СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КЕКА ИЛОВЫХ ОСАДКОВ В ШЛАКОВОМ РАСПЛАВЕ
METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF CAKE OF SLUDGE SEDIMENTS IN SLAG MELT

Изобретение относится к области утилизации органических отходов, в частности, осадков городских сточных вод, с получением продуктового газа и дальнейшим его сжиганием для получения тепла, а также с получением гранулированного шлака и его использования в качестве строительного материала.
Из уровня техники известны следующие решения, используемые для термической переработки кека илового осадка.
Известны способы сжигания кека с получением зольного остатка, например способ, раскрытый в авторском свидетельстве №545827 (опубликовано 05.02.1977), в котором подачу отходов осуществляют двумя прямолинейными потоками навстречу друг другу, топливо и воздух подают в зону столкновения потоков отходов, а продукты горения отводят двумя потоками в зонах подачи отходов. Схема включает циклонную печь, куда подают прямолинейные потоки диспергированных отходов и которая имеет зону столкновения диспергированных потоков, куда осуществляют подачу потока топлива и воздуха, которые, сгорая, образуют вихревой поток, движущийся в зону подачи отходов, и каналы выхода продуктов сгорания.
Также для сжигания илового кека применяются установки с котлами кипящего слоя, колосниковые котлы и установки для каталитического сжигания.
Недостатки чисто термической утилизации иловых осадков заключаются в необходимости использования сложных систем газоочистки из-за летучей золы, а также в необходимости захоронения зольного остатка.
Кроме того, для сжигания иловых осадков, применяют пиролиз, например способ газификации твердых видов углеродного топлива, включающий нагрев, пиролиз подаваемого в ванну с расплавленным шлаком герметичной электродной электропечи углеродного топлива при пропускании через шлаковый расплав газифицирующих агентов, а также пропускании электрического тока, удаление из рабочего пространства печи синтез-газа, шлака и металлического сплава, при этом через шлаковый расплав пропускают трехфазный электрический ток (патент РФ №2521638, опубликован 10.07.2014).
Получаемые продукты при пиролизном сжигании кека: углеродный и зольный остатки, а также тепло/электроэнергия.
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является способ переработки кека илистых осадков, в котором отходы обрабатывают электрическим разрядом высокой энергии в плазменной печи. Аппарат для плазменной обработки для использования в настоящем изобретении содержит печь и систему графитовых электродов для образования плазменной дуги внутри печи. Во время работы отходы подают в печь через впускное отверстие. Плазменная дуга перемещается от конца графитового электрода к отходам. Стадия плазменной обработки дает расплавленный шлак. Нелетучие опасные неорганические материалы, такие как тяжелые металлы или их соединения, включаются в расплавленный шлак, давая инертный стекловидный или полукристаллический продукт, в зависимости от скорости охлаждения и состава. Способ предусматривает восстановление твердого остеклованного шлака и/или отходящего газа. Отходящий газ содержит теплотворные компоненты и может быть использован для выработки энергии в газовой турбине или при помощи сжигания (патент РФ №2592891, опубликован 27.07.2016).
Недостаток известных пиролизных технологий утилизации иловых осадков заключается в сложности схемы газоочистки из-за жидких продуктов и недостаточности степени очистки целевых продуктов от загрязнителей.
Техническая задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке термической технологии переработки кека илового осадка с использованием энергетического потенциала кека максимальным полезным использованием получаемых отходов в промышленности.
Технический результат заявленной системы заключается в использовании энергетического потенциала отходов, в увеличении выхода целевых продуктов с низкой эмиссией загрязнителей в окружающую среду, а также исключении необходимости захоронений отходов и обеспечении максимального использования их потенциала в промышленности.
Указанный технический результат достигается за счет осуществления способа термической переработки кека иловых осадков в шлаковом расплаве, в котором кек, после предварительного механического обезвоживания, подают на систему роторных сушильных установок с косвенным нагревом кека перегретым паром, испаренную влагу из сушильных установок подают на теплообменник охлаждения и конденсации воды, далее на циклон очистки выпара и систему биологической очистки воздуха перед подачей в дымовую трубу, осушенный кек из сушильных установок подают в бункер-накопитель, из которого кек посредством шнекового питателя подают в печь, оснащенную горелкой и блоком молибденовых электродов с системой электропитания, а также блоком слива жидкого шлака, через который жидкий шлак подают в гранулятор, в печи-газификаторе органическую составляющую кека преобразуют в продуктовый газ, который для закалки и понижения температуры до 1200°C проводят через контактный теплообменник и подают в водяной теплообменник, где продуктовый газ охлаждают до 200°C и подают в камеру полного сжигания продуктового газа с тангенциальным входом, где летучие органические соединения газа полностью сжигают в избытке кислорода при температуре около 1300°C, при этом камера полного сжигания включает горелку, факел которой ориентирован по оси камеры от входа к выходу, и сужение в средней части, продукты сгорания после камеры полного сжигания через газоход подают в паровой котел-утилизатор тепла, выполненный с возможностью выработки пара для аппаратов сушки исходного кека иловых осадков и оснащенный дополнительной горелкой для сжигания топлива, из которого отходящий газ подается в систему газоочистки и через дымосос - в дымовую трубу.
Продуктовый газ, полученный из органической составляющей кека, представляет собой синтез-газ в результате газификации высушенного кека при ограниченной подачи кислорода.
Продуктовый газ, полученный из органической составляющей кека, представляет собой пирогаз при пиролизе высушенного кека в отсутствие кислорода.
Система очистки отходящего газа после котла утилизатора обеспечивает его очистку от золы и кислых газов известными методами.
Подача отходящего газа в дымовую трубу и разрежение в технологической линии от печи-газификатора до котла утилизатора обеспечивается дымососом.
Максимальное использование целевых продуктов переработки кека иловых осадков с пониженным содержанием загрязнителей и их выбросов в атмосферу достигается за счет конструктивных особенностей печи-газификатора и камеры полного сжигания, а именно за счет применения комбинированной системы нагрева высушенного кека в печи-газификаторе, образованной горелками и дополнительным омическим подогревом шлакового расплава с помощью молибденовых электродов, на которые подается напряжение источника питания, а также за счет тангенциальной подачи продуктового газа в камеру полного сжигания, имеющей специальное сужение в средней области камеры для более эффективного перемешивания потока. Указанные особенности обеспечивают более эффективное очищение продуктового газа от загрязнителей, а также позволяют получить максимальный полезный эффект от продуктов переработки для потребления внутри системы (например, подогрев сетевой воды паром из парового котла-утилизатора), а также позволяют получить инертный и химически стойкий продукт - остеклованный гранулированный шлак, который может быть использован как строительный материал.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - общая схема процесса термической переработки кека илового осадка в шлаковом расплаве.
Фиг. 2 - общая схема печи-газификатора.
Фиг. 3 - общая схема камеры полного сжигания.
На фиг. 1 приведена схема, описывающая процесс переработки кека и дальнейшего использования продуктов переработки.
Кек, после предварительного механического обезвоживания, подается на систему роторных сушильных установок 1 с косвенным нагревом кека перегретым паром и получением испаренной влаги и осушенного кека. Система очистки нагретого воздуха после сушильных установок и перед дымовой трубой включает теплообменник 2 охлаждения и конденсации воды, циклон 3 очистки выпара и систему биологической очистки воздуха 4. Влага выдувается воздухом (подается вентилятором), насыщенный парами воды нагретый воздух подается на теплообменник 2 охлаждения и конденсации воды, далее на циклон 3 очистки выпара и систему биологической очистки воздуха 4 от летучих органических соединений и запахов перед подачей в дымовую трубу 5. Осушенный кек подается в бункер-накопитель 6.
Из бункера-накопителя иловый кек подается шнековым питателем в футерованную печь-газификатор 7 (ПГ, фиг. 2), где происходит процесс пиролиза/газификации органической составляющей и плавление минеральной составляющей. Органическая составляющая кека преобразуется в синтез-газ в присутствии необходимого количества кислорода и паров воды или в пирогаз процесса пиролиза высушенного кека при отсутствии кислорода. Нагрев печи 7 осуществляется сжиганием газового (или жидкого) топлива в горелке 8, куда подается воздух или обогащенный кислородом воздух, и системой дополнительного подогрева шлакового расплава омическим нагревом с помощью молибденовых электродов 9, на которые подается напряжение источника электропитания 10. Печь-газификатор 7 имеет вход для подачи сырья, выход синтез-газа (пирогаза), а также оснащена системой слива жидкого шлака 11, которая подает жидкий шлак в гранулятор 12, обеспечивающий получение гранулированного остеклованного шлака. Рабочая температура печи-газификатора составляет порядка 1600°С.
Продуктовый газ из печи-газификатора 7 подается через контактный теплообменник 13 (для закалки и понижения температуры до 1200°С) в водяной теплообменник 14, где охлаждается до 200°С, полученное тепло используется для собственных нужд.
Охлажденный продуктовый газ подается в футерованную камеру полного сжигания 15 (фиг. 3), где происходит полное сгорание синтез-газа, летучих органических соединений и аэрозолей в избытке кислорода. Температурный режим и стабилизация горения обеспечиваются горелкой 16, куда подается газовое/жидкое топливо и воздух, обогащенный кислородом. Подача продуктового газа в камеру осуществляется тангенциально, факел горелки ориентирован вертикально вниз по оси камеры от входа 24 к выходу 25, камера имеет сужение 22 в средней области между входом и выходом для газа для более эффективного перемешивания потока. Камера также включает узел вывода накопившейся золы 23 и узел вывода отходящего газа. Рабочая температура камеры при сжигании составляет порядка 1300°С.
Продукты сгорания подаются через футерованный газоход в паровой котел-утилизатор тепла 17, который вырабатывает пар, необходимый для аппаратов сушки исходного кека иловых осадков, деаэратора 18, избыток тепла подается на пароводяной подогреватель сетевой воды. Котел-утилизатор оснащается дополнительной горелкой для сжигания жидкого/газового топлива при нехватке тепла от сжигания продуктового газа и в момент старта системы.
Система очистки отходящего газа 19 после котла-утилизатора 17 обеспечивает его очистку от золы и кислых газов известными методами.
Подача отходящего газа в дымовую трубу 20 и разрежение в технологической линии от печи-газификатора 7 до котла-утилизатора 17 обеспечивается дымососом 21.
Таким образом, получаемые в результате переработки кека продукты:
- тепло/электроэнергия;
- гранулированный остеклованный шлак (строительный материал).
Преимущества перед известными способами переработки:
- нулевое захоронение;
- максимальное использование энергетического потенциала отходов;
- низкая эмиссия загрязнений в отходящем газе;
- сравнительно простая система газоочистки.