Спосіб утилізації органічних відходів

Корисна модель відноситься до області утилізації та знешкодження твердих відходів довільного хімічного складу і може бути використаний для переробки побутових, промислових та інших відходів. Відомий спосіб утилізації відходів [Патент UA 59465 А, кл. F 23 G 5/00, опубл. 15.09.2003, бюл. N9], що містить уведення відходів в обертову піч для випалу порт-ландцементного клінкера і термічний розпад в окисному середовищі. Перед уведенням у піч відходи піддаються примусовому капсулюванню, причому як покривний матеріал використовують речовину із температурою плавлення 1250-1450°С, у співвідношенні: тверді відходи 440%, покривна речовина - 60-96%. Аналог способу утилізації відходів має наступні недоліки: - існує загроза утворення високотоксичних речовин при утилізації відходів, які не тільки забруднюють атмосферу, але сорбуючись і осідаючи забруднюють літосферу і гідросферу; - додаткові витрати на примусове капсулювання відходів; - відходи завантажуються не чисті, а у співвідношенні с покривною речовиною, причому % покривної речовини більший ніж % самих відходів, а сама покривна речовина не сприяє підвищенню екологічної безпеки процесу. Найбільш близьким аналогом є спосіб утилізації відходів [Патент UA 13629, кл-F 23 G 5/027, опубл. 1.04.2006, бюл. N4, 2006] що включає завантаження відходів у термічний реактор, нагрівання відходів у реакторі без доступу вільного кисню до температури 1500-1650°С з деструкцією органічної частини на прості складові і фільтрацію продуктів деструкції перед випуском з реактора крізь шар розігрітого електричним струмом до температури 14272727°С грудкового електропровідного теплоносія, виведення продуктів деструкції із реактора, подачу газоподібних складових продуктів термодеструкції за допомогою компресора до вихрової установки, в якій розділяють потоки газу на холодний і гарячий, причому гарячий газ спрямовують до реактора, а холодний направляють на споживання, при цьому температуру холодного газу забезпечують на рівні 400-100°С. У найбільш близькому аналозі стовп завантажених у реактор відходів розігрівають за рахунок струму, пропущеного через шар кускового графіту, поміщеного на подині. В результаті розігріву графіту до температури 1427-2727°С у стовпі відходів, що знаходяться в камері піролізу формується теплове поле з температурою, яка монотонно знижується знизу вгору по висоті стовпа. Термічна деструкція органічної частини відходів починається у верхній частині шахти піролізу при температурі близько 200°С з виділенням летучих, котрі рухаються зверху вниз у прямотоці з масою відходів. Проходячи послідовно ділянки із зростаючою температурою, складні органічні компоненти розкладаються на більш прості, і чим вище температура, тим простіші сполуки. Процес повного розкладення відходів на молекулярні складові закінчується при температурі близько 1200°С з одержанням Н2, О2, N2, Сl2, S, F2 і твердого вуглецевого залишку С При температурах вище 1200°С відбувається активна газифікація вуглецю паром вологи і киснем відходів з генеруванням СО і Н2. Отримані газоподібні продукти піролізу фільтруються крізь шар графіту і видаляються з реактора на рівні нижньої зони шару, а розплавлені мінеральні компоненти у вигляді шлаку безперервно випускаються через нижню льотку. Передбачається операція швидкого охолодження газу, яка здійснюється за допомогою компресора та вихрової установки, в котрій розділяють потік газу на холодний і гарячий. Холодний газ направляється на споживання, а гарячий газ - знову в зону піролізу. Найбільш близький спосіб утилізації відходів має наступні недоліки: кислі компоненти відходів, такі як Н2О, О2, СО2, SіО2 і т.п., пронизуючи шар грудкового фільтру окислюють графіт, невпинно зменшуючи його масу, що веде до втрати грудковим шаром його функціональної спроможності як теплогенератора та знешкоджувача токсинів чим дестабілізується процес нагрівання та знижується його екологічна безпека; - шкідливі загрязнювачі атмосфери такі як Сl2, F2, S графітом не знешкоджуються і в складі піролізного газу виносяться із реактора, що знижує екологічну безпеку процесу та потребує додаткових операцій і обладнання по очистці піролізного газу від названих токсичних речовин уже за межами термореактора, чим збільшуються капітальні витрати на процес в цілому. Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється: - завантаження відходів у термореактор; - нагрівання відходів в термічному реакторі без доступу вільного кисню до температури 1500-1650°С; - вивід продуктів одержаних в результаті термічної деструкції відходів із реактора; фільтрація продуктів деструкції, перед виведенням із реактора, крізь шар твердого грудкового електропровідного теплоносія, розігрітого до температури 1427-2727°С. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу утилізації відходів, у якому шляхом безперервного підживлення шару електропровідного твердого грудкового теплоносія робочими компонентами які знешкоджують токсичні речовини, забезпечується підвищення функціональної спроможності шару, як теплогенератора та знешкоджувача токсичних речовин, і за рахунок цього підвищуються стабільність та екологічна безпека процесу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі утилізації відходів, що включає завантаження відходів у термічний реактор, нагрівання відходів у реакторі без доступу вільного кисню до температури 1500-1650°С, фільтрацію продуктів, одержаних в результаті термічної деструкції відходів, крізь шар грудкового електропровідного теплоносія, розігрітого до температури 1427-2727°С пропусканням електричного струму і вивід профільтрованих продуктів із реактора, згідно корисної моделі попутно з відходами в реактор подають суміш грудок графіту та оксиду магнію, причому, на кожну тону відходів завантажують 5-600кг графіту, а відношення об'ємної долі оксиду магнію до об'ємної долі графіту становить 0,7-0,1:1. Вказані ознаки складають суть корисної моделі, так як являються необхідними та достатніми для досягнення технічного результату. Технічна суть корисної моделі пояснюється малюнком, де на фіг. 1 показана реалізація способу: 1 термореактор, 2 - відходи, 3 - електроди, 4 - шар твердого грудкового електропровідного теплоносія, зверху в окремих бункерах відходи та суміш грудок графіту з магнезитом (MgO), стрілками показано рух газоподібних продуктів та шлаку. В нижній зоні реактора 1, на висоту вище рівня електродів 3 формують шар 4 із суміші грудок графіту та магнезиту (MgO). Решту шахти реактора заповнюють відходами 2. Далі електродами 3 до шару 4 підводять напругу і пропусканням електричного струму шар 4 розігрівається. В результаті нагрівання шару теплоносія стовп, завантажених у реактор відходів, теж нагрівається з поступовим фрмуванням теплового поля, профіль якого зображено на фіг. 1 цифровими інтервалами. Термічна деструкція органічної частини відходів починається в верхній частині шахти реактора при температурі близько 200°С виділенням летучих, переважно в вигляді важких вуглеводнів, які рухаються в прямотоці з масою сировини. Проходячи зверху вниз послідовно ділянки з монотонно зростаючою температурою, складні органічні компоненти відходів розкладаються на простіші, і чим вище температура, тим простіші залишаються сполуки. При цьому продукти низькотемпературної деструкції піддаються вторинному піролізу. Процес повного розкладення відходів на молекулярні складові закінчується при температурі близько 1200°С з одержанням Н2, О2, N2, Сl2, Si твердого вуглецевого залишку С. При температурах вище 1200°С протікає активна взаємодія твердого вуглецю з киснем відходів та паром вологи (газифікація) з генеруванням СО, молекулярний хлор реагує з воднем з утворенням парів НСl, а сірка, реагуюча з киснем, утворює сірковий ангідрид SO2, фтор створює НF. Одержані газоподібні продукти профільтровуються крізь шар грудкового теплоносія, відсмоктуються з реактора і використовуються в якості піролізного газу. Мінеральні компоненти у вигляді шлаку випускаються через нижню льотку. В процесі фільтрування між створенеми в результаті термодеструкції окремими складовими відходів і елементами грудкового шару відбуваються наступні хімічні реакції: 2SO2 + O2 = 2SO3 (1) MgO + SO3 = MgSO4 (2) MgO + 2HCl = MgCl2 + H2O (3) MgO + HF = MgF2 + H2O (4) H2O + С = H2 + CO (5) SiO2 + 2C = Si + 2CO (6) Внаслідок наведених реакцій піролізний газ очищається від шкідливих домішок безпосередньо в реакторі, чим екологічна безпека процесу підвищується, а маса елементів фільтруючого шару зменшується. Для стабільного протікання хімічних реакцій і процесу в цілому фільтруючий шар підживлюють свіжою сумішшю компонентів. Підживлення виконують шляхом завантаження зверху в реактор підготовленої суміші фільтруючих компонентів попутно з кожною порцією відходів. Рухаючись зверху вниз в масі відходів, грудки графіту і магнезиту від підвищення температури змін не потерпають і майже в своєму первинному вигляді поповнюють фільтруючий шар відновлюють таким чином його теплогенеруючі і знешкоджувальні функції. Заявлений діапазон завантажуваної маси грудкового графіту орієнтовано на стабілізацію теплогенеруючих та фільтруючих функцій грудкового шару при утилізації відходів будь-якого складу. Нижнє значення 5кг/тону відходів - обумовлене механічним зносом елементів шару в процесі фільтрації крізь нього газів і шлаку. При добавках графіту менш ніж 5кг/т - шар не відновлюється і поступово зношується, втрачаючи свої функціональні спроможності. Верхнє значення 600кг/тону відходів - має місце при наявності в відходах переважної кількості окислюючих елементів, наприклад, при утилізації обводнених шламів, в яких вміст вологи сягає 90%. В цьому випадку знос маси графіту в фільтруючому шарі, яка визначається реакцією (5) сягатиме 600кг. При завантаженні графіту більше ніж 600кг/т відходів - об’єм шару буде невпинно збільшуватись, зменшуючи корисний об'єм реактора. Співвідношення об'ємів графіту і MgO (магнезиту) обґрунтовується тим, що підвищення знешкоджуючої дії фільтруючого шару в результаті реакцій (2, 3, 4) не повинно погіршувати його теплогенеруючі властивості. Нижнє значення: MgO=0,1 об’єму графіту - гранична величина, нижче якої взаємодія з токсинами по реакціях (2, 3, 4) має низьку контактну ймовірність, і знешкодження токсинів майже не відбувається. Верхнє значення: MgO=0,7 об’єму графіту - гранична величина, вище якої шар грудкового електропровідного теплоносія втрачає електропровідні, а отже і теплогенеруючі властивості. Можливість здійснення описаного способу ілюструється прикладами, де відповідно до приведеної вище послідовності дій, реалізуючих запропонований спосіб, здійснюють утилізацію органічних відходів. Приклад 1. Таблиця 1. Вплив співвідношення завантажуваної в реактор маси грудкового графіту і вмісту окислювальних елементів у відходах на хід процесу N п/п Вміст окислювача (Н2О) у відходах, % Маса грудкового графіту, завантаженого в реактор, кг 1 0 3 2 0 5 3 90 600 4 90 610 Примітка Відбувається механічний знос шару, зменшується його об'єм, погіршується теплогенеруючі функції шару - падає температура Тепловий режим стабільний , температура процесу регулюється надійно -“Об'єм шару (висота) збільшується, зменшуючи корисний об'єм реактора і продуктивність процесу. Регулювання теплового режиму погіршується Із табл. 1 видно, що оптимальною кількістю завантажуваного в реактор графіту є його стехіометричний розхід на окислення по реакції (5) збільшений на 5кг механічного зносу графіту. Приклад 2. В умовах прикладу 1 до оптимальної, з вимог забезпечення стабільної теплогенерації кількості графіту, для нейтралізації SO3, HC1 і HF по реакціях (2, 3, 4) добавляли MgO (магнезит). Таблиця 2. Вплив співвідношення об’ємних доль графіту і магнезіту на екологічні та експлуатаційні характеристики процесу N п/п Відношення об’ємної долі MgO до об’ємної долі графіту завантажених у реактор, (MgO:C) Степінь очищення піролізного газу від SO2, HCl HF, % 1 0,05 5 2 0,1 55 3 0,35 95 4 0,7 80 5 0,75 20 Примітка Тепловий режим стабільний діапазон регулювання широкий -“Тепловий режим стабільний, діапазон регулювання широкий Робочий струм зменшується, температура в реакторі падає, утримання можливе при максимальній напрузі джерела струму Температура в реакторі падає, стабілізація неможлива Приведені в таблиці 2 дані свідчать про те, що існує оптимальне співвідношення об’ємних доль грудок магнезиту і графіту у фільтрувальному шарі (MgO:С=0,35), при якому максимальна екологічна безпека поєднується з високими експлуатаційними характеристиками процесу. З приведених прикладів видно, що при правильній комбінації параметрів, що заявляються, запропонований спосіб дозволяє підвищити стабільність та екологічну безпеку процесу.