СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
METHOD OF PRODUCING ENERGY FROM ORGANIC MATERIAL-CONTAINING WASTES

Настоящее изобретение относится способу получения энергии из органосодержащих отходов.
К уровню техники относятся следующие публикации: US 5087375, AT 389474 B, CH 688990 A5 и DE 3329771 A1. В US 5087375 описан способ обработки опасных и токсичных отходов, содержащих органические вещества и металлы, для изготовления нерастворимого промышленного сырья, причем отходы смешиваются с полимерными материалами, содержащими неорганические соединения, образующие с металлами стабильные соединения; из полученной смеси полимерных материалов формируются брикеты, которые для удаления полимерного материала подвергаются тепловой обработке, а оставшиеся неорганические вещества путем кальцинирования и спекания связываются в нерастворимые комплексные соединения.
В патенте АТ 389474 В раскрывается применение мелких минеральных силикатных/карбонатных частиц для упорядоченного отложения мельчайших и/или пастообразных отходов, причем мелкие минеральные частицы покрывают отходы или  проникают в них и образуют матрицу.
В документе CH 688990 A5 описывается переработка органических и/или неорганических остатков из восстановленных старых хранилищ отходов и/или из свежего мусора для получения повторно используемого материала с вывозом вредных веществ.
Вышеуказанный патент DE 3329771 A1 касается связывания вредных веществ при изготовлении брикетов из органических продуктов или отходов, причем неорганические соединения  добавляются для химического связывания вредных веществ в процессе прессования или  при пиролизе/сжигании.
В DE 102007006137 А1 раскрывается смесь из органических и неорганических гранулированных материалов и/или смеси веществ, которые вместе образуют, по существу, однородные матрицы. С помощью присадки (вспомогательного материала) можно заранее вычислить возможные свойства конечного продукта, или эта присадка приводит к образованию кристаллических структур с большой удельной внутренней поверхностью и выполняет различные целенаправленные функции, такие как, например, функции энергоносителей или материалов для преобразования энергии, функции порообразователей, веществ, придающих продукту характерную структуру, восстановителей и/или фильтрующего материала.
Целью изобретения является создание способа получения энергии из органосодержащих отходов, с помощью которого углеродсодержащий продукт в твердой, жидкой или газообразной форме может быть использован для хранения в резервуаре и/или для непосредственной совместной выработки тепловой и электрической энергий в приводе.
Согласно изобретению эта цель достигается за счет того, что
а) органосодержащие отходы в предварительно измельченном виде подвергаются измерению для идентификации ингредиентов, а также определениюотношения доли углеродосодержащего материала и доли силикатного материала для обеспечения путем возможного подмешивания углеродосодержащего и/или силикатного материала того, что отношение углеродосодержащего к силикатному материалу в отходах, подлежащих дальнейшей переработке, составляет примерно 90% к примерно 10%,
b) на последующем этапе проводится текущее измерение долей углеродосодержащего материала и силикатного материала,
c) продолжается измельчение органосодержащих отходов и их смешивание с дополнительными каркасными силикатными материалами при продолжении измельчения до микронного диапазона,
d) производится уплотнение измельченной смеси отходов с добавлением слоистых силикатов, нагревание смеси и ее разделение на отдельные твердые, жидкие и газообразные фазы в вакууме, после чего оставшиеся твердые вещества смешиваются и гранулируются с дополнительно добавленными слоистыми силикатами,
e) изготовленные гранулы подвергаются пиролизу, а
f) полученные при этом газообразные вещества направляются в резервуар или на совместную выработку тепловой и электрической энергии, в то время как полученные твердые вещества разделяются на углеродосодержащие и силикатные материалы, причем полученные из них углеродосодержащие материалы накапливаются в виде конечного продукта.
Преимущество настоящего изобретения по сравнению с обычными способами состоит в том, что в настоящее время не реализуемые и лишь трудно реализуемые отходы могут предварительно обрабатываться в системе производства энергии для получения высококачественных продуктов, как то: металлы, силикаты и углерод или углеродистые соединения.
Данные о долях ингредиентов или компонентов, если они не приведены иначе, ниже рассчитаны в соответствующих весовых процентах сухого вещества.
Под «органосодержащими» материалами понимаются, например, домашний, промышленный мусор, отстойный шлам, целлюлозно-бумажный скоп и тому подобное, содержащие все виды органического вещества или биологических останков, как, например, бумагу, древесину, текстиль, пластмассы и так далее. При этом доля органических веществ в отдельных используемых отходах по домашнему мусору составляет при 6000-12000 кДж/кг 70-90% сухого вещества, по промышленному мусору при 15000-36000 кДж/кг - 50-90% сухого вещества, по отстойному шламу при 1000-5000 кДж/кг - 80-95% сухого вещества и по целлюлозно-бумажному скопу при 2000-8000 кДж/кг - 75-95% сухого вещества, причем необходимо по меньшей мере 40% органических веществ.
Под «силикатосодержащими материалами», с которыми смешиваются отходы, следует понимать, например, каркасные силикаты, силикатную горную породу, как, например, самые разные гранитные камни, вулканиты, кварцевый песок, строительный мусор и подобное.
Более подробно изобретение поясняется ссылкой на фиг. 1, на которой изображена схема последовательности операций процесса получения энергии.
Органосодержащие вещества 1, служащие в качестве входной энергии, измельчаются и подвергаются измерению ингредиентов для идентификации ингредиентов, а также определениюотношения доли углеродосодержащего материала и доли силикатного материала. Отходы, используемые в качестве исходного материала, должны быть такими, чтобы в них отношение углеродосодержащего материала к силикатному материалу составляло примерно 90% к примерно 10%. При установке значений, отклоняющихся от этого отношения, необходимо добавить углеродосодержащий и/или силикатный материал, пока углеродосодержащий и силикатный материалы в отходах, подлежащих дальнейшей переработке, не установятся на соотношении 9:1. При этом следует придерживаться того, что отдельные компоненты используемых материалов подлежат измерению 5 во время всего процесса. Органосодержащие отходы 1, прошедшие предварительную обработку, еще больше разлагаются или размельчаются 2. После этого на очередном этапе измельчения достигается высокая тонкость помола, предпочтительно до микронного диапазона, с добавлением и смешением 4а каркасных силикатов и/или силикатной каменной муки в качестве присадки. Присадки, например строительный мусор, имеют большую степень твердости, чем отходы, и потому действуют как шлифовальный материал, вследствие чего при дальнейшем измельчении образуется тонкодисперсный смешанный продукт из неорганических и органических материалов, которые при этом в результате размельчения в устройстве для измельчения расщепляются на волокна. Используются присадки, которыми предпочтительным образом могут быть даже мелкие силикатные фракции из доменной печи, с размером частиц порядка 0,001-3 мм, причем доля веществ с размером частиц менее 50 мкм составляет около 40%.
В результате дальнейшего тонкого помола отдельные частицы соответствующей смеси материалов сокращаются до размера менее или равного 50 мкм. При этом доля материалов с размером мелких частиц порядка 3 мм, то есть с диаметром свыше 3 мм, составляет около 5%, а доля материалов с размером мелких частиц порядка 1 мм - около 8%, остальной материал имеет размер мелких частиц с диаметром менее 1 мм, причем основная доля имеет размер менее 100 мкм. Этот коэффициент распределения мелких частиц является релевантным для стабилизации смеси или для каркасной структуры.
В ходе постоянного контроля за ходом процесса происходит измерение 5 состава, то есть идентификация отдельных компонентов изготавливаемой, измельчаемой или  размалываемой смеси на основе порошковой диффрактограммы для обеспечения на очередном технологическом этапе намеченного уплотнения 6а, нагрева 6b и последующего разделения 6с отдельных компонентов. При этом по существу, производятся разные измерения, вследствие чего получают следующие данные:
- тонкость измельчения,
- индекс распределения,
- вес,
- влажность,
- величина рН.
Элементарный состав обогащенного сырья непрерывно определяется с помощью рентгенофлуоресцентного анализа (RFA), в частности, определяется содержание углерода.
2
2
Эти полученные данные поступают в управляющий компьютер и в нем сравниваются с величинами, зависящими от задания или от материала, благодаря чему целенаправленно обеспечиваются уплотнение 6а, нагревание 6b и последующее разделение 6с отдельных компонентов, причем, если добавляемые материалы в силикатном материале еще не содержатся, они должны добавляться из слоистых силикатов 7а, как то: глина с 50%-ным содержанием железа. При этом предпочтительно используются слоистые силикаты, содержащие катионы, обогащенные железом, или  железоподобные катионы предпочтительно из группы мафических слоистых силикатов, как то: хлориты, смектиты, иллит, биотит и подобное. При этом уплотнение 6а зависит от влажности, температуры, содержания СО и доли слоистых силикатов, причем образовавшийся СО служит средой, передающей давление.
2
3
Смесь из отходов уплотняется под давлением в предкамере 6а, причем предкамера в дальнейшем содержит (гидро)циклонную камеру, в которой в результате нагрева 6b происходит разделение 6с (тяжелых) металлов, силикатов и углеродистых веществ по удельному весу, температуре плавления и проводимости. Другими словами, разделение 6с происходит по аналогии с разделением в центрифуге, причем частицы, возникшие при нагреве 6b, при котором катионы, введенные мафическими слоистыми силикатами, как то: катионы железа, или железоподобные катионы, при восстановлении СО окисляются, а также частицы, содержащие окисленные катионы, в результате движения вращения перемещаются наружу, вследствие чего под действием центробежной силы происходит механическое разделение на отдельные твердые, жидкие и газообразные фазы. Это происходит в зависимости от веществ обычно при 40-850°С, причем вещества находятся в (гидро)циклонной камере в вакууме. Жидкая фаза преимущественно состоит из сжиженного органического (полимерного) материала. При этом следует учесть, что среди частиц вещества с удельным весом (объемным весом) ≤ 0,09 Н/м (отношение массовой силы к объему) доля остаточного силиката остается равной 1,4-1,7%, однако максимум 5%. Результирующая газообразная фаза направляется прямо в резервуар 10 и/или на совместную выработку 11 тепловой и электрической энергии.
В результате уплотнения 6а при собственной влажности смеси размер частиц смеси из отходов и добавленного силикатного материала устанавливается таким образом, чтобы промежутки между уплотненными частицами обеспечивали подачу тепла. Тем самым размер частиц или их плотность определяет процесс восстановления/окисления и время реакции. Отношение объема уплотненной массы к промежуткам в твердой каркасной/скелетообразной массе, полученной с помощью добавленных слоистых силикатов, как правило, составляет примерно 2 к 3.
2
Принцип действия (гидро)циклонной камеры для разделения отдельных компонентов уплотненной массы реализуется, по существу, аналогично центрифуге. Поскольку частицы в камере движутся наружу, сортировка частиц происходит по удельному весу. В зависимости от соответствующего удельного веса частицы, подхваченные массовым потоком, выходят в краевой области камеры в строго определенных точках выхода, благодаря чему происходит точное распределение отдельных компонентов. При этом для удержания теплопотерь во время процесса на минимально возможном уровне носителем массового потока обычно является обогащенный углекислый газ СО.
Разделение 6с всей массы полученного сырья происходит по удельному весу при отсутствии доступа воздуха путем шлюзования посредством вакуумного насоса, нагнетающего материал в закрытые силосы, причем разделение происходит на углеродосодержащий компонент и компонент из чистого силиката.
При переходе от предкамеры к основной камере в твердые вещества в качестве связующего подмешиваются или  смешиваются 8а с ними тонкодисперсные слоистые силикаты 7b, например глина (глины) или  глинистый минеральный материал, причем масса твердого вещества, в свою очередь, для изготовления гранул гранулированием 8b должна достигать содержания или содержать порядка 90% углеродистого материала и порядка 10% силикатного материала. В случае тонкодисперсных слоистых силикатов 7b речь идет, например, о глинистых минералах или материалах, обогащенных глинистым минералом, как то: каолин, монтмориллонит или бентонит. При этом слоистые силикаты 7b действуют как связующее только во влажном состоянии предпочтительно при влагосодержании порядка 15-25%. Кроме того, слоистые силикаты 7b способствуют разделению на отдельные компоненты.
Гранулирование 8b имеет целью обеспечение транспортабельности твердых веществ, для чего твердые вещества должны обладать точно определенными размером частиц, их содержимым и влажностью.
В основной камере смесь материала в виде гранул подвергается пиролизу 9, как правило, при 600-800°С, причем разделение фаз и тем самым расщепление газообразных и твердых веществ по их различным плотностям происходит при отсутствии доступа воздуха.
2
Как правило, разделение осуществляется в (гидро)циклоне, получающем производственный материал из реактора с помощью вакуумного насоса. В качестве носителей потока предпочтительно используются газы СО, обеспечивающие хороший энергетический баланс. Энергия при этом способе не отводится в дымовую трубу и не теряется, а эффективно используется в технологическом процессе. Другое преимущество состоит в том, что углеродистые соединения в газовой смеси с помощью теплообменника отдают энергию целенаправленно и тем самым используются непосредственно. В принципе имеются другие возможности разделения, как, например: вибростол или классификатор с восходящим потоком, причем, однако, все возможности разделения всегда должны реализовываться при отсутствии доступа воздуха.
После этого разделенные газообразные и твердые вещества продолжают обрабатываться отдельно. Оставшиеся газообразные вещества направляются в резервуар 10 или на совместную выработку 11 тепловой и электрической энергий, в то время как оставшиеся твердые вещества с учетом различных плотностей разделяются 12 на силикатный и углеродосодержащий материалы, причем силикатный материал может возвращаться на первый технологический этап смешивания 4а и измельчения 4b отходов 1, а углеродосодержащая доля как продукт 13 накапливается или подается на совместную выработку 11 тепловой и электрической энергий.
Остаток образует силикатное связующее средство для повторного использования, которое возвращается обратно и может использоваться в виде каркасного силиката при измельчении 4b органосодержащих отходов 1.
В других вариантах осуществления изобретения различные отдельные технологические этапы могут быть опущены и частично заменены сопоставимыми этапами. На поставленную цель получения энергии это не оказывает никакого влияния.
На основании последующих примеров объект настоящего изобретения поясняется более подробно.
Пример 1
Легкая фракция как результат измельчения старых автомобилей, включающая в себя органосодержащий материал, получающийся после удаления металлических частиц с помощью магнита, в предварительно измельченном виде в количестве 92% перемешивается и измельчается с песком, глиной и остатками извести в общем количестве порядка 8% в пересчете на вес сухой массы. При продолжении перемешивания и дальнейшего измельчения частицы переводятся в удобную для переработки форму в микронном диапазоне, причем благодаря постоянному измерению определяются доли углеродосодержащего и силикатного материалов. В зависимости от полученного отношения долей при продолжении измельчения с образованием волокон органосодержащего материала в процессе обработки в устройстве для измельчения подмешиваются каркасные силикаты, в данном случае пемза, так чтоотношение углеродосодержащего и силикатного материалов равно примерно 9:1.
Эта предварительно обработанная смесь уплотняется в предкамере с образованием осадка, сохраняющего пористость, с добавлением мафического, тонкодисперсного слоистого силиката, составляющего около 20% от общей доли силиката, в данном случае хлорита, и поступательно нагревается при отсутствии доступа воздуха примерно до 500°С. В результате осадок распадается, причем в циклонной камере происходит разделение на отдельные агрегатные состояния. Газовая фаза так же, как и жидкая фаза из сжиженного органосодержащего материала (полимерные материалы) накапливается в резервуарах для своего дальнейшего использования. Оставшееся твердое вещество, в данном случае монтмориллонит, разбавляется или перемешивается и гранулируется. Затем образованные гранулы, доля силиката в которых составляет около 2,8%, подвергаются пиролизу при анаэробных условиях при примерно 530°С. При этом гранулы, созданные из каркасного/скелетного материала, распадаются на мелкие частицы, причем, в свою очередь, происходит разделение на газовую, жидкую и твердую фазы. Выделенный силикатный материал рециклируется в систему повторного использования как сырье. Углеродосодержащие материалы накапливаются для использования в энергетике или направляются непосредственно на совместную выработку тепловой и электрической энергии.
Пример 2
Органосодержащий домашний мусор (полимеры, кожа и подобное) в предварительно измельченном виде в количестве около 85% перемешивается и измельчается со строительным мусором (гипсокартонными плитами и подобным) в количестве около 15% в пересчете на вес сухой массы и затем, по существу, подвергается технологическому процессу согласно примеру 1, за исключением нижеприведенных условий и параметров:
i) в качестве каркасного силиката, добавляемого в процессе обработки в устройстве для измельчения, в данном случае используется перлит,
ii) хлорит как мафический слоистый силикат в данном случае добавляется в количестве около 15% в пересчете на общую долю силиката,
iii) после отделения газовой и жидкой фаз оставшееся твердое вещество разбавляется каолином в качестве слоистого силиката,
iv) доля силиката в гранулах составляет около 1,9%,
iiv) пиролиз происходит при температуре около 610°С.
Пример 3
Бумажная макулатура в количестве около 78% с бумажным скопом с долей силиката порядка 40%, что составляет около 10% в пересчете на общую массу, в количестве около 22% в пересчете на вес сухой массы перемешивается и измельчается, а в дальнейшем, по существу, подвергается технологическому процессу согласно примеру 1, за исключением нижеприведенных условий и параметров:
i) в качестве каркасного силиката, добавляемого в процессе обработки в устройство для измельчения, в данном случае используется гранитная каменная мука,
ii) биотит как мафический слоистый силикат в данном случае добавляется в количестве около 17% в пересчете на общую долю силиката,
iii) после отделения газовой и жидкой фаз оставшееся твердое вещество разбавляется бентонитом в качестве слоистого силиката,
iv) доля силиката в гранулах составляет около 2,4%,
iiv) пиролиз происходит при температуре около 585°С.