Комплекс для переработки твердых отходов
METHOD OF PROCESSING SOLID WASTES

Изобретение относится к комплексной переработке твердых отходов и может быть использовано для утилизации органических твердых бытовых и иных твердых отходов с получением при этом газового топлива, которое в этом же комплексе генерируется в электрическую и тепловую энергию, готовую для прямого использования в электрических и тепловых сетях.
Известны способы и установки утилизации бытовых отходов путем захоронения их в землю [Размещение промышленных отходов в подземных хранилищах. Зильбельшмидт И.Г. и др., Пермь, ПГТУ, 1995].
В этом случае выводятся из полезного оборота на долгое время большие площади земли, которая экологически заражается.
Известны так же установки огневой переработки отходов [Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов., М, Химия, 1990].
При этом образуются вредные химические соединения, которые загрязняют атмосферу. Кроме того, для сжигания отходов требуется много тепловой энергии.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, выбрано изобретение по патенту США №6619214 В2, F23G 5/12, F23K 3/00 (НКИ 110/229, 110/101R).
В данном способе отходы для переработки подаются в нагреваемый муфель, в котором они перемещаются с помощью шнеков определенной конструкции и в котором осуществляется процесс пиролиза без доступа кислорода. При этом нагрев муфеля осуществляют от дополнительного термического окислителя. Конструкция пиролизного реактора определяется конструкцией системы.
Недостатками этого технического решения являются усложненная конструкция системы из-за необходимости введения в нее дополнительных системных элементов (тепловой окислитель и т.п.), а также невозможность обеспечения практически безотходного процесса переработки мусора с получением энергоемких продуктов процесса пиролиза, которые могли бы быть использованы в дальнейшем в энергетических и иных целях.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание системы, реализующей способ переработки отходов с получением синтетических газов (синтез-газов) из твердых отходов для дальнейшего их использования.
К техническим результатам, получаемым от реализации поставленной задачи, можно отнести упрощение конструкции системы, повышение ее надежности, повышение эффективности способа переработки бытовых отходов, а также обеспечение максимальной безотходности процесса пиролиза бытовых отходов с одновременным повторным использованием в операциях процесса пиролиза рабочих тел, полученных в предыдущих операциях, с получением на выходе процесса синтетического газа, который сам может быть использован в дальнейшем в энергетических целях.
Заявляемый технический результат достигается тем, что комплекс для переработки твердых отходов содержит модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов, модуль турбо-вихревого термического реактора, модуль очистки синтез-газа и модуль-преобразователь энергии. Модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов выполнен состоящим из сортировочного комплекса, сушильно-дробильной машины и бункера-накопителя высушенной до заданного уровня смеси твердых отходов, установленного с возможностью последующей подачи высушенной смеси твердых отходов в модуль турбо-вихревого термического реактора. Модуль турбо-вихревого термического реактора выполнен состоящим из турбо-вихревого термического реактора и камеры сгорания.
Модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов снабжен устройством для разрывания пакетов и магнитным сепаратором, и выполнен с возможностью отбора негорючих фракций. Наличие устройства для разрывания пакетов позволяет облегчить и ускорить процесс извлечения отходов из пакетов, в которые эти отходы были предварительно собраны. Магнитный сепаратор позволяет извлечь из отходов металлические предметы. Предварительный отбор из смеси отходов негорючих фракций позволяет в дальнейшем подвергнуть отходы высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции с минимальным количеством несгоревших остатков, а отобранные негорючие фракции, такие, как, например, отходы цемента и бетона, раздробить и использовать при подсыпке дорог и т.п.
3
3
Турбо-вихревой термический реактор содержит соосно расположенные реакционную камеру, стенки которой выполнены из жаропрочного материала, камеру внешнего теплового контура, стенки которой также выполнены из жаропрочного материала, и устройство-активатор для создания вихревого эффекта. Реакционная камера имеет в разрезе по диаметральной плоскости форму круга, а в поперечном разрезе - форму овала. Внутренний объем реакционной камеры составляет 0,3-0,5 м. Устройство-активатор соосно размещено внутри реакционной камеры. Выполнение реакционной камеры в разрезе по диаметральной плоскости в форме круга, а в поперечном разрезе в форме овала с соосно размещенным внутри реакционной камеры устройством-активатором позволяет при вращении устройства - активатора создавать сильно закрученный вихревой эффект внутри реакционной камеры, который способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья. При небольшом объеме реакционной камеры 0,3-0,5 м одномоментно в реакционной камере образуется небольшое количество газа, что исключает возможность взрыва и повышает безопасность.
Камера внешнего теплового контура выполнена в виде охватывающей реакционную камеру пустотелой рубашки, теплоизолированной от внешней среды, при этом камера внешнего теплового контура установлена таким образом, что не полностью охватывает боковые части поверхности реакционной камеры. Камера внешнего теплового контура содержит патрубки подвода тепла, связанные с камерами сгорания, и патрубок отвода дымовых газов. Реакционная камера с боковой стороны имеет патрубки для подачи подготовленного сырья и отверстие вывода продуктов переработки.
Выполнение камеры внешнего теплового контура в виде охватывающей реакционную камеру пустотелой рубашки, теплоизолированной от внешней среды, позволяет эффективно и равномерно нагревать реакционную камеру и создавать внутри нее необходимую температуру для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья.
Установка камеры внешнего теплового контура таким образом, что не полностью охватывает боковые части поверхности реакционной камеры, позволяет разместить на этих частях патрубки и осуществить подачу подготовленного для переработки сырья непосредственно в реакционную камеру, что также способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья. Размещение патрубка для подачи подготовленного сырья и патрубка вывода продуктов переработки на реакционной камере позволяет осуществить подачу подготовленного для переработки сырья непосредственно в реакционную камеру, и отвод продуктов переработки из реакционной камеры, что также способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья. Наличие на камере внешнего теплового контура патрубка подвода тепла, связанного с камерой сгорания, позволяет поддерживать температуру более 1000°C. Использование камер сжигания позволяет регулировать температуру во внешнем тепловом контуре. Необходимая температура для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья в реакционной камере поддерживается за счет регулирования температуры в камере внешнего теплового контура, окаймляющей реакционную камеру. Камера внешнего теплового контура связана с сушильно-дробильной машиной модуля предварительной подготовки и подачи твердых отходов. Это позволяет дымовым газам из внешнего теплового контура реактора поступать в сушильно-дробильную машину, в которой производят сушку и дробление сырья. При этом дымовые газы не поддерживают горние, поэтому процесс сушки и дробления сырья при высокой температуре становится безопасным. Модуль очистки синтез-газа снабжен блоком очистки дымовых газов, содержащим связанные между собой дожигатель, циклон и скруббер. Этот блок позволяет очистить газообразную среду от возможных оставшихся примесей. Таким образом, в атмосферу удаляются очищенные дымовые газы, не происходит загрязнение окружающей среды и соблюдаются экологические стандарты.
Устройство-активатор представляет собой лопастную вертушку, например, лопастной вентилятор, приводимый во вращение с помощью внешнего привода, установленного с возможностью регулирования частоты вращения. Выполнение устройства-активатора в виде лопастной вертушки, снабженной внешним приводом для регулирования частоты вращения, позволяет дополнительно раздробить вращающимися лопастями устройства-активатора сырье до пылеобразного состояния и создать интенсивный вихрь за счет вращения лопастей устройства-активатора и овальных стенок реакционной камеры для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья в реакционной камере.
Модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов содержит ангар временного хранения и крупной сортировки твердых отходов, передвижные бункеры, дробильное устройство для бетона, гравитационный сепаратор, устройство сжигания жидкостей, вихревой циклон. Такое выполнение модуля позволяет эффективно подготовить необходимое количество готового сырья к переработке для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья в реакционной камере.
Модуль-преобразователь энергии, включающий газотурбинные или газопоршневые машины, служит для получения электроэнергии.
На фиг. 1 показана принципиальная схема заявленного комплекса для переработки твердых отходов, на фиг. 2 схематично изображен реактор, вид сбоку, на фиг. 3 схематично изображен разрез по линии А-А.
Комплекс для переработки твердых отходов содержит модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов, модуль турбо-вихревого термического реактора, модуль очистки синтез газа и модуль-преобразователь энергии.
Модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов выполнен состоящим из ангара временного хранения и крупной сортировки твердых отходов 4, фронтальных погрузчиков 5, крана-балки 6, площадки 7, ленточного транспортера 8, сортировочного комплекса 9, устройства для разрывания пакетов 10, дробильного устройства 11, ленточного транспортера 12, проветриваемых кабин 13, передвижных бункеров 14, дробильного устройства для бетона 15, магнитного сепаратора 16, дробильного устройства 17, гравитационного сепаратора 18, трубопровода 19, устройства сжигания жидкостей 20, закрытого транспортера 21, бункеров - накопителей 22, шнекового транспортера 23, сушильно-дробильной машины 24, запорного устройства 25, вихревых циклонов 26, бункера - накопителя готового продукта 27, шлюзового затвора 28, шнекового транспортера 29.
Модуль турбо-вихревого термического реактора выполнен состоящим из собственно турбо - вихревого термического реактора 30, камеры сгорания 31, трубопровода 32.
Модуль очистки синтез-газа выполнен состоящим из вихревого конденсатора-сепаратора 33, шнекового транспортера 34, бункера - накопителя 35, вихревых конденсаторов - сепараторов 36, воздушного фильтра 37, газового компрессора 38, буферных емкостей 39, накопительного газового хранилища 40.
Модуль-преобразователь энергии выполнен в виде газопоршневых или газотурбинных машин 41.
Модуль предварительной подготовки и подачи твердых отходов дополнен блоком очистки дымовых газов, состоящим из камеры сгорания (дожигателя) 42, циклона 43 и скруббера 44.
3
Турбо-вихревой термический реактор 30 содержит соосно расположенные реакционную камеру 46, стенки которой выполнены из жаропрочного материала, камеру внешнего теплового контура 47, стенки которой также выполнены из жаропрочного материала, выполненной в виде пустотелой рубашки, теплоизолированной от внешней среды, и устройство-активатор 48 для создания вихревого эффекта. Реакционная камера 46 имеет в разрезе по диаметральной плоскости форму круга, а в поперечном разрезе - форму овала. Внутренний объем реакционной камеры составляет 0,3-0,5 м. Устройство-активатор 48 соосно размещено внутри реакционной камеры 46. Камера внешнего теплового контура 47 выполнена в виде охватывающей реакционную камеру 46 пустотелой рубашки, теплоизолированной от внешней среды. При этом внешний тепловой контур установлен таким образом, что не охватывает боковые части поверхности реакционной камеры. Внешний тепловой контур 47 содержит тангенциально расположенные патрубки подвода тепла 49, связанные с камерами сгорания 31, и патрубок 50 отвода дымовых газов. Реакционная камера 46 с боковой стороны имеет патрубки 51 и 52 для подачи подготовленного сырья и отверстие вывода продуктов переработки 53. Устройство-активатор 48 представляет собой лопастную вертушку, например, лопастной вентилятор, приводимый во вращение с помощью внешнего привода 54, установленного с возможностью регулирования частоты вращения. Внешний тепловой контур 47 через патрубок 50 отвода дымовых газов посредством трубопровода 45 связан с сушильно - дробильной машиной 24.
Переработка твердых отходов начинается с доставки отходов автотранспортом 1 на территорию производственного предприятия по переработке твердых отходов. Прием твердых отходов происходит на въезде на территорию предприятия способом взвешивания на автомобильных весах 2 и контроля на радиоактивность отходов при проезде автотранспорта с отходами через специальную рамку контроля радиоактивности 3.
Далее автотранспорт разгружается в ангаре временного хранения и крупной сортировки твердых отходов 4, в котором происходит отбор крупногабаритных отходов при помощи фронтальных погрузчиков 5 и кран-балки 6. Крупногабаритные отходы на площадке 7 измельчаются при помощи специальных приспособлений и инструмента до необходимых размеров и вместе с остальными отходами подаются на ленточный транспортер 8, который доставляет твердые отходы в здание сортировочного комплекса 9.
Сортировка твердых отходов начинается с разрывания пакетов в устройстве 10 и предварительного дробления до крупной фракции в дробильном устройстве 11, затем по ленточному транспортеру 12 отходы подаются на ручную сортировку. В специальных проветриваемых кабинах 13 происходит отбор отдельных негорючих фракций отходов (стекло, бетон-камень, металл, батарейки). Стекло, металл и батарейки накапливаются в передвижных бункерах 14 в отдельных складских помещениях и затем вывозятся для дальнейшей переработки. Бетон, кирпич, камень и другие негорючие строительные отходы поступают по конвейеру в дробильное устройство для бетона 15, на выходе получаем дробленую смесь для подсыпки дорог.
После сортировки оставшаяся часть отходов проходит через магнитный сепаратор 16 для отбора мелкой фракции металлических частиц и попадает в дробильное устройство 17, которое доводит отходы до мелкой фракции (10…20 мм). Далее гравитационный сепаратор 18 сортирует «легкие» горючие отходы и «тяжелые» негорючие (песок, земля, мелкое стекло и т.д.). «Тяжелые» фракции добавляются в дробленую смесь для подсыпки дорог, а оставшаяся «легкая» фракция по закрытому транспортеру 21 подается в бункеры-накопители с вибродном 22.
Для этих операций могут быть использованы известные устройства, например, выпускаемые ООО «ПТК «Мегалион», расположенного по адресу: 170040, г. Тверь, пр-т 50 лет Октября, д. 17а, доменное имя www.megalion69.ru/ мегалион69.рф.
Вся загрязненная вода и все другие жидкости, образующиеся при дроблении и сортировке твердых отходов, собираются системой специальных трубопроводов 19 и подаются на устройство сжигания жидкостей 20, выходящие газы по изолированному трубопроводу 32 поступают в горячий вихревой конденсатор-сепаратор 33.
Далее, управляя с помощью частотного преобразователя приводом шнекового транспортера 23, возможно отрегулировать скорость и объем подачи отходов на окончательную сушку и дробление.
В сушильно-дробильной машине 24 молотковыми устройствами в среде дымового газа, при температуре 150-200 град. С происходит дробление (до 0,2…1,0 мм) и досушивание отходов до влажности 15-20%. Дымовые газы поступают в сушильно-дробильную машину 24 из турбо-вихревого термического реактора 30 по трубопроводу 45.
Из сушильно-дробильной машины 24 отработанные дымовые газы поступают в блок очистки дымовых газов, состоящий из камеры сгорания (дожигателя) 42, циклона 43 и скруббера 44. В качестве камеры сгорания (дожигателя) использована известная конструкция, например, описанная в патенте России №2277204. В качестве циклона и скруббера применены известные выпускаемые промышленностью устройства. В блоке очистки дымовых газов происходит дожигание твердых частиц, которые могут быть подхвачены дымовыми газами, отделение несгоревших твердых частиц в циклоне 43 и последующая очистка газообразной среды от возможных оставшихся примесей с помощью скруббера 44. Таким образом, в атмосферу выводятся очищенные дымовые газы, не происходит загрязнение окружающей среды и соблюдаются экологические стандарты.
Получившаяся масса отходов в виде порошка через трехходовое запорное устройство 25 по пневмолиниям при помощи вихревых циклонов 26 подается в бункер - накопитель готового продукта 27 с наклонным дном и донным ворошителем.
При помощи частотного управления приводами донного ворошителя бункера - накопителя 27, шлюзового затвора 28 и шнекового транспортера 29 регулируется подача подготовленного сырья (высушенных отходов) в турбо-вихревой термический реактор 30.
При помощи камер сгорания 31 во внешнем контуре реактора поддерживается температура более 1000 град. С. Внешний тепловой контур окружает реакционную камеру и нагревает ее, создавая внутри реакционной камеры необходимую температуру. В реакционной камере происходит вращение устройства-активатора 48. Сырье попадает в реакционную камеру и дополнительно дробится вращающимися лопастями устройства-активатора 48 до пылеобразного состояния. Внутри реакционной камеры создается интенсивный вихрь за счет вращения лопастей устройства-активатора и овальных стенок реакционной камеры. В интенсивном вихре и высокой температуре происходит деструкция сырья. Сырье за 0,2…0,5 сек превращается в газ и небольшое количество несгоревшего твердого остатка. Реакция термической деструкции происходит без подачи воздуха и без непосредственного соприкосновения сырья с продуктами горения горелочных устройств. В результате на выходе реактора получается высококалорийный газ. Процессы в реакторе происходят без повышенного давления, при этом реактор имеет небольшой объем, в результате чего одномоментно в реакторе образуется небольшое количество газа, что исключает возможность взрыва и повышает безопасность.
Затем газ по трубопроводу попадает в горячий вихревой конденсатор - сепаратор 33, где происходит отделение из горячего газа несгоревшего твердого остатка, который через шлюз и шнековый транспортер 34 отводится в бункер - накопитель 35. Твердый остаток возможно использовать в виде пылеугольного топлива в котельных или наполнителя в стройматериалах. После сжигания в реакторе в зольном остатке образуются оксиды металлов, которые в дальнейшем могут быть вторично использованы.
В следующих вихревых конденсаторах - сепараторах 36 происходит интенсивное охлаждение и очистка газа с отводом конденсирующегося синтетического жидкого топлива. Проходя через финальный воздушный фильтр 37, охлажденный и очищенный газ с помощью газового компрессора 38 компримируется до 6…10 атм. и закачивается в две последовательные буферные емкости 39, из которых также происходит отбор синтетического жидкого топлива (синтез жидких фракций происходит при повышении давления).
Охлаждение газа происходит воздухом, который не смешивается с полученным газом, а только нагревается в теплообменных рубашках технологического оборудования. Соответственно, возможно использовать нагретый воздух для отопления ангара временного хранения и крупной сортировки твердых отходов 4 и здания сортировочного комплекса 9.
Получившийся газ закачивается в накопительное газовое хранилище 40 для обеспечения непрерывной работы исполнительных механизмов: горелочных устройств отопительных котлов, газотурбинных или газопоршневых машин 41 для получения электроэнергии.
Используя данную схему производства по переработке твердых отходов, предприятие получает возможность использования, а также продажи своей электрической энергии (до 1,5 МВт с одной тонны отсортированных и высушенных отходов), получить прибыль от продажи на нефтеперерабатывающие предприятия синтетического жидкого топлива (необходима дополнительная очистка и разделение по фракциям, получается до 300 кг с одной тонны отходов) и твердого высокоуглеродистого остатка (до 100 кг с одной тонны отходов), а также исключаются затраты на размещение твердых коммунальных отходов на специализированных полигонах.
Одновременно предприятие не производит никаких вредных выбросов.
Производство самодостаточно: не использует и не потребляет никаких внешних ресурсов.
Комплекс для переработки твердых отходов может быть изготовлен на имеющемся оборудовании имеющимися техническими средствами.