Предлагаемое изобретение относится к способам утилизации органических отходов с повышенной влажностью и высокой концентрацией вредных веществ, представляющих опасность для окружающей среды, методом термохимической переработки, в частности, куриного помета, экскрементов других домашних животных, лигнина, древесных отходов, иловых отложений и др.

Известны три сравнимых между собой метода термохимической переработки органических отходов: прямое сжигание, газификация и пиролиз. При этом, каждый метод имеет свой сектор, определяемый технологическими особенностями.

При большом многообразии технологических решений, предложенных, как отечественными, так и зарубежными специалистами, приоритетными способами утилизации органических отходов должны стать технологии, которые обеспечивают:

1. высокую экологическую безопасность предложенного технологического процесса;

2. утилизацию отходов непосредственно на месте их возникновения;

3. унифицированную технологию для утилизации широкого диапазона отходов, имеющих различный химико-минералогический состав;

4. низкую энергоемкость самого процесса утилизации;

5. безотходный технологический процесс;

6. получение выходных продуктов, безопасных для размещения, или имеющих коммерческую ценность. Известен способ утилизации отходов, содержащих органические материалы, по патенту РФ N° 2338122. Способ и устройство, описанные в данном патенте, как наиболее близкие к предлагаемому решению по своим существенным признаком, приняты за прототип. Известное решение включает загрузку отходов в камеру термического разложения (KTP), нагрев и разложение органики в KTP с образованием газообразных и твердых продуктов, их сжигание, каталитическое обезвреживание, охлаждение в теплообменнике и пылеочистку дымовых газов. Загрузку отходов в камеру термического разложения производят через шлюзовое устройство, постоянно промываемое инертным газом. Отходы подвергают бескислородному термическому разложению при температуре 550-700°C в металлической камере, нагреваемой снаружи комплексно дымовыми газами от сжигания внешнего топлива в расположенной в непосредственной близости к ней горелке, дымовыми газами из циклонной топки, полученными от сжигания в ней при температуре 1200-1300°C газообразных продуктов пиролиза, и дымовыми газами от сжигания на колосниковой решетке твердых продуктов пиролиза. Теплообмен во внутреннем объеме камеры термического разложения интенсифицируют постоянным перемешиванием отходов и созданием искусственной циркуляции газовой фазы за счет подачи в ее нижнюю часть нагретого до 600-700°C инертного газа, приготовление которого осуществляют за счет теплового потенциала дымовых газов. Газообразные продукты из камеры термического разложения вводят в циклонную топку посредством инжекции. В качестве инжектирующей среды используют нагнетаемый под давлением воздух, предварительно подогретый до 350-400°C отходящими дымовыми газами, уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения, а весь технологический процесс проводят под разрежением. Технический результат - утилизация отходов с обеспечением условий безопасной эксплуатации оборудования и допустимых по условиям экологии выбросов в окружающую среду. Недостатками известного способа и устройства являются:

1. высокая энергоемкость и недостаточная экономичность, так как требуется применение посторонних источников тепла и инертного газа;

2. недостаточная производительность, так как невозможна непрерывная загрузка утилизируемых отходов и их непрерывная переработка. Задачей предлагаемого изобретения является разработка такого способа и устройства утилизации органических отходов, которые бы обеспечивали высокую экологическую безопасность предложенного процесса, возможность утилизации широкого диапазона отходов, имели бы низкую энергоемкость, высокую экономичность и производительность.

Для решения поставленной задачи предлагается в способе утилизации влажных отходов, содержащих органические материалы, включающем непрерывную загрузку отходов в камеру термического разложения, пиролиз отходов с постоянным их перемешиванием в камере термического разложения, нагреваемой снаружи дымовыми газами, полученными от сжигание продуктов пиролиза в камере сгорания, в качестве камеры термического разложения использовать металлическую углевыжигательную реторту непрерывного действия. Внутри реторты предлагается разместить ротор, осуществляющий продвижение отходов по реторте в сторону нарастания температуры. При этом за счет дозированной загрузки утилизируемых отходов обеспечивается такая концентрация смеси газов и водяного пара, выделяемых в процессе пиролиза отходов, которая необходима для поддержания устойчивого горения в камере сгорания. Дымовые газы предлагается дополнительно пропускать внутри ротора, увеличивая тем самым контактную поверхность нагрева утилизируемых отходов. Камера сгорания предлагается выполнить в виде циклонно-вихревой камеры сгорания, в нижней зоне которой сжигается угольный остаток, в средней и верхней зонах происходит дожигание угольного остатка и сжигание газообразных продуктов, поступающих из реторты, с получением полезной тепловой энергии и зольного остатка.

Дополнительными отличиями предлагаемого способа является то, что:

- размеры реторты определяются необходимой производительностью устройства, при этом отношение ее длины к диаметру должно быть 15:1;

- часть пиролизных газов отводится из реторты в газопоршневую электростанцию; - в качестве влажных отходов, содержащих органические материалы, могут быть куриный помет, экскременты других домашних животных, лигнин, древесные отходы, иловые отложения и др.

Для решения поставленной задачи предлагается в устройстве для утилизации влажных отходов, включающем теплоизолированный корпус, внутри которого размещена камера термического разложения, соединенная с камерой сгорания, при этом камера термического разложения снабжена газоплотным устройством для загрузки утилизируемых отходов и газоплотным устройством для выгрузки продуктов пиролиза, тогда как камера сгорания снабжена выходом для дымовых газов, соединенным через теплообменник с дымовой трубой, а камера термического разложения соединена газоотводной трубой с камерой сгорания, камеру термического разложения выполнить в виде углевыжигательной реторты непрерывного действия. Внутри реторты предлагается поместить ротор, соединенный с камерой сгорания второй газоотводной трубой. Загрузку утилизируемых отходов предлагается проводить с помощью газоплотного дозирующего устройства. Тогда как, камеру сгорания предлагается выполнить в виде циклонно-вихревой камеры и снабдить дутьевыми вентиляторами.

Дополнительными отличиями предлагаемого устройства является то, что:

- размеры реторты определяются необходимой производительностью устройства, при этом отношение ее длины к диаметру должно быть 15:1,

- что реторта соединена с газопоршневой электростанцией.

- в качестве влажных отходов, содержащих органические материалы, могут быть куриный помет, экскременты других домашних животных, лигнин, древесные отходы, иловые отложения и др.

Таким образом, решение поставленной задачи в описываемом способе достигается за счет применения методов термохимической переработки органических отходов. Отходы, поступающие на сжигание (с влажностью до 75%), подвергаются предварительной термодинамической обработке (пиролизу) непосредственно перед сжиганием в составе устройства для сжигания за счет части энергии сжигания.

Термодинамическая обработка обеспечивает совмещение процессов подсушки отходов с выделением водяного пара, начало их газификации и термическое разложение (пиролиз) с выделением несвязанного углерода (угольного остатка).

В результате на сжигание поступают газообразные СО, H ₂ , CnHm (углеводороды), а также угольный остаток с достаточной теплотворной способностью, обеспечивающей устойчивое и полное сгорание, а также водяной пар, обеспечивающий пониженную эмиссию NOx и SOx.

Результатом процесса является полезное тепло для пароснабжения, отопления и горячего водоснабжения, зольный и угольный остатки в качестве продуктов различного назначения (удобрения и др.).

Предлагаемое решение имеет следующие преимущества:

1. Обеспечивается непрерывный процесс без применения посторонних источников энергии, организованных путем сжигания других видов топлив, и использованием для ведения процесса собственной энергии утилизируемого продукта, выделяемой при сжигании пиролизных газов и угольного остатка..

2. Утилизируется продукт с влажностью до 75%, причем выделяемая влага ("выпар") в виде водяного пара, выполняет полезные для утилизации функции:

- служит при сжигании для подавления эмиссии вредных NOx и Sох, обеспечивая экологичность процесса утилизации;

- служит в качестве теплоносителя для интенсификации теплообмена в реакторе-реторте;

- вместе с пиролизными газами создает избыточное давление в реторте, что препятствует попаданию ("подсосу") атмосферного воздуха и обеспечивает безкислородный процесс термического разложения утилизируемого продукта (помета).

3. Внутри ротора движутся раскаленные дымовые газы, в результате нет необходимости в применении инертного газа (как в прототипе) и лишних затрат тепловой энергии для его нагревания.

4. Способ также отличается тем, что за счет точного дозирования утилизируемого продукта в процессе его транспортирования в реторте в сторону нарастания температуры, обеспечивается его "зонная" термообработка.

1-ая зона с температурой 100°C ÷ 200°C обеспечивает выпаривание влаги. 2-ая зона с температурой 200°C ÷ 400°C обеспечивает нагрев и начало пиролиза.

3-я зона с температурой 400°C ÷ 800 ⁰ C обеспечивает быстрый пиролиз и выделение угольного остатка и пиролизных газов.

Такая "зонная" обработка обеспечивает в реторте концентрацию смеси газов и водяного пара (пароrаз) с постоянным составом, необходимым для устойчивого горения.

5. При влажности утилизируемого продукта менее 70% возможно выделить часть угольного остатка в качестве полезного технологического продукта, или отводить часть пиролизных газов в газопоршневую электростанцию, так как при такой влажности теплотворной способности пиролизных газов или угольного остатка достаточно для ведения процесса утилизации. Предлагаемое устройство представляет собой энерготехнологический агрегат, который вырабатывает технологический и энергетические продукты. Для интенсификации технологической переработки отходов применено циклонно- вихревое горелочное устройство и подача дымовых газов внутрь трубы ротора. На фиг.l изображена схема устройства для утилизации влажных отходов, содержащих органические материалы, где:

1 Циклонно-вихревая камера сгорания

2 Боровная часть

3 Реторта

4 Газоплотное устройство выгрузки

5 Камера искрозолоулавливания

6 Теплообменник

7 Дымовая труба

8 Ротор

9 Газоплотное дозирующее устройство

10 Газоплотное устройство загрузки

11 Корпус реторты

12 Золосборник с охладителем

13 Привод ротора

14 Привод дозирующего устройства

15 Дутьевые вентиляторы

16 Газоотводящая труба

17 Вторая газоотводящая труба для отвода

дымовых газов в ротор

> Утилизируемый продукт

Продукты термического разложения утилизируемого продукта (парогазы)

, Зола

ι Угольный остаток

> Дымовые газы

-=»- Воздух

Циклонно-вихревая камера сгорания 1 состоит из 3-х зон горения, которые разнесены по её высоте и обслуживаются тяго дутьевыми вентиляторами 15 с регулируемой подачей воздуха для горения.

В нижней зоне камеры сгорания сжигается угольный остаток как твердое топливо, поступающее из реторты 3.

В средней и верхней зоне происходит дожигание угольного остатка и сжигание газообразных продуктов, поступающих из реторты 3.

Избыток воздуха (αт) (от которого зависит содержание ядовитых NOx и SOx) регулируется в каждой зоне в необходимых пределах - 0,9 ÷ 1,16.

В верхней зоне сжигается газовая смесь - пиролизный газ + H ₂ O (пар) - парогаз, что также подавляет появление NOx и SOx в газах сгорания. Присутствие достаточной концентрации водяного пара обеспечивает условия для снижения содержания NOx и SOx:

- температура 1300 - HOO ⁰ C;

- впрыскивание в зону горения H ₂ O.

Камера сгорания 1 своей боровной частью 2 связана с теплоизолированным корпусом 11, в который помещена реторта 3, а реторта 3 в свою очередь связана с камерой сгорания 1 газоплотным устройством выгрузки 4 и газоотводящей трубой 16.

Через боровную часть газы сгорания из топки поступают в корпус 1 1 , где по пути своего движения к дымовой трубе 7, через камеру искрозолоулавливания 5 и теплообменник 6, нагревают стенки реторты и движущийся внутри его утилизируемый продукт.

Движение утилизируемого продукта и его интенсивное перемешивание обеспечивается, помещенным в корпус реторты 3, ротором 8. Ротор 8 представляет собой трубу, к которой приварены лопасти (винт).

Движение утилизируемого продукта от дозирующего устройства 9 к устройству выгрузки 4 происходит по внутренней поверхности реторты 3 с температурой от IQO ⁰ C до 800 ⁰ C внутри реторты 3. В результате происходит термическое разложение утилизируемого продукта. Продукты термического разложения угольный остаток и парогазы через устройство выгрузки 4 и газоотводящую трубу 16 подаются в камеру сгорания 1 для низкотемпературного сжигания. При необходимости угольный остаток может выгружаться отдельно как технологический продукт, а пиролизные газы могут отводиться в газопоршневую электростанцию. По газоотводящей трубе 17 дымовые газы поступают внутрь ротора, увеличивая раскаленную контактную поверхность, для дополнительного обогрева утилизируемого продукта. Конструкция реторты 3 (её размеры - длина и диаметр) определяются необходимой производительностью устройства. Определяющей является необходимая контактная поверхность нагрева, по которой движется утилизируемый продукт.

Опытным и расчетным путем выведено соотношение длины реторты к её диаметру > 15 : 1, так для производительности 500 кг/час длина реторты составляет 9 м, а её диаметр 0,6 м. При этом полезная (контактная) поверхность нагрева составляет 8,5 м ² .

Работа устройства происходит следующим образом. Для выведения устройства в рабочий режим в приемный бункер 10 с дозирующим устройством 9, оснащенным датчиками уровня загружаемого материала, загружается предварительно высушенное топливо (это может быть утилизируемый продукт или другое топливо, например сухие опилки). Из расчета на 30 - 50 минут работы устройства.

Включаются привода транспортной системы устройства (привод дозирующего устройства, привод смесителя реторты, привод тяго дутьевых машин).

При прохождении высушенного топлива по всей системе и попадании его в камеру сгорания, оно поджигается. Происходит его сжигание. В результате реторта

3 нагревается до температуры > 800°C в своей передней части, находящейся над боровной частью камеры сгорания 1, в течение ~ 30 минут.

С этого времени из дозирующего устройства 9 начинается подача утилизируемого продукта и устройство переходит в рабочий режим.

По мере продвижения по постоянно прогреваемой реторте и, интенсивно перемешиваясь, утилизируемый продукт проходит стадию сушки - выпаривания, нагрева и пиролиза. В результате на устройство выгрузки 4 поступает раскалённый до температуры ~ 700°C угольный остаток, а в газоотводящую трубу 16 - парогазовая смесь, которые поступают в камеру сгорания для сжигания. Энергия сжигания обеспечивает постоянное нагревание реторты.

Сжигание угольного остатка происходит в нижней части камеры сгорания и обеспечивается своим дутьевым вентилятором 15.

Сжигание парогазовой смеси происходит в верхней части камеры сгорания и поддерживается факелом от сжигания угольного остатка. Подача воздуха в верхнюю и среднюю часть камеры сгорания также осуществляется отдельными дутьевыми вентиляторами 15.

Циклонная подача воздуха вентиляторами обеспечивает:

- многократную циркуляцию горящих топливных частиц и за счет этого устойчивое и полное сгорание;

- высокое давление в камере сгорания не дает угольному остатку и золе оседать на дно.

Высокое давление в камере сгорания, которое создают дутьевые вентиляторы, обеспечивает избыточное давление во всей системе без применения дымососа (вентилятора для дымоудаления) и эффективную работу гравитационного искрозолоуловителя 5.

Когда для поддержания процесса утилизации достаточно энергии сжигания парогазовой смеси, весь угольный остаток выгружается в бункер-тушитель.

Пример практического применения предлагаемого способа. На установке с конструкцией, рассчитанной на утилизацию 500 кг/час куриного помета, перерабатывалось ~ 2000 кг с влажностью 72%.

После розжига топки сухими древесными опилками в течение 25 минут в устройстве установились следующие параметры: 1. Температура в камере сгорания - 1150°C

2. Температура на передней части реторты

(на выходе из борова) - 970°C

3. Температура газов сгорания на выходе из корпуса - 504 ⁰ C

4. Температура в реторте - в передней части - 730°C

- в задней части (у дозирующего устройства) - 28O ⁰ C

После того, как установились эти параметры, началась подача помета в реторту.

В течение 15 минут после начала подачи помета установились следующие параметры: 1. Температура в камере сгорания - 940°C

2. Температура на передней части реторты

(на выходе из борова) - 790°C

3. Температура газов сгорания на выходе из корпуса - 48O ⁰ C

4. Температура в реторте

- в передней части - 690 ⁰ C

- в задней части (у дозирующего устройства) - 1 10 ⁰ C

В течение следующих 20 минут установился режим, который сохранялся в течение последующих 180 минут переработки 2000 кг помета.

1. Температура в камере сгорания - 1050 ⁰ C

2. Температура на передней части реторты

(на выходе из борова) - 870 ⁰ C

3. Температура газов сгорания на выходе из корпуса - 490 ⁰ C 4. Температура в реторте

- в передней части - 69O ⁰ C

- в задней части (у дозирующего устройства) - 115°C

По результатам измерения температуры и объема отходящих в дымовую трубу газов - выработано 480 кВт тепловой энергии.

По результатам контроля концентрации выбросов в атмосферу, выбросы вредных веществ не превысили ПДК.

Окислы азота - 0,042 мг/нм ³

Двуокись серы - 0,25 мr/нм ³ Результаты исследования свойств произведенного угольного остатка приведены в табл. 1 и 2.

Табл.l Результаты исследования некоторых свойств пиролизованных углеродных образцов.

1 П - пиролизованный помет,

2K - пиролизованный комбикорм,

Образец Ш - зольность 71% мacc.(600°C), образец 2K - зольность 65% масс.

Taбл.2

Результаты исследования некоторых сорбционных свойств пиролизованных углеродных образцов в сопоставлении с активным углем БАУ

*) начальная концентрация 0,98 мг/л;

**) начальная концентрация 1,01 мг/л;

***) окисляемость исходн.дист.воды 0,75 мгОг/л.

Из таблиц видно, что пиролизованный помет обладает ярковыраженными сорбционными свойствами.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Применяемые способ и устройство для утилизации влажных отходов уменьшают объем, тоннаж и класс опасности размещаемых отходов, тем самым, уменьшая экологическую нагрузку на окружающую среду и значительно снижая расходы на размещение и содержание отходов. Оба продукта (зола и угольный остаток, состоящий из 29% активированного углерода и 71% минеральной составляющей) имеют широкий спектр применяемости - от кормовых добавок и удобрений до наполнителей и связующих в стройиндустрии.