Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR RECYCLING MOIST WASTE MATTER COMPRISING ORGANIC MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/014094
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to methods for recycling organic waste matter with an increased moisture content and a high concentration of harmful substances. The recycling of moist waste matter comprising organic materials is performed in a thermal decomposition chamber, namely a metallic continuous-action charcoal retort. The progression of the waste matter within the retort is ensured with the aid of a rotor. Metered charging of the waste matter ensures a composition of gaseous products of pyrolysis which maintains stable combustion in the combustion chamber. The combustion chamber is in the form of a cyclone-vortex chamber and is equipped with blowing fans. Carbon residue is combusted in the lower zone of the combustion chamber, and complete combustion of the carbon residue and combustion of the gaseous products of pyrolysis fed from the retort are performed in the central and upper zones. The effluent gases are fed outside the retort and within the rotor for heating the recycled waste matter. The technical result consists in ensuring the ecological safety of the process, extending the range of recycled waste matter, reducing energy consumption and increasing efficiency.

Inventors:
SHWARZMAN ALEXANDER JAKOVLEVICH (RU)
MALKOV VIKTOR ANATOL EVICH (RU)
BARBUS EMEL JAN IVANOVICH (RU)
SMIRNOV IGOR IGOREVICH (RU)
SAMCHUK ANDREJ VASIL EVICH (RU)
PAHOLKOV MIHAIL REMOVICH (RU)
BESHENCEV SERGEJ VASIL EVICH (RU)
Application Number:
RU2009/000560
Publication Date:
February 03, 2011
Filing Date:
October 16, 2009
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SHWARZMAN ALEXANDER JAKOVLEVICH (RU)
MALKOV VIKTOR ANATOL EVICH (RU)
BARBUS EMEL JAN IVANOVICH (RU)
SMIRNOV IGOR IGOREVICH (RU)
SAMCHUK ANDREJ VASIL EVICH (RU)
PAHOLKOV MIHAIL REMOVICH (RU)
BESHENCEV SERGEJ VASIL EVICH (RU)
International Classes:
F23G5/027; F23G5/14
Foreign References:
RU75711U12008-08-20
SU1548601A11990-03-07
US5669317A1997-09-23
RU2084760C11997-07-20
Attorney, Agent or Firm:
VASSYLIEVA, Galina Semenovna (RU)
ВАСИЛЬЕВА Галина Семеновна (RU)
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

1. Способ утилизации влажных отходов, содержащих органические материалы, включающий 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,

о т л и ч а ю щ и й с я тем, что камера термического разложения представляет из себя металлическую углевыжигательную реторту непрерывного действия, внутри которой расположен 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 дополнительно пропускают внутри ротора, увеличивая тем самым контактную поверхность нагрева утилизируемых отходов, камера сгорания выполнена 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

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что размеры реторты определяются необходимой производительностью устройства, при этом отношение ее длины к диаметру должно быть 15:1.

3. Способ по п. 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что часть пиролизньгх газов отводится из реторты в газопоршневую электростанцию.

4. Способ по п.З., о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве влажных отходов, содержащих органические материалы, могут быть куриный помет, экскременты других домашних животных, лигнин, древесные отходы, иловые отложения и др.

5. Устройство для утилизации влажных отходов, включающее 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,

отличающее ся тем, что камера термического разложения выполнена в виде углевыжигательной реторты непрерывного действия, внутри которой расположен ротор, соединенный с камерой сгорания второй газоотводной трубой, загрузка утилизируемых отходов происходит с помощью газоплотного дозирующего устройства, камера сгорания выполнена в виде циклонно-вихревой камеры и снабжена дутьевыми вентиляторами.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что размеры реторты определяются необходимой производительностью устройства, при этом отношение ее длины к диаметру должно быть 15:1

7. Устройство по п.6, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что реторта соединена с газопоршневой электростанцией.

8. Устройство по п.7., отличающееся тем, что в качестве влажных отходов, содержащих органические материалы, могут быть куриный помет, экскременты других домашних животных, лигнин, древесные отходы, иловые отложения и др.

Description:
Способ и устройство для утилизации влажных отходов, содержащих органические материалы

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.