимается в многофазном компрессоре и подается в газовую турбину для производства электроэнергии. Тепловой поток от отработанного газа из турбины восстанавливается теплоутилизационным парогенератором (HRSG). Пар из HRSG накапливается и подается в многофазную паровую турбину для выработки электроэнергии. Металлические и зольные компоненты исходного материала образуют расплавленный шлак, который вытекает через выпускные отверстия в нижней части газификатора. На выходе из газификатора шлак закаливается и гранулируется. Полученные остеклованные гранулы переправляются и погружаются на транспорт для вывоза и доставки клиентам.
Ни на одном из реализованных корпорацией Westinghouse Plasma Corp. проектах не предусмотрена роботизированная сортировка отходов.
Из уровня техники известны системы сортировки отходов, в которых используют роботов-манипуляторов различных типов, например, роботов шарнирной конструкции, SCARA- роботов, козловых или других.
Известны заводы, в Финляндии и в Голландии, по сортировке отходов, использующие самообучающуюся роботизированную систему сортировки ZenRobotics.
Например, система и способ сортировки отходов на основе роботизированного манипулятора для выбора и перемещения отобранной из исходного материала фракции компании ZenRobotics описаны в патенте [WO 2015158962, 2015.10.22, В07С 5/02]. Система сортировки материала содержит:
1. один или несколько конвейеров, на которые подают сортируемый материал таким образом, чтобы он равномерно распределялся;
2. датчики;
3. вычислительный блок для анализа полученной информации и формирования управляющего сигнала;
4. манипуляторы, настроенные так, чтобы в ответ на сигналы управления из вычислительного блока манипулировать одним или несколькими типами материалов, перемещающихся на конвейерной ленте.
Манипуляторы могут быть одного или разных типов. Например, манипулятор может быть роботом, таким как робот шарнирной конструкции, козловой робот, SCARA- робот или другой известный тип робота, сконфигурированный для сбора предварительно определенных объектов из исходного материала и перемещения их. Кроме того, в качестве дополнительных манипуляторов может использоваться, например, вибрационный стол. Анализ сигналов от одного или более датчиков и передача управляющих сигналов разным манипуляторам могут быть организованы одним или несколькими вычислительными модулями, соединенными вместе.
Способ базируется на адаптивном алгоритме поиска и наборе всевозможных датчиков и дает возможность роботу определять кроме размеров еще и материалы, из которых состоит предмет, и быстро и аккуратно направлять его в нужный складской контейнер или на нужную ленту конвейера для переработки. Способ включает в себя подачу исходного материала, передачу датчиками сигналов в вычислительный блок, формирование управляющего сигнала вычислительным блоком, передачу этого сигнала манипулятору, который осуществляет захват и перенос отбираемого объекта в соответствующую емкость.
Различные датчики непрерывно контролируют поток отходов. Самообучаемое программное обеспечение анализирует данные датчиков в режиме реального времени.
Распознавание идет в две стадии. Сначала - баллистический экран, где мусор проходит через зону сильной вибрации и, в зависимости от того, как подскакивает или крутится тот или иной субъект, система определяет материал. Далее на конвейере - лазерная система распознавания. На этой стадии манипулятору отдается команда.
Известные комплексы по сортировке мусора рассчитаны на работу с сырьем, имеющим определенный морфологический состав, ранее отсортированным, по примеру стран, где уже десятилетиями налажена система раздельного сбора и транспортировки мусора. В России и на всем постсоветском пространстве эта система работать не сможет, т.к. морфологический состав сырья существенно отличается.
Известны устройство и способ идентификации изображений отходов с использованием сверточной нейронной сети [KR 101942219, 2019.01.24, G06K 9/32; G06K 9/46; G06K9/62]. Устройство включает в себя компьютер, связанный посредством локальной линии связи с видеокамерой и монитором. На компьютере установлено программное обеспечение (ПО), с помощью которого осуществляют прием изображений отходов от видеокамеры, их обработку, идентификацию и классификацию по заданным признакам на основе нейросетевого алгоритма (сверточной нейронной сети). Получаемый технический результат - быстрота и точность идентификации изображений отходов.
Компьютер здесь используется только для обработки и анализа изображений отходов и не имеет управляющей функции, т.е. сигналов для управления манипуляторами не генерируется, т.к. для управления манипуляторами нужно специальное ПО и манипуляторы.
Известна плазменно-резистивная шахтная электропечь для переработки твердых углеродсодержащих техногенных отходов [патент РФ 166293, 10.05.2016, F23G 5/027, C10J 3/00], содержащая загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, плазмохимический реактор с генератором дуговой плазмы, устройство закалки и очистки синтез-газа, приемник шлака. Целью изобретения является уменьшение удельных затрат электрической энергии на переработку единицы органических отходов за счет уменьшения мощности дугового разряда. Уменьшение мощности дугового разряда достигается за счет использования газового нагревателя с пористой крупнозернистой средой, которая при прохождении через нее пламени горящего газа, нагревается и передает тепло рабочей поверхности нагревателя, при этом теплоотдача к обрабатываемому материалу и КПД устройства значительно увеличиваются.
Указанная электропечь предназначена для переработки смешанных отходов, включающих как органику, так и неорганику. Для осуществления указанного изобретения требуется изготовление дополнительно газового нагревателя с пористой теплопроводной средой внутри и системы удаления жидкого металла. Указанным изобретением не достигается максимальная глубина переработки ТКО, т.к. продукты, которые могут получить вторичное использование и принести прибыль, утилизируют.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание экологически безопасного, безотходного комплекса переработки твердых коммунальных отходов (ТКО) IV - V класса опасности, которые не подвергались ранее сортировке, позволяющего обеспечить максимальную глубину переработки ТКО.
Поставленную задачу решают тем, что предлагаемый комплекс переработки твердых коммунальных отходов с автоматизированной сортировкой неорганической части и плазменной газификацией органического остатка, включает:
- модуль хранения, подготовки и подачи ТКО;
- модуль автоматизированной сортировки ТКО, включающий участок магнитной сепарации и участок роботизированной сортировки с системой технического зрения, управляющим компьютером, оснащенным ПО распознавания образов на основе нейронных сетей, одним или несколькими роботами-манипуляторами;
- модуль электроплазменной переработки ТКО, включающий систему загрузки отходов, плазменный реактор (газификатор), состоящий из плазменной электропечи и одного или нескольких электродуговых плазмотронов, сконфигурированных для нагрева воздуха, водяного пара и любых газовых сред до температуры 3000÷5000 К, и имеющих длительный ресурс работы электродов (500÷1000 часов и более), блок очистки и закалки синтез-газа, блок удаления и остекловывания жидкого шлака, сервисные блоки и системы обеспечения работоспособности, систему АСУ ТП.
Согласно изобретению, система технического зрения участка роботизированной сортировки модуля автоматизированной сортировки ТКО в зависимости от специфики сортируемого продукта включает видеокамеру, одну и более, мультиспектральные сенсоры, сенсоры ближнего (NIR) и дальнего инфракрасного диапазона (FIR), рентгеновские (DE-XRT), рентгенофлуоресцентные (XRF), лазерно-спектроскопические (LIBS) сенсоры.
3
Согласно изобретению, плазменный реактор модуля электроплазменной переработки ТКО, сконфигурирован для газификации органической части ТКО с получением высококалорийного синтез-газа (10÷13 МДж/м) и инертного шлака.
Согласно изобретению, управляющий компьютер модуля автоматизированной сортировки ТКО оснащен вычислительным блоком для управления роботами-манипуляторами.
Технический результат - повышение эффективности переработки ТКО, максимальное использование энергетического потенциала ТКО при обеспечении экологической чистоты.
Максимальную глубину переработки ТКО обеспечивают за счет использования:
- магнитной сепарации, позволяющей извлекать из ТКО металлические фракции;
- роботизированной сортировки с системой технического зрения, основанной на использовании нейронных сетей, позволяющей получать вторичное сырье (пластик, цветные металлы, стекло и др.);
- плазменной газификации органической части ТКО, позволяющей получать такие вторичные продукты, как высококалорийный синтез-газ, пригодный для получения электроэнергии, тепла, биотоплива и др., и инертный шлак, пригодный для использования в строительстве.
Описание комплекса.
Комплекс является модульным и включает:
1. модуль подготовки и подачи ТКО;
2. модуль автоматизированной сортировки ТКО;
3. модуль электроплазменной переработки ТКО.
Модуль подготовки и подачи ТКО включает бункер с системой разрыхления и конвейер.
Модуль автоматизированной сортировки ТКО включает:
1. участок магнитной сепарации, где с использованием магнитов удаляют из потока отходов металлические фракции;
2. участок роботизированной сортировки с системой технического зрения, управляющим компьютером, оснащенным ПО распознавания образов на основе нейронных сетей, одним или несколькими роботами-манипуляторами.
Участок роботизированной сортировки состоит из следующих основных составных частей:
1. Система технического зрения, использующая в качестве датчиков, как обычные видеокамеры, так и специализированные сенсоры, прежде всего, мультиспектральные, а также сенсоры ближнего (NIR) и дальнего инфракрасного диапазона (FIR), рентгеновские (DE-XRT), рентгенофлуоресцентные (XRF), лазерно-спектроскопические (LIBS) в зависимости от специфики сортируемого продукта и требований к его сортировке.
2. Вычислительное устройство (управляющий компьютер), реализующее программным способом анализ, поступающих от системы технического зрения (датчиков и устройств регистрации изображений) сигналов, и распознавание сортируемых объектов на основе самообучающейся нейронной сети.
3. Сортировочный манипулятор. В качестве сортировочного механизма может быть использован, например, стандартный быстродействующий дельта-робот, захваты которого можно менять в зависимости от сферы применения и сортируемого продукта.
4. АСУТП.
Базовая технология автоматической сортировки и архитектура сортировочной системы и программное обеспечение (ПО) являются сенсоро- и продуктонезависимыми, т.е. при смене сортируемого продукта (например, с ТКО на строительный мусор) или требований к сортировке (не просто выделение пластика, а разделение его по типам, например, полиэтилен, полипропилен и пр.) в систему вносят незначительные изменения, например, замена сенсора, захватов робота и переобучение ПО распознавания образов. Это позволяет использовать модуль, как самостоятельное устройство, в нескольких смежных областях (продавать на нескольких смежных рынках), снижая себестоимость устройства и производства за счет унификации программного и аппаратного обеспечения.
В качестве сортировочного манипулятора можно использовать, например, высокопроизводительные роботы типа «дельта-робот». Робот расположен непосредственно над конвейером, что позволяет осуществлять сортировку как минимум в четырех направлениях. Для управления каждым роботом используют систему технического зрения. Основной управляющий компьютер с использованием технологии нейронных сетей позволяет быстро выявлять в общем потоке знакомые объекты, сортировать их по принадлежности и отправлять команду непосредственно роботу на перенос того или иного объекта в заданное место. Так, опознав в объекте пластиковую бутылку, будет подана команда на перенос ее в соответствующий контейнер. Фактически робот из общего потока мусора откидывает в заданных направлениях несколько основных фракций, выделение которых требует присутствия человека, данные фракции попадают в контейнеры и в дальнейшем, при необходимости, их можно досортировывать. В настоящее время «дельта-роботы» производятся большим количеством различных компаний по всему миру.
Модуль электроплазменной переработки ТКО включает:
1. систему подачи отходов;
2. плазменный реактор (газификатор), состоящий из плазменной электропечи и электродугового плазмотрона (одного или нескольких) для нагрева воздуха, водяного пара и любых газовых сред;
3. блок очистки отходящих газов и закалки синтез-газа, включающий центробежно-барботажный аппарат (ЦБА) (вихревой скруббер) с водно-щелочным раствором, осушитель-теплообменник, рукавный фильтр, компрессор, газгольдер;
4. блок утилизации золы (удаления и остекловывания жидкого шлака);
5. сервисные блоки и системы обеспечения работоспособности (электроснабжения; водоснабжения; газоснабжения; вентиляции; кондиционирования; безопасности и др.);
6. систему АСУ ТП.
Сервисные блоки и системы являются автономными и могут быть созданы (скомпонованы) на основе применения типового оборудования достаточной мощности по отдельным взаимосогласованным проектам.
Электродуговые плазмотроны могут обеспечить длительный ресурс работы электродов (500÷1000 часов и более) при нагреве практически любых газовых сред до температуры 3000÷5000 К.
За счет модульной конструкции разработанное оборудование может быть скомпоновано в широкий набор технологических линий в зависимости от условий эксплуатации и пожеланий потребителя. Описание работы комплекса.
Твердые коммунальные отходы изначально поступают в модуль предварительной подготовки отходов, где происходит:
- отбор крупногабаритных объектов, например, автопокрышек, старой мебели, досок, крупной бытовой техники, ковров и т.п.;
- разрывание пакетов, в которых был мусор;
- разрыхление и подача отходов на движущийся конвейер.
Далее ТКО поступают в модуль автоматизированной сортировки, где подвергаются сначала магнитной сепарации, затем роботизированной сортировке.
Магнитную сепарацию ТКО обычно проводят в подвесных сепараторах с непрерывно движущейся в магнитном поле лентой. Чаще всего для выделения крупных металлических фракций используются подвесные электромагниты.
Для извлечения из ТКО пластиков, включая полиэтиленовую пленку и пакеты, стекла, бумаги, объектов из цветных металлов и других компонентов, используют роботизированную сортировку.
На участке роботизированной сортировки вдоль конвейера установлены роботы-манипуляторы (один или несколько, что зависит от требуемой производительности).
Система технического зрения передает сигналы датчиков и изображений с видеокамер в управляющий компьютер, оснащенный ПО распознавания образов на основе самообучающихся нейронных сетей. Вычислительный блок компьютера формирует управляющий сигнал и передает этот сигнал сортировочному манипулятору, который осуществляет захват и перенос заданного объекта из потока в соответствующую емкость (контейнер).
Способ анализа поступающих от системы технического зрения сигналов датчиков и изображений с видеокамер основан на использовании технологии нейронных сетей и дает возможность выделять из потока, поступающего на конвейер, объекты и определенные элементы объектов в соответствии с заложенными в процессе обучения нейронной сети признаками. Подобными признаками может быть сочетание формы и цвета объекта, формы и спектрограммы и прочее, позволяющее отнести элемент к какой-либо категории, например, «стеклянная бутылка», «полипропилен», «кусок картона».
Затем вычислительный блок компьютера передает сигнал сортировочному манипулятору на захват выделенного из потока объекта и перенос его в нужный контейнер или на нужную ленту конвейера.
Система технического зрения непрерывно контролирует поток отходов. Самообучаемое программное обеспечение на основе нейронных сетей анализирует сигналы датчиков и видеоизображения в режиме реального времени.
Анализ сигналов от одного или более датчиков и видеокамер и передача управляющих сигналов разным манипуляторам могут быть организованы одним или несколькими вычислительными модулями, соединенными вместе для работы в качестве распределенной вычислительной системы.
АСУ ТП осуществляет общий контроль за работой всего комплекса, так, например, при необходимости, АСУ ТП может регулировать скорость движения конвейера, обеспечивая максимальную производительность и полноту сортировки.
На начальном этапе или в случае необходимости в работу роботов может вмешаться оператор. Глядя в мониторы, оператор может давать команды на отбор нестандартных фракций. С использованием технологии нейронных сетей система распознавания образов будет обучаться и сможет в дальнейшем самостоятельно принимать решения об удалении новых фракций/компонент из потока.
Таким образом, из несортированного мусора удаляют пластики, включая полиэтиленовую пленку и пакеты, удаляют стекло, бумагу, объекты из цветных металлов и другие компоненты, на которые настроена система детекции и распознавания. После сортировки на конвейере остается только органическая часть отходов.
Оставшиеся на конвейере отходы равномерно загружают с помощью системы загрузки в шахту плазменной электропечи модуля электроплазменной переработки. Работу каждого электродугового плазмотрона обеспечивают источник электропитания (управляемый тиристорным выпрямителем), разделительный трехфазный трансформатор, воздушный компрессор, водяной насос (градирня). Охлаждающая вода необходима также для кожуха газификатора.
Органическая часть отходов газифицируется при температуре 1300-1500°С с получением синтез-газа (смесь оксида углерода и водорода). Неорганическая минеральная часть отходов переводится в жидкий шлак в подине электропечи и сливается в емкость для гранулированного шлака.
Закалка синтез-газа и очистка отходящих газов производится в газожидкостном центробежно-барботажном аппарате. Синтез-газ из газификатора поступает в центробежно-барботажный аппарат ЦБА (вихревой скруббер) с водно-щелочным раствором, где его температура снижается до 80-90°С, далее синтез-газ поступает в осушитель-теплообменник, рукавный фильтр, компремируется компрессором, поступает в ресивер (газгольдер).
2
В реакционной зоне газификатора существует восстановительная атмосфера (СО, Н), поэтому оксиды азота в отходящем газе отсутствуют. Уровень температур (1300-1500°С) и резкая закалка отходящих газов в вихревом скруббере исключают образование диоксинов, фуранов и других канцерогенных веществ.
Синтез-газ накапливается в газгольдере, что позволит сгладить флуктуации его химического состава, вызванные флуктуациями фракционного состава ТКО и затем передаваться по газопроводу на котельную или газотурбинную установку (ГТУ), где использоваться в качестве топлива.
Зола из плазменной электропечи и блока очистки отходящих газов поступает в блок утилизации золы, сначала в бункер золы с механизмом ввода золы, затем в плавильный реактор. Остеклованный гранулированный шлак в объеме 10-12% от количества ТКО относится к 4 классу опасности и может без ограничения применяться в производстве строительных материалов, при создании автодорог и т.д. Шлак из системы очистки синтез-газа (ЦБА) относится к 3-4 классу опасности и содержит, в основном, хлористый водород, сульфат и карбонат натрия.
Расход щелочи на нейтрализацию дымовых газов в зависимости от содержания кислых компонент в отходах составит ориентировочно 10-15 кг/ч, чтобы получить двухпроцентное содержание щелочи в водном растворе.
Сервисные блоки и системы (электроснабжения; водоснабжения; газоснабжения; вентиляции; кондиционирования; безопасности и др.) обеспечивают работоспособность модуля.
Система АСУ ТП обеспечивает сбор, архивирование и обработку информации.
2
3
Плазменная технология газификации отходов позволяет получать высококалорийный синтез-газ (смесь СО+Н до 90% об.) с теплотворной способностью 10-13 МДж/м. Использование его в качестве топлива в энергетических котлах или газотурбинных установках (ГТУ) позволяет вырабатывать электрическую энергию и тепло.
При расширении схемы на парогазовый цикл за газовой турбиной устанавливают котел-утилизатор и паровую турбину. Остаточное низкопотенциальное тепло может использоваться для предварительной сушки ТКО. Кроме того, в цикл можно включать модуль утилизации низкопотенциального тепла на основе термотрансформаторов (тепловых насосов).
Данный подход позволяет обеспечить максимальную глубину переработки ТКО.
К настоящему времени разработано технико-экономическое обоснование проекта «Система обращения с отходами», в котором обоснована возможность и целесообразность использования предлагаемого комплекса для переработки твердых бытовых отходов. Коммерциализацию планируется осуществлять в рамках проекта создания Экотехнопарка Новосибирской области.