Спосіб повторного використання відходів

Реферат: Спосіб та пристрій для повторного використання міських побутових відходів включає обробку відходів парою при 150-200 °С при тиску вище атмосферного, але менше, ніж вдвічі. Матеріал, що утворюється після обробки парою, розділяють на складові частини і піддають біомасу і/або пластмасу подальшій обробці. При додатковій обробці, переважно, з біомаси одержують біоетанол, і з пластмаси одержують дизельне паливо. Як альтернатива, частина або вся біомаса може бути газифікована для одержання водню, який, в свою чергу, може бути поданий в паливний елемент з метою вироблення електроенергії. UA 99261 C2 (12) UA 99261 C2 UA 99261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід належить до способу повторного використання відходів, більш конкретно, до способу повторного використання міських побутових відходів. Існує декілька варіантів поводження з міськими побутовими відходами, які інакше називаються міськими твердими відходами, два найбільш загальноприйнятих способи це поховання або спалювання. Обом цим способам властиві проблеми, що визначаються їх природою. При похованні відходи не сортують. У результаті вони займають багато дорогоцінного місця, а використана для поховання земля стає непридатною на багато років. Крім того, можливі витікання в грунт токсичних стоків. До того ж, стає все важче відшукати зручні місця для звалищ. Що стосується спалювання, для його здійснення звичайно треба сортувати сміття на горюче і негорюче; негорючі відходи відправляють на звалище, а горючі спалюють. Однак, при горінні відходів звичайно виділяється сірка, тому потрібні високі потворні труби. Крім того, сміттєспалювачі неефективні, оскільки для їх роботи потрібне підведення великої кількості енергії. Не так давно було запропоновано позбуватися міських відходів, використовуючи автоклав, в який завантажують відходи, що підлягають обробці, і подають пару від парового акумулятора. Відповідний приклад описаний в US A 5190226, відповідно до якого тверді відходи обробляють під тиском 4 бар. Хоча такі пропозиції є більш екологічним вирішенням проблеми, ніж два попередні загальноприйняті способи, описані вище, вони неефективні через періодичність роботи. Був розроблений безперервний спосіб, наприклад, описаний в US A 6752337, однак для підтримки в установці високого тиску пари було запропоноване спеціальне обладнання, яке є дорогим і представляє небезпеку. Додаткові приклади відомих з рівня техніки рішень описані в WO-A-03/024633, US-B16752956, DE-A-3544240 і US-A1-2004/0025715. У WO-A-03/024633 розкритий автоклав, завантажений відходами, які підлягають обробці і подаються з парою з парового акумулятора для створення в автоклаві температури, що перевищує 130°С з тиском, який перевищує 2 бар протягом щонайменше 20 хвилин під час обробки відходів. Обертання автоклава спільно з лопатями всередині автоклава сприяє обробці відходів парою, яка після видалення з автоклава переміщується до обертового екрану, для відокремлення частинок оброблюваних відходів, які мають розмір менший, ніж 25 мм. Система пароутворення, яка включає паровий акумулятор, переважно використовується з автоклавом для забезпечення ефективного переміщення відходів. У US-B1-6752956 розкрита система керування для обробки відходів. Система регулює тиск і температуру в резервуарі для обробки для забезпечення ефективнішого процесу. Система для подрібнення відходів в резервуарі використовується для підвищення ефективності процесу і забезпечує компактніші відходи виробництва. У DE-A-3544240 описаний процес очищення для відокремлення масла і мастильних матеріалів від металевих відходів для підготовки до подальшої обробки. Під час процесу очищення відходи з малими розмірами поміщаються у обертову піч з перегрітою парою від 1,2 до 3 бар і з температурою від 120°С до 300°С. У US-A1-2004/0025715 розкритий анаеробний процес компостування тваринних добрив, енергетичних культур і подібних органічних субстратів. Процес забезпечує очищення нутрієнтів, які містяться в переробленій біомасі, для одержання добрив комерційної якості. Задачею даного винаходу є забезпечення вирішення проблеми повторного використання міських побутових відходів, яке одночасно є енергозберігаючим та екологічним шляхом створення технологічної установки, яка має модульну конструкцію і в якій несортовані відходи, що подаються, піддаються безперервній термічній обробці парою. У даній системі, переважно, також вирішується проблема неприємного запаху, що виникає при роботі установки. Для пояснення даного винаходу далі як приклад один з варіантів його здійснення описується з посиланням на прикладені креслення, де: На фіг. 1 схематично зображена технологічна установка, що відповідає вданому винаходу; На фіг. 2 представлена технологічна схема основного процесу, що використовується в даному винаході; На фіг. 3 представлена схема пристрою для обробки парою, що використовується в даному винаході; На фіг. 4 представлена схема виробництва етанолу в системі, що відповідає даному винаходу; На фіг. 5 представлена схема виробництва дизельного палива в системі, що відповідає даному винаходу. 1 UA 99261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 1 схематично зображена переважна технологічна установка, що відповідає даному винаходу. Сміттєвози підвозять міські побутові відходи до перевалочної ділянки А, звідки вихідні відходи без сортування безперервно подаються через механічний подрібнювач В у пристрій для обробки парою С. Як показано на фіг. 1, є два пристрої для обробки парою, які працюють паралельно, кожний з яких забезпечений індивідуальним бункером для зберігання подрібнених відходів до їх подачі в пристрій. Під терміном «вихідні» відходи мається на увазі, що до подачі відходів у пристрій (пристрої) для обробки парою в них не додають ніяких додаткових матеріалів, як то хімікати і/або вода. Пристрій для обробки парою С функціонує таким чином, що відходи піддаються обробці протягом, приблизно, 45 хвилин, потім оброблені відходи розділяють на сортувальній ділянці Е по категоріях, таких як неочищена біомаса або целюлоза, пластмаса, чорні метали, кольорові метали, текстиль та інші залишки. При використанні даного способу, фактично, менше ніж 10% об. вихідних відходів спрямовується на звалище, а інші відсортовані відходи можуть бути використані повторно. Скорочення об'єму відходів становить до 70%. Неочищена біомаса і пластмаса надходять на подальшу обробку в пристрої G та Н і/або на зберігання, сушіння і подальшу подачу в конвертер для одержання газоподібного палива, яке може бути використане для вироблення електроенергії. На фіг. 4 та 5 показаний альтернативний варіант обробки целюлозного матеріалу або його частини. Інші відсортовані матеріали спрямовують на зберігання відповідно до позиції F. Відходам за природою властиво виділяти неприємний запах як на вході, так і на виході з пристрою для обробки парою. З цієї причини пропонується відводити повітря з пристрою для обробки парою і піддавати його обробці для знищення запаху, що відповідає позиції D на фіг. 1, як описано в міжнародній заявці PCT/GB 2006/000888, відповідно до якої повітря обробляють озоном, що одержується за допомогою ультрафіолетового випромінювання. Цей спосіб відрізняє те, що якщо достатня кількість озону генерується і контактує з повітрям, що обробляється, протягом достатнього періоду часу, досягається суттєве ослаблення запаху. Однак, при цьому необхідно додатково забезпечити ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі, відмінною від тієї, яка використовувалася при одержані озону, щоб гарантувати відсутність активного озону в повітрі, що випускається в атмосферу технологічною установкою. Як показано на фіг. 2, пара виробляється паровим котлом 10, що генерує пару з тиском 10 бар і температурою від 165°С до 200°С, яку подають на ділянку обробки парою 12, в яку може входити один або більше окремих пристроїв, що працюють паралельно. Відходи з ділянки прийому і подачі, яка відповідає блоку В, спрямовують в установку для обробки парою. Потім оброблені відходи подають на сортувальну ділянку Е. Додатково вловлюють пару, що просочується з пристрою для обробки парою. Для цього передбачена система газоводів 16, звідки пара надходить в пристрій знищення запаху 17, де його обробляють перед викидом в атмосферу, як описано вище. На фіг. 3 більш детально показаний один з пристроїв для обробки парою, що входить в дану установку. Він складається з подовженої камери або барабана 30, по суті, герметичної, забезпеченої конвеєром 31, який переміщує відходи від вхідного отвору 32 до вихідного отвору 33. У переважному варіанті компонування барабан 30 являє собою обертовий конвеєр барабанного типу, внутрішня поверхня якого оснащена однією або більше гвинтовими лопатями. Час, протягом якого відходи піддають обробці, природно, є функцією швидкості обертання і довжини конвеєра, які вибирають так, щоб час обробки відходів становив, приблизно, 45 хвилин. Відходи обробляють парою і/або водою, що інжектуються в камеру або барабан 30 за допомогою труб 31. Температура пари становить, переважно, 160-180°С, але може досягати 200°С, тиск в барабані вищий за атмосферний, але менший 2 бар, переважно, 1,25 бар або, іншими словами, на 0,25 бар вищий за атмосферний тиск. Крім вхідного і вихідного отворів 32, 33, камера або барабан 30 можуть бути забезпечені донним бункером, призначеним для збирання і відведення будь-якого матеріалу, що утворюється в результаті обробки парою на дні. Крім того, може бути передбачене продування газом для видалення газів, що виділяються в даному процесі. Ці гази можна очистити і розділити, щоб придатні вуглеводні можна бути використовувати на інших ділянках даної установки, і/або відвести від них тепло і знову використовувати його в даному процесі. Якщо дану технологічну установку в цілому використовують для переробки звичайних відходів, може бути потрібна попередня, до подачі у вхідний отвір установки, обробка відходів для вирівнювання розміру шляхом подрібнення або дроблення. У результаті виключається закупорювання вхідного отвору пристрою, а продукт одержується більш щільним. 2 UA 99261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Далі конструкція пристрою для обробки парою описується більш детально з посиланням на фіг. 3. У пристрій для обробки парою входить обертовий барабан 30, що горизонтально встановлений на роликах 35 і приводиться в рух двигуном 34 за допомогою ланцюгової передачі (не показана). Барабан 30 по всій довжині має однаковий поперечний переріз, його внутрішня поверхня забезпечена рядом розташованих на визначеній відстані одна від одної лопатей. Ці лопаті можуть бути утворені одним безперервним гвинтовим шнековим елементом або рядом частково вигнутих лопатей, розташованих по довжині барабана 30 гвинтоподібно. Якщо треба, між витками гвинтових секцій можуть бути встановлені аксіально розташовані лопаті, що інтенсифікують підйом і перевертання матеріалу під час його завантаження в барабан. Пару подають в барабан за допомогою множини труб, що йдуть вздовж всієї довжини барабана, в цьому випадку вони розташовані на внутрішній поверхні барабана і мають отвори, повернені до центра і рівномірно розподілені по окружності. Один кінець кожної з труб закладений, протилежні кінці труб вигнуті так, щоб вони разом входили в муфту 36, розташовану на центральній осі барабана. Муфта 36 з'єднана з обертовим з'єднувальним елементом, який, в свою чергу, з’єднується з трубою, що підводить пару від джерела пари. Барабан може бути взятий в контейнер 39 з ізольованими стінками, завдяки чому поліпшується збереження тепла і полегшується уловлювання пари. У контейнері 39, в кінці, протилежному до місця подачі пари, є отвір. Він призначений для лотка, по якому подаються відходи, що підлягають обробці, з бункера. Лоток проходить крізь вказаний отвір всередину сусіднього кінця барабана 30 і може бути забезпечений обертовим механізмом подачі, який не порушує герметичності пристрою для обробки парою. Також може бути передбачений відбивач, що спрямовує відходи в спіральну канавку, утворену гвинтовими або частково гвинтовими лопатями. У іншого кінця контейнера 39, через який здійснюється подача пари, організоване вивантаження оброблених відходів. Цей кінець барабана розташований всередині кожуха, який служить для утримання пари всередині барабана, а також як вихідний отвір для оброблених відходів. Цей отвір може бути забезпечений відповідним ущільненням, що забезпечує збереження в барабані 30 підвищеного тиску. Це може бути обертовий механізм. Звичайно, при використанні такого механізму на виході з пристрою для обробки парою і при забезпеченні постійної заповнюваності лотка матеріалом, що подається, можна підтримувати в барабані 30 тиск вищий за атмосферний без необхідності герметизувати вхідний отвір, однак, якщо треба, це може бути зроблене. Коли при експлуатації барабана 30 він обертається із швидкістю 1-2 об/хв., пара не тільки ударяється об поверхню матеріалу; що знаходиться в барабані, але також нагнітається в матеріал, коли він навалюється на одну з труб. Під час реалізації описаного основного процесу, відображеного на фіг. 2, утворюється великий об'єм целюлозного матеріалу, і стає можливим використовувати цей целюлозний матеріал як паливо в даній технологічній установці або як окремий продукт, наприклад, біоетанол. Целюлозні волокна, що одержуються на виході установки для обробки парою, характеризуються вищою теплотворною здатністю 11 МДж/кг, що відповідає одержанню 3 кВт енергії. При сушінні вища теплотворна здатність збільшується до 17-18 МДж/кг. Ця біомаса, по суті, не містить сірки, тобто, для спалювання це більш чистий матеріал, ніж викопне паливо. Таким чином, біомаса, що одержується в результаті переробки відходів, може бути використана як паливо для парових котлів. Крім того, або як альтернатива, целюлозні волокна можуть бути предметом купівлі-продажу або можуть бути направлені в газогенератор, що працює на біомасі, який виробляє з цієї целюлозної біомаси газоподібне паливо. Газоподібне паливо може бути піддане подальшій обробці для одержання водню, що використовується в паливних елементах для вироблення електроенергії постійного струму. Як альтернатива, перед обробкою будь-яких твердих відходів так, як описано вище, целюлозний матеріал може бути підданий подальшій обробці, як показано на фіг. 4 та 5 для одержання біоетанолу та дизельного палива. Крім того, або як альтернатива, пара з парових котлів може бути використана для приведення в дію парової турбіни і генератора і, отже, вироблення електроенергії ще одним способом. Електроенергія, що виробляється будь-яким з описаних вище способів, може бути використана для потреб даної технологічної установки або, після перетворення постійного струму на виході паливних елементів в змінний струм з метою забезпечення можливості з'єднання із звичайними лініями електропередачі, запропонована до продажу. На фіг. 4 та 5 показано як целюлозний матеріал і/або пластмаса, що одержуються на виході пристроїв для обробки парою, можуть бути перетворені в біоетанол/дизельне паливо. Спочатку розглянемо целюлозний матеріал. Як показано на фіг. 4, біомасу обробляють в ході процесу, в цілому позначеного як позиція 50. По-перше, біомасу завантажують в резервуар 3 UA 99261 C2 5 10 15 20 25 30 51, де вона руйнується під дією ферменту, такого як аспергілум, або розкладаючих клітковину мікроорганізмів при додаванні нутрієнта. Додатково може бути введена вода. На цій стадії в резервуар може також нагнітатися активний озон, що одержується за допомогою генератора. Масу, що утворилася, витримують протягом деякого періоду часу, після чого рідину, яка містить розчинні цукри, відводять. Цю рідину потім подають в резервуар 52, де при додаванні в рідину дріжджів, таких як «saccharomyces cerevisiae», і витримуванні протягом декількох годин відбувається ферментація. У результаті утворюється рідина, яка містить етанол та інші продукти, цю рідину подають на дистиляцію, що на кресленні вказано, як позиція 53 для відгонки етанолу, який одержують на виході конденсатора 54. Тепер розглянемо переробку пластмаси, що відводиться після обробки відходів парою і, як показано на фіг. 5, подається в резервуар 60, де до неї додають розчинник, а суміш, що утворюється, витримують у випарнику 61. Через заданий час пари, що утворилися, відводять через цеолітний каталізатор 62 і переганяють в дистиляційній колоні 63, відділяючи дизельне паливо. Якщо треба, в резервуар 60 також може бути поданий озон. Озон, що нагнітається в резервуари 51 та 60, може бути одержаний за допомогою того самого генератора, що і озон, що використовується для знищення запаху в повітрі поблизу пристрою для обробки парою і генератора, або це може бути окремий генератор або генератори. Крім того, якщо треба, повітря навколо ділянки з одержання етанолу може бути піддане обробці озоном з метою видалення будь-якого надмірного активного озону, що залишився в резервуарах 51 та 60. Також є переважним покрити внутрішню поверхню деяких або всіх резервуарів 51, 52, 60, 61 протимікробним агентом. Цей агент, переважно, підбирають так, щоб він не надавав вилуговуючої дії, не був летким і не споживався мікроорганізмами. Особливо добре підходять агенти, які можна нанести на поверхню у вигляді покриття. Придатними протимікробними складами є ті, які як активний компонент містять сіль четвертинного амонію, переважно, хлорид або бромід. Атом азоту цієї солі, переважно, має замісник - силанову групу, переважно, триалкілоксисилан, найбільш переважно, триметилоксисилан. Найбільш переважно, якщо силанова група приєднана до атома азоту вказаної солі через пропільну групу. Атом азоту вказаної солі, переважно, також заміщений трьома іншими алкільними групами щонайменше одна з яких є, переважно, метильною і щонайменше одна з яких є, переважно, алкільною групою С 8-С20. Тобто, переважні сполуки мають наступну загальну структуру: 35 40 45 50 де R1 означає метил; R2 означає метил або алкіл С8-С20, переважно, метил; R3 означає алкіл С8-С20, переважно, тетрадецил або октадецил; R4 означає алкіл С1-С4, переважно, метил; і X означає хлор або бром, переважно, хлор. Один з прикладів придатних протимікробних агентів як активний компонент містить 3(триметоксисилил)-пропілдиметилоктадециламоній хлорид. Інший приклад придатних протимікробних агентів як активний компонент містить 3-(триметоксисилил)пропілдиметилтетрадециламоній хлорид. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб обробки побутових відходів, який відрізняється тим, що включає стадії, на яких подрібнюють матеріал до його обробки і обробляють подрібнений матеріал парою з тиском, вищим за атмосферний, але який менше ніж на 1 бар перевищує атмосферний тиск, і з температурою від 150 °C до 200 °C шляхом безперервного переміщування матеріалу від одного кінця пристрою для обробки парою до іншого при перемішуванні матеріалу. 2. Спосіб за п. 1, в якому температура становить від 160 °C до 180 °C. 3. Спосіб за п. 1 або 2, в якому тиск на 0,25 бар перевищує атмосферний тиск. 4 UA 99261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 4. Спосіб за одним з пп. 1, 2 або 3, в якому перемішування матеріалу досягають шляхом обертання барабана з матеріалом. 5. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який включає розділення матеріалу на складові частини. 6. Спосіб за п. 5, в якому складові частини включають целюлозний матеріал, який піддають подальшій обробці. 7. Спосіб за п. 6, в якому подальша обробка включає обробку целюлозного матеріалу для одержання рідкого палива. 8. Спосіб за п. 7, в якому целюлозний матеріал розділяють на біомасу і пластмасу, причому кожний із вказаних компонентів піддають подальшій обробці окремо. 9. Спосіб за п. 8, в якому біомасу перетворюють в біоетанол шляхом руйнування і ферментації одержаного матеріалу дріжджами для одержання рідини, від якої перегонкою можна відділити біоетанол. 10. Спосіб за п. 9, в якому біомасу руйнують за допомогою ферменту. 11. Спосіб за п. 10, в якому ферментом є аспергіли. 12. Спосіб за п. 9, в якому біомасу руйнують за допомогою мікроорганізмів, які розкладають клітковину, і нутрієнту. 13. Спосіб за будь-яким з пп. 9-12, в якому використовують дріжджі Saccharomyces cerevisiae. 14. Спосіб за п. 8, в якому пластмасу перетворюють в дизельне паливо шляхом розчинення в розчиннику і витримування рідини, що утворилася, в резервуарі з подальшим відведенням парів через каталізатор і дистиляцією для одержання дизельного палива. 15. Спосіб за п. 6, в якому целюлозний матеріал піддають газифікації з відділенням водню. 16. Спосіб за п. 15, в якому водень подають в паливний елемент для вироблення електроенергії. 17. Пристрій, призначений для обробки побутових відходів, включаючи папір, пластмасу і метали, який містить подовжений барабан з вхідним отвором на одному кінці і вихідним отвором на іншому кінці, і механізм безперервного переміщування відходів від вхідного отвору до вихідного отвору, який відрізняється тим, що пристрій містить подрібнювач В, призначений для подрібнення відходів до їх подачі до вхідного отвору, і механізм подачі пари всередину барабана по всій його довжині, в результаті чого вказаний механізм подачі пари створює в барабані тиск, вищий за атмосферний, але який перевищує атмосферний тиск менше ніж на 1 бар, і температура від 150 °C до 200 °C. 18. Пристрій за п. 17, в якому щонайменше один з отворів, вхідного і вихідного, забезпечений ущільненням, яке забезпечує безперервну експлуатацію при збереженні тиску в барабані. 19. Пристрій за п. 17, в якому вказаний барабан є обертальним і забезпечений щонайменше однією гвинтовою лопаттю. 20. Пристрій за п. 17, в якому механізм подачі пари всередину барабана 30 по всій його довжині містить щонайменше одну трубу, що проходить вздовж всієї довжини внутрішньої частини барабана і має отвори, через які пара направляється на матеріал, що обробляється. 21. Пристрій за п. 17, який також містить додаткові контейнери для вивантаження матеріалу з вихідного отвору барабана, причому кожний з додаткових контейнерів всередині покритий протимікробним агентом. 5 UA 99261 C2 6 UA 99261 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7