СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ГОРОДСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТДОХОВ
METHOD AND DEVICE TO RECYCLE ORGANIC COMPONENTS OF URBAN AND INDUSTRIAL WASTES

Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для переработки и утилизации городских и промышленных отходов органического происхождения.
4
Известен способ обезвреживания отходов путем сжигания и устройство для его осуществления, представляющее собой реактор с горелкой, выполненный в виде барабана с размещенными внутри вращающимися шнеками [Патент РФ №2292515, МКл. F23G 5/00, МКл. F23G 5/20, 2006].
Основными недостатками известного способа и устройства являются невозможность утилизации в нем отходов, необходимость снабжения топливом и загрязнение окружающей атмосферы газообразными продуктами сгорания (дымовыми газами), что снижает экономическую и экологическую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является способ утилизации твердых отходов, включающий измельчение твердых отходов (древесные отходы, использованные автопокрышки и пр.), периодическую подачу твердых отходов в полость вращающейся пиролизной камеры (реактора), проведение процесса пиролиза (швелевания) в ней, вывод пиролизного газа и периодическое удаление твердых остатков пиролиза (полукокса) из зоны реакции с одновременным их охлаждением в устройстве, состоящем из дробилки (измельчителя), днище которой соединено шнековым питателем с загрузочным отверстием вращающегося цилиндрического барабана (поворотной камеры), внутри которого устроены нагревательные трубы, соединенные с впускными и выпускными камерами топочных газов, снабженных соответствующими патрубками, и охладительной камеры с рубашкой (сборник продуктов пиролиза), снабженной шлюзовым узлом выгрузки твердых продуктов (полукокса) и патрубком удаления пиролизного газа [Патент РФ №2367848, МКл. F23G 5/027, МКл. С10В 53/02, 2009].
Основными недостатками известного способа являются периодичность загрузки и выгрузки отходов, невозможность очистки пиролизного газа, утилизации его тепла и его составляющих компонентов, что снижает надежность, экономическую и экологическую эффективность известного способа.
Основными недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная необходимостью вращения топочной камеры, отсутствие оборудования для очистки пиролизного газа и утилизации его тепла и составляющих компонентов, что снижает надежность, экономическую и экологическую эффективность известного устройства.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности, экономической и экологической эффективности утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов.
Технический результат достигается тем, что способ утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов включает:
измельчение и смешивание органических компонентов городских и промышленных отходов с добавкой торфа или древесных отходов для стабилизации состава шихты;
нагревание полученной шихты при ее медленном перемещении сверху-вниз по шнековому подогревателю через стенку горячей водой, поступающей из первой ступени холодильника пиролизного газа, в результате в шихте происходят испарение воды, деаэрация и выделение легкокипящих углеводородов, значительная часть твердых органических компонентов становится пластичной, а сама шихта приобретает вид пасты, в которой распределены нерасплавленные твердые частицы и газовые пузырьки;
дегазацию шихты в дегазаторе с выделением первичного газа, представляющего собой смесь паров воды, азота, двуокиси углерода, легкокипящих углеводородов и незначительного количества кислорода, который отводится в горелку камеры сгорания кожухотрубчатого реактора, диспергацию дегазированной шихты в экструдере с образованием гранул и их охлаждение в охладителе-грануляторе наружным воздухом, в результате контакта с которым происходят охлаждение и затвердевание гранул шихты, нагрев воздуха и обогащение его парами воды и горючими компонентами, выделившимися из шихты;
непрерывную подачу шнековым питателем гранулированной шихты в кожухотрубчатый реактор для проведения непрерывного процесса пиролиза, с одновременной подачей на горение в горелку камеры сгорания реактора очищенного пиролизного газа из абсорбера, первичного газа из дегазатора и горячего воздуха из охладителя-гранулятора, в результате горения которых получают горячие дымовые газы, которые тангенциально поступают в тепловую рубашку реактора, омывают ее, двигаясь винтообразно, после чего подаются в котел-утилизатор, а столб гранулированной шихты в пиролизной трубе реактора медленно перемещается сверху вниз за счет своего веса и давления, создаваемого вращающимся потоком шихты в шнековом питателе, подвергаясь деструкции при нагреве за счет теплопередачи через стенку с горячими дымовыми газами, в результате происходит интенсивное образование пиролизного газа и полукокса, которые удаляются из пиролизной трубы через живое сечение створчатого отсекателя в сборник продуктов пиролиза;
сбор полученного пиролизного газа, в составе которого имеется значительное количество различных углеводородов (парафиновых, ароматических, предельных, непредельных и пр.) в газовой полости сборника продуктов пиролиза, откуда он выводится в систему газоочистки, а полукокса в коническом бункере сборника продуктов пиролиза, откуда он удаляется разгрузочно-охладительным шнеком, одновременно охлаждаясь питательной водой, проходящей через его тепловую рубашку, которая нагревается при этом и подается в котел-утилизатор;
охлаждение и очистку горячего пиролизного газа, поступающего из газовой полости сборника продуктов пиролиза, в вертикальном трехступенчатом холодильнике, в котором он последовательно проходит три ступени охлаждения, где охлаждается до конечной температуры 50-60°С, в результате в нем происходит конденсация значительной части тяжелокипящих углеводородов, паров воды и других компонентов, образующих газовый конденсат, стекающий вниз, после чего охлажденный пиролизный газ подается в абсорбер, причем каждая ступень охлаждения трехступенчатого холодильника имеет свои циклы воды, соединенные по охлаждающей воде с тепловой рубашкой шнекового подогревателя, тепловой сетью и оборотной водой, соответственно;
абсорбцию охлажденного пиролизного газа в полом абсорбере водой, которая поглощает водорастворимые компоненты (кислоты, соли, аммиак и пр.), присутствующие в нем, с охлаждением газа при этом до температуры 25-30°С, после чего дополнительно очищенный и охлажденный пиролизный (топливный) газ подается на сжигание в камеру сгорания, его избыток направляют к потребителю или в газгольдер, а из конического поддона абсорбера воду, содержащую водорастворимые примеси (кислоты, соли, аммиак и пр.), подают на дальнейшую переработку;
отстаивание газового конденсата в отстойнике, в котором происходит его деление на две фракции: смолу, состоящую из тяжелокипящих углеводородов и твердых примесей, опускающуюся вниз, и воду (надсмольную воду), содержащую водорастворимые примеси, находящуюся в верхней зоне отстойника, которые выводятся из отстойника на дальнейшую переработку;
подачу дымовых газов из кожухотрубчатого реактора с температурой 400-500°С в котел-утилизатор для получения пара или горячей воды, где они охлаждаются до температуры 140-150°С, после чего направляются на газоочистку и очищенные от вредных примесей выбрасываются в атмосферу.
Устройство для реализации предлагаемого способа утилизации органических компонентов городского и промышленного мусора включает в себя соединенные между собой по выходу и входу перерабатываемых отходов (исходной шихты) измельчитель, усреднитель, представляющий собой аппарат с мешалкой, установленные друг над другом по вертикали, шнековый подогреватель, представляющий собой шнековый питатель, помещенный в тепловую рубашку, дегазатор, представляющий собой цилиндрическую обечайку, экструдер, охладитель-гранулятор, представляющий собой полый цилиндрический аппарат с коническим поддоном, шнековый питатель, кожухотрубчатый реактор, состоящий из пиролизной трубы, снабженной в своей нижней кромке створчатым отсекателем, покрытой тепловой рубашкой, снабженной сверху патрубком выхода дымовых газов и соединенной снизу тангенциально с выхлопным окном камеры сгорания, сборник продуктов пиролиза, состоящий из газовой полости и конического бункера для полукокса, снабженный выходным газовым патрубком с сепарационной решеткой, соединенный с разгрузочно-охладительным шнеком, представляющим собой шнековый питатель, помещенный в тепловую рубашку, при этом сборник продуктов пиролиза через выходной газовый патрубок соединен последовательно по газу с вертикальным трехступенчатым холодильником с коническим поддоном, абсорбером, представляющим собой цилиндрическую полую колонну с коническим поддоном, в верхней части которого помещен ороситель, и горелкой камеры сгорания кожухотрубчатого реактора, соединенной также по первичному газу с дегазатором, по горячему воздуху с охладителем-гранулятором, причем патрубок выхода дымовых газов кожухотрубчатого реактора соединен с котлом-утилизатором, соединенным по питательной воде с тепловой рубашкой разгрузочно-охладительного шнека, конический поддон трехступенчатого холодильника соединен по газовому конденсату с отстойником, его I-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой рубашкой шнекового подогревателя, II-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой сетью, III-я ступень охлаждения по охлаждающей воде соединена с оборотной водой.
Устройство для реализации предлагаемого способа утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов приведено на фиг.1.
Устройство для реализации предлагаемого способа утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов включает в себя соединенные между собой по выходу и входу перерабатываемых отходов (исходной шихты), соответственно, измельчитель 1, усреднитель 2, представляющий собой аппарат с мешалкой, установленные друг над другом по вертикали, шнековый подогреватель 3, представляющий собой шнековый питатель 3а, помещенный в тепловую рубашку 3б, дегазатор 4, представляющий собой цилиндрическую обечайку, экструдер 5, охладитель-гранулятор 6, представляющий собой полый цилиндрический аппарат с коническим поддоном, шнековый питатель 7, кожухотрубчатый реактор 8, состоящий из пиролизной трубы 8а, снабженной в своей нижней кромке створчатым отсекателем 8б, покрытой тепловой рубашкой 8в, снабженной сверху патрубком выхода дымовых газов 8г и соединенной снизу тангенциально с камерой сгорания 8д, сборник продуктов пиролиза 9, состоящий из газосборника 9а и конического бункера для полукокса 9б, снабженный выходным газовым патрубком 9в с сепарационной решеткой 9г, соединенный с разгрузочно-охладительным шнеком 10, представляющим собой шнековый питатель 10а, помещенный в тепловую рубашку 10б, при этом сборник продуктов пиролиза 9 через выходной газовый патрубок 9в соединен последовательно по газу с вертикальным трехступенчатым холодильником 11 с коническим поддоном, абсорбером 12, представляющим собой цилиндрическую полую колонну с коническим поддоном, в верхней части которого помещен ороситель 12а, и горелкой камеры сгорания 8д кожухотрубчатого реактора 8, соединенной также по первичному газу с дегазатором 4, по горячему воздуху с охладителем-гранулятором 6, причем патрубок выхода дымовых газов 8г кожухотрубчатого реактора 8 соединен с котлом-утилизатором 13, соединенным по питательной воде с тепловой рубашкой 10б разгрузочно-охладительного шнека 10, конический поддон трехступенчатого холодильника 11 соединен по газовому конденсату с отстойником 14, его I-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой рубашкой 3б шнекового подогревателя 3, II-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой сетью, III-я ступень охлаждения по охлаждающей воде соединена с оборотной водой.
Предлагаемый способ утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Предварительно отсортированные органические компоненты городских и промышленных отходов (остатки пластмассовых изделий, полиэтиленовая пленка, резина, древесные стружки, опилки и т.п.) загружаются в измельчитель 1, куда может также добавляться торф или древесные отходы для поддерживания постоянного (стабильного) состава шихты, в котором происходит измельчение не только древесных, резиновых и пластмассовых отходов, но и полиэтиленовой пленки, после чего полученная неоднородная шихта подается в усреднитель 2, где в результате перемешивания образуется однородная шихта, которая поступает в приемный патрубок (на фиг.1 не показан) шнекового подогревателя 3. В шнековом подогревателе 3, при медленном перемещении шихты сверху вниз по шнековому питателю 3а, происходит ее нагревание через стенку питателя 3а до температуры 100-120°С горячей водой с температурой 140-150°С, поступающей из первой ступени холодильника пиролизного газа 11 в тепловую рубашку 3б и охлаждающейся в ней до температуры 50-60°С, в результате в шихте происходят испарение воды, деаэрация и выделение легкокипящих углеводородов, значительная часть твердых органических компонентов (пластмасс и полиэтиленовой пленки) становится пластичной, а сама шихта приобретает вид пасты, в которой распределены нерасплавленные твердые частицы и газовые пузырьки, и в таком состоянии поступает в дегазатор 4. В дегазаторе 4, в результате увеличения объема, из шихты выделяется первичный газ с температурой 100-120°С, представляющий собой смесь паров воды, азота, двуокиси углерода, легкокипящих углеводородов и незначительного количества кислорода (точный состав первичного газа определяется количеством подаваемого воздуха в охладитель-гранулятор 6, составом шихты и температурой ее нагрева в шнековом подогревателе 3), который отводится в горелку камеры сгорания 8д кожухотрубчатого реактора 8, а дегазированная шихта под действием силы тяжести поступает в экструдер 5, непосредственно соединенный с поддоном дегазатора 4. В экструдере 5 происходит диспергирование пастообразной шихты на цилиндрические отрезки (гранулы), которые под действием силы тяжести поступают в охладитель-гранулятор 6, непосредственно соединенный верхней кромкой своего корпуса с диспергатором экструдера 5. В охладитель-гранулятор 6 снизу подают наружный воздух, в результате контакта с которым в нем происходят охлаждение и затвердевание гранул шихты, обогащение горючими компонентами, выделяющимися из шихты, и нагрев воздуха до температуры 80-90°С, который затем удаляется из верхней части охладителя-гранулятора 6. Гранулированная шихта под действием силы тяжести ссыпается в конический поддон охладителя-гранулятора 6, откуда шнековым питателем 7 непрерывно подается в верхнее отверстие пиролизной трубы 8а реактора 8, непосредственно соединенной с ним. Одновременно в горелку камеры сгорания 8д подается очищенный и охлажденный пиролизный газ из абсорбера 12, первичный газ из дегазатора 4 и горячий воздух из верхней части охладителя-гранулятора 6, полученная газовоздушная смесь сгорает, и горячие дымовые газы тангенциально поступают в тепловую рубашку 8в, омывают ее, двигаясь винтообразно, и удаляются через патрубок выхода дымовых газов 8г с температурой 300-400°С. Столб гранулированной шихты в пиролизной трубе 8а медленно перемещается сверху вниз за счет своего веса и давления, создаваемого вращающимся потоком шихты в шнековом питателе 6, который выполняет функцию коксовыталкивателя, нагревается при этом за счет теплопередачи через стенку горячими дымовыми газами, движущимися в тепловой рубашке 8в, до температуры 500-600°С, при которой происходит интенсивное образование пиролизного газа и полукокса из гранулированной шихты, которые удаляются из пиролизной трубы 8а через живое сечение створчатого отсекателя 8б в сборник продуктов пиролиза 9. Полученный пиролизный газ (состав полученного газа определяется составом шихты, температурным режимом и скоростью ее перемещения в кожухотрубчатом реакторе 8) собирается в газовой полости 9а, откуда выводится через выходной газовый патрубок 9в и сепарационную решетку 9г, предотвращающую унос твердых частиц, в холодильник 11, а полукокс ссыпается в конический бункер 9б, откуда удаляется разгрузочно-охладительным шнеком 10. В разгрузочно-охладительном шнеке 10 при перемещении полукокса по шнеку 10а кокс охлаждается от температуры 400-500°С до 100-120°С питательной водой, проходящей через тепловую рубашку 10б, которая нагревается при этом от температуры 50-70°С до температуры кипения при давлении пара в котле-утилизаторе 13, куда после этого и поступает. Горячий пиролизный газ из газосборника 9а поступает в вертикальный трехступенчатый холодильник 11, последовательно проходит все три ступени охлаждения, в которых охлаждается до конечной температуры 50-60°С, в результате в нем происходит конденсация значительной части тяжелокипящих углеводородов, паров воды и других компонентов, которые образуют газовый конденсат, стекающий вниз, после чего охлажденный пиролизный газ подается в абсорбер 12. При этом каждая ступень охлаждения имеет свой цикл воды, а именно: I-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой рубашкой 3б шнекового подогревателя 3, образуя I-й замкнутый цикл (начальная и конечная температуры воды I-го цикла 50-60°С и 140-150°С, соответственно), II-я ступень охлаждения соединена по охлаждающей воде с тепловой сетью, образуя II-й замкнутый цикл (начальная и конечная температуры сетевой воды II-го цикла 50-60°С и 100-110°С, соответственно), III-я ступень охлаждения по охлаждающей воде соединена с оборотной водой, образуя III-й замкнутый цикл (начальная и конечная температуры оборотной воды III-го цикла 25-30°С и 50-60°С, соответственно). В абсорбере 12 охлажденный пиролизный газ орошается водой из оросителя 12а, которая поглощает водорастворимые компоненты (кислоты, соли, аммиак и пр.), присутствующие в нем, охлаждается при этом до температуры 25-30°С, после чего дополнительно очищенный и охлажденный (топливный) пиролизный газ подается на сжигание в камеру сгорания 8д, а его избыток направляют к потребителю или в газгольдер (на фиг.1 не показан). Одновременно из конического поддона трехступенчатого холодильника 11 газовый конденсат стекает в отстойник 14, в котором происходит его отстаивание и деление на две фракции: смолу, состоящую из тяжелокипящих углеводородов и твердых примесей, опускающуюся вниз, и воду (надсмольную воду), содержащую некоторое количество водорастворимых примесей, находящуюся в верхней зоне отстойника 14, которые удаляются из него на дальнейшую переработку. Аналогично из конического поддона абсорбера 12 удаляют раствор воды, содержащей водорастворимые примеси (кислоты, соли, аммиак и пр.), уловленные из очищенного пиролизного газа после холодильника 11, который отправляют на дальнейшую переработку. В то же время дымовые газы удаляются из кожухотрубчатого реактора 8 через выходной патрубок 8г и поступают в котел-утилизатор 13, вырабатывающий пар или горячую воду, охлаждаются там до температуры 150-200°С, после чего направляются на газоочистку и очищенные от вредных примесей (оксидов серы, оксидов азота и пр.), выбрасываются в атмосферу.
Смешение топливного пиролизного газа с первичным газом, имеющим в своем составе значительное количество водяных паров, смягчает режим горения, уменьшая температуру факела [Кормилицын В.И. и др. Факельное сжигание природного газа с подачей воды в зону горения // Физика горения и взрыва, 1990, №4,  с.50-58] увеличивает расход дымовых газов и уменьшает их начальную температуру на выходе из камеры сгорания 8д, что позволяет уменьшить температуру стенки пиролизной трубы 8а и местный перегрев шихты внутри ее, а тангенциальный ввод дымовых газов в тепловую рубашку 8в создает их винтообразное движение, что увеличивает время контакта и интенсивность теплопередачи. Кроме того, непрерывное перемещение шихты сверху вниз в пиролизной трубе 8а исключает образование застойных зон в слое шихты, что также обеспечивает равномерность ее прогрева.
Технологический режим непрерывного процесса пиролиза (швелевания) и его скорость в пиролизной трубе 8а кожухотрубчатого реактора 8 определяются и регулируются составом шихты, расходом топливного пиролизного и первичного газов, горячего воздуха в горелке камеры сгорания 8д, скоростью вращения ротора питательного шнека 7 и площадью живого сечения створчатого отсекателя 8б.
Аппаратом, лимитирующим производительность предлагаемой установки, является кожухотрубчатый реактор 8, значение диаметра пиролизной трубы 8а которого ограничено условиями деструкции шихты и теплообменом между слоем шихты и топочными газами, движущимися в тепловой рубашке 8в. Поэтому производительность предлагаемой установки зависит от количества реакторов 8, которые группируют в батарею, причем каждый реактор 8 имеет свой шнековый подогреватель 3, дегазатор 4, экструдер 5, охладитель-гранулятор 6 и шнековый питатель 7.
При этом в составе полученного пиролизного газа, в связи с присутствием в шихте значительного количества пластмасс, полиэтиленовой пленки, резины, содержится повышенное количество различных углеводородов (парафиновых, ароматических, предельных, непредельных и пр.), поэтому он представляет собой ценный полупродукт не только для получения топлива, но и для других востребованных химических продуктов (бензол, уксусная кислота, аммиак и др.).
Таким образом, предлагаемые способ и устройство для утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов, наряду с улучшением экологической ситуации в местах обезвреживания отходов, обеспечивают полную утилизацию их наиболее опасной (органической) части с одновременным получением топливного газа, обеспечивающего собственные нужды утилизации и посторонних потребителей, полукокса, водяного пара (для генерации электричества или технологических целей), горячей воды (для отопления и горячего водоснабжения), а также некоторых продуктов химической промышленности.