СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ И ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ
METHOD OF WASTE RECYCLING AND ENERGY GENERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится способу утилизации отходов, генерации энергии, фильтрации дымовых газов и конденсации двуокиси углерода из дымовых газов, а также к установке для осуществления указанного способа.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
К уровню техники относятся следующие публикации: RU 2502018 C1, US 7874140 и US 9410101 В2.
В RU 2502018 С1 описаны способ и установка для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов.
Из US 7874140 В2 известен способ и установка для производства энергии посредством сжигания углеродсодержащего топлива в кислороде, включая удаление диоксида углерода.
В US 9410101 В2 описан способ и установка для получения энергии из органических отходов для непосредственной передачи энергии на выработку тепловой и электрической энергий. Изобретения позволяет получить углеродосодержащий продукт в твердой, жидкой или газообразной форме и использовать для хранения в резервуаре и/или для непосредственной совместной выработки тепловой и электрической энергий в приводе.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание способа, который взаимовыгодно сочетает в себе процесс сжигания отходов с процессом выработки энергии и очистки дымовых газов в рамках одного производственного цикла, позволяющего в качестве исходных материалов использовать отходы и сжиженные азот и кислород, а полученные в ходе охлаждения дымовых газов ультрадисперсные сконденсированные капли воды использовать для очистки самих дымовых газов. Целью изобретения также является снижение воздействие на окружающую среду в ходе процесса одновременной утилизации отходов и генерации энергии, в частности, за счет снижения вредных выбросов в атмосферу, включая двуокись углерода
Поставленная цель достигается за счет нового способа утилизации отходов и производства электроэнергии, в котором отходы загружают в блок сгорания, воздух из атмосферы сжижают и разделяют на жидкий кислород и жидкий азот, при этом жидкий кислород подают в блок теплообмена и мокрой фильтрации, где он переходит в газообразное состояние и нагревается с последующей подачей в блок сгорания, в котором в процессе горения отходов при высокой температуре образуются дымовые газы, указанные газы поступают в блок теплообмена и мокрой фильтрации, где их охлаждают жидким азотом и/или кислородом с одновременной фильтрацией от пыли и токсичных веществ ультрадисперсными сконденсированными каплями воды, интенсивно формирующимися на этапе упомянутого этапа охлаждения, при этом азот, нагретый при охлаждении дымовых газов, используется в качестве рабочего тела для вращения газовой турбины для производства электроэнергии.
Дополнительное дымовых газов осуществляется путем впрыскивания жидкого азота в поток дымовых газов.
Оставшийся в дымовых газах после конденсации воды и фильтрации ультрадисперсными каплями воды токсичных веществ углекислый газ охлаждается жидким азотом в блоке теплообмена и мокрой фильтрации. Углекислый газ дополнительно переводят в твердое состояние (сухой лед).
Существенные отличия предлагаемого изобретения заключаются в следующем:
i) сжигании отходов в кислороде или обогащенном кислородом воздухе, что обеспечивает высокую температуру сгорания (более 1000 градусов Цельсия), полное термическое разложение высокомолекулярных соединений и их полное окисление, а также сгорание металлических изделий;
ii) предварительной фильтрации дымовых газов путем конденсации паров воды в дымовых газах вследствие их охлаждения жидким азотом и/или жидким кислородом в теплообменнике блока теплообмена и мокрой фильтрации, что обеспечивает очистку от пылевых частиц, оксидов серы, оксидов азота, оксидов фосфора, хлорсодержащих соединений;
iii) окончательной фильтрации дымовых газов, охлажденных в теплообменнике блока теплообмена и мокрой фильтрации путем впрыскивания жидкого азота в дымовые газы, охлажденные в теплообменнике блока теплообмена и мокрой фильтрации, что вызывает дополнительную конденсацию паров воды в дымовых газах;
iv) использовании нагретого в теплообменнике блока теплообмена и мокрой фильтрации азота в качестве рабочего тела для генерации энергии, например, путем приведения в действие паровой или газовой турбины с целью выработки электроэнергии.
v) преобразовании углекислого газа из дымовых газов в твердое состояние (сухой лед) посредством охлаждения жидким азотом.
Предложенный способ и установка для его реализации взаимовыгодно объединяет процессы утилизации отходов и генерацией энергии за счет того, что в качестве исходных материалов используются отходы и сжиженные азот и кислород, а полученные в ходе охлаждения дымовых газов жидким азотом и/или кислородом ультрадисперсные сконденсированные капли воды используются для очистки самих дымовых газов. Таким образом, предложенный способ не только расширяет возможности для утилизации отходов и производства энергии, но также устраняет недостатки существующих процессов производства энергии и сжигания отходов, а также уменьшает экологическую нагрузку на окружающую среду.
Более подробно изобретение поясняется ссылкой на фиг. 1, которая хотя и представляет наилучший вариант реализации, рассматриваемый авторами изобретения, но ни в коем случае не ограничивает практическое использование предлагаемого изобретения. Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что могут быть внесены разные дополнения, модификации и изменения настоящего изобретения, при этом не отклоняясь от сути и базовой идеи изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена блок-схема установки с указанием последовательностей операций одновременного процесса утилизации отходов и получения энергии. Установка содержит 1 - блок разделения воздуха на жидкий азот и жидкий кислород, 2 - блок теплообмена и мокрой фильтрации, предназначенный для охлаждения газов в теплообменнике (на чертежах не показано), поступающих из блока сгорания; в блоке теплообмена и мокрой фильтрации 2 также происходит нагрев азота и кислорода, конденсация воды и фильтрация дымовых газов каплями воды, 3 - блок сгорания отходов в кислороде при высокой температуре, 4 - блок генерации энергии.
ОСУЩЕСТВЕЛНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В рамках данного изобретения под «отходами» следует понимать следующие типы отходов.
Пищевые отходы, по химическому составу представляющие собой соединения углерода, водорода, кислорода, азота, с примесями серы, фосфора и в меньшей степени других элементов.
Упаковочные материалы, например, полиэтилен, бумага и картон, дерево, в том числе и с полимерным покрытием, пластиковые бутылки, канистры, консервные банки и т.д., по химическому составу представляющие собой в основном углеводы и углеводороды, а также сплавы железа и алюминия.
Строительные отходы, например, дерево, древесно-стружечные плиты, картон, металлические крепежные элементы, пластики, пластиковые трубы(по химическому составу представляющие собой в основном углеводы и углеводороды, высокомолекулярные соединения, сплавы железа и алюминия), а также неорганические материалы.
Медицинские отходы, например, шприцы, трубки, перевязочные материалы и биоматериалы, по химическому составу представляющие собой в основном углеводы и углеводороды.
Горючесмазочные материалы, автомобильные шины, по химическому составу представляющие собой в основном углеводороды.
Отходы бытовой химии и косметической продукции, по химическому составу представляющие собой в основном углеводороды, углеводы и высокомолекулярные соединения.
Отходы химической промышленности, по химическому составу представляющие собой в основном высокомолекулярные соединения.
Указанные выше типы отходов приведены для пояснения сущности изобретения и не ограничивают объем данного изобретения. Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении возможно применение и иных типов отходов.
Установка для утилизации отходов и генерации энергии работает следующим образом.
Воздух из атмосферы направляется в блок 1 на сжижение и разделение на жидкий кислород и жидкий азот. Отходы поступают в камеру сгорания (на чертежах не показано) блока 3. Жидкий кислород из блока 1 поступает в теплообменник (на чертежах не показано) блока 2, где переходит в газообразное состояние и нагревается. Горячий кислород или обогащенный кислородом воздух поступает из блока 2 в камеру сгорания блока 3 и тем самым инициирует процесс интенсивного сжигания отходов при температуре от 1000 градусов Цельсия до 2000 градусов Цельсия.
В процессе горения отходов в чистом кислороде или обогащенном кислородом воздухе образуются зола, которая удаляется из блока 3, и горящие дымовые газы, состоящие главным образом из паров воды, углекислого газа, а также содержащие пылевые частицы. Дымовые газы из камеры горения блока 3 поступают в теплообменник блока 2 для последующего охлаждения.
Охлаждение дымовых газов в теплообменнике блока 2 может осуществляться разными способами. В одном из вариантов осуществления изобретения дымовые газы охлаждаются жидким азотом из блока 1, идущим по трубкам теплообменника (на чертежах не показано) блока 2. В другом варианте реализации изобретения охлаждение дымовых газов осуществляется путем впрыскивания жидкого азота из блока 1 в поток дымовых газов в блоке 2 (система впрыска жидкого азота на чертежах не показана). Еще в одном варианте реализации изобретения охлаждение дымовых газов может осуществляться жидким кислородом из блока 1 в теплообменнике блока 2. Кислород или обогащенный кислородом воздух при этом дополнительно нагревается перед подачей в камеру сжигания блока 3 для более эффективного сжигания мусора. В зависимости от конкретных условий реализации установки и способа, возможны различные варианты и комбинации способов охлаждения дымовых газов в блоке 2. Например, охлаждение может осуществляться всеми способами последовательно, либо одним из способов.
В процессе охлаждения дымовых газов в теплообменнике блока 2 жидким азотом и/или кислородом в дымовых газах понижается давление насыщенного водяного пара и происходит формирование ультрадисперсных капель воды, при этом центрами конденсации служат частицы пыли в дымовых газах. В случае реализации охлаждения дымовых газов путем впрыскивания жидкого азота температура дымовых газов также падает, при этом еще больше падает давление насыщенного водяного пара и происходит более интенсивное образование ультрадисперсных капель из водяного пара, оставшегося в газообразном состоянии после теплообменника блока 2. Ультрадисперсные капли воды, образовавшиеся в дымовых газах, связывают, растворяя в себе газообразные вредные вещества (оксиды азота, оксиды серы, хлорсодержащих соединений, и др.). При этом ультрадисперсные капли воды укрупняются, и вместе со связанной пылью и растворенными вредными веществами выпадают из дымовых газов и удаляются из блока 2.
Дымовые газы, очищенные от пыли, оксидов азота и серы, и паров воды, состоящие в основном из углекислого газа, выбрасываются в атмосферу, или путем охлаждения жидким азотом из блока 1, используются для производства сухого льда.
Генерация энергии в процессе сжигания отходов осуществляется следующим образом. Жидкий азот из блока 1 поступает в теплообменник блока 2, где переходит в газообразное состояние и нагревается за счет охлаждения дымовых газов. При этом повышается его давление, далее горячий азот высокого давления поступает в блок 4 генерации энергии, содержащий, например, турбину(на чертежах не показано), которая может приводить в движение электрогенератор (на чертежах не показано) блока 4. Вырабатываемая энергия может быть использована, например, для подачи в сеть.
Для осуществления предлагаемого изобретения, как в общем случае, так и в частных случаях выполнения, в основном, могут быть использованы известные и применяемые в области утилизации отходов и генерации энергии материалы, элементы и блоки.
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящем изобретении возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.