Сжигание отходов на основе замкнутого цикла.

Настоящее изобретение относится к сжиганию органических отходов, в частности к сжиганию отходов на основе замкнутого цикла с использованием концентрированного кислорода.

Твердые бытовые отходы, шлам, образующийся при очистке сточных вод, и шлам бумагоделательного производства часто перерабатывают методом сжигания. Такие отходы содержат горючие органические вещества и неорганические окислы металлов. При сжигании горючих органических веществ обычно выделяется достаточное количество тепловой энергии для поддержания высокой температуры в топочной камере без необходимости использования дополнительного топлива. Неорганическая часть отходов характеризуется наличием некоторого количества диоксида кремния (SiO2 ) и других стеклообразующих окислов металлов. Если для сжигания отходов используют установку, в которой в качестве продуктов горения образуется шлак, такую как карусельная или циклонная печь, неорганическая часть отходов может нагреваться до температуры плавления. Образующийся расплав выводят из топочной камеры в виде шлака.

В обычных установках, рассчитанных на сжигание органических отходов, в качестве источника окисления используют воздух. Поскольку практически четыре пятых состава воздуха приходится на инертные газы (главным образом, азот), большая часть воздуха не участвует в процессе горения. По существу, присутствие в воздухе инертного газа создает ряд существенных проблем. Во-первых, снижается температура пламени горения, из-за чего становится трудно поддерживать температуру, необходимую для плавления неорганических окислов металлов, присутствующих в отходах. Во-вторых, отработавшие газы, образующиеся в результате сжигания, в значительной мере загрязнены азотом, вследствие чего образуются значительные объемы выхлопных газов, требующих дополнительной очистки перед их выбросом в атмосферу.

Для уменьшения нежелательного воздействия азота при сжигании опасных отходов было предложено наряду с возвращенными в повторный цикл выхлопными газами вводить в топочную камеру кислород. Смотри патент США 5309850, выданный 10 мая 1994 на имя Downs и др.

В настоящем изобретении для очистки безопасных отходов и их переработки в полезный конечный продукт в замкнутом цикле также используют концентрированный кислород.


КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Согласно изобретению безопасные органические отходы вводят в топку для сжигания. В результате сгорания отходов образуются выхлопные газы и шлак в виде расплавленной неорганической золы, которую удаляют из топки. Выхлопные газы очищают с целью удаления большей части содержащихся в них твердых частиц. Часть очищенных выхлопных газов смешивают с источником концентрированного кислорода в таком соотношении, чтобы объемная концентрация кислорода в полученной газовой смеси составляла, по меньшей мере, 30%. Газовую смесь вводят в топку для поддержания процесса горения отходов.

Объемное содержание кислорода в газовой смеси предпочтительно составляет от около 40 до 50%. Перед смешиванием с концентрированным кислородом выхлопные газы могут быть подвергнуты охлаждению и осушению.

Также в соответствии с изобретением вторую часть очищенных выхлопных газов подвергают очистке с целью удаления из нее углекислого газа. Удаленный углекислый газ предпочтительно преобразуют в жидкое состояние.

В одном из вариантов осуществления изобретения часть тепла выхлопных газов передают смеси газов перед ее подачей в топку.

Изобретение также включает установку для осуществления способа.

В результате осуществления способа по изобретению образуются полезные продукты. Сжиженный углекислый газ может быть использован в коммерческих целях. Полученный таким способом углекислый газ мог бы заменить углекислый газ, который в настоящее время получают из природного газа или других природных источников, и тем самым сохранить природные ресурсы. Содержащиеся в отходах неорганические продукты преобразуют в стекловидное вещество в виде высокоинертных гранул, которые могут применяться в качестве строительного материала. В обычных установках для сжигания отходов образуется зола, которую необходимо сбрасывать в отвал. За исключением небольшого количества неконденсируемого газа, образующегося на выходе системы восстановления углекислого газа, не происходит выбросов в атмосферу, а воздействие на окружающую среду является несущественным по сравнению с обычными методиками сжигания, характеризующимися существенными выбросами.

Вышеназванные и прочие задачи и преимущества изобретения раскрыты в следующем ниже подробном описании со ссылкой на приложенном чертеже, где проиллюстрирован вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.1, сухие отходы (с достаточно низким для поддержания горения содержанием влаги) по линии 7 подают в смеситель 9. В некоторые отходы с целью оптимизации точки плавления и обеспечения высокого качества полученного стекловидного шлака необходимо добавлять флюс или стеклообразующие вещества (такие как SiO2) или и то, и другое. Флюс и/или стеклообразующее вещество подают по линии 8 в смеситель 9. Полученную смесь по линии 10 подают в топочную 11 камеру.

Отходы могут включать шлам, образующийся в результате бумагоделательного производства и очистки бытовых сточных вод, твердые бытовые отходы или подобные материалы. Отходы имеют меньшую теплотворную способность, чем обычные виды топлива, и более высокое содержание золы, чем у обычных твердых видов топлива, таких как уголь. Их теплотворная способность обычно находится в пределах 500-9000 Бте/фунт (1163-20934 килоджоулей/килограмм), но не ограничена данным диапазоном. Содержание золы обычно находится в пределах от 5 до 65%.

Топочная камера 11 представляет собой камеру с огнеупорной футеровкой, рассчитанную на обеспечение должного контакта отходов и источника газа. Топочная камера может представлять собой камеру с водяным охлаждением, циклонную или карусельную печь. Средняя рабочая температура в топочной камере обычно находится в пределах 2500-3500°F (1371-1927°С). Рабочая температура внутри топочной камеры 11 недостаточно высока для плавления неорганической золы, содержащейся в отходах, и ее перехода в текучее состояние. Расплавленную неорганическую золу отводят через дно топочной камеры 11 по линии 12, после чего осуществляют гашение шлака.

Образовавшийся в результате горения выхлопной газ, имеющий температуру 2500-3500°F (1927-1371°С), выходит из топочной камеры по линии 13 и поступает в смесительную камеру 14. Горячие выхлопные газы смешиваются с возвращенным в повторный цикл охлажденным газом, поступающим по линии 33. Поток возвращенного в повторный цикл охлажденного газа регулируют с целью поддержания температуры газа, выходящего из смесительной камеры 14 по линии 15, в пределах 750-4000°F (399-760°С). В альтернативном варианте осуществления смесительная камера 14 заменена паровым котлом.

По линии 15 выхлопной газ поступает в газогазовый теплообменник 16, в котором тепло выхлопного газа передается восстановленному и возвращенному в повторный цикл газу - рабочему газу. Желательно, но не обязательно, чтобы теплообменник 16 зависел от рабочих параметров системы. Затем выхлопной газ проходит по линии 17 и попадает в паровой котел или водонагреватель 18, в котором происходит дополнительное охлаждение выхлопного газа. Подаваемая вода поступает в котел 18 по линии 19, а по линии 20 из него выходит пар. Охлажденный рабочий газ выходит из парового котла 18 по линии 21 и поступает на фильтр 22, улавливающий мелкие частицы и удаляющий их из системы по линии 23. Не содержащий частиц выхлопной газ проходит через фильтр по линии 24 и попадает в конденсатор 25 водяного пара. Охлажденная циркулирующая вода поступает по линии 26 и выходит по линии 27. Из парообразного выхлопного газа конденсируют большую часть водяного пара и выводят по линии 28. Конденсатор 25 пара предпочтительно выполнен из устойчивых к коррозии материалов. Конденсатор пара также дополнительно удаляет частицы, не уловленные фильтром 22.

После удаления большей части водяного пара из выхлопного газа он выходит по линии 29. На этом этапе осуществления способа большая часть (75-95 объемных процентов) потока рабочего газа представляет собой углекислый газ (СО2) наряду с небольшим количеством азота (N2), кислорода (О 2) и водяного пара (Н2О). Поток рабочего газа также содержит остаточные количества двуокиси азота (NO2 ), двуокиси серы (SO2), летучих органических соединений (НхСу), соляной кислоты (HCl), окиси углерода (СО) и твердых частиц.

Первую часть потока газа по линии 31 возвращают в повторный цикл в контур горения, а оставшийся поток газа по линии 30 поступает на дальнейшую переработку. Массовый расход потока углекислого газа, проходящего по линии 30, равен количеству углекислого газа, образовавшегося на стадии сгорания в условиях стабильной работы. Первая часть потока газа, подлежащая возвращению в повторный цикл, поступает в вентилятор 32, обеспечивающий напор, необходимый для преодоления потерь давления, происходящих по мере прохождения потока газа по замкнутому контуру. Поток газа выходит из вентилятора 32 и разделяется на линии 33 и 34. В линии 34 поток газа смешивается с концентрированным кислородом, поступающим по линии 40, ведущей из источника 38. Объемная концентрация кислорода в линии 40 обычно находится в пределах от 90 до 95%. В линию 35 поступает поток газовой смеси из линий 34 и 40, которая была подвергнута восстановлению и содержит достаточное количество кислорода для поддержания горения.

Обычная концентрация кислорода в потоке восстановленного газа может колебаться в пределах от 30 до 80 объемных процентов, а оптимальная концентрация составляет от 40 до 55%. Желательную концентрацию кислорода в потоке восстановленного газа выбирают с учетом поддержания оптимальной температуры горения и эффективности сгорания в топочной камере 11. Желательная концентрация кислорода может колебаться в зависимости от типа сжигаемых отходов, технологии сжигания и других эксплуатационных факторов. Количество кислорода в потоке газовой смеси замеряют с помощью кислородного датчика 57 и регулируют клапаном 58, расположенным на линии 40.

Восстановленный в линии 35 газ поступает в газогазовый теплообменник 16, в котором ему отдает тепло выхлопной газ. Эффективность сжигания повышается за счет более высокой температуры восстановленного газа. Температура восстановленного газа обычно находится в пределах от 400-1200°F (204-649°С). Нагретый восстановленный газ поступает в линию 36, откуда он далее попадает в топочную камеру 11.

В воздухоразделительной установке 38, в которую по линии 37 поступает воздух и в которой происходит отделение кислорода (O2) от азота (N2), выделяют концентрированный кислород. Кислород выходит по линии 40, тогда как азот выпускают в атмосферу по линии 39. Сепарация воздуха хорошо известна из техники. Ее можно осуществить множеством способов, например методом вакуумного поглощения или криогенного разделения. Любой из способов способен обеспечить соответствующий источник концентрированного кислорода.

В особых условиях, когда нежелательно восстановление углекислого газа, вторая часть выхлопных газов из линии 30 может быть отведена непосредственно в атмосферу или направлена через фильтр тонкой очистки (не показан) и затем в атмосферу.

Если углекислый газ необходимо восстановить, выхлопные газы из линии 30 поступают в систему 41 очистки газа. Присутствие остаточных количеств различных газов может отрицательно влиять на качество продукта и его пригодность для реализации. В число таких газов входят двуокись азота (NO2), двуокись серы (SO2), соляная кислота (HCl), газы на основе углеводорода (НxСy) и окись углерода (СО). Присутствие различных соединений и их концентрация зависят от вида сжигаемых отходов и рабочих параметров системы сжигания.

На практике система 41 состоит из нескольких ступеней, в число которых входят: теплообменники, служащие для изменения температуры газа, газонагреватели, слои катализатора (для уменьшения присутствия остаточных количеств таких газов, как NO2, СО, Н xСy в N2, Н2О и CO 2), скрубберы (для непосредственного удаления HCl и SO 2 с использованием реагентов), осушители или влагопоглотители (для удаления водяного пара) и фильтры тонкой очистки (для удаления любых мелких частиц), при этом ступени не обязательно ограничены приведенным перечнем. Порядок следования и выбор различного оборудования для удаления остаточных количеств газов известны из техники и зависят от их исходных концентраций и от желательных свойств целевого продукта.

Очищенные газы выходят из системы 41, попадают в линию 42, а затем в компрессор 43. Давление газа на входе в компрессор составляет 1,0 атмосферу (14,7 фунтов на кв. дюйм) или менее. Для обеспечения соответствующих условий, позволяющих преобразовать углекислый газ в жидкое состояние, газ в компрессоре 43 сжимают под давлением от 20 до 65 атмосфер. Сжатый газ выходит по линии 46. Компрессор охлаждают водой, поступающей по линии 44, а нагретую воду отводят по линии 45.

Сжатый газ поступает в теплообменник 48, в котором его опосредованно охлаждают охладителем, поступающим по линии 47. Температура охладителя обычно находится в пределах 30-(-30)°F ((-1)-(-34)°С) в зависимости от исходного рабочего давления в газовом компрессоре и требуемой степени эффективности удаления углекислого газа. Часть углекислого газа преобразуют из газообразного в жидкое состояние и выводят по линии 49. Азот и кислород наряду с некоторым количеством не перешедшего в жидкое состояние на первом этапе углекислого газа выводят по линии 50 и подают в теплообменник 52. Поступающий по линии 51 охладитель, температура которого обычно находится в пределах от 0-(-55)°F ((-17)-(-48)°С), дополнительно охлаждает выхлопные газы и преобразует дополнительное количество углекислого газа в жидкое состояние. Дополнительное количество углекислого газа выводят по линии 53 и в линии 55 добавляют к углекислому газу, поступающему по линии 49. Углекислый газ, поступающий по линии 55, представляет собой обычную жидкую двуокись углерода. Газ, выходящий по линии 54, отводят, при этом он состоит главным образом из азота и кислорода наряду с небольшим количеством углекислого газа, не перешедшего в жидкое состояние.

Второй этап сепарации (теплообменник 52) осуществляют по желанию в зависимости от требуемой степени эффективности удаления СО2. Если второй этап сепарации не проводят, выход линии 50 выводят в атмосферу.

Для поддержания температуры, необходимой для плавления неорганических веществ, в топочную камеру 11 по линии 60 может быть подано дополнительное топливо, например природный газ, пропан, нефтяное топливо, древесина и уголь.

Имя изобретателя: БОДХЬЮИН Томас Джей (US)

Имя патентообладателя: МАЙНЕРДЖИ КОРП. (US)

Адрес для переписки: 119296, Москва, а/я 113, пат.пов. Э.П.Песикову, рег.№ 204

Защищено патентом РФ № 2291998