СПОСОБ И УСТАНОВКА УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА ПОЛИГОНАХ
METHOD AND APPARATUS FOR RECYCLING SOLID HOUSEHOLD WASTES AT LANDFILLS

Предлагаемый способ утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) с применением многофункциональной установки на полигонах относится к области коммунального хозяйства, защиты окружающей среды, биотехнологии и биоэнергетики и направлен на контролируемое, регулируемое и непрерывно-ускоренное биохимическое и термохимическое разложение движущейся под собственным весом массы ТБО с производством тепловой и электрической энергии.
В настоящее время в основе метода утилизации ТБО на полигонах, вне зависимости от экономического развития государства, лежат следующие ключевые позиции: создание свалочного тела путем захоронения ТБО с укатыванием в грунте; неподвижность свалочного тела («пассивность»); процесс разложения свалочного тела на геотехногенном уровне осуществляется бесконтрольно и нерегулируемо, занимает из-за «пассивности» свалочного тела длительное время (десятки - сотни лет), протекает на больших территориях, сопровождается эмиссией ксенобиотиков и проявлением видоизменения флоры и фауны. Таким образом, дешевизна полигонов - понятие относительное и в последнее время все больше подвергается критике со стороны экологов, т.к. их аргументы становятся все более убедительными.
Известны различные технические решения в области утилизации ТБО.
Так, известен пиролизный комплекс для утилизации ТБО (патент РФ на ИЗ №2406747, МПК C10B 53/00, B09B 3/00, F23G 5/027, опубл. 20.12.2010). Известный комплекс включает наклонный пиролизный реактор для термического разложения ТБО с загрузочными и разгрузочными устройствами, устройство нагрева отходов с использованием собственного пиролизного газа, блок охлаждения и очистки пиролизного газа и газовую горелку, кроме того, пиролизный реактор, смонтированный на борту высотной свалки, выполнен из бетонных колец, загрузочные и разгрузочное устройства выполнены в виде герметичных питателей ящичного типа, газовая горелка расположена в основании пиролизного реактора, при этом параллельно пиролизному реактору расположен трубчатый секционный коллектор, соединенный с пиролизным реактором при помощи многочисленных патрубков, оснащенных перфорированными термоустойчивыми прокладками, предназначенный для отвода паров воды в атмосферу из верхней зоны пиролизного реактора, где производится сушка отходов, и для отвода пиролизного газа в газовую горелку из нижней зоны пиролизного реактора, где производится термохимическое разложение отходов.
Известна установка утилизации ТБО на полигонах (заявка РФ на ПМ №2013126297 от 20.05.2013), которая выбрана в качестве прототипа. Комплекс включает удлиненную камеру, расположенную наклонно на склоне естественного возвышения конкретной местности, в верхней части которой имеется подъездной путь для засыпки отходов в камеру через люк, в нижней части которой имеется заслонка для отсыпки переработанной и обезвреженной массы ТБО. Удлиненная камера состоит из секции аэробной переработки отходов, секции анаэробной переработки отходов, секции пиролиза и секции накопления продуктов переработки и отходов.
Известен способ переработки ТБО (патент РФ на ИЗ №2294319, МПК C05F 9/00, B09B 3/00, опубл. 27.02.2007). Способ переработки ТБО, состоящий из сортировки отходов, биотермической санации в биобарабанах с внесением активирующего состава и последующего компостирования в буртах, отличающийся тем, что в качестве активирующего состава используют композицию из легкодоступных источников углерода, азота и фосфора и активаторов роста микроорганизмов в виде растворов в дозировках, обеспечивающих активную колонизацию субстрата аборигенными термофильными микроорганизмами.
Известен также способ утилизации отходов, содержащих органику (патент РФ на ИЗ №2338122, МПК F23G 5/027, опубл. 10.11.2008), выбранный в качестве прототипа. Способ утилизации отходов, содержащих органические материалы, в том числе хлорсодержащие и инфицированные, включающий загрузку отходов в камеру термического разложения (КТР), нагрев и разложение органики в КТР - пиролиз, с образованием газообразных и твердых продуктов, их сжигание, каталитическое обезвреживание, охлаждение в теплообменнике и пылеочистку дымовых газов, отличающийся тем, что загрузку отходов в камеру термического разложения производят через шлюзовое устройство, постоянно промываемое инертным газом, отходы подвергают бескислородному термическому разложению - пиролизу, при температуре 550-700°C в металлической камере, нагреваемой снаружи комплексно дымовыми газами от сжигания внешнего топлива в расположенной в непосредственной близости к ней горелки, дымовыми газами из циклонной топки, полученными от сжигания в ней при температуре 1200-1300°C газообразных продуктов пиролиза, и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза, причем теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в ее нижнюю часть нагретого до 600-700°C инертного газа, приготовление которого осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов, газообразные продукты из камеры термического разложения вводят в циклонную топку посредством инжекции, причем в качестве инжектирующей среды используют нагнетаемый под давлением воздух, предварительно подогретый до 350-400°C отходящими дымовыми газами, уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения, а весь технологический процесс проводят под разрежением.
Предлагаемый способ и установка утилизации ТБО по сравнению с прототипами и аналогами обеспечивают комплексную непрерывно-ускоренную переработку естественно движущейся массы ТБО с получением тепловой и электрической энергии.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение комплексной непрерывно-ускоренной переработки ТБО на полигоне на основе созданной установки по производству биогаза и пирогаза, естественного продвижения отходов в процессе интенсивной переработки с одновременным перемешиванием отходов, введения корректирующих растворов и отбора из них газов, путем наклонного расположения установки с удлиненной камерой.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в ускорении утилизации ТБО, в расширении и улучшении инженерно-технологических возможностей предлагаемой установки, в предотвращении попадания в окружающую среду загрязняющих веществ.
Достигается технический результат тем, что в способе утилизации ТБО на полигонах, включающем загрузку отходов в установку, биоразложение и термическое разложение с образованием газообразных и твердых продуктов, обезвреживание, охлаждение и накопление продуктов переработки, согласно изобретению перед загрузкой проводят радиационный и дозиметрический контроль массы ТБО, утилизацию ТБО проводят в две стадии, причем отходы из одной зоны утилизации в другую поступают естественно и непрерывно под действием собственного веса в процессе падения порции переработанной или отработанной массы ТБО при очередной выгрузке. При этом на первой стадии утилизации ТБО подвергают аэробной и анаэробной переработке, в результате чего получают биогаз, который затем поступает на выработку тепловой и электрической энергии, на второй стадии утилизации ТБО проходят термическое разложение, при котором не переработанная в зоне биоразложения часть отходов под действием горячего газа проходит интенсивную просушку и прогрев, затем пиролиз, результатом которого является пирогаз, который после охлаждения и очистки также поступает на выработку тепловой и электрической энергии.
Полученный в результате пиролиза пирокарбонат используется в очистке фильтрата, который выделяется в процессе биоразложения. Другие обезвреженные в установке твердые фракции отходов после охлаждения выгружают и отправляют на захоронение.
Аэробная переработка длится 24-48 часов при температуре 45-60°C, pH 6,5-7.
Анаэробная переработка длится 960-1440 часов при температуре 55-60°C, pH 5-6 - в начале переработки, pH 7,5-8,5 - в конце переработки.
В результате биоразложения перерабатывается до 70% от органических отходов или до 30-40% отходов от сырца.
Термическое разложение методом пиролиза, которому подвергаются оставшиеся после биоразложения отходы (до 40-60% от сырца), длится 24 часа при температуре 600-1100°C.
Также технический результат достигается тем, что в установке утилизации ТБО на полигонах, включающей удлиненную камеру переработки ТБО, расположенную наклонно на склоне естественного возвышения конкретной местности, в верхней части которой имеется подъездной путь для засыпки ТБО в удлиненную камеру через люк, в нижней части которой имеется заслонка для отсыпки переработанной и нейтрализованной массы ТБО, причем удлиненная камера состоит из последовательно расположенных зоны биоразложения, зоны термического разложения, включающей секцию пиролиза, зоны охлаждения и накопления продуктов переработки, согласно изобретению зона биоразложения включает две секции - секцию аэробной и анаэробной переработки ТБО, в которую вмонтирована многофункциональная конструкция - лопасти для перемешивания движущейся под собственным весом перерабатываемой массы ТБО, введения воды и корректирующих растворов, сбора и вывода биогаза и устройство для сбора и вывода фильтрата. На боковой стенке камеры в разных местах установлены люки, предназначенные для отбора проб. При этом в зоне термического разложения дополнительно введены секция сушки и прогрева переработанной массы ТБО и газозатворная камера для предотвращения попадания снизу воздуха в секцию пиролиза. Газозатворная камера закрыта сверху и снизу затворами, одновременное открытие которых невозможно.
Снаружи на боковой поверхности камеры закреплена лестница/лифт для обслуживания установки.
Стенки удлиненной камеры выполнены из литого армированного бетона, или сборных бетонных колец, или коррозионно-стойкого металла.
Лопасти, предназначенные для перемешивания движущейся под собственным весом перерабатываемой массы ТБО, устанавливаются консольно с наклоном вниз на 15-20° для соскальзывания виснущего материала. Лопасти состоят из выполненных из химически стойкой листовой стали толщиной 2-2,5 мм фланца с приваренной к нему цельной плоскостью в виде косого четырехугольника, установленного под углом 40-50° к вертикали. Вдоль длинных сторон плоскостей и через отверстия во фланце проходят силовые перфорированные трубы диаметром 60-80 мм, выполненные из стали и предназначенные для сбора и вывода биогаза, поставки воды и корректирующего раствора в перерабатываемую массу ТБО. Силовые перфорированные трубы имеют выводные патрубки.
Вмонтированное в зону биоразложения устройство для сбора и вывода фильтрата состоит из желоба с защитной сеткой, выполненной в виде чугунной перфорированной пластины, с емкостью в нижней части - водосборником и отводной трубы.
Емкость желоба устройства для сбора и вывода фильтрата выполнена в виде кармана, из которого фильтрат выводится наружу через отводную трубу.
Камера имеет продольный сборный большой желоб и сетку малых косых примыкающих желобков.
Секция пиролиза состоит из затворов, камеры горения, пламегасителя, отражателей, сборника пирогаза и теплообменника воздушного.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими фигурами:
фиг. 1, на которой изображена схема предлагаемого способа утилизации ТБО на полигонах, где:
1 - доставка ТБО;
2 - радиационный и дозиметрический контроль ТБО;
3 - загрузка ТБО в установку (сырец 100%);
4 - установка;
5 - зона биоразложения;
6 - зона термического разложения;
7 - зона накопления;
8 - секция аэробной переработки;
9 - секция анаэробной переработки;
10 - секция сушки и прогрева;
11 - секция пиролиза;
12 - секция газозатворной камеры;
13 - фильтрат;
14 - очистка;
15 - биогаз;
16 - пирогаз;
17 - охлаждение;
18 - очистка;
19 - электрическая и тепловая энергия;
20 - выгрузка отходов (до 10-30% от сырца);
21 - пирокарбонат;
22 - захоронение нейтрализованных для окружающей среды отходов (до 10-20% от сырца);
23 - хозяйственная зона;
24 - пункт обслуживания установки 4;
25 - корректирующие растворы и добавки;
26 - внешний рынок;
27 - углекислый газ.
фиг. 2, на которой изображена установка 4 утилизации ТБО (а - вид сбоку; б - вид спереди), где:
28 - секция аэробной переработки отходов;
29 - секция анаэробной переработки отходов;
30 - секция сушки и прогрева для переработанной массы ТБО;
31 - секция пиролиза;
32 - газозатворная камера;
33 - зона охлаждения и накопления продуктов переработки;
34 - люк для засыпки отходов;
35 - люк для отбора проб секции 28;
36 - люк для отбора проб секции 29;
37 - заслонка для отсыпки переработанной и нейтрализованной массы ТБО;
38 - лестница / лифт для обслуживания установки 4;
39 - подъездной путь;
фиг. 3, на которой изображена установка 4 (а - с двумя камерами, б - с тремя камерами);
фиг. 4, на которой изображена конструкция лопастей (а - лицевая сторона, б - вид сбоку), где:
40 - силовая труба;
41 - плоскость;
42 - фланец;
43 - перфорация в трубе;
44 - выводные патрубки;
фиг. 5, на которой изображено устройство для сбора и вывода фильтрата (а - расположение желобов для сбора фильтрата; б - расположение желобов для стекания фильтрата), где:
45 - желоб;
46 - защитная сетка;
47 - водосборник;
48 - отводная труба;
49 - продольный большой желоб;
50 - малые косые примыкающие желобки;
фиг. 6, на которой изображена секция 31 пиролиза (вариант прямой конструкции) для наклонно расположенной установки 4 утилизации, где:
51 - затворы;
52 - камера горения;
53 - пламегаситель;
54 - отражатели;
55 - сборник пирогаза;
56 - теплообменник воздушный.
Доставленные на полигон ТБО 1 (фиг. 1) после радиационного и дозиметрического контроля 2 загружают во многофункциональную установку 4 для комплексной непрерывно-ускоренной переработки. Весь процесс переработки в установке 4 протекает в условиях строгого контроля и регулирования. Отходы из одной зоны утилизации в другую поступают естественно и непрерывно под действием собственного веса в процессе падения порции переработанной или отработанной массы ТБО при очередной выгрузке. Загруженные в установку 4 ТБО (сырец 100%) проходят через зону 5 биоразложения, зону 6 термического разложения и зону 7 накопления.
В установке 4 процессы биоразложения отходов протекают в секции 8 аэробной переработки и секции 9 анаэробной переработки. Не переработанный в зоне 5 биоразложения субстрат поступает в зону 6 термического разложения и под действием горячего газа проходит интенсивную просушку и прогрев в секции 10, затем пиролиз в секции 11. Отходы после термического разложения в зоне 6 переходят в секцию 12 газозатворной камеры - для первичного охлаждения, затем в зону 7 накопления - для вторичного охлаждения и последующей выгрузки. После выгрузки 20 отходы (до 10-30% от сырца) из установки 4 отправляются на захоронение 22 (до 10-20% от сырца).
В результате анаэробной переработки в секции 9 получают биогаз 15, который после очистки 18 преобразуется в тепловую или электрическую энергию 19 для внутреннего и внешнего потребления. Внутри полигона тепловая и электрическая энергия 19 подается в хозяйственную зону 23, в пункт 24 обслуживания установки 4 и на установку 4.
Результатом пиролиза является пирогаз 16, который после охлаждения 17 и очистки 18 подается на выработку тепловой и электрической энергии 19 для собственных нужд полигона (хозяйственная зона 23, пункт обслуживания 24, установка 4) и внешнего потребителя 26. Полученные в результате пиролиза пирокарбонат 21 и другие фракции после прохождения секции 12 газозатворной камеры поступает в зону 7 накопления, после которой пирокарбонат 21 используется для очистки 14 фильтрата 13, а остальные нейтрализованные после термического разложения отходы (до 10-20% от сырца) высыпаются для отправки на захоронение 22.
В зоне 5 биоразложения осуществляется контроль температуры, влажности, pH, химического состава и обсемененности субстрата, количества и состава фильтрата 13. В результате биоразложения перерабатывается до 70% от органических отходов или до 30-40% отходов от сырца.
Дополнительно в секции 9 анаэробной переработки контролю подвергаются: давление в контрольных точках, количество и состав биогаза 15.
В зоне 6 термического разложения, кроме температурного, важным является газовый режим. Термическому разложению подвергаются оставшиеся после биоразложения отходы (до 40-60% от сырца). Процесс пиролизной переработки должен происходить в отсутствие кислорода. Поступление кислорода сверху исключено, т.к. отходы поступают из секции 9 анаэробной переработки. Чтобы исключить попадание кислорода снизу, применяется секция 12 газозатворной камеры, куда после очистки 18 подается избыточное давление углекислого газа 27.
Аэробная переработка в секции 8 длится 24-48 часов при температуре 45-60°C, pH 6,5-7. Анаэробная переработка в секции 9 длится 960-1440 часов при температуре 55-60°C, pH 5-6 - в начале переработки, pH 7,5-8,5 - в конце переработки.
Термическое разложение методом пиролиза длится 24 часа при температуре 600-1100°C.
Многофункциональная установка 4 утилизации ТБО на полигонах, включающая удлиненную камеру, расположена наклонно на склоне естественного возвышения конкретной местности (фиг. 2), в верхней части которой имеется подъездной путь 39 для засыпки ТБО в удлиненную камеру через люк 34, в нижней части которой имеется заслонка 37 для отсыпки переработанной и нейтрализованной массы ТБО.
Стенки камеры выполнены из литого армированного бетона, или сборных бетонных колец, или коррозионно-стойкого металла. При увеличении количества камер установки (фиг. 3) увеличивается объем перерабатываемых отходов и выработка тепловой и электрической энергии.
Снаружи на боковой поверхности камеры закреплена лестница/лифт 38 для обслуживания установки.
Многофункциональная установка 4 (фиг. 2), выполненная в виде единого цилиндра, представляет собой «часть полигона» - наклонный керн со всем своим содержимым, в том числе и происходящими в них процессами (биотермореактор). В отличие от полигона биохимические процессы утилизации отходов в установке:
- протекают в движущей благодаря собственному весу массе отходов;
- происходят в строго контролируемых, регулируемых и управляемых условиях;
- выполняются в ускоренном темпе.
Закрепление установки на склоне (горы, холма, оврага, карьера) - свайное или гребешковое, с нижней опорой у основания осуществляется путем врезки в грунт склона или без врезки - с закреплением на поверхности.
Наклонное расположение установки (фиг. 2, б) имеет следующие преимущества:
- естественное перемещение отходов вниз под собственным весом в процессе падения порции переработанной массы при очередной выгрузке;
- снижение нагрузки с нижнего основания за счет распределения давления всей конструкции с ее содержимым на большую площадь;
- снижение вертикального давления массы и скорости продвижения массы, в результате чего облегчается нагрузка на элементы, встроенные внутри установки;
- распределенные по всей длине установки 4 точки опоры придают конструкции большую надежность и сейсмическую устойчивость.
Сечение установки круглое или овальное по следующим причинам:
- такая форма лучше выдерживает давление массы ТБО;
- движение ТБО при таком сечении более равномерное, без задержки в углах;
- сток фильтрата концентрируется в нижней точке круга или овала, затем выводится наружу.
Состоит многофункциональная установка 4 из последовательно расположенных зоны биоразложения, включающей секцию 28 аэробной и секцию 29 анаэробной переработки отходов с люками 35 на боковой стенке, зоны термического разложения, состоящей из секции 30 сушки и прогрева, секции 31 пиролиза и газозатворной камеры 32, зоны 33 охлаждения и накопления продуктов переработки. Газозатворная камера 32 предназначена для предотвращения попадания снизу воздуха в секцию 31 пиролиза. Газозатворная камера 32 закрыта сверху и снизу затворами, одновременное открытие которых невозможно.
Внутри зоны биоразложения вмонтирована многофункциональная конструкция - лопасти (фиг. 4), предназначенные для перемешивания движущейся под собственным весом перерабатываемой массы ТБО, сбора и вывода биогаза, введения воды и корректирующих растворов и устройство для сбора и вывода фильтрата (фиг. 5).
Лопасти (фиг. 4), состоящие из фланца 42 с приваренной к нему цельной плоскостью 41, выполненной в виде косого четырехугольника, установленного под углом 40-50° к вертикали, установлены консольно, с наклоном вниз на 15-20°, для соскальзывания виснущего материала. При такой установке лопастей движущийся под своим весом поток субстрата будет растекаться, соскальзывать с верхнего ребра и плоскости лопасти, части его будут менять направление движения. Благодаря лопастям происходит разрыхление массы, что улучшает отбор биогаза и положительно сказывается на скорости переработки. Вдоль длинных сторон плоскостей 41 и через отверстия во фланце 42 проходят силовые трубы 40 с перфорацией 43, выполненные из стали и предназначенные для сбора биогаза, поставки воды и корректирующего раствора в перерабатываемую массу ТБО. Фланец 42 и плоскости 41 лопастей выполнены из химически стойкой листовой стали толщиной 2-2,5 мм. Силовые трубы 40 лопастей имеют диаметр 60-80 мм. Силовые трубы 40 по местоположению в камере могут быть: продольные, вмонтированные в стенки камеры; входящие во внутренний объем массы ТБО и совмещенные с наклонными перемешивающими плоскостями. Силовые трубы 40 имеют выводные патрубки 44, расположенные в разных местах по всей высоте зон камеры, благодаря чему увлажнение и добавление растворов можно делать выборочно и узконаправленно на нужной высоте.
Вмонтированное устройство для сбора и вывода фильтрата (фиг. 5) состоит из желоба 45 с защитной сеткой 46 с емкостью в нижней части - водосборником 47 и отводной трубы 48. Защитная сетка 46 желоба 45 для сбора и вывода фильтрата выполнена в виде чугунной перфорированной пластины. Емкость желоба 45 устройства для сбора и вывода фильтрата выполнена в виде кармана, из которого фильтрат выводится наружу через отводную трубу 48.
На одну установку 4 достаточно трех-четырех желобов 45, расположенных последовательно друг за другом по всей длине камеры. При этом в камере имеется один продольный сборный большой желоб 49 и сетка малых косых примыкающих желобков 50.
Для наклонно расположенной установки 4 утилизации ТБО секция 31 пиролиза выполняется в варианте прямой конструкции и состоит из затворов 51, камеры горения 52, пламегасителя 53, отражателей 54, сборника 55 пирогаза и теплообменника 56 воздушного.
Преимущества предлагаемого изобретения:
- получение биогаза, пирогаза, тепловой и электрической энергии;
- непрерывный процесс переработки ТБО;
- процесс переработки осуществляется под строгим контролем, управлением и регулированием;
- в процессе переработки ТБО естественно перемещается с одной зоны в другую под собственным весом;
- ремонтопригодность;
- дополнительное снижение затрат на способ утилизации с помощью установки 4 за счет использования так называемых «бросовых», не имеющих коммерческой стоимости земель, таких как склоны гор, холмов, оврагов, карьеров;
- существенное снижение техногенной нагрузки полигона на окружающую среду с помощью: газоочистных сооружений - переработка и утилизация выхода вредных газообразных веществ, отстойников - сбор и очищение фильтрата путем добавления реагентов и их повторное использование в установке;
- захоронения обезвреженных и нейтрализованных остатков ТБО, не подвергшихся в установке переработке.
Таким образом, предлагаемый способ утилизации ТБО с применением установки на полигонах основан на следующих главных принципах:
движение ТБО на территории полигона в пространстве и во времени протекает под строгим контролем, управлением и регулированием;
свалочное тело в процессе переработки и утилизации благодаря наклонному расположению установки находится в естественном, под собственным весом движении;
контроль, управление и регулирование процессов происходят на уровне:
обезвреживания, переработки и утилизации ТБО,
образования, выделения и очистки загрязняющих веществ,
образования, выделения, переработки и использования вторичных ресурсов,
производства тепловой и электрической энергии;
ускоренный и непрерывный процесс утилизации;
существенное сокращение времени, необходимого для утилизации отходов; площадей, необходимых для функционирования полигонов нового поколения; эмиссии загрязняющих веществ.
Предлагаемый способ утилизации ТБО с применением многофункциональной установки позволит существенно исключить имеющиеся на сегодняшний день недостатки по утилизации ТБО на полигонах.