Комплексний спосіб термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки

Винахід належить до екологічно чистих технологій переробки високотемпературним піролізом, як біологічної сировини, так і твердих матеріалів, рідких і газоподібних: дерева, каменю, газів, пластмаси, нафтопродуктів, відходів виробництва і життєдіяльності людини, сміття, що містять органічні сполуки. Спосіб може бути використаний в те хнологічних лініях вторинної переробки відходів промислового виробництва, відходів харчової, металургійної і нафтопереробної галузі, вугільної і гірничодобувної, а також для утилізації шкідливих речовин, побутових відходів, органічних відходів комунального, сільськогосподарського і харчового виробництва, будівельного сміття та будь-якого каналізаційного сміття. Відомий спосіб утилізації промислових відходів, при якому відбувається повільне і нерівномірне конвекційне нагрівання твердих побутови х відходів і великі втрати тепла, який здійснюють у відомих устава х піролізу Торакс, П'юрокс Лангард (США) (див. наприклад, П.П. Пальгунов, М.В. Сумароков, бібліотечка "Охорона довкілля". Утилізація промислових відходів, Стройиздат, 1990, С.75). При цьому способі тільки 15% тепла безпосередньо використовується на нагрівання відходів. Для підвищення к.к.д. устав сировину подрібнюють, перемішують, переміщають, нагрівають у киплячому шарі, підвищують тиск і температуру. Недоліком відомого способу є його низький ККД та недостатня екологічність в наслідок того, що при температурах усередині шматків твердих побутови х відходів і по об'єму реактора від 100 до 1500°С та наявності кисню утворюється багато смол і отруйних речовин - діоксинів, фенолу, фуранів, хлору, окислів азоту, по кількості порівнянних з такими, що виділяють сміттєспалювальні і коксохімічні заводи. І усі вони виводяться через патрубок із всього об'єму відходів. Тому вартість і маса очисних споруджень більша ніж устави. Крім того, це призводить до підвищення вартості переробки 1т. сміття, але дає малий ефект. Через низьку ефективність піролізу устави мають великі габарити і вагу та їх дорогі вогнетриви часто виходять з ладу, а при швидкому відключенню устав і швидкому завантаженню вологих твердих побутових відходів устави руйн уються. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого є відомий спосіб термічного перероблення твердих побутови х відходів нагріванням високою температурою (див., наприклад, Бельямовский Д.Н. Сжигание и пиролиз твердых бытовых отходов. - Жилищное и коммунальное хозяйство, 1993г. - №6. - С.2829), який включає процеси підготовки, подрібнювання та наступну їх вторинну переробку - нагріванням високою температурою, при якій здійснюють термічне розкладання органічної складової твердих побутови х відходів з подальшим розподілом, перетворенням та виведенням утворених продуктів пролізу. Наслідком процесу піролізу з сировини утворюється парогазова суміш та твердий вуглецевий залишок (пірокарбон). Пірогазову суміш звільнюють від пилу в циклоні; далі вона послідовно проходить крізь конденсатор, у якому газова фаза відділюється від рідких продуктів піролізу (суміші смоли та води). Газоподібні продукти спрямовуються для спалювання до спеціальної топки. Пірокарбон з піролізного барабана крізь шлюзовий живильник вивантажується на конвейєр та після охолодження транспортується до складу. Загальними ознаками відомого і способів, що заявляється, є попереднє дроблення твердих речовин з наступною їх вторинною переробкою -нагріванням високою температурою, при якому здійснюють термічне розкладання органічної складової відходів з подальшим розподілом, перетворенням та виведенням утворених продуктів пролізу. До недоліків відомого способу варто віднести низькі ефективність, продуктивність, економічність та екологічність внаслідок недостатньої швидкості й рівномірності нагрівання твердих, рідких і газоподібних речовин. В основу винаходу поставлена задача удосконалення комплексного способу термічної переробки будьяких твердих відходів, що містять органічні сполуки, у якому за рахунок переробки відходів шляхом високотемпературного піролізу з використанням адіабатичних процесів на молекулярному рівні у реакторі при низькотемпературній газифікації без вільного кисню при постійній температурі і тільки в об'ємі розплаву у електромагнітному полі за дуже короткий проміжок часу, забезпечується підвищення ККД процесу та скорочення технологічного циклу за рахунок збільшення швидкості, рівномірності нагрівання відходів і ефективності розкладання речовин, в наслідок чого здійснюється підвищення ефективності, продуктивності, економічності та забезпечення екологічності здійсненням замкненого циклічного характеру процесу та зниженні на порядок шкідливих викидів і їх частоти у довкілля. Поставлена задача досягається тим, що в комплексному способі термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки, який включає попереднє дроблення твердих речовин з наступною їх вторинною переробкою - нагріванням високою температурою, при якому здійснюють термічне розкладання органічної складової відходів з подальшим розподілом, перетворенням та виведенням утворених продуктів пролізу, відповідно до винаходу, вторинну переробку будь-яких твердих відходів проводять високотемпературним піролізом з використанням адіабатичних процесів на молекулярному рівні у реакторі при низькотемпературній газифікації без вільного кисню при постійній температурі в об'ємі розплаву у магнітному полі, при чому суміш будь-якого морфологічного і хімічного складу відходів алотермічно нагрівають в розрядній зоні реактора електромагнітним полем частоти до 400кГц до температур 1650...2750°С та додатково нагрівають за допомогою гарячого дуття, яке складається з відновленого газу з додаванням водяної пари, попередньо підготовленої поза реактором, при цьому в інтервалі температур 500...1500°С утворюють горючий газ - пірогаз, який збагачують електрохімічними каталізаторами, а в інтервалі температур 1400...1600°С проводять плавлення мінеральних компонентів до рідкого стану, та далі після розподілу продуктів піролізу їх перетворюють з одержанням термодинамічно стабільних речовин: газу, який складається з водню і вуглекислого газ, твердого залишку й інших речовин, з подальшим їх очи щенням. У результаті використання винаходу, що заявляється, забезпечується одержання технічного результату, що полягає в підвищенні ККД процесу та скороченні технологічного циклу за рахунок збільшення швидкості, рівномірності нагрівання відходів і ефективності розкладання речовин. Між суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Високотемпературний піроліз, який використовується у пропонованому способі у порівнянні з іншими методами має низку переваг: при ньому відбувається більш інтенсивне перетворення початкового продукту, швидкість реакцій зростає з експоненціальним зростанням температур, тоді як теплові втрати зростають лінійно; збільшується тривалість теплового діяння на відходи; досягається більш повний вихід летких продуктів, скорочується обсяг залишків по закінченні процесу. Переробка сировини, будь-якого морфологічного складу в герметичному об'ємі без доступу повітря (повна відсутність кисню, підвищений парціальний тиск) сприяє більш глибокому розкладанню органічної складової відходів. Застосування електромагнітного поля у процесі піролізу на стадії розкладання вуглеводнів, тонкого очищення синтез-газу в присутності каталізатора дозволяє ефективно перетворити шкідливі речовини (хлор, сірку й ін.) в екологічно безпечні. Додаткове нагрівання за допомогою гарячого дуття при спалюванні (плавці) у середовищі нейтральних газів дозволяє значно знизити частоту, де легше уникнути електричних розрядів і раціонально використовува ти енергію для одержання температур вище 2000°С (аж до 3000°С). Даний процес характеризується протіканням реакцій взаємодії й ущільнення молекул вихідної сировини, внаслідок чого відбувається розщеплення органічної маси зі здобуванням термодинамічно стабільних речовин; газу, який складається з водню і CO, твердого залишку й інших речовин. У процесі перетворення органічної маси відбувається не тільки її розпад, але також здійснюється синтез нових речовин. Покриття (платинування каталітичних речовин при піролізі) дозволяє підвищити вихід легких фракцій при відносно невисоких температурах (~300°С) - крекінг каталітичний. Використання електричних фільтрів для остаточного очищення газу дозволяє довести викиди в атмосферу до мінімально припустимих, а нових фізичних ефектів і електричних каталізаторів дозволяє перетворити шкідливі речовини (хлор, сірку) в екологічно безпечні, і довести газові і пилові викиди в атмосферу до припустимих стандартів. Таким чином, присутність суттєвих відмінних ознак дозволяє одержати очікуваний технічний результат підвищення ККД процесу та скорочення технологічного циклу за рахунок збільшення швидкості, рівномірності нагрівання відходів і ефективності розкладання речовин. За наявними в заявника відомостями сукупність суттєви х ознак, що характеризують сутність винаходу, що заявляється, не відома з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу критерію "новизна". На думку заявника для фахівця в галузі технологій перероблення відходів, сутність винаходу, що заявляється, не випливає явно з рівня техніки, тому що з нього не виявляється сукупність суттєви х ознак і її вплив на технічний результат, що досягається, що дозволяє зробити висновок про відповідність способу, що заявляється, критерію "винахідницький рівень". Комплексний спосіб термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки, що заявляється, може бути багаторазово використаний в галузі технологій перероблення відходів з одержанням очікуваного технічного результату, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу критерію "промислова придатність". Тобто, пропонований комплексний спосіб термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки є технічним рішенням, яке відповідає всім умовам патентоздатності. На кресленні зображений приклад блок-схеми модульно-агрегатної устави для здійснення пропонованого комплексного способу термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки. Новий комплексний спосіб термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки, здійснюють таким чином. Після попереднього дроблення великих частин твердих речовин відходів, здійснюють наступну їх вторинну переробку, яку проводять високотемпературним піролізом з використанням адіабатичних процесів на молекулярному рівні у реакторі при низькотемпературній газифікації без вільного кисню з використанням легкоплавких складових при постійній температурі в об'ємі розплаву у електромагнітному полі. Тобто, суміш будь-якого морфологічного і хімічного складу відходів алотермічно нагрівають в розрядній зоні реактора електромагнітним полем частоти від 20 до 400кГц до високих температур 1650...2750°С та додатково нагрівають за допомогою гарячого дуття, яке складається з відновленого газу з додаванням водяної пари, попередньо підготовленої поза реактором, що дозволяє одержати високі температури (аж до 3000°С). Газифікація сміття на вуглець і водень відбувається протягом кількох секунд (до 5) внаслідок дії на кожну молекулу речовини температури (адіабатичний процес) та електромагнітного поля. При цьому, в інтервалі температур 500... 1500°С утворюють горючий газ -пірогаз, який збагачують електрохімічними каталізаторами додаванням СО поза реактором, а також твердий дрібнозернистий вуглецевий залишок - пірокарбон та мінеральні складові відходів у твердій фазі. Внаслідок внутрішнього окислення піролізних газів і (або) вуглецю при 500... 1000°С та дії електромагнітного поля, підвищується температура в зоні плазмолізу до 3000°С Таким чином, одержують збільшення в сотні разів швидкості і рівномірності прогріву органічних відходів (твердих, рідких, газоподібних речовин, побутови х відходів) та більш глибоке розкладання вуглеводнів з одночасним заморожуванням зворотного синтезу. У процесі перетворення органічної маси відбувається не тільки її розпад, але також здійснюється синтез нових речовин. Стадії даного процесу взаємозв'язані і протікають у визначеному температурному інтервалі (від 400 до 3000°С) і часовому інтервалі. Потім в інтервалі температур 1400... 1600°С проводять плавлення мінеральних компонентів до рідкого стану, причому цю тверду масу, яка спускається шахтою реактора під дією власної ваги, розігрівають до більш високих температур внаслідок температурних перетворень - газифікації вуглецевого залишку до синтез-газу у інтервалі температур 1200... 1500°С та розтоплення мінеральних компонентів до рідкого стану (1400...1600°С). Далі розподіляють і перетворюють продукти піролізу з одержанням термодинамічно стабільних речовин: газу, який складається з водню і вуглекислого газу, твердого залишку й інших речовин. Наприкінці способу одержані речовини остаточно очищають та виводять ці утворені продукти піролізу. Таким чином, здійснюється комплексний високотемпературний енерготехнологічний процес термохімічної переробки будь-яких твердих відходів, який забезпечує глибоку термічну деструкцію відходів з мінімальними енергетичними витратами та характеризується екологічною безпекою. В цілому, пропонований спосіб дозволяє підвищити ККД (енергетичного ККД до 86% і ККД процесу піролізгазифікація - до 95%) та швидкість нагрівання, надійність, ефективність розкладання (чи синтезу) речовин, при зниженні до 800°С температури у корпуса і підвищенні до 3000°С у центрі розплаву. Пропонований комплексний спосіб термічної переробки будь-яких твердих відходів, що містять органічні сполуки може бути здійснений на відомих устава х, наприклад, модульно-агрегатної конструкції, що суттєво спрощує її адаптування до конкретних видів відходів, що ліквідуються, та до місцевих умов (див. Наприклад, Волохонский Л.А., Кисельман М.А., Попов А.Н. Те хнология и оборудование для термического обезвреживания и переработки отходов // Тр.межд.симп. 1999г., пос.Кацивели, Крым, 22-26 сентября 1997г., ч.1. - С.9-16). Модульно-агрегатна устава в цілому містить багатоконтурний реактор 1 з завантажувальним пристроєм 2 та дозатором 3. Дозатор 3 зв'язаний з фільтром очистки 4, який з'єднаний з енергетичною уставою 5 та з синтезатором 6. Енергетична устава 5 з'єднана з конденсатором 7. Конденсатор 7 та синтезатор 6 зв'язані з композиційним змішувачем 8. Реактор 1 має вихід крізь піддон до шлакової ванни 9 (див. Фіг.). Дробленні тверді речовини відходів вивантажують до завантажувального пристрою 3 та дозатору 2, котрими обладнано реактор 1. В уставі, наприклад, збудником заданої температури на етапі запуску реактора та далі, є високочастотні пускачі в розрядній камері (вихрові токи) реактора 1. У реакторі 1 при піролізі відбувається процес руйнування структури сировини - розщеплення органічних мас на елементарні речовини вуглець, водень, сірку, хлор, пару і твердий залишок внаслідок дії на кожну молекулу по всьому об'єму речовини електромагнітного каталізатора і температури до 1000°С, а в зоні плазмолізу - до 3000°С Даний процес характеризується протіканням реакції взаємодії й ущільнення молекул вихідної сировини, внаслідок чого відбувається розщеплення органічної маси з одержанням термодинамічно стабільних речовин: газу, який складається з водню і СО, твердого залишку й інших речовин. На виході реактора хлор і фтор зв'язуються в корисні речовини, наприклад, CaF, CaCl. Склад атмосфери в кожній точці робочого простору реактора 1 повинний мати визначене і постійне значення, і закономірно змінюватися по довжині робочого простору. Газовий режим забезпечується системою газоподводів реактора, а його параметри контролюються шляхом виміру витрати, тиску й аналізу проб атмосфери. При двосторонній подачі газу патрубки введення розташовуються в ша ховому порядку, що поліпшує циркуляцію атмосфери в робочому просторі реактора (кінетична енергія струменя). Основна кількість ендотермічної атмосфери вводиться в зону реактора 1, де сировина вже нагріта до робочої температури і де взаємодія захисного газу із сировиною визначає його якість. При ефективній продувці виключається утворення газових мішків. Враховується різниця питомих ваг газу, яка залежить від відмінності складу і температури. Газ, що заміщає, і газ, що витісняє, змішуються в мінімальному ступіні, процеси продувки прискорюються. Це дуже важливий момент при роботі з атмосферами з високим процентним вмістом водню. Необхідність виключення навіть короткочасного нагрівання в окисному середовищі, безполуменеве завантаження і вивантаження забезпечуються газовими завісами з негорючого газу. Дія газової завіси розглядається як додатковий гідравлічний опір, який зменшує кількість газу (повітря), що проходить через отвір. У цій уставі відсутні умови утворення оксидів сірки, азоту, фуранів, діоксинів. Уся маса продуктів у парогазовій фазі (сирий пірогаз) виводиться через збірний колектор у верхній частині реактора 1 при температурі 150+30°С. Склад пірогазу слабо залежить від можливого коливання складу відходів і на 95% по сухому об'єм у складається із синтез-газу. Гази, що утворилися, подаються до фільтру очистки 4 (електрохімічна очистка), де сполуки сірки остаточно розкладаються на елементарні речовини, а чиста сірка осаджується на холодних стінках піддона. Температурний режим підтримується за рахунок використання частини вироблюваних газу, електрики і тепла. Тепло після енергетичної устави 5 надходить у конденсатор 7 і використовується для опалення промислових, сільськогосподарських приміщень і приміщень загального користування. Частина пари може перетворюватися в дистильовану воду, яка широко використовується в народному господарстві. Газ, що утворився в реакторі, крізь фільтр очистки 4 надходить у синтезатор 6, у якому за допомогою електричних каталізаторів відбувається процес виробництва бензинових фракцій. Для цього синтезатор 6 конструктивно розділений на дві частини. У першій частині відбувається синтез бензинових фракцій зі здобуванням рідкого палива, а в другий відповідно - метилового спирту (метанолу). Синтезатор 6 з'єднаний з цистернами для акумулювання продукції. Устава може бути додатково обладнана пристроєм балонної зарядки газом. Для одержання бензину, згідно зі стандартом, з конкретним октановим числом, використовується композиційний змішувач 8. Після газифікації сировини в піддоні реактора 1 залишаються екологічно чисті кокс, сажа і шлак, котрі зсипаються в герметичні бункери. Уся маса продуктів у рідкій фазі (метали і шлаки) виводиться роздільно через спеціальні льотки в нижній частині реактора 1 при температурі 1550+50°с. Рідкі метали передаються на наступну переробку. Шлак виводять через шлакову ванну 9, який використовується як будівельний високоякісний матеріал. Кокс, сажа використовуються в лакофарбовій і гумовотехнічній промисловості і також як паливо для котелень, ТЕЦ і в металургійній промисловості. Після чистої екологічної утилізації відходів стан коксів і склад газоподібних продуктів відповідає екологічним вимогам і гранично припустимим концентраціям: СО