СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области уничтожения сжиганием твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО), именно к системе их комплексной переработки в герметичных экологически чистых высокотемпературных печах шахтного типа. Подобная система может найти применение, в том числе, для кардинального оздоровления Московского региона, являющегося одним из самых экологически напряженных районов России.
Известна система переработки твердых бытовых отходов путем их сжигания на мусороперерабатывающих заводах полузакрытого типа. При этом образуются собственные вредные газообразные и шлаковидные отходы с неконтролируемым составом, которые требуют захоронения (см. Фрош Р.А., Галлопулос Н.Э. Стратегия промышленного производства., ж. «В мире науки», №11, 1989 г., с.86).
Недостатком таких систем переработки ТБПО является экологическая опасность и несовместимость с сельскохозяйственными и жилыми объектами по вредным выбросам при многолетней эксплуатации мусороперерабатывающих заводов.
Известна система переработки ТБПО, содержащая средства доставки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов и вывода продуктов переработки (см. патент США №3511194, кл. С10в 49\02).
Недостатками известной системы являются нестабильность процесса переработки отходов по высоте ствола шахтной печи, недостаточная стойкость ее конструкции, а также высокие значения выноса вредных газов, пыли и золы из-за отсутствия ее герметизации и соответствующих средств очистки. В целом известная система не обеспечивает необходимых экологических требований, эффективности и производительности при утилизации ТБПО в условиях крупных населенных пунктов.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является система комплексной переработки ТБПО, содержащая средства доставки и подготовки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подачи отходов, вывода продуктов переработки и производства электроэнергии (см. патент РФ №47492, опубл. 27.08.2005. бюл. №24 - прототип).
Особенностью известной системы является наличие средств подачи в герметичную шахтную печь дополнительных технологических компонентов, содержащих известь, флюсы и низкосортное твердое топливо для стабилизации температурного режима сжигания ТБПО в печи, образования в ней восстановительной среды и зоны деструкции вредных компонентов, причем модуль комплексной переработки отходов содержит закрываемые бункеры для ограниченного во времени хранения поступающих на приемную эстакаду отходов, средства для их резки и/или компактирования, блок очистки уходящих из шахтной печи горючих газов, соединенный с энергоустановкой для выработки электроэнергии, линию непрерывной разливки низкосортного металла в целевой продукт и линию для изготовления изделий из шлака.
К недостаткам известной системы следует отнести сложность или невозможность ее эксплуатации непосредственно вблизи населенных пунктов или в черте города, в том числе, по причине недостаточного ресурса шахтной печи. Кроме того, известная система обладает сравнительно низкой эффективностью в части производства товарных количеств электроэнергии и дополнительной целевой продукции в виде материалов, сопутствующих процессу переработки ТБПО.
Решаемой задачей является создание высокорентабельной, экологически чистой и промышленно применимой системы для прямой комплексной переработки широкого класса ТБПО и забалансовых горючих материалов, например, сланцев. Дополнительной к поставленной является задача создания системы, которая может эксплуатироваться вблизи крупных населенных пунктов или непосредственно в городской черте мегаполисов при минимальных затратах на коммуникационные связи с поставщиками отходов. Эффективность системы комплексной переработки ТБПО должна быть связана также с максимально быстрой окупаемостью, в том числе, за счет производства максимального количества собственной электроэнергии, а также дополнительной ликвидной продукции в виде товарного цемента, чугунного литья, строительных изделий из шлака и др.
Указанная задача решается тем, что в системе комплексной переработки ТБПО, содержащей средства доставки и подготовки отходов и модуль для их переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подачи отходов, вывода продуктов переработки и производства электроэнергии, согласно полезной модели, вертикальная шахтная печь модуля состоит из накопительной и подовой частей, снабженных огнеупорной футеровкой и средней части, выполненной из жаростойкой стали с возможностью охлаждения ее стенок жидкометаллическим теплоносителем, контур циркуляции которого включает теплообменник-парогенератор, входящий в состав паротурбинной установки, причем в кольцевой зоне средней части шахтной печи установлены фурмы кислородного дутья, соединенные с
выходом кислородной станции, выход шахтной печи по продуктам газификации соединен через высокотемпературный фильтр и охлаждающий регенеративный теплообменник с топливным входом генераторной установки на базе двигателя внутреннего сгорания, линия выхлопа которого снабжена средствами для снижения токсичности и утилизации тепла уходящих газов.
Кроме того, вертикальная шахтная печь с линиями выпуска металла и шлака, теплообменник-парогенератор, высокотемпературный фильтр и охлаждающий регенеративный теплообменник могут быть размещены ниже уровня земли, причем линия выпуска металла из подовой части шахтной печи может быть соединена с устройством разливки для изготовления изделий целевого назначения, а линия выпуска шлака может быть снабжена средствами для его охлаждения и фракционирования для получения цементного клинкера.
Кроме того, указанный контур циркуляции может быть заполнен теплоносителем в виде свинцово-висмутового сплава, охлаждающий регенеративный теплообменник может быть заполнен насадкой из металлических шаров, а средства для утилизации тепла уходящих газов и снижения их токсичности могут включать аммиачную паротурбинную установку и адсорбер токсичных компонентов,
Такое выполнение системы позволяет решить, при сравнительно малых затратах, важную задачу обеспечения надежной основы экологической жизнедеятельности крупных населенных пунктов, в том числе, Московского региона за счет внедрения современной, высокорентабельной, эффективной и промышленно применимой системы комплексной переработки широкого класса ТБПО, удовлетворяющей мировым нормам по вредным выбросам для модульных мусороперерабатывающих предприятий.
Указанное выполнение системы обеспечивает повышение среднего уровня рабочих температур в рабочем объеме шахтной печи до 1700°С и выше за счет подачи кислорода в ее реакционную зону и стабилизацию теплового режима по высоте печи вне зависимости от колебаний содержания горючих компонентов в перерабатываемых ТБПО. При этом формируются оптимальные условия для создания восстановительной зоны и зоны деструкции вредных компонентов, повышения текучести шлака и выделения горючих газов, обладающих высокой теплотворной способностью. Эффективность предложенной системы комплексной переработки ТБПО связана, в том числе, с максимально быстрой окупаемостью за счет производства дополнительной электроэнергии, а также получения ценной ликвидной продукции в виде цемента, чугунного литья, строительных изделий из шлака и др.
Практически полное отсутствие собственных отходов и вредных выбросов в окружающую среду, гибкость технологических и компоновочных решений позволяют в широких пределах варьировать мощность модулей предложенной системы с производительностью по ТБПО в пределах до 50-100 тыс. тонн в год на один модуль со сроком окупаемости от 3,5 до 5 лет.
На фиг.1 представлена принципиальная схема завода-модуля системы комплексной переработки ТБПО.
Принципиальная схема завода-модуля системы комплексной переработки ТБПО производительностью от 30 до 60 тыс. тонн в год включает высокотемпературную вертикальную шахтную печь 1 с внешним устройством герметизации 2 на входе подачи сырья. Шахтная печь 1 и часть оборудования системы размещены в подземных боксах. На участке 3 для приемки ТБПО имеются передвижные контейнеры 4 и оборудование для резки крупногабаритных отходов и компактирования сыпучих отходов (не показано) перед подачей на вход шахтной печи 1.
Завод-модуль системы переработки ТБПО содержит также паротурбинный и генераторный энергоблоки на базе ДВС 5, 6 для выработки электроэнергии и тепла, а также кислородную станцию 7 для производства кислорода и его подачи через фурмы 8 в среднюю охлаждаемую часть 9 шахтной печи 1. Энергоблоки 5, 6 и станция 7 расположены на наружной площадке завода-модуля системы. Энергоблок 6 системы может быть снабжен средствами в виде абсорбера для снижения токсичности уходящих из ДВС газов, а также оборудованием для утилизации их тепла, например, в виде аммиачной паротурбинной установки (не показаны).
Вертикальная шахтная печь 1 модуля состоит из накопительной и подовой частей 10, 11, снабженных огнеупорной футеровкой. При этом расширяющийся конический элемент 12 накопительной части 10 примыкает к средней охлаждаемой части 9, которая выполнена в виде тела вращения из жаростойкой стали с возможностью охлаждения ее стенок жидким легкоплавким металлом. Контур циркуляции 13 заполнен теплоносителем в виде свинцово-висмутового сплава с температурой плавления до 300°С и включает теплообменник-парогенератор 14, входящий в состав паротурбинной установки 5. При этом фурмы 8 кислородного дутья установлены в кольцевой зоне средней охлаждаемой части 9 шахтной печи 1. Выход шахтной печи 1 по продуктам газификации соединен через высокотемпературный фильтр 15 и охлаждающий регенеративный теплообменник 16 с топливным входом генераторной установки 6 на базе ДВС. Указанный регенеративный теплообменник 16 заполнен насадкой из чугунных шаров и выполнен с возможностью их охлаждения проточной водой.
Вертикальная шахтная печь 1 с линиями выпуска металла и шлака из подовой части 11, теплообменник-парогенератор 14, высокотемпературный фильтр 15 и охлаждающий регенеративный теплообменник 16, как указывалось, размещены ниже уровня земли. При этом линия выпуска металла из подовой части 11 шахтной печи 1 на площадку 17 соединена с устройством (не показано) для разливки металла и изготовления изделий целевого назначения. Линия выпуска шлака на площадку 18 снабжена оборудованием (не показано) для его охлаждения и фракционирования с последующим получением цементного клинкера по известной технологии.
Верхняя и нижняя герметизирующие задвижки накопительной части шахтной печи 1 обозначены поз 19. Реакционная зона шахтной печи 1 включает зону газификации (поз.20) и зону образования жидкого шлака и металла (поз.21), который скапливается на дне (поз.22) подовой части 11. Поз. 23 и 24 обозначены, соответственно, водяной и жидкометаллический циркуляционные насосы. Здание заводоуправления и система круглосуточного управления технологическим циклом работы предприятия находятся на верхней площадке завода-модуля системы.
Система комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов функционирует следующим образом.
Местные сборные пункты ТБПО города или областного центра с помощью автомобильного или электромобильного транспорта направляют несортированные отходы по согласованному графику к ближайшему заводу-модулю на их комплексную переработку. Одновременно на модули доставляют дополнительные компоненты, например, флюсующие материалы, для осуществления технологического цикла переработки отходов. Поступающие на участок 3 завода-модуля ТБПО могут временно складироваться в закрытых бункерах (не показаны) или непосредственно подаваться на площадку для резки и компактирования. Затем отходы посредством передвижных контейнеров 4 или транспортера (не показан) поступают на вход шахтной печи 1 через внешнее устройство герметизации 2.
ТБПО накапливаются в емкости накопительной части 10 при закрытой нижней и открытой верхней задвижке 19. После заполнения накопительной части 10 верхняя задвижка 19 закрывается, а нижняя открывается, обеспечивая поступление отходов в герметизированную реакционную зону 20, 21 шахтной печи 1. В этой зоне под действием высоких температур и кислородного дутья из фурм 8 происходит газификация отходов, полное разложение всех известных органических продуктов, связывание соединений серы в сульфиды кальция шлаковой фазы, а также растворение металлических примесей шихты в жидком чугуне.
Подовая часть 11 шахтной печи 1 снабжена летками и специальными средствами (не показаны) для вывода жидких шлака и металла на участки 18, 17 для их переработки в указанную целевую продукцию. Уходящие из герметизированной шахтной печи 1 горючие газы поступают через высокотемпературный керамический фильтр 15 и охлаждающий регенеративный теплообменник 16, заполненный насадкой из чугунных шаров, на вход ДВС генераторной установки 6 для выработки электроэнергии. Жидкометаллический теплоноситель, подогретый до температуры около 600°С в рубашке охлаждаемой части 9 шахтной печи 1, поступает по контуру 13 в кожухотрубный теплообменник-парогенератор 14, в котором вырабатывается рабочий пар, поступающий на вход паротурбинного энергоблока 5 для получения дополнительной электроэнергии.
Данная система комплексной переработки ТБПО отличается высокой степенью надежности и, для такого густонаселенного региона как Подмосковье, позволяет кардинально решить проблему эффективной экологически чистой и промышленно применимой системы комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов с годовой производительностью до 50 тыс. тонн и более на один агрегат при одновременном получении электроэнергии и низко потенциального тепла в количестве, более чем вдвое, превышающем собственные нужды на электропотребление и теплофикацию. Эффективность и рентабельность предложенной системы возрастает за счет получения сопутствующей ликвидной продукции в виде изделий и материалов широкого назначения, в том числе, литьевых металлических изделий, шлакоблоков, цемента и многого другого. Основное оборудование, необходимое для создания заводов-модулей системы, выпускается серийно для таких отраслей промышленности, как черная металлургия, энергетика, нефтепереработка и др.
В качестве первого головного модуля системы переработки ТБПО крупных населенных пунктов предлагается подземный завод-модуль с производительностью по ТБПО до 50000 тонн в год, расположенный на глубине 10-20 м. Площадь, занимаемая таким модулем, составляет менее 0,5 га, его стоимость - порядка 20 млн. долларов США. При непрерывном круглосуточном режиме работы предприятия количество обслуживающего персонала может составить от 40 до 80 человек в зависимости от выбранной номенклатуры выпускаемой продукции.