Изобретение относится к области переработки бытовых отходов. В частности к плазменной промышленной переработке твердых бытовых отходов с полной утилизацией вторичных продуктов переработки.

Основные принципы технологий плазменной переработки твёрдых бытовых отходов базируются на получении электроэнергии на основе использования продуктов переработки отходов, в которых получаемый в результате газификации и пиролиза органических компонентов отходов топливный газ подаётся в газовую турбину, а продукты сгорания из газовой турбины используются для получения пара с последующей подачей его в паровую турбину. Такой газо-паротурбинный энергоблок обеспечивает генерирование электроэнергии с к.п.д. порядка 35-40%. Энергия сбросного пара может использоваться для теплоснабжения внешних потребителей. Недостатком этих технологий является загрязнение окружающей среды и большое количесво отходов, на пригодных к дальнейщему использованию.

Во всех известных способах переработки коммерческими составляющими процесса переработки отходов являются электроэнергия, тепло и шлак. Учитывая тот факт, что, в отличие от развитых индустриальных стран, где тариф за утилизацию муниципальных отходов достигает 150-180 долларов за тонну, при котором обеспечивается приемлемый уровень рентабельности технологии и сроков её окупаемости, в России (как и во многих других странах) принятый уровень платежей за утилизацию муниципальных отходов не позволяет обеспечить требуемый уровень рентабельности плазменных технологий, что сдерживает их применение, несмотря на очевидные экологические преимущества. Известна технология плазменной газификации и переработки твёрдых бытовых отходов, обеспечивающих полную деструкцию органических компонентов отходов с образованием горючего топливного газа и стеклоподобного шлакового компаунда (RU 2108517), где установка включает плазмо-термический реактор, в который загружаются подлежащие переработке отходы и подаётся горячий воздух или другой рабочий газ (например, аргон), генерируемый электродуговым нагревателям (плазмотроном), под воздействием которого органическая соствляющая материала отходов подвергается газификации и пиролизу с получением топливного газа, а неорганическая составляющая отходов переплавляется, образуя шлаковый компаунд, который периодически высвобождается из подовой части реактора. Недостатком известного устройства является низкий к.п.д. устройства.

Известна технология (US 6,686,556 B2), по которой генерируемый топливный газ подвергается последующему сжиганию с получением высокотемпературных продуктов сгорания, тепловая энергия которых может использоваться либо для теплоснабжения внешних потребителей, либо для получения пара и, посредством этого, - электроэнергии с использованием паротурбинных электрогенераторов. При такой схеме генерирование электроэнергии реализуется с к.п.д. порядка 18-20% относительно энергосодержания топливного газа. Получаемый в результате переплава неорганических компонентов отходов шлаковый компаунд предназначается для использования в качестве строительного материала или в качестве добавок в материалы дорожного покрытия. Недостатком известного способа является невозможность получения в результате переработки материалов, пригодных к дальнейшей переработке или пригодных к разделению на экономически более выгодные вещества и компоненты.

Известен способ плазменной переработки твёрдых бытовых отходов, в котором получаемый в результате термической переработки отходов пирогаз используется затем для выделения из него и получения водорода (например, WO 2004/072210 A1). Недостатком указанного способа является высокая себестоимость получаемого водорода.

Известен способ ( US 6,686,556 )( прототип ) , по которому материал отходов превращается в газообразный продукт, включая двуокись углерода и воду, затем подвергается переработке в специальной камере, содержащей раскалённый уголь, с получением топливного газа, содержащего окись углерода, водород и углеводороды. Затем этот газ сжигается в газотурбинном генераторе с получением электроэнергии. Отходящие из турбины газы затем перерабатываются в другой камере, содержащей раскалённый уголь, с целью получения дополнительного количества водорода, окиси углерода и метана. Получаемый в результате этого процесса газ может также подаваться в турбины или на сепарацию водорода с конверсией остаточной окиси углерода в метан и кислород, также для питания турбин. Недостатком указанного способа является наличие неполной переработки, в частности наличие шлаковых отходов, не пригодных к переработе.

Техническим результатом, на который направлено заявленное изобретение является повышение эффективности процесса переработки твёрдых бытовых отходов, расширение перечня получаемых продуктов переработки и повышение уровня экологической безопасности процесса.

Указанный технический результат достигается за счет того, что технологический комплекс плазменной безотходной переработки твёрдых бытовых отходов с полной утилизацией вторичных продуктов переработки включает плазмотермический реактор с системой плазменного нагрева, соединенный с устройствами загрузки отходов, подачи пара и корректирующих присадок, с системами выпуска жидкого шлака и пирогаза, соединенный с реактором аппарат предварительной очистки пирогаза от пыли и смол, камеру синтеза сиалона и обжига изделий из него с газовыми грелками, работающими на подаваемом из аппарата предварительной очистки пирогазе, снабженную системой подачи в камеру синтеза заготовок из алюмо-силикаатной смеси, а также, расположенными на выходе пирогаза из камеры синтеза, сменными блоками сорбционной очистки непрореагировавшего пирогаза от азота, кислорода и сернистых примесей, технологическую камеру карбидизации заготовок из кремний- металлической смеси, оснащенную горелками, работающими на сорбционно очищенном пирогазе, камеры мембранной сепарации водорода из состава пирогаза, непрореагировавшего в технологической камере карбидизации, соединенной с газгольдерами для хранения водорода, газовую турбину, работающую на сорбционно очищенном пирогазе с добавлением части топливного газа, получаемого из камеры мембранной сепарации водорода, соединенную с котлом-утилизатором, пароуюя турбину, работающую на паре от котла-утилизатора, и соединенную с электрогенератором, снабжающим энергией аппараты обратноосмотического обессоливания воды, соединенные с дистиллятором, работающим с использованием сбросного пара паровой турбины, причем газовая турбина снабжена системой выброса в атмосферу отработавших продуктов сгорания с нейтрализацией диоксинов продуктов сгорания на основе применения аппарата низкотемпературной каталитической деструкции, котел-утилизатор оснащен фильтром очистки сбросных газов, системы выпуска жидкого шлака соединены с технологической линией формирования нановолокна, теплоизоляционного полотна и изделий из него.

Схема технологического комплекса представлена на Фиг. 1 , где обозначены:

1 - плазмотермический реактор,

2 - подача отходов в реактор,

3 - подача электроэнергии в плазмотроны, - подача воздуха (рабочего газа) в плазмотроны,

5 - подача пара в реактор,

6 - удаление шлакового расплава из реактора,

7 - технологическое оборудование для формирования нановолокна из шлакового расплава и изготовления теплоизоляционного полотна,

8 - выход теплоизоляционного полотна,

9 - выход пирогаза из плазменного реактора, 10-aппapaты предварительной очистки пирогаза, 11 -удаление отсепарированных примесей, 12-выxoд предварительно очищенного пирогаза, 13-кaмepa синтеза и обжига сиалона,

14-yчacтoк формования Si-Al- заготовок из смеси порошка кремния и алюминия,

15-пoдaчa порошка кремния на формование заготовок,

16-пoдaчa порошка алюминия на формование заготовок,

17-выпycк готовой продукции из сиалона,

18-пoдaчa пирогаза, освобождённого от азота, кислорода и части примесей,

19-гaзroльдep очищенного пирогаза,

20-тexнoлoгичecкaя камера карбидизации заготовок,

21- подача заготовок из металлокерамики, карбидов тугоплавких металлов и огнеупоров,

22- выпуск готовой продукции из сиалона,

23- участок формования заготовок из металлокерамики, карбидов тугоплавких металлов и огнеупоров,

24- подача порошка кремния,

25- подача порошка тугоплавких металлов,

26- выпуск ацетилена в смеси со свободным водородом,

27- камера мембранной сепарации водорода и получения жидкого топлива, 28-пoдaчa технологического водорода в камеру карбидизации, 29-пoдaчa свободного водорода на хранение в газгольдеры,

30- подача жидкого топлива в силовую энергоустановку, 31-энepгoгeнepиpyющaя установка на жидком топливе,

32- подача топливного газа на газовую турбину,

33- подача очищенного пирогаза на газовую турбину,

34- газовая турбина,

35-выxoд отработавших газов из газовой турбины,

36-кoтёл-yтилизaтop получения пара,

37-фильтp окончательной очистки сбросных газов,

38-гaзoвый выброс в атмосферу,

39-пoдaчa пара на паровую турбину,

40-пapoвaя турбина,

41 -электрогенератор,

42-пoдaчa тепла внешним потребителям,

43- подача пирогаза для питания газовых нагревателей,

44- подача электроэнергии на обратноосмотическую установку обессоливания морской воды,

45-пoдaчa электроэнергии внешним потребителям,

46- подача пара на дистилляционную установку,

47- подача морской воды,

48- установка обратного осмоса,

49- подача предварительно обессоленной воды на дистилляцию,

50- дистиллятор,

51- подача пресной воды внешним потребителям, 52-пoдaчa водорода внешним потребителям, 53-пoдaчa электроэнергии внешним потребителям.

Технологический комплекс работает следующим образом.

В плазмотермическом реакторе 1 , оснащённом одним или несколькими плазмотронами с подаваемой электроэнергией 3, в которых в качестве рабочего тела используется воздух 4, происходит газификация и пиролиз загружаемых несортированных твёрдых бытовых отходов 2 (ТБО) с получением пирогаза, содержащего водород, окись и двуокись углерода, кислород, метан и другие углеводороды, воду, а также азот и сопутствующие примеси в форме пыли и смол. Для обеспечения оптимального состава пирогаза в реактор может подаваться водяной пар 5, а с целью корректировки химического состава шлака, образуемого, в основном, за счёт переплава неорганических компонентов ТБО, - могут добавляться также флюсы в небольшом количестве. Последнее определяется требованием получения шлака, близкого по химическому составу к базальту.

Выходящий из реактора пирогаз 9 после предварительной очистки от пыли и смолы в аппаратах пыле- и смолоотделения 10 подаётся в камеру 13 синтеза и обжига сиалона. Туда же с участка 14 поступают отформованные из смеси порошка кремния (85%)15 и алюминия (15%)16 заготовки, материал которых, реагируя с азотом и кислородом пирогаза 12, преобразуется в сиалон. Соотношение реагентов - пиролизного газа и кремний-алюминиевого материала - при этом находится в соотношении 1 : 0,4 по массе. В рабочем пространстве камеры 13 происходит обжиг полученных деталей из сиалона при температуре 1700 ⁰ C, создаваемой с помощью газовых нагревателей, работающих на пирогазе, отбираемом на входе в камеру 13 (при необходимости в горелки может добавляться водород, получаемый в результате дальнейшей переработки пирогаза). В результате из камеры 13 выходят изделия из сиалона 17, номенклатура которых определяется регламентом работы формовочного участка 14.

Из камеры 13 пирогаз, освобождённый с помощью сменных блоков сорбента от остатков азота, кислорода и соединений серы, подаётся в газгольдер 19 и далее в технологическую камеру 20 карбидизации заготовок из тугоплавких металлов и обжига заготовок из керамики, металлокерамики, жаростойкой футеровки и пр., подаваемых из участка 23 формирования заготовок 21. Под воздействием высокой температуры, создаваемой газовыми горелками, большая часть углерода, содержащегося в пирогазе, связывается кремнием и металлами, содержащимися в заготовках 21. С этой целью в процесс вводится дополнительно около 350 кг кремния и 50 кг металла на тонну пирогаза.

Далее остаточная газовая смесь 26 подаётся в камеру мембранной сепарации водорода 27, где обеспечивается выделение свободного водорода в количествах примерно 50-60 кг на тонну ТБО, а также ряд других ценных для промышленности углеводородов, таких как ацетилен, этилен или метанол (в количествах порядка 80 кг на тонну ТБО).

Полученный водород может поступать на хранение 29 , а затем для поставки внешним потребителям 52 или в качестве топливного реагента для обеспечения работы электрохимических генераторов свободной электроэнергии (или 28 - подаваться в камеру карбидизации ).

В другом варианте водород может подмешиваться 32 к пирогазу для обеспечения работы газовой турбины 34 и связанного с ней электрогенератора 38 с выработкой свободной электроэнергии для подачи внешним потребителям 45 или обеспечения работы другого технологического оборудования. Отработавшие горячие газы от газовой турбины 34 подаются на котёл-утилизатор 36 для получения технологического пара 39, который, в свою очередь, используется для работы паровой турбины 40 с электрогенератором 41.

В совокупности такая схема энергоблока способна обеспечить достижение суммарного к. п. д. выработки электроэнергии на уровне до 45- 50%. Охлаждённые отработавшие продукты сгорания из газовой турбины 34 после котла-утилизатора 36 пропускаются через блок низкотемпературной каталитической деструкции диоксинов 37 и подаются на выброс в атмосферу 38 с параметрами, обеспечивающими экологическую безопасность согласно установленным требованиям.

Сбросной пар из паровой турбины 40 может подаваться либо для теплоснабжения внешних потребителей 42, либо на испарительную дистилляционную батарею 50 , где из подаваемой морской воды 47 получают пресную воду 51. С этой же целью в технологическую цепочку включён блок 48 обратноосмотического обессоливания воды, для работы которого может быть использована технологическая электроэнергия 44, получаемая от газотурбинного электрогенератора 41.

Из плазмотермического реактора 1 шлаковый расплав 6 поступает на технологическое оборудование 7 для формирования нановолокна из шлакового расплава и изготовления теплоизоляционного полотна 8.

Использование заявленного изобретения позволяет произвести полную утилизацию BTO с получением: теплоизоляционных материалов, обладающих высокой термостойкостью и хорошими теплоизолирующими свойствами и пользущихся спросом в строительной индустрии;

- сиалона, изделия из которого находят большой спрос в различных отраслях промышленности, в том числе в промышленности высоких технологий;

- пресной воды;

- водорода;

- электроэнергии;

- тепловой энергии.

Таким образом, технико-экономическим результатом применения предлагаемого технологического комплекса является его высокую рентабельность и возможность получения разнообразных ценных продуктов на основе экологически чистой утилизации вторичных продуктов переработки твёрдых бытовых отходов.