СПОСОБ ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ БИООТХОДОВ В ВОЗОБНОВЛЯЕМОЕ ТОПЛИВО
METHOD OF TRANSFORMATION OF SOLID BIO-WASTE PRODUCTS INTO RENEWABLE FUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Ил с очистительных установок очистки городских стоков и сточных воды представляет серьезную ликвидационную проблему. Федерация по экологической охране водной среды (Water Environment Federation, WEF) формально признала термин «biosolids» (твердые биоотходы) в 1991 году и в настоящее время он широко используется во всем мире. WEF определяет «biosolids» как почвообразный остаток материалов, удаляемых из городских стоков в процессе очистки сточных вод. В процессе очистки бактерии и другие мельчайшие организмы разрушают нечистоты до более простых и более устойчивых форм органического материала. Органический материал оседает вместе с бактериальной клеточной массой, образуя твердые биоотходы. Согласно USEPA (Агентство по защите окружающей среде США) твердые биоотходы, которые отвечают критериям, касающимся очистки и содержания загрязнителей, «могут безопасным образом утилизироваться и применяться в качестве удобрения, гарантированно улучшая и сохраняя плодородные почвы и стимулируя рост растений».
Ил представляет собой смесь твердых биоотходов (состоящих главным образом из мертвых органических клеток, являющихся побочным продуктом очистки городских стоков и сточных вод, вследствие чего этот продукт может быть выпущен в открытые водоемы) и разных количеств свободной воды. Свободную воду можно по крайней мере частично удалять с помощью методов механического обезвоживания. Наряду со свободной водой твердые биоотходы содержат воду, связанную с клетками, которая может составлять до 80 об.% твердых биоотходов и которую невозможно удалить с помощью методов механического обезвоживания. Большие количества воды, содержащейся в таком иле придают ему сильно отрицательную теплотворную способность, что делает себестоимость сжигания ила чрезмерной, поскольку для отгонки связанной с клетками воды потребовались бы большие количества дорогостоящего топлива. В связи с этим такой ил в настоящее время направляют на свалку или используют в качестве удобрения, которое можно наносить поверх почвы, поскольку ил городских стоков часто содержит, например, азот и фосфор. Однако ил содержит также и вредные вещества, распространяет неприятные запахи и может привести к серьезному загрязнению почвы или территории свалки, в том числе тяжелыми металлами.
В процессе очистки городского стока и ливневой воды до стандартной чистоты твердые составляющие концентрируются с образованием побочного продукта, часто называемого осадком сточных вод. Осадок сточных вод представляет собой массу или агломерацию мертвых органических клеток или других твердых материалов, называемых твердыми биоотходами, которые смешаны с переменными количествами воды с соответствующей переменной вязкостью. Вне зависимости от степени, до которой механически обезвожена масса твердых биоотходов, остающаяся масса твердых биоотходов обычно содержит примерно 80% воды, так как большое количество воды связано внутри клеток, придавая массе твердых биоотходов отрицательную теплотворную способность, что делает твердые биоотходы совершенно бесполезными для целей получения от них тепла. Таким образом, твердые биоотходы все еще захоранивают на свалках или нанося их на сельскохозяйственную почву в качестве удобрения, поставляющего азот и фосфор. Однако твердые биоотходы могут также содержать живые вирусы и патогены, а также токсичные тяжелые металлы, что создает им жесткую оппозицию экологического характера, в то время как высокое содержание воды резко повышает стоимость их транспортировки к месту применения.
Уровень техники
Наблюдается растущая волна общественной поддержки возобновляемой энергии, называемой в народе «зеленой энергией». Несколько хорошо известных компаний, согласно журналу Power от мая 2003 года, в том числе General Motors, IBM, Dow Chemical и Johnson and Johnson, сообщили о планах покрытия части своих энергетических потребностей из «зеленых» источников. Некоторые компании сообщили даже о намерениях замены всего используемого в их производстве электричества «зеленой энергией». Основные поставщики ископаемой энергии, такие как Chevron, British Petroleum (BP) и Shell Oil, сообщили о своих намерениях поддержать экологические задачи. Действительно, BP является важным поставщиком панелей солнечной энергии. При Институте мировых ресурсов (World Resources Institute, WRI) имеется группа развития рынка зеленой энергии (Green Power Market Development Group), целью которой является разработка к 2010 году 1000 мегаватт (МВт) новой, экономически конкурентоспособной «зеленой энергии».
Наряду с этим более дюжины законодательных органов требуют от поставщиков энергии поэтапно и в определенных рамках наращивать энергию от возобновляемых источников. Нью-Йорк выдал распоряжение, в соответствии с которым государственные агентства должны к 2013 году продавать 25% энергии из возобновляемых источников, в то время как в настоящее время в Нью-Йорке из возобновляемых источников производится 19,3% энергии (New York Public Service Commission). Калифорния приняла закон, требующий, чтобы к 2017 году 20% предлагаемого в штате поставщиками электричества производилось из возобновляемых источников. Действительно, один из калифорнийских поставщиков электроэнергии, Pacific Gas and Electricity (PG&E), сообщает о том, что в настоящее время более 30% электричества происходит из возобновляемых источников. По меньшей мере 36 розничных продавцов энергии в США предлагают в настоящее время в качестве альтернативы «зеленую энергию». Европа также всерьез принимает возобновляемую энергию, ставя себе целью производство к 2020 году 20% энергии из возобновляемых источников.
К традиционной возобновляемой энергии обычно относится солнечная, ветряная, гидроэлектроэнергия, геотермальная энергия, энергия биомассы и свалочных газов. Имеются определенные проблемы, связанные с тем, каким образом удовлетворить потребность в возобновляемой энергии. Солнечная и ветровая энергия находятся на подъеме, но имеют очень слабую базу. Гидроэлектроэнергия и геотермальная энергия ограничены в новых местах размещения и встречают экологическое противодействие. Свалочный газ ограничен и также встречает критику из-за загрязнения воздуха. В настоящее время отсутствуют другие возобновляемые источники, которые могли быть предложены для заполнения большого разрыва между поставкой и потребностью.
Биомассу на протяжении долгого время использовали в качестве возобновляемого источника энергии. Столетиями, например, использовали в качестве топлива древесину и побочные продукты лесной промышленности и сельского хозяйства, механически сжигая их в печах и котлах с большим избытком воздуха и с низким коэффициентом полезного действия. Национальная лаборатория по возобновляемой энергии, National Renewable Energy Laboratory (NREL), определяет биомассу как «органический материал, получаемый на возобновляемой основе. Биомасса включает в себя остатки лесного и мельничного производства, сельскохозяйственные культуры и отходы, древесину и древесные отходы, отходы животных, остатки животноводства, водные растения, быстро растущие деревья и растения, а также бытовые и промышленные отходы». Согласно данным исследовательской техники по горению (Combustion Research Facility, CRF) Национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratory) 85% используемой в мире энергии использует горение. Если биомасса должна вносить заметный вклад в возобновляемую энергию, она при этом будет прямо или косвенно использоваться в качестве топлива.
Осадок сточных вод и большие количества содержащихся в нем твердых биоотходов вместе с их связанной с клетками водой ранее не рассматривали как источник энергии. Из-за своего большого содержания связанной воды твердые биоотходы имеют отрицательную топливную ценность и не могут быть сожжены, если их не нагревать с дорогостоящим топливом, которое необходимо покупать. Такое сжигание твердых биоотходов может оказаться желательным, чтобы избежать необходимости распространять их на грунте, устраняя тем самым или, по крайней мере, уменьшая возможное загрязнение окружающей среды, но при очень существенных расходах, в частности, на дополнительное тепло, которое должно быть получено от топлив, чтобы сжечь твердые биоотходы.
Годовое производство твердых биоотходов в США оценивается от 7,1 до 7,6 миллионов (short) тонн в расчете на сухой материал. Захоронение в океане было запрещено с начала 1980-х годов. Преобладающим решением является распространение твердых биоотходов на сельскохозяйственной почве в качестве удобрения. Другими решениями являются складирование на свалках и сжигание.
Сообщалось, что в 1998 году производство твердых биоотходов в Европе составило 7,2 миллиона сухих метрических тонн, из которых 25% было размещено на свалках. В 2005 году ожидается увеличение производства до не менее чем 9,4 миллиона метрических тонн с нанесением на грунт 54%, уменьшением размещения на свалках до 19% и роста сжигания до 24%, хотя оценивается, что сжигание обходится в пять раз дороже размещения на свалках.
Сообщалось, что в 2001 году производство твердых биоотходов в Японии составило 1,7 миллиона сухих метрических тонн, из которых 40% было компостировано, а остальная часть сожжена или использована в производстве цемента.
После энергичного механического обезвоживания и сбраживания на установках очистки стоков концентрация твердых веществ в твердых биоотходах все еще составляет лишь приблизительно от 14 до 30% и, как правило, не превышает 20%, что означает, что каждая тонна твердых биоотходов, очищенная и обезвоженная согласно предшествующему уровню техники, сопровождается примерно четырьмя тоннами воды, основная масса которой связана в мертвых клетках. Себестоимость отправки инертной воды ограничивает расстояние, на которое она может быть перемещена от своего источника (обычно установки очистки сточных вод (УОСВ)). Эти факторы придают твердым биоотходам отрицательную ценность. В результате этого УОСВ должна кому-то оплачивать устранение твердых биоотходов. Такую оплату часто называют «отгрузочным гонораром».
Поскольку выбор для устранения твердых биоотходов становится все более проблематичным и возможности для устранения все дальше удаляются от источника, расходы на устранение и транспортные расходы становятся все более возрастающей экономической нагрузкой. Чтобы ослабить эту нагрузку, промышленность сосредоточила внимание на уменьшении объема и веса. Индустрия сточных вод предприняла обширные усилия для удаления воды из твердых биоотходов, образующихся на очистных установках. На типичной УОСВ используются центрифуги, ленточные прессы или другие средства физического вытеснения воды из твердых биоотходов. Обезвоживанию может способствовать добавление полимеров или других химических веществ. Тем не менее такого рода способы механического обезвоживания, которые используют на УОСВ, не эффективны, дороги и не способны значительно снизить количество воды, связанной в клетках твердых биоотходов.
Агентство по защите окружающей среды США (ЕРА) классифицирует твердые биоотходы согласно норме "40 CFR part 503" как класс А и класс В. Эта норма касается, прежде всего, применения твердых биоотходов для сельскохозяйственной земли, в отношении чего существует шумная и растущая экологическая оппозиция. Например, экологи осуждают использование твердых биоотходов в качестве удобрения из-за содержащихся в них живых болезнетворных организмов (патогенов и вирусов) и тяжелых металлов (таких как свинец, ртуть, кадмий, цинк и никель), а также из-за вреда, наносимого ими грунтовым водам. Кроме того, экологи проявляют озабоченность в отношении вопросов, связанных с «качеством жизни», таких как насекомые и запахи, сопровождающие твердые биоотходы. Применение на грунте твердых биоотходов класса В запрещено как таковое в ряде графств, чему, как ожидается, последуют и другие графства и штаты. В одном из случаев, где 70% твердых биоотходов принадлежали к классу В, запрещение нанесения на почву в прилегающих графствах почти удвоило отгрузочный гонорар от примерно $125 в сутки за сухую тонну до примерно $210-235.
Наряду с этим, высокое содержание связанной с клетками воды в твердых биоотходах затрудняет их сжигание во многих областях промышленности. Например, цементная промышленность считается третьим в мире потребителем энергии. Для производства каждой тонны цемента она требует эквивалента приблизительно 215 кг каменного угля. С целью сохранения ископаемого топлива 15 цементных фабрик в США сжигают опасные отбросы топливной категории, а примерно 35 других фабрик используют в качестве добавки к ископаемому топливу обрезки автопокрышек. Развивающимся способом устранения твердых биоотходов является сжигание их в цементных печах. Поскольку их чистая топливная ценность отрицательна, существование подобной практики держится только на доходе, получаемом владельцем печи, например, из отгрузочного гонорара, так как для удаления связанной воды в твердых биоотходов необходимо сжигать дополнительное количество топлива, например каменного угля. Кроме того, при производстве цемента некоторые из содержащихся в твердых биоотходов элементов, таких как хлор, фосфор, натрий и калий, нежелательны из-за того, что они вредно влияют на качество цемента.
В прошлом потребность в устранении биомассы в целом сочеталась с попытками извлечения из нее тепловой энергии с тем, чтобы снизить расходы на устранение и экологическую нагрузку свалок. Попытки извлечения энергии из таких материалов ограничивались сжиганием низкокачественных топлив и твердых отходов. Например, ранние способы получения топлива из твердых городских отходов (ТГО) обычно сосредоточиваются на добавлении щелочи с целью облегчить удаление большей части содержащегося хлора в форме содержащегося в ТГО поливинилхлорида. При этом специалистам в данной области техники известны различные способы переработки относительно низкокачественного углеродистого топлива типа слабобитуминозных и лигнитовых углей. В обоих сценариях, однако, в качестве сырья используются низкокачественные топлива.
Был предложен ряд схем для пиролиза твердых биоотходов. Однако все они вынуждены были считаться с тем фактом, что твердые биоотходы содержат примерно в четыре раза больше воды по сравнению с твердым материалом даже после традиционного обезвоживания, например, на очистной установке. Невозможно достичь температур пиролиза пока вся вода не будет испарена, что требует по меньшей мере 4000 БЕТ на 1 фунт (8800 БЕТ/кг) твердых веществ, что в лучшем случае могло бы быть равным топливной ценности, после чего следуют инвестиционные и эксплуатационные расходы.
Как показывает сказанное выше, устранение твердых биоотходов становится все более дорогостоящим и спорным. В технике существует необходимость в способе чистого и экономичного устранения твердых биоотходов. В настоящем изобретении предлагается способ устранения твердых биоотходов при одновременном производстве экономически более эффективного возобновляемого топлива.
В то время как сами по себе твердые биоотходы не могут удовлетворить растущий спрос на возобновляемую энергию, превращение твердых биоотходов в полезное топливо согласно настоящему изобретению может быть объединено с извлечением энергии из других источников, таких как биомасса. Таким образом, в настоящем изобретении предлагаются способ и система для превращения твердых биоотходов, самих по себе или вместе с биомассой, в эффективное возобновляемое топливо экологически безопасным путем.
Согласно настоящему изобретению необработанные твердые биоотходы нагревают после их отвода с установки очистки стоков с целью разрушения клеток, высвобождая тем самым большие количества связанной с клетками воды. Температура достаточно высока для того, чтобы клеточная структура была разрушена и отделился диоксид углерода, снижая в твердых биоотходах содержание кислорода. Это ведет к образованию обугленного материала, который не является гидрофильным и может быть эффективно обезвожен и/или высушен. Этот обугленный материал является пригодным для практики возобновляемым топливом.
При дальнейшем развитии настоящего изобретения имеется возможность увеличить наличие возобновляемых топлив путем превращения биомассы (типа необработанных отходов ското- и птицеводческих ферм и сельскохозяйственных культур и т.п.) в той же самой или подобной ей аппаратуре. Аналогичным образом невозобновляемые гидрофильные топлива могут быть обработаны таким образом, чтобы дополнительно увеличить энергию, которая может быть получена из твердых биоотходов в соответствии с изобретением.
Раскрытие сущности изобретения
1. Насколько известно заявителям, твердые биоотходы состоят главным образом из мертвых клеток, содержащих связанную с клетками воду. При создании давления, достаточного для того, чтобы удерживать воду в жидком состоянии, нагрев суспензии или ила, содержащих твердые биоотходы, до некоторой первой, относительно низкой, температуры вызывает разрушение клеток, что высвобождает связанную внутри клеток воду и в результате этого превращает твердые биоотходы из субстанции, которую практически невозможно обезводить, в новое топливо, из которого легко механически удалить воду. Стадия удаления включает рециркуляцию по крайней мере части водной фазы на стадию подачи, предварительную очистку воды, удаляемой из суспензии обугленного материала, при которой образуется газообразный метан, а содержащаяся в диоксиде углерода сера выделяется на стадии отделения. Затем удаляют серу с помощью устройства контроля за загрязнением. Дальнейший нагрев твердых биоотходов дополнительно отщепляет диоксид углерода, понижая тем самым содержание кислорода в твердых биоотходах и превращая твердые биоотходы в обугленный материал. Эта стадия отделения диоксида углерода включает по крайней мере одну из стадий:
связывание диоксида углерода в земле и/или в большом объеме воды;
очистку и использование диоксида углерода в по меньшей мере одном из следующих применений: газированных напитках, пламегасителях изолирующего действия, в качестве вытеснителя для аэрозольных баллончиков, в качестве хладагента и в качестве инертного защитного газа;
использование диоксида углерода в качестве смешиваемого вытесняющего агента при третичной нефтедобыче;
сочетание указанных стадий.
При этом осуществляется теплообмен в суспензии с находящимися под давлением твердыми биоотходами. Будучи обезвоженным, обугленный материал обладает положительной теплотворной способностью и может непосредственно использоваться в качестве топлива, высвобождая тем самым тепловую энергию, которая до этого была недоступным образом связана в твердых биоотходах.
В частности, в сочетании с установкой очистки сточных вод (УОСВ) настоящее изобретение предлагает способ производства применимого на практике возобновляемого топлива из твердых биоотходов путем превращения твердых биоотходов в относительно сухой горючий материал. Во многих случаях способ может быть интегрирован в существующую структуру УОСВ. Поскольку обработанные твердые биоотходы по существу не содержат связанной воды, высвобожденная из клеток вода может быть возвращена на УОСВ. Оставшиеся клеточные материалы становятся намного менее гидрофильными, что придает им положительную теплотворную способность и позволяет транспортировать их до желаемого места назначения при намного более низких расходах. Если на УОСВ имеется стадия анаэробного брожения, образующийся газ может способствовать раскислению используемого в этой операции топлива в псевдоожиженном состоянии. Патогены разрушаются и, когда обезвоженные твердые биоотходы нагреваются в достаточной для карбонизации степени, образующийся обугленный продукт имеет пониженные уровни наиболее растворимых в воде загрязнений, включая натрий, калий, серу, азот, хлор и органические соединения, которые отделяются вместе с избыточной водой. Обугленные твердые биоотходы являются новым игроком на энергетической сцене и представляют собой недорогое возобновляемое топливо для многих энергопотребляющих отраслей промышленности.
Хотя обугленные твердые биоотходы и пригодны для мусоросжигателей и свалок, наиболее продуктивное их применение должно включать использование их энергетического содержания. Например, в одном из вариантов способ и система настоящего изобретения используются в комбинации с цементной печью и цементным производством, одновременно устраняя твердые биоотходы, которые в противном случае представляли бы собой нежелательные отходы. При этом содержащийся в твердых биоотходах инертный материал может стать частью продукта. Таким образом, может быть использована не только теплотворная способность твердых биоотходов, но и инертные вещества в этом случае не оставляют отрицательных побочных продуктов.
Поскольку твердые биоотходы образуются в виде вязкой суспензии, они не требуют серьезной подготовки за исключением необходимого для их однородности перемешивания. Вслед за нагревом суспензии твердых биоотходов под давлением до температуры, при которой происходит разрыв клеточных стенок, дальнейший нагрев твердых биоотходов приводит к существенной молекулярной перестройке клеток с выбросом значительной доли кислорода в виде диоксида углерода, что карбонизирует органические вещества и образует так называемые обугленные твердые биоотходы, которые легко сжигаются. Необходимая для такой молекулярной перестройки температура может меняться, но обычно в пределах от 177 до 315°С (350-600°F). Агрессивный гидролиз заставляет свободные анионы растворяться в водной фазе. Ранее связанные катионы, такие как натрий и калий, также становятся доступными для растворения в воде и последующего удаления или/и устранения.
При сравнении со сжиганием (необработанных) твердых биоотходов (в цементных печах или специальных мусоросжигателях) положительное содержание энергии в обожженных твердых биоотходах значительно уменьшает количество дополнительного топлива, которое необходимо покупать. Кроме того, растворимые катионы, которые являются источником низкотемпературного шлака в котлах и не желательны в цементе, легко удаляются с высвобожденной водой.
Для цементной печи и мусоросжигающих устройств было бы предпочтительно, чтобы обугленный материал был в максимальной степени обезвожен, результатом чего были бы производство и загрузка влажного «обугленного материала», содержащего только примерно от 40 до 50% воды, что составляет примерно одну пятнадцатую часть от того, что содержится в необработанных твердых биоотходах. Альтернативным образом с учетом транспортировки и манипулирования, для таких установок более предпочтителен высушенный и спрессованный или таблетированный обугленный материал. В настоящем изобретении имеются возможности получать обугленные твердые биоотходы в любой форме.
Наряду с этим получаемые в настоящем изобретении обугленные твердые биоотходы, с или без обугленного материала из других субстанций, таких, например, как биомасса, дают топливо, которое может быть использовано в различных других потребляющих топливо отраслях промышленности, в том числе в доменных печах, литейных цехах, бытовых котлах, энергетике, бумажной промышленности и других отраслях промышленности, где используют ископаемое топливо. Настоящее изобретение предусматривает, например, зеленую парогенераторную установку, на которой обугленные твердые биоотходы загружаются в камеру сгорания, работающую на пылевидном топливе или в режиме псевдоожиженного слоя, или в газогенератор, подающий чистый топливный газ в комбинированный цикл комплексной газосжигающей газовой турбины.
Далее, получаемые в настоящем изобретении обугленные твердые биоотходы могут быть сырьем для работающих на водороде топливных элементов при частичном окислении до топливного газа (главным образом оксида углерода и водорода) с последующей конверсией водяного газа и отделением диоксида углерода, как это применяется в технологии синтетического аммиака. Продукт может быть «рафинирован» с образованием жидких топлив путем применения «каталитического крекинга», «замедленного коксования» и «гидрокрекинга», проводимых в соответствии со стандартными процессами, хорошо известными в нефтеперерабатывающей промышленности.
В то время как изобретение ориентировано на экономичное и экологически безопасное решение проблемы твердых биоотходов, оно может быть совмещено с обработанными должным образом другими субстанциями, прежде всего с нуждающейся в устранении биомассой, включая сюда (но не ограничивая этим изобретения) отстои бумажного производства, пищевые отходы, сельскохозяйственные отходы, свиной навоз, куриный помет, коровий навоз, рисовую шелуху, жмых сахарной свеклы, лесосечные отходы, городские твердые отходы, медицинские отходы, бумажные отходы, древесину и древесные отходы, осадок пальмового масла, топлива из отходов, черный щелок с крафт-целлюлозных фабрик, зерновые культуры, быстро растущие энергетические культуры, а также гидрофильные невозобновляемые топлива, такие как низкосортные угли.
Настоящее изобретение относится, в частности, к способу превращения твердых биоотходов в экономически эффективное топливо путем создания в твердых биоотходах достаточно высокого давления, чтобы поддерживать жидкое состояние, нагрева находящихся под давлением твердых биоотходов до температуры, достаточной для разрушения клеток, с последующим выделением диоксида углерода, сброса давления в обуглившейся суспензии, отделения диоксида углерода от суспензии обуглившегося материала и удаление по крайней мере части водной фазы из суспензии обуглившегося материала, в результате чего получают обезвоженный обугленный продукт для последующего применения. Кроме того, изобретение относится к проведению реакции обезвоженного обугленного продукта с кислородсодержащим газом, превращая таким образом теплотворную способность топлива в тепловую энергию и используя тепловую энергию для сжигания топлива.
В целом настоящее изобретение предлагает экологически приемлемое решение проблемы твердых биоотходов, а также энергию для разных потребителей энергии, таких как цементные печи и электростанции. Кроме того, изобретение предлагает:
- способ увеличения объема и повышения экологической приемлемости возобновляемых топлив;
- способ сведения к минимуму количества направляемых на свалку отходов;
- способ снижения содержания влаги (воды), направляемой на свалку;
- способ повышения температуры размягчения возобновляемого топлива с целью уменьшения разложения и ошлаковывания;
- способ превращения неоднородного твердого топлива, такого как сельскохозяйственные отходы или отходы лесной промышленности, или/и шлам бумагоделательной фабрики, в однородное топливо;
- способ превращения объемистого топлива в топливо, которое компактно и может легко храниться и транспортироваться;
- способ превращения подверженного порче топлива в стерильное топливо, которое может храниться без порчи;
- способ создания экономичного средства для совместного сжигания несовместимого в другой ситуации топлива;
- способ создания термически эффективного объединения жидкостного раскисления и по крайней мере одного из следующих объектов: установки очистки сточных вод, цементной печи и теплоэлектростанции;
- способ сушки твердых биоотходов перед вводом в цементную печь или другое подобное ей устройство;
- способ снижения количества воды, вводимой в цементную печь или другие сжигающие устройства;
- способ совместной переработки нескольких видов сырья с использованием раскисления;
- способ использования золы твердых биоотходов или других видов биомассы;
2
- способ удаления (или извлечения) элементов, содержащихся в твердых биоотходах или других видах биомассы, таких как фосфор, хлор, CO, и
- способ удаления воды из твердых биоотходов или биомассы с целью дальнейшего рафинирования этих материалов или для снижения себестоимости устранения или применения в качестве удобрения.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ устранения ила, производимого на установках очистки городских стоков и сточных вод экономичным и экологически благоприятным путем. Этот способ экологически благоприятен, потому что конечным продуктом является зола, которая не имеет запахов, а также вредных субстанций, таких как вирусы или патогены, а зола имеет малый объем и легко устраняется. Способ наряду с этим экономически эффективен, потому что прежде всего ему благоприятствует желание руководства очистных установок выплачивать отгрузочный гонорар за устранение трудно обрабатываемого ила городских стоков, а также потому что, с другой стороны, ил будет превращен в топливо с положительной теплотворной способностью, которая может быть использована для получения дополнительных доходов или других ценных позиций в виде оплаты за генерируемую тепловую энергию или, например, обмена извлеченного тепла за кредиты, желаемые продукты и т.п.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными из описания и чертежей настоящей заявки.
Краткое описание чертежей
Признаки и преимущества изобретения могут быть выявлены из следующего детального описания чертежей:
фиг.1 - схематическая диаграмма последовательности операций, иллюстрирующая способ настоящего изобретения, имеющий целью превращение твердых биоотходов в суспензию с высокой удельной энергией или сухое твердое топливо в качестве возобновляемого источника энергии;
фиг.2 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется на установке очистки сточных вод;
фиг.3 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется при эксплуатации цементной печи;
фиг.4 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется на теплоэлектростанции с использованием дополнительных топлив, таких как низкокачественные угли, и
фиг.5 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения объединен с термосушилкой и применяется в работе цементной печи.
Полное описание изобретения
Фиг.1 иллюстрирует превращение твердых биоотходов в практически пригодное возобновляемое топливо. Твердые биоотходы могут подаваться в виде ила по трубопроводу 107 с близлежащей установки очистки сточных вод или городских стоков (УОСВ) в сырьевой резервуар 106. Альтернативным образом твердые биоотходы могут подаваться с помощью грузового автомобиля 108 и перекачиваться иловым насосом 109 по линии 110 к резервуару 106.
Альтернативным образом сырьевой резервуар 106 может получать твердые биоотходы от нескольких источников и использоваться как смесительная емкость, с помощью которой более разбавленные твердые биоотходы смешиваются с более плотными и более вязкими твердыми биоотходами с образованием более пригодного для перекачки сырья. Для этой же цели может использоваться смесительно-суспендирующее устройство 104.
Кроме того, сырьевой резервуар 106 или смесительно-суспендирующее устройство 104 могут быть участками, где добавляется полимер для снижения содержания воды в суспензии твердых биоотходов или, альтернативным образом, где добавляют воду, если вязкость суспензии является проблемой.
Для повышения вязкости твердых биоотходов к резервуару 106 может подводиться тепло. Кроме того, может быть добавлена стадия резки или размола, например, между сырьевым резервуаром 106 и перекачивающим устройством 111. Эта резка или размол снизят вязкость, а также приведут к однородному размеру частиц, необходимому для оптимальной работы клапана 116 для сброса давления. Подвод тепла, резка и размол должны также повышать производительность перекачивающего устройства 111 и позволят вводить в систему материал с более высоким содержанием твердых веществ.
В одном из вариантов осуществления вводятся скрининг-устройство для удаления крупноразмерных частиц с целью повышения производительности размола (в случае его проведения), перекачивающее устройство 111 или/и клапан 116 для сброса давления. Скрининг-устройство может, например, быть помещено между сырьевым резервуаром 106 и перекачивающим устройством 111. В другом варианте осуществления сырьевой резервуар 106 или подобное ему устройство могут быть использованы для введения хелатирующего агента или другого подходящего химического вещества для удаления фосфора или других содержащихся в твердых биоотходах элементов.
2
2
Из сырьевого резервуара 106 суспензия твердых биоотходов перекачивается под давлением, которое должно поддерживать воду в твердых биоотходах во время последующих операциях нагрева в жидкой фазе. Например, в одном из вариантов осуществления суспензия находится под давлением примерно от 28 до 74 кг/см. В другом варианте осуществления суспензия находится под давлением примерно от 17,5 до 113 кг/см. Следует позаботиться о том, чтобы обеспечить перекачивающее устройство 111 адекватной высотой всасывания насоса (NPSH) либо гидравлически, либо с помощью механики, например с помощью винтового конвейера, с учетом того, что суспензия может быть очень вязкой и нести в себе растворенные газы.
Альтернативой (не показана), позволяющей уменьшить эксплуатацию перекачивающего устройства 111, является ввод в процесс подкачивающих насосов где-либо между перекачивающим устройством 111 и клапаном 116 для сброса давления. Дополнительной альтернативой (не показана), имеющей целью уменьшение эксплуатации перекачивающего устройства 111, является добавление перед перекачивающим устройством 111 высвобожденной воды или прореагировавшей суспензии.
Суспензия твердых биоотходов перед входом в реактор прокачивается через теплообменники 112 и 113. Проходя через теплообменник 112 суспензия нагревается за счет теплообмена с горячей жидкой теплопереносящей средой (ТПС) типа Терминол 59. В другом варианте осуществления (не показан) суспензия нагревается за счет прямого или опосредованного теплообмена с водяным паром. Температура суспензии на выходе из теплообменника 112 может быть в пределах примерно от 150 до 315°С и предпочтительно примерно от 200 до 260°С. Проходя через теплообменник 113, суспензия дополнительно нагревается до желаемой температуры, при которой стенки клеток твердых биоотходов должны разрушаться и высвобождать связанную в клетках воду. Далее температура предпочтительно устанавливается такой, чтобы в результате теплообмена с ТПС другие составляющие клеток твердых биоотходов обугливались с превращением в обугленные твердые биоотходы. В одном из альтернативных вариантов осуществления для нагрева суспензии до желаемой температуры используются конденсирующиеся пары испаряемой ТПС (такой как Therminol VP-1). В одном из вариантов осуществления температура составляет примерно от 200 до 260°С. В другом варианте осуществления температура составляет примерно от 150 до 260°С. В еще одном варианте осуществления температура составляет примерно от 260 до 350°С.
Хотя конструкция теплообменников для использования в настоящем изобретении и не является существенной, каждый из них может иметь два или более корпусов. Корпуса могут быть параллельными или последовательными. В одном из вариантов осуществления теплообменники 112 и 113 расположены последовательно таким образом, что суспензия твердых биоотходов проходит вначале через теплообменник 112 и затем через теплообменник 113.
Реактор 114 (который может состоять из одного или нескольких параллельных или последовательных реакторов) предоставляет время при повышенной температуре для того, чтобы, во-первых, разрушить клетки твердых биоотходов и затем завершить реакции раскисления, превратив составляющие клеток в обугленные твердые биоотходы. Хотя в данном случае обсуждается непрерывно проводимая реакция, настоящее изобретение допускает и периодическую или полунепрерывную реакцию. Как известно специалистам в данной области техники, способы нагрева реакторов периодического действия могут быть близкими к способам нагрева реакторов непрерывного действия. Например, реактор периодического действия можно нагревать непосредственным вводом водяного пара, нагревательными змеевиками или сочетанием того и другого.
Одной из подходящих альтернатив (не показана) для реактора 114 является реакторно-отгонная башня. Такая башня содержит расположенные бок-в-бок перегородки (или какие-либо другие средства, обеспечивающие контакт пар-жидкость), расположенные для обеспечения перемещения вниз частично нагретой суспензии из теплообменника 112, вступающей в контакт с двигающимся вверх потоком водяного пара и отогнанным диоксидом углерода из «ребойлера» (эквивалента теплообменника 113) и получением обугленной суспензии с низа башни. В направлении сверху вниз башни поддерживается преимущественно температурный градиент от приблизительно температуры суспензии на выходе из теплообменника 112 до температуры несколько более низкой, чем температура на выходе иллюстрируемого простого реактора. В одном из вариантов осуществления температурный градиент лежит в пределах примерно от 200 до 260°С. В другом варианте осуществления температурный градиент составляет примерно от 150°С до 315°С. Отходящий с верха реактора-стриппера диоксид углерода содержит значительное количество водяного пара, которое необходимо сконденсировать в каком-либо другом конденсаторе до дистиллированной воды и отделить от диоксида углерода, который отходит по линии 118. Хотя клапаны 116 для сброса давления и сепаратор 117 все еще необходимы, для отделения в сепараторе остается немного диоксида углерода.
Отходящая из реактора (реакторов) суспензия, называемая обугленными твердыми биоотходами, состоит из разрушенных клеток твердых биоотходов, из которых была удалена связанная вода и которые были подвергнуты раскислению в псевдоожиженном слое, т.е. молекулярной перестройке, характеризующейся отщеплением диоксида углерода, следствием чего является значительное повышение содержания углерода в твердом материале и значительное уменьшение в нем содержания кислорода. Например, в образцах обугленных твердых биоотходов повышение содержания углерода в твердом материале составляет примерно от 2 до 15%, преимущественно от 4 до 12%. В одном из вариантов осуществления содержание кислорода в твердом материале снижается на примерно от 35 до 50%. В другом варианте осуществления суспензия претерпевает снижение содержания кислорода в твердом материале на примерно от 30 до 70%.
Суспензия обугленных твердых биоотходов проходит из реактора 114 к теплообменнику 115, где она частично охлаждается, отдавая тепло жидкой ТПС, которая поступает из теплообменника 112 по линии 142. В одном из вариантов осуществления суспензия обугленных твердых биоотходов охлаждается до температуры в пределах примерно от 150 до 200°С. В другом варианте осуществления температура суспензии обугленных твердых биоотходов после выхода из теплообменника 115 составляет примерно от 100 до 260°С. Контур жидкой ТПС дополнен сборником 139 для жидкой ТПС, насосом 40 для жидкой ТПС и соединительными линиями 141, 142 и 143.
Функционирование теплообменников 112 и 115 могло бы проводиться по типу одиночного теплообменника, имеющего с одной из сторон холодное суспензионное сырье и с другой стороны горячую суспензию обугленного материала, что потребовало бы пропускания суспензий как через трубу, так и через межтрубную зону. Какие-либо отложения на трубной стороне теплопередающего процесса удалить было бы относительно легко. Однако загрязнение в межтрубной зоне устранить было бы трудно, по причине чего коэффициенты теплопереноса в случае теплообменника типа продукт-продукт намного ниже. Настоящее изобретение как таковое предусматривает разделение операции на два теплообменника, где чистая ТПС выполняет роль посредника, горячая и холодная суспензии находятся в трубах, в то время как в межтрубных зонах находится только чистая ТПС. Рабочие режимы обоих теплообменников по существу одни и те же (за исключением лишь радиационных потерь), причем температурные пределы циркулирующей ТПС стремятся к своему собственному равновесию.
В одном из вариантов осуществления (не показан) обуглившиеся твердые биоотходы, выходящие из реактора 114 и находящиеся все еще под давлением, рециркулируют назад к находящейся под давлением суспензии твердых биоотходов перед их входом в реактор 114 с целью облегчения нагрева и снижения вязкости суспензии перед разрушением клеток твердых биоотходов и последующего раскисления.
Испарившаяся ТПС проходит из сборника 144 по линии 145 к горячей стороне теплообменника 113, в которой она конденсируется за счет переноса тепла к частично нагретой суспензии твердых биоотходов и затем протекает по линии 146 назад к сборнику 144. Жидкая ТПС течет от сборника 144 за счет естественной конвекции (или, если падение давления этого требует, с помощью загрузочного печного насоса) через змеевики подогревателя 147 с огневым подводом тепла, где ТПС частично испаряется за счет тепла, подводимого топливным источником 148, и возвращается назад к сборнику 144. В одном из вариантов осуществления топливным источником является природный газ, пропан, котельное топливо, суспензия обугленного материала, обугленный материал или любое их сочетание. В одном из альтернативных вариантов осуществления (не показан) для использования обугленного материала, суспензии обугленного материала или комбинации обугленного материала с внешним топливным источником или источником из отходов применяется сжигающее устройство типа псевдоожиженного слоя. В другом варианте осуществления (не показан) для использования обугленного материала, суспензии обугленного материала или комбинации обугленного материала с внешним топливным источником или источником из отходов применен газификатор. В еще одном варианте осуществления с целью генерирования водяного пара для технологического тепла применяется паровой котел. В паровом котле можно было бы использовать обугленный материал, суспензию обугленного материала или комбинацию обугленного материала с внешним топливным источником или источником из отходов.
Насос 140 для ТПС отсасывает с низа сборника 144 жидкую, способную испаряться ТПС и отправляет ее на циркуляцию к устройству 135 в качестве источника тепла для сушки обугленного материала. После выполнения этой задачи ТПС возвращается по линии 150 к сборнику 144. Насос 140 может также выполнять другие вспомогательные нагревательные функции (не показаны), такие как рубашка реактора 114, предотвращающая потери тепла.
После частичного охлаждения в теплообменнике 115 ожиженная суспензия обугленного материала проходит через охладитель 119, в котором его температура снижается до температуры, близкой к комнатной, в результате теплообмена с заводской охлаждающей водой из линии 120. Охлажденная суспензия обугленного материала протекает из охладителя 119 к автоматическому клапану 116 для сброса давления, ответственному за поддержание водных суспензий под давлением, достаточным для предотвращения испарения. Клапан 116 для сброса давления снижает давление суспензии обугленного материала до номинального давления выше атмосферного. Это достигается путем освобождения от газообразного и растворенного диоксида углерода, который отделяется от суспензии обугленного материала в барабанном сепараторе 117. Выделившийся диоксид углерода выходит из барабанного сепаратора 117 по линии 118.
Клапан 116 для сброса давления работает в жестких условиях с высокой степенью вероятности оказаться забитым. Однако можно предпринять определенные меры, чтобы свести к минимуму эти трудные условия. Например, как указывалось выше, перед клапаном 116 для сброса давления могут в любое время производиться размол и скрининг. Кроме того, вводимая перед клапаном 116 для сброса давления стадия дополнительного охлаждения прореагировавшей суспензии после показанного на схеме теплообменника 115 снизит количество выделившегося газа и уменьшит ускорение частиц, проходящих через клапан 116 для сброса давления. Специалистам в данной области техники известен ряд способов охлаждения, пригодных для применения в настоящем изобретении. Такими способами охлаждения, в частности, мог бы быть противоточный кожухотрубный или двухтрубный теплообменник, охлаждаемый заводской охлаждающей водой.
Поскольку в баке-накопителе 121 или в барабане 117 может происходить вспенивание, может стать целесообразным регулирование вспенивания путем снижения давления в две или более стадий. В другом варианте осуществления вспенивание можно регулировать использованием расположенного после нижней части барабана 117 распылительного сопла для впрыскивания в барабан 117 бокового потока.
Некоторое количество диоксида углерода отделяется в баке 121 и уходит по линии 137. Если имеется какая-либо возможность применения или рынок для диоксида углерода, этот газ вместе с газом, выделяющимся в барабане 117 и отходящим по линии 118, может подвергаться очистке. В противном случае газ будет собираться и выпускаться через пламя подогревателя 147 с огневым подводом тепла для разрушения следов пахучих газов или/и для получения энергии. На одну тонну обработанных влажных твердых биоотходов выделяется 11,5-12 кг диоксида углерода. Если в диоксиде углерода содержатся какие-либо сернистые соединения, они будут обрабатываться с помощью необходимых устройств экологического контроля. Все вентиляционные газы направляются на подогреватель 147 с огневым подводом тепла для разрушения следов пахучих газов.
Жидкая суспензия обугленного материала поступает с низа бака 121 на обезвоживающее устройство 122, где используются одно или более продажных устройств для механического разделения жидкостей и твердых веществ, задача которых состоит в отделении высвободившейся воды от твердого обугленного материала. В число подходящих разделительных устройств могут входить (не ограничивая изобретения) концентраторы, гидроциклоны, центрифуги, работающие под давлением, или вакуумные ротационные фильтры, горизонтальные фильтры, ленточные и ротационные прессы и т.п.
Жидкая суспензия обугленного материала в баке 121 содержит определенное количество тепла и может быть идеальной для дополнительной стадии добавления хелатирующего агента или других химических веществ с целью удаления фосфора или других содержащихся в исходных твердых биоотходах элементов. Названные выше хелатирующие агенты также подходят для использования на этой стадии процесса.
Твердый обугленный материал выводится из обезвоживающего устройства 122 с помощью транспортирующего средства 123. Некоторое или все количество материала может быть направлено на смеситель 124, в котором он смешивается с достаточным количеством воды из линии 125 с образованием пригодной для перекачивания топливной суспензии с высокой удельной энергией. Топливная суспензия собирается в резервуаре 126 для отгрузки в зависимости от требований на трубопровод или на грузовой автомобиль с использованием насоса 151 для топливной суспензии и линии 152. Альтернативным образом влажный обугленный материал может быть направлен с помощью транспортирующих средств 127 и 128 в бункер для влажного обугленного материала для отгрузки в случае необходимости в бункерные автомобили 156.
Альтернативным образом часть или все количество обугленного материала, выходящего из обезвоживающего устройства 122, может быть направлено на сушильное и/или таблетирующее устройство 127, которое с использованием доступного на рынке оборудования сушит и прессует или таблетирует твердый материал. Необходимое для сушки тепло поступает с потоком горячей жидкой ТПС из сборника 144 для испаряемой ТПС с помощью насоса 149 для ТПС, которая (ТПС) после отдачи необходимого тепла возвращается по линии 150 в сборник. Высушенное обуглившееся топливо собирается в бункере для высушенного материала для отгрузки в бункерные автомобили 155 и транспортировки на рынок. В одном из вариантов осуществления (не показан) высушенный продукт хранится в атмосфере азота с целью предотвращения пылевых взрывов и воспламенения в том случае, когда продукт не отгружается непосредственно с установки. Испаренная вода из сушилки 135 проходит через конденсатор 138, а конденсат транспортируется по какой-либо линии к резервуару для высвобожденной воды.
В одном из вариантов осуществления (не показан) тепло, необходимое для сушильного устройства 135, может быть получено по крайней мере одним из следующих способов: псевдоожиженный слой, паровой котел и сжигание газа из газификатора. Топливным источником для необходимого для высушивания тепла мог бы быть по крайней мере один из следующих: обугленный материал, суспензия обугленного материала или комбинация обугленного материала с внешним топливным источником или источником из отходов. В одном из вариантов осуществления (не показан) в качестве топлива для нагревателя и/или сушилки используется газ из бродильного аппарата соседней установки очистки сточных вод.
Обугленный материал, высушенный в сушильном устройстве 135, но не таблетированный, хотя и не показанный на фиг.1 и не являющийся полностью возобновляемым, может быть отведен в смесительное устройство, с помощью которого этот материал вводится в котельное топливо. Такая технология напоминает технологию программ по угольно-масляным смесям, разработанных и испытанных в 1980-х годах. Хотя такое введение и не соответствует техническим условиям на существующие котельные топлива, оно бы привело к повышению теплотворной способности и в некоторых случаях снизило бы содержание серы при малых затратах. Такое новое топливо представляет интерес для потребителей в тех случаях, когда зола не является проблемой, например в цементных и доменных печах. Хотя может быть использовано дистиллятное и остаточное котельное топливо любой категории, наиболее вероятными кандидатами являются некондиционные масляные отстои, нефтезаводское топливо, отработанное смазочное масло и т.п. Суспензия масло - обугленный материал является также привлекательной для использования в качестве внутризаводского топлива.
Высвобожденная вода, отделенная от влажного обугленного материала в устройстве 122, протекает по линии 129 к баку 130 для высвобожденной воды, из которого она перекачивается насосом 131 для высвобожденной воды по линии 132 к измельчительно-суспендирующему устройству 104 и/или к резервуару 106, и/или возвращается по линии 134 на установку очистки сточных вод (УОСВ). В зависимости от расценок на очистку на УОСВ экономично проводить некоторую предварительную очистку в устройстве для предварительной обработки с помощью известных имеющихся в продаже средств, сопровождающуюся выделением метана. Если в устройстве для предварительной очистки образуется ил, он может быть направлен в сушильное устройство 135. Как об этом говорилось выше, высушенный продукт может храниться в атмосфере азота или может быть использован какой-либо другой способ для предотвращения пылевых взрывов.
Хотя диаграмма последовательности операций (см. фиг.1) описана в расчете на обработку больших количеств твердых биоотходов, которые чаще всего накапливаются на установках очистки городских стоков и сточных вод, специалистам в данной области техники очевидно, что для увеличения количества производимого топлива с помощью общего способа изобретения наряду с твердыми биоотходами могут подвергаться обезвоживанию и другие вещества, такие как биомасса. Например, текучие биомассовые отходы, такие как шламы бумажных фабрик или переработки макулатуры, могут загружаться с помощью автоцистерны 108 или трубопровода 107, или насоса 109 и линии 110. Если отходы содержат заметные количества соединений хлора, добавляют щелочь (не показано) в количестве, равном по меньшей мере химическому эквиваленту хлора. Твердые биомассовые отходы, такие, например, как сельскохозяйственные и лесоводческие, могут загружаться с помощью конвейера 101 в измельчительно-суспендирующее устройство 104 с использованием известной технологии, описанной, например, в патенте США 5685153, раскрытие которого полностью включено в настоящую заявку в качестве ссылочного материала. Альтернативным образом или дополнительно в устройство 104 с помощью транспортирующего средства 102 могут загружаться низкокачественные углеродистые топлива типа полубитуминозного угля бассейна реки Паудер. Для обеспечения заданной вязкости суспензии в устройство вводят рециркулирующую воду по линии 132 и/или свежую воду по линии 103. Как указывалось выше в отношении твердых биоотходов, суспензионное гидрофильное сырье переносится по линии 105 в сырьевой резервуар 106.
Отмечалась высокая реакционная способность обуглившихся твердых биоотходов, получаемых на установке, демонстрируемой на фиг.1. Свойство их углеродистых молекул должно быть полезным для газификационного устройства или химической установки, на которой их используют в качестве сырья для кислородсодержащих органических соединений, как низкомолекулярных (таких как уксусная кислота, спирты, альдегиды и кетоны), так и высокомолекулярных детергентов, поверхностно-активных веществ, пластификаторов, добавок к смазочным маслам и т.п. К числу будущих возможностей в отношении газификации относится сдвиг содержания CO в газе в сторону диоксида углерода и водорода с последующим отделением диоксида углерода с получением водорода для топливных элементов. Это отделение может быть выполнено с помощью новых металлокерамических мембран, разрабатываемых для проекта FutureGen Департамента по энергии США (DOE) в сотрудничестве с Национальной лабораторией Oak Ridge и Eltron Research.
Фиг.2 представляет технологическую схему сочетания установки очистки сточных вод (УОСВ), работающей согласно настоящему изобретению, и примыкающего к ней производительного устройства для переработки твердых биоотходов, работающего согласно настоящему изобретению, в котором применяется раскисление в псевдоожиженном слое для экономичного превращения твердых биоотходов в горючий материал, в результате чего из получаемых с УОСВ твердых биоотходов удаляется большая часть воды и, в частности, вода, связанная с клетками твердых биоотходов, которая в противном случае повысила бы стоимость транспортирования и/или испарения воды из твердых биоотходов и, таким образом, привела бы к невыполнимости использования твердых биоотходов. Горючий газ, образующийся при анаэробном брожении на УОСВ, может быть использован для обеспечения тепла, необходимого для раскисления, что экономит расходы на приобретаемое топливо. Кроме того, очищенная на УОСВ вода может быть использована в качестве суспендирующей воды для установки раскисления с псевдоожиженным слоем. При этом на УОСВ можно также очищать поток, выходящий с установки раскисления.
Более конкретно, на УОСВ поступает ливневый сток через один или более трубопроводов 203 и городской сток через один или более трубопроводов 204. При использовании известной технологии на УОСВ обычно применяются атмосферный воздух, поступающий через трубопровод 205, и подаваемые с помощью транспортной системы 206 различные обычные добавки типа флоккулянтов и извести. Такая традиционная очистка городских стоков и сточных вод приводит к образованию газа брожения, отходящего с УОСВ по трубопроводу 207 и используемого в качестве топливного источника настоящего изобретения. Очистка приводит к образованию ила от городских стоков, т.е. ила или суспензии твердых биоотходов, отходящих по линии 208. Концентрация твердого материала обычно находится в пределах примерно от 3 до 40%, составляя в среднем около 20%. Поскольку твердые биоотходы содержат примерно 80% связанной воды, доставка их к приемлемым местам захоронения, сжигание с присутствующей водой или попытки их физического обезвоживания являются дорогостоящими.
Установка 202 раскисления, на которой используется способ (см. фиг.1), расположена по возможности близко к источнику твердых биоотходов. В результате разрушения клеточной структуры и отщепления диоксида углерода от образующих твердые биоотходы молекул суспензия становится легко механически обезвоживаемой до содержания примерно от 35 до 65% твердого материала. Свежеотделенная (высвобожденная) вода (приблизительно 90% от ее содержания в исходных твердых биоотходах) рециркулирует по линии 211 на УОСВ, где она может быть предварительно очищена с помощью мембран, технологий удаления аммиака, технологий анаэробного брожения или технологий обратного осмоса. Остающийся после сушки обугленный материал составляет только примерно 15-17% от веса исходных твердых биоотходов, что дает большую экономию при транспортировании обугленного материала к месту его применения или захоронения.
Невысушенный маловлажный обугленный материал, отводимый с помощью подходящего средства 210, может быть приемлемым для какой-либо близко расположенной свалки, до которой его транспортируют конвейером или тягачом 212. Аналогичным образом он может быть также оттранспортирован с помощью средства 213 к ближайшему мусоросжигателю, где его сжигание потребует намного меньше топлива, чем требуется для сжигания исходных твердых биоотходов. Кроме того, как высушенный, так и невысушенный обугленный материал может быть оттранспортирован с помощью средства 214 к ближайшей цементной печи, где для него потребуется значительно меньше покупного топлива, чем требуется для эквивалентного количества исходных твердых биоотходов. Обугленный материал может быть оттранспортирован с помощью средства 215 на химическую установку, где (благодаря высокой реакционной способности) он легко превращается в топливо или синтез-газ, в кислородсодержащие соединения или в углеродные волокна, на производство удобрений и/или свалку. Маловлажный обугленный материал может быть оттранспортирован с помощью средства 216 (либо в виде перекачиваемой суспензии, либо в виде сухих таблеток) на теплоэлектростанцию, где его высокая реакционная способность обеспечит эффективное сгорание с небольшим избытком воздуха при высокой степени выгорания углерода.
Столь же значимым как потоки материалов и энергии является поток денег в виде отгрузочного гонорара от УОСВ к установке переработки твердых биоотходов, как это указано штриховой линией 217. Отгрузочный гонорар представляет собой гонорар, выплачиваемый установкой очистки сточных вод владельцу переработочной установки, работающей с твердыми биоотходами.
Поскольку поставка нового топлива, которое описано выше, будет изначально небольшой, оптимальным является его использование на месте. Наиболее вероятно, что одним из первых потребителей, готовых принять это топливо, будут владельцы цементных печей, так как для них в значительной степени приемлема высокая зольность этого топлива. Другими подходящими областями применения являются доменные печи и литейные цеха, так как для них является обычным сжигание угля или кокса и устранение золы вместе с другими примесями в виде шлака. По мере увеличения поставки обуглившихся твердых биоотходов они начинают представлять интерес для основных потребителей угля, включая теплоэлектростанции. Такие области применения более детально рассматриваются на остальных чертежах.
Например, фиг.3 представляет технологическую схему, иллюстрирующую эффективное устройство переработки твердых биоотходов, осуществляющее превращение твердых биоотходов в горючее, преимущественно обугленный материал, который комбинируется с цементной печью. Этот аспект настоящего изобретения подчеркивает резкое уменьшение воды, которая бы в противном случае сопровождала исходные твердые биоотходы в печь, приводя к значительному повышению получаемого переработчиком отгрузочного дохода и загружаемых в печь тепловых единиц.
В частности, установка 301 раскисления в псевдоожиженном слое, на которой используется способ (см. фиг.1), расположена по возможности близко к одной или более УОСВ, являющихся источником твердых биоотходов, на что указывает применение транспортирующих средств 303. В результате разрушения клеточных стенок и выделения диоксида углерода, который может образовываться одновременно (линия 304), образовавшийся обугленный материал может быть теперь легко механически обезвожен до примерно от 35 до 65% твердого материала. Свежеотделенная вода (около 90% исходных твердых биоотходов) рециркулирует по линии 305 на УОСВ или используется как рециркуляционная вода для технологического суспендирования.
Обугленный материал либо в виде концентрированной суспензии, либо в виде влажного твердого вещества, либо в виде высушенного твердого вещества транспортируется с помощью транспортирующего средства 306 к цементной печи 302. Через трубопроводы 307, 308 и 309 подаются основные ингредиенты портландцемента (известняк, глина и сланцы), которые размалываются, смешиваются и загружаются в печь через трубопровод 310. В секции предварительного нагрева эти ингредиенты входят в противоточный контакт с топочным газом, который повышает температуру для отгонки кристаллизационной воды и прокаливает известняк. Близко к днищу секции предварительного нагрева через трубопровод 311 загружают отбросное горючее типа использованных автопокрышек и разбитого асфальта. Подогретая смесь после этого выгружается в один из концов горизонтальной ротационной печи.
По мере продвижения подогретых ингредиентов к противоположному концу ротационной печи они продолжают нагреваться до температуры, необходимой для их реакции и образования цементного клинкера при обжиге на разгрузочном конце, в то время как первичное топливо (которое может содержать обуглившиеся твердые биоотходы) подается по трубопроводу 312 вместе с соответствующим воздухом горения, подаваемым через вентилятор воздуха горения (не показан) и трубопровод 313.
Топочный газ, из которого извлекается бòльшая часть физического тепла, выходит из печи через вытяжной вентилятор и пылеулавливающую аппаратуру (не показана) по линии 314. Цементный клинкер выходит из печи, осуществляя теплообмен с воздухом горения, по трубопроводу 315. Охлажденный клинкер размалывают и смешивают с гипсом, в результате чего образуется портландцемент.
Большая часть зольных составляющих обуглившихся твердых биоотходов приемлема для портландцемента за исключением растворимых катионов, таких как натрий и калий, а также сульфатов и хлоридов, которые преимущественно попадают в сток после установки жидкостного раскисления и возвращаются по трубопроводу 305 на УОСВ. Исключением является фосфор, который часто оказывается связанным в нерастворимую форму железом. Имеется возможность того, что содержание фосфора может ограничивать количество обуглившихся твердых биоотходов, которые может принимать данная цементная печь. В том случае, когда содержание фосфора в обуглившемся материале, произведенном на установке 302, окажется столь высоким, что будет ограничивать количество обуглившихся твердых биоотходов, которые может принять цементный клинкер, может быть добавлен хелатный раствор (или другой солюбилизирующий агент) через линию 316 с целью экстракции некоторого количества названного элемента. Фосфорсодержащий экстракт выгружают затем по линии 317, и он должен быть устранен таким образом, чтобы он не возвращался на УОСВ.
x
Неорганическая фракция твердых биоотходов может достигать приблизительно 50% в расчете на сухое вещество. Эта изначально содержащаяся в твердых биоотходах зола может снизить количества известняка, глины и сланцев, подаваемых соответственно по линиям 307, 308 и 309. Если установка 302 расположена вблизи цементной печи 302, часть потока 305 сточных вод может быть использована в цементной печи 302 для охлаждения или других целей, или для восстановления NO. Отбросное тепло от потока 314 или других потоков, содержащих отбросное тепло, включая радиационное тепло, могут быть использованы на установке 301 в качестве технологического тепла для системы, включающей нагрев сырья, технологическое тепло или сушку прореагировавшего продукта. Выделившийся диоксид углерода из потока 302 может подводиться к цементной печи 302 для утилизации тепла или уменьшения запаха.
Столь же значимым как потоки материалов и энергии является поток денег в виде отгрузочного гонорара от УОСВ к комбинации установок 301 и 302, как это указано штриховой линией 318, в то время как остаток идет владельцу цементной печи 302, как указано штриховой линией 320.
Фиг.4 представляет упрощенную технологическую схему производительного устройства 401 переработки твердых биоотходов, в котором применяется раскисление для превращения твердых биоотходов в горючий материал в непосредственной близости от теплоэлектростанции 402 и в комбинации с ней. Установка 401 типизирована на фиг.1 с загрузкой твердых биоотходов с УОСВ. Однако, поскольку подача имеющихся в наличии твердых биоотходов на станцию экономичного размера вряд ли окажется достаточной для потребностей станции в топливе, на схеме представлено также семейство процессов жидкостного раскисления, подающих определенную гамму возобновляемой биомассы и/или гидрофильного низкокачественного ископаемого топлива. Жидкостное раскисление делает некоторые или все эти потенциальные топлива менее гидрофильными и более однородными и в тепловом отношении эффективными для сжигания на электростанции 402. Станция 402 представляет спектр традиционных и нетрадиционных систем сжигания, которые посредством комбинированных циклов паровой турбины или газовой турбины приводят к производству электричества для местного рынка и/или для общегосударственной энергетической системы.
Твердые биоотходы подают на установку 401 по линии 403. Альтернативным образом или дополнительно к этому с помощью транспортирующего средства 405 подаются биомассовые отходы, такие как шламы бумажных фабрик или поступающие из сельского хозяйства или лесоводства, и (возможно) гидрофильное низкокачественное ископаемое топливо. Вода, в случае если она необходима для образования прокачиваемой загрузочной суспензии, вводится по линии 406. После переработки согласно фиг.1 образовавшийся избыток воды возвращается на УОСВ или очищается известными способами для сброса по линии 407. Однородная (обезвоженная) обладающая высокой удельной энергией суспензия обугленного материала или высушенный и таблетированный обугленный материал подается на станцию 402 с помощью транспортирующего средства 408.
Обугленный материал или суспензия обугленного материала, транспортируемые с помощью транспортирующего средства 408, сжигаются с помощью одного из известных способов с целью получения тепловой энергии для генерации водяного пара, который, расширяясь в традиционных паровых турбинах, приводит в действие электрогенераторы, либо же водяной пар может быть частично окислен (либо воздухом, либо продажным кислородом) с образованием топливного газа, сжигаемого затем в камере сгорания газовой турбины, приводя в действие электрогенератор, горячий выхлопной газ из которого генерирует водяной пар для комбинации паровой турбины с приводимым ею в действие генератором. Частичное сжигание обугленного материала может осуществляться согласно известным способам с отделением золы в виде текучего шлака или согласно патенту США №5485728, раскрытие которого полностью включено в настоящую заявку в качестве ссылочного материала и который сообщает об отделении частиц золы в водной суспензии.
Поскольку количество имеющегося в наличии обугленного материала может не иметь достаточной топливной энергии для генерирования количества электричества, которое ориентировано на рынок, может дополнительно подаваться ископаемое топливо с использованием для этого транспортирующего средства 410. Воздух для сжигания или частичного сжигания обугленного материала из биомассы и/или ископаемого топлива подается по линии 411. После того как топочный газ (или газы) от сгорания на станции 402 подвергается соответствующим известным мерам по контролю за загрязнением, его (их) выпускают через дымовую трубу 412.
Очищенная питательная вода для парового котла подается по линии 413, и сброс конденсата, необходимый для поддержания воды в пределах технических норм, отводится по линии 414 к установке 401, где конденсат может составлять часть количества воды, необходимой для образования достаточно текучей суспензии для операции раскисления. Зола (несгораемый остаток при сжигании обугленного материала и дополнительных топлив) или суспензия золы выводятся для устранения через трубопровод 415.
Одним из известных способов регулирования выброса оксидов углерода из паровых котлов, работающих при атмосферном давлении, является дополнительное сжигание (пережог) с помощью химически активного топлива над основной зоной пламени. Благодаря содержанию в них летучих веществ и высокой химической активности обугленные твердые биоотходы является подходящим для этой цели топливом и часть их может быть отведена от транспортирующего средства 408 с помощью транспортирующего средства 416 с целью восстановления оксидов азота. Продукт такой комбинации - электричество - подается с участка по электрическим кабелям 417.
В целях упрощения установка 401 обработки твердых биоотходов показана так, как если бы она имела такие мощность и подачу сырья, что обеспечивала бы электростанцию 402 достаточным количеством обугленного материала в качестве топлива. В реальной ситуации установка 401 может быть расположена вблизи электростанции 402, а одна или более таких установок 401 могут располагаться в другом месте (местах), близких к источникам сырья. Это позволяет оператору гибко применять подогнанные температуры раскисления, оптимизированные для конкретного сырья. В этом случае сухой обугленный материал может быть затем направлен на электростанцию 402 по автодороге или по рельсам, или, если это диктуется экономикой, он может подаваться в виде водной суспензии по трубопроводу. Денежный поток в форме отгрузочного гонорара от УОСВ до установки раскисления показан штриховой линией 418.
x
Фиг.5 представляет упрощенную технологическую схему, включающую установку 501 тепловой сушки и цементную печь 502. Установка 501 тепловой сушки расположена по возможности близко к одной или более цементным печам 502, имеющим такую же в принципе конфигурацию, которая показана на фиг.3 и описана со ссылками на фиг.3, но без раскисления твердых биоотходов. Твердые биоотходы подаются с помощью транспортирующего средства 503. При воздействии на клетки исходных твердых биоотходов теплом содержащаяся в клетках вода испаряется и отводится по линии 505 на мокрую очистку газов или конденсацию, или (в качестве альтернативы) отводится по линии 517 назад в печь с целью использования в печи в качестве дополнительной воды или для восстановления NO.
Образовавшиеся высушенные твердые биоотходы отводят по линии 506 к печи, где используются как их теплотворная способность, так и зола. Главные ингредиенты, как показано на фиг.3, вводят в печь по линиям 507, 508, 509 через трубопровод 510. Как и на фиг.3, в секцию предварительного нагрева вводят отбросное горючее типа использованных автопокрышек и разбитого асфальта, загружаемых через трубопровод 511. Как и на фиг.3, воздух горения и основное топливо поступают соответственно по трубопроводам 513 и 512. Цементный клинкер выходит из печи через трубопровод 515.
Хотя термическая сушка обладает присущей ей проблемой с энергией из-за скрытой теплоты испарения воды, эта проблема может быть полностью или частично преодолена путем интегрирования с цементной печью и использования тепла этой печи по трубопроводу 518. Более конкретно, топочный газ, проходящий обычно по трубопроводу 514 к соответствующему выпускному отверстию, может быть направлен по трубопроводу 216 к термической сушилке, уменьшая, таким образом, потребность в основных топливах в термической сушилке 501 для испарения воды, высвободившейся из твердых биоотходов.
Как было отмечено несколько выше, поскольку потенциальная поставка обугленных твердых биоотходов на порядки меньше по сравнением с общим топливным рынком, на установке жидкостного раскисления могут одновременно перерабатываться или перерабатываться на параллельном оборудовании и другие субстанции, например биомасса, а полученные обугленные материалы смешиваться перед их применением в качестве топлива, например согласно способам патента США №5485728. Несколько мест, таких как Гавайи (твердые биоотходы, отходы ананасов и сахарного тростника) и Сакраменто, Калифорния (твердые биоотходы и рисовая шелуха и стебли), предлагают установки для совместного или параллельного раскисления суспензий. Шламы бумажных фабрик и переработки макулатуры, хотя и требуют добавления щелочи для нейтрализации хлора, также являются многообещающими источниками дополнительных гидрофильных биомасс. Эти способы предоставляют средство для консолидации различных источников в однородное жидкое или твердое топливо на основе суспензии обугленного материала.
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры являются всего лишь репрезентативными примерами методов и систем, предназначенных для использования при осуществлении настоящего изобретения, и не предполагается, что они будут каким-либо образом ограничивать настоящее изобретение.
Пример 1
Твердые биоотходы с установок очистки сточных вод, один из Атланты (Джорджия) и один из Риверсайда (Калифорния), были подвергнуты описанной выше обработке на пилотной установке непрерывного действия. Ниже приведены результаты анализов сырья и продуктов за вычетом влаги и золы.
Исходные твердые биоотходы (Атланта)
Исходные твердые биоотходы (Риверсайд)
Углерод
57,73
62,53
Водород
7,48
9,26
Азот
7,90
7,52
Сера
3,02
1,17
Кислород
28,36
19.52
Итого
100,0
100,00
Обугленный продукт (Атланта)
Обугленный продукт (Риверсайд)
Углерод
70,19
69,98
Водород
8,85
7,68
Азот
8,63
8,45
Сера
1,42
8,86
Кислород
10,91
5,04
Итого
100,0
100,00
Как и следовало ожидать, отщепление диоксида углерода привело к повышению содержания углерода и соответствующему снижению содержания кислорода.
Состав газов двух опытов был следующим:
Отходящий газ (Атланта)
Отходящий газ (Риверсайд)
Диоксид углерода
89,7%
92,8%
Летучая органика
10,0%
6,0%
Сернистые соединения
0,3%
1,2%
Итого
100,0%
100,00
Теоретический пример 1
Цементная печь на юго-востоке США обладает производственной мощностью 3200 т/сутки. Для достижения температур, необходимых для образования цемента типа «клинкер», на ней сжигают низкокачественный уголь с добавлением некоторого количества обрезков резиновых автопокрышек. Для высушивания и сжигания 20 т/сутки (на сухой вес) твердых биоотходов местных установок очистки сточных вод может быть использовано теплосодержание топочного газа после предварительного нагрева минеральной загрузки и воздуха горения. Хотя каждая тонна сухих составляющих твердых биоотходов сопровождается четырьмя тоннами воды (придающих твердым биоотходам отрицательное теплосодержание), доход от отгрузочного гонорара компенсирует стоимость дополнительно сжигаемого угля. Однако это количество ограничено теплоемкостью, расходуемой на испарение воды, и увеличенным объемом топочного газа, возрастающим падением давления и лошадиными силами вентилятора.
При применении настоящего изобретения в печи могут использоваться твердые биоотходы, обезвоженные и раскисленные согласно настоящему изобретению на одной или более близлежащих УОСВ. В этом случае приблизительно от 80 до 94% воды, ранее загружаемой с исходными твердыми биоотходами, обходит печь, что позволяет загружать в печь в семь раз больше раскисленного материала без дополнительного теплосодержания и пределов мощности вентилятора. Количество устраняемых с помощью печи твердых биоотходов может быть увеличено до примерно 700% с соответствующим увеличением отгрузочного гонорара.
В отличном от рабочих примеров тексте или, если не оговорено особо, все численные пределы, количества, значения и проценты, такие как для количества материалов, время и температуры реакции, отношения количеств и проч. в последующей части описания можно понимать так, как этому предшествовало бы слово «приблизительно (примерно)» даже тогда, когда это выражение «приблизительно (примерно)» специально не указано в отношении значения, количества и пределов. Соответственным образом, если не указано противное, численные параметры, приведенные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приближениями, которые могут меняться в зависимости от желаемых свойств, которых стремиться достичь настоящее изобретение.
Несмотря на то, что численные пределы и параметры, очерчивающие широкий объем изобретения, являются приближениями, численные значения, приводимые в конкретных примерах, даются с максимально возможной точностью. Однако любое численное значение содержит изначально определенные ошибки, которые обязательно приводят к стандартному отклонению, входящему в соответствующие испытательные измерения. Кроме того, когда в заявке приводятся численные пределы различных объемов, предполагается, что может быть использовано любое сочетание этих значений, включающее приводимые значения.
Описанное и заявленное здесь изобретение не должно быть ограничено в своем объеме конкретными раскрытыми в заявке вариантами осуществления, поскольку эти варианты осуществления предназначены служить иллюстрациями нескольких аспектов изобретения. Предполагается, что любые равноценные варианты осуществления должны входить в объем изобретения. Безусловно, различные модификации изобретения в дополнение к тем, которые показаны и описаны в заявке, станут очевидными специалистам в данной области техники из предшествующего описания. Предполагается, что такие модификации также входят в объем приложенной формулы изобретения. Все упомянутые в предыдущем тексте патенты и патентные заявки однозначно полностью включены в настоящую заявку в качестве ссылочного материала.