Система комплексной безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов
SYSTEM OF INTEGRATED ZERO-WASTE PROCESSING OF SOLID DOMESTIC AND INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО, именно к энерготехнологической системе комплексной переработки посредством высокотемпературной конверсии ТБПО путем пиролиза и газификации в герметичных высокотемпературных реакторах шахтного типа с аллотермическим теплоснабжением и жидким шлакоудалением.
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, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки (US №3511194, F23G 5/00, 12.05.1970).
Известна система комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащая средства доставки отходов и, по крайней мере, один модуль для их комплексной переработки, включающий вертикальную шахтную печь с устройствами подготовки и подачи в нее отходов, горячего воздуха, дополнительного топлива и вывода продуктов переработки, при этом вертикальная шахтная печь модуля системы снабжена средствами для ее герметизации в процессе эксплуатации и содержит устройства подачи дополнительных технологических компонентов, содержащих известь, флюсы и низкосортное твердое топливо для стабилизации температурного режима в печи и 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 (RU 47492 U1, F23G 5/00, 27.08.2005).
Известна система комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов, 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, при этом, 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 (RU 81291 U1, F23G 5/00, 10.03.2009).
Известные системы не отвечают установленным экологическим требованиям из-за высоких значений выноса вредных газов, в том числе диоксинов, пыли и золы; не обеспечивают полноты утилизации материальных и энергетических ресурсов отходов из-за пониженного выхода топливного синтез-газа и недостаточно высокой производительности процесса.
Задачей предлагаемого изобретения является создание рентабельной, экологически чистой и промышленно применимой системы высокотемпературной конверсии ТБПО путем пиролиза и газификации для комплексной переработки твердых бытовых и промышленных отходов с аллотермическим теплоснабжением реактора и жидким шлакоудалением.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение производительности процесса переработки, коэффициента полезного действия всего цикла переработки при одновременной экологической безопасности системы за счет исключения образования токсичных газов, в том числе диоксинов.
Технический результат достигается тем, что система комплексной безотходной переработки твердых бытовых и промышленных отходов ТБПО посредством их высокотемпературной конверсии с аллотермическим теплоснабжением и жидким шлакоудалением включает: технологически связанные между собой: противоточный реактор шахтного типа 1, в который через блоки подготовки 2, загрузки 3 и загрузочные шлюзы 4 и 5 поступают ТБПО; высокотемпературный нагреватель 6, из которого через подводящую фурму с кольцевым газоходом 7 противотоком в реактор подают водяной пар, нагретый до температуры не менее 1700°C; летники 8 и 9, расположенные ниже фурмы, для выпуска расплава минералов и расплава металлов, соответственно; выпускные кольцевые газоотводы 10 и 11, расположенные выше фурмы и снабженные заслонками, для регулирования отвода из реактора продуктов конверсии: сырого синтез-газа и сырого пирогаза, соответственно; фильтр 12 для удаления твердых частиц из сырого синтез-газа; утилизатор тепла сырого синтез-газа 13 для обеспечения технологических потребностей, в том числе в производстве водяного пара, используемого для наддува шлюзов с целью выравнивания давления с давлением в реакторе; блок осушки сырого синтез-газа 14; разделитель газов 15 для отделения диоксида углерода от синтез-газа; ресивер 16 для сбора очищенного и осушенного синтез-газа; блок очистки 17 для удаления из сырого пирогаза твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей; блок осушки очищенного пирогаза 18; емкость 19 для сбора очищенного и осушенного пирогаза; смеситель газов 20 для получения нормализованной горючей смеси из очищенных и осушенных синтез-газа и пирогаза; газгольдер 21 для накопления горючей смеси, используемой в камерах сгорания высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22 для энергообеспечения заявленной системы; парогенератор 23 для запитки высокотемпературного нагревателя 6 водяным паром с температурой до 500°C; блок водоподготовки 24 для парогенератора, получающий подпитку от внешнего источника и использующий воду из блока очистки оборотной воды 25; утилизатор низкопотенциального тепла 26 для обеспечения коммунальных потребностей, использующий тепло продуктов сгорания из высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22; узел загрузки 27 для возврата в реактор жировых, смоляных загрязнений и твердых частиц с фильтров.
Для оптимизации процесса горения в камерах сгорания в качестве окислителя используют отсепарированный от азота воздух с повышенным содержанием кислорода.
Продукты сгорания из высокотемпературного нагревателя и газотурбинной электрогенерирующей установки после утилизации тепла и диоксид углерода из разделителя газов направляют в теплицу для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе с целью повышения фотосинтетической деятельности растений в промышленных теплицах; низкопотенциальное тепло из утилизатора направляют для отопления тепличного здания, обогрева грунта или гидропонных систем.
На чертеже представлена принципиальная блок-схема системы комплексной безотходной переработки ТБПО, которая включает: противоточный реактор 1; блок подготовки 2; блок загрузки 3; загрузочные шлюзы 4 и 5; высокотемпературный нагреватель 6, подводящая фурма с кольцевым газоходом 7; летники 8 и 9; два выпускных кольцевых газоотвода 10 и 11; фильтр 12; утилизатор тепла 13; блок осушки 14 синтез-газа; разделитель газов 15; ресивер 16; блок очистки 17 сырого пирогаза; блок осушки 18 пирогаза; емкость 19 для сбора очищенного и осушенного пирогаза; смеситель газов 20; газгольдер 21; газотурбинная электрогенерирующая установка 22; парогенератор 23; блок водоподготовки 24; блок очистки оборотной воды 25; утилизатор низкопотенциального тепла 26; узел загрузки 27.
Стрелками на чертеже показано направление технологических связей всех блоков, узлов и составляющих системы между собой.
Сущность изобретения заключается в построении системы согласованно взаимодействующих блоков и узлов, обеспечивающих устойчивую конверсию отходов в последовательных физико-химических превращениях по мере их продвижения по реактору навстречу потоку высоко нагретого водяного пара. После загрузки в реактор отходы проходят фазы прогрева, сушки, низкотемпературного и высокотемпературного пиролиза органической составляющей, завершающиеся образованием твердого углеродистого продукта. Ключевой фазой конверсии является безостаточная газификация твердого углерода по реакции «водяного газа» с образованием синтез-газа. Процесс конверсии в системе завершается расплавлением металлических и минеральных составляющих.
Кроме того, в реакторе обеспечивается непрерывность встречного движения высокотемпературного дутья и газообразных продуктов конверсии вверх и твердых масс вниз. Цикл работы загрузочных шлюзов синхронизирован с циклом конверсии ТБПО, синхронизированы циклы выпуска пирогаза, синтез-газа, расплавов минералов и металлов, что обеспечивает непрерывность и стабильность работы системы.
Предлагаемая система предназначена для переработки твердых бытовых отходов и углеродсодержащих промышленных отходов любого морфологического и химического состава.
Теплоснабжение реактора осуществляют дутьем водяного пара, нагретого до температуры не менее 1700°C, который из высокотемпературного нагревателя 6 поступает в реактор 1 противотоком относительно потока ТБПО через подводящую фурму с кольцевым газоходом 7, расположенным выше уровня расплава металлов и минералов.
В зоне плавления ниже фурмы выполнены два летника 8 и 9:
- летник 8 для выпуска расплава минералов в виде стеклообразной шлакомассы, свободной от углерода;
- летник 9 для выпуска расплава смеси металлов.
Летники 8 и 9 располагаются на уровне, определяемом скоростью наполнения пода реактора расплавами минералов и металлов.
Выходящая из летника 8 стеклообразная шлакомасса поступает на встроенную в систему линию по производству экологически чистых строительных материалов и изделий (на чертеже не показано).
Выходящий из летника 9 расплав смеси металлов собирается в специальные картриджи, передаваемые на последующий металлургический передел (на чертеже не показано).
В реакторе выполнен узел загрузки 27 для возврата твердых частиц с фильтров и жировых, смоляных загрязнений в реакционную зону с температурой около 1200°C.
Из реактора газы выводятся через два выпускных кольцевых газоотвода 10 и 11:
- газоотвод 10 служит для вывода сырого синтез-газа из реакционной зоны с температурой около 1000°;
- газоотвод 11 служит для вывода сырого пирогаза из реакционной зоны с температурой около 200°C.
Газоотводы снабжены задвижками для регулирования вывода продуктов высокотемпературной конверсии ТБПО из реактора.
Сырой синтез-газ из газоотвода 10 направляют на фильтр 12 для удаления твердых частиц, затем в утилизатор тепла 13 и блок осушки 14. Очищенный и осушенный синтез-газ из блока осушки 14 направляют в разделитель газов 15 для отделения диоксида углерода и далее - в ресивер 16.
Сырой пирогаз из газоотвода 11 направляют в блок очистки 17 для удаления твердых частиц, жировых и смоляных загрязнений, а также хлор-, фтор- и серусодержащих примесей, затем - в блок осушки 18. Очищенный и осушенный пирогаз собирают в емкости 19.
Для обеспечения стабильной работы высокотемпературного нагревателя 6 и газотурбинной электрогенерирующей установки 22 в камеры сгорания подается топливо в виде нормализованной горючей смеси, состоящей из продуктов конверсии ТБПО (синтез-газа и пирогаза), которая формируется в смесителе газов 20. Приведение продуктов конверсии ТБПО к нормализованному составу также необходимо и в случае отпуска товарной смеси сторонним потребителям.
В блоке подготовки ТБПО перед загрузкой в реактор выполняется операция брикетирования с установленным размером брикетов для обеспечения необходимой газопроницаемости ТБПО в реакторе и оптимальной скорости процесса конверсии.
Для выравнивания давления с давлением в реакторе проводят наддув шлюзов паром с температурой 200°C.
Воду в блок водоподготовки 24 подают от внешнего источника (водопровод, скважина) и оборотную воду из блока очистки 25. Подготовленная вода направляется в парогенератор 23, из которого пар с температурой до 500°C поступает в высокотемпературный нагреватель 6.
Тепло отработанных газов с температурой 400-500°C из газотурбинной электрогенерирующей установки 22 и из камеры сгорания высокотемпературного нагревателя 6 утилизируется в блоке 26 и используется для коммунальных потребностей, а также для отопления тепличных зданий, обогрева грунта или гидропонных систем. Затем, отработанные газы из блока 26 с температурой 30-40°C поступают в промышленные теплицы для увеличения содержания диоксида углерода в воздухе с целью повышения фотосинтетической деятельности растений.
Утилизатор тепла синтез-газа 13 производит технологический пар с температурой 200°C, который используется системой и отпускается сторонним потребителям.
Воздух перед подачей в камеры сгорания газотурбинной электрогенерирующей установки 22 и высокотемпературного нагревателя 6 проходит сепарацию для отделения азота с целью существенного увеличения содержания кислорода, что обеспечивает необходимую тепловую эффективность системы. Отсепарированный газообразный азот накапливается и используется в местной системе пожаротушения, а избыток азота закачивают в тарные баллоны для реализации различным потребителям.
2
Таким образом, преимуществом предлагаемой системы перед всеми освоенными к настоящему времени в мировой практике способами и технологическими схемами переработки отходов являются: способность перерабатывать отходы любого состава без предварительной сортировки; полная утилизация материальных и энергетических ресурсов в виде товарной продукции высокого качества; высокая удельная производительность при непрерывной работе системы - не менее 6 т/час на 1 м сечения реактора; полная экологическая безопасность, обеспечиваемая невозможностью образования вредных соединений, включая диоксины, и отсутствием вторичных отходов, требующих захоронения; энерго- и ресурсоавтономность функционирования системы; надежность, безопасность производства и комфорт для населения прилегающих территорий.
Окупаемость капитальных вложений при создании системы и рентабельность ее эксплуатации обеспечиваются, как за счет топливно-энергетических ресурсов собственного производства (газовое топливо, электроэнергия, технологический пар, отопление), так и за счет сбыта производимой товарной продукции (электроэнергия, экологичное газовое топливо, технологический пар для промышленных нужд, отопление для коммунальных объектов, экологически чистые строительные материалы, сплавы металлов).