Когенерационный комплекс по переработке бытовых и промышленных отходов

Предлагается когенерационный комплекс по переработке бытовых и промышленных отходов на основе установки быстрого пиролиза и среднеоборотного двигателя внутреннего сгорания с выработкой электрической и тепловой энергии. Двигатель внутреннего сгорания помимо основной роли по переработке продуктов пиролиза частично выполняет функции технологического процесса пиролиза, в котором источником и носителем тепловой энергии являются выпускные газы, имеющие высокую температуру при отсутствии кислорода.

Полезная модель относится к области экологии и энергетики.

Она может быть применена для утилизации нефтяных, масляных и жировых отходов а также для утилизации органических бытовых и промышленных отходов с получением при этом жидкого, газового и твердого топлива, которое в этом же комплексе генерируется в электрическую и тепловую энергию, готовую для прямого использования в электрических и тепловых сетях.

Известны способы и установки утилизации бытовых отходов путем захоронения их в землю [1].

В этом случае выводятся из полезного оборота на долгое время большие площади земли, которая экологически заражается.

Известны так же установки огневой переработки отходов [2].

При этом, в результате высоких температур в огневых камерах, превышающих 1000 град. С., образуются очень вредные химические соединения, которые загрязняют атмосферу. Очистка этих газов очень сложная и дорогая операция. Кроме того, для сжигания отходов требуется много тепловой энергии.

Известны установки, в которых путем термохимического процесса получаются продукты близкие по химсоставу к минеральным удобрениям и к пищевым добавкам для скота [3]. Однако, степень их загрязненности, как вторичных продуктов, настолько высока, что они не пользуются спросом у потребителей.

В качестве прототипа принимаем способ безотходной переработки углеродосодержащих веществ [4], таких как древесные отходы, при которых отходы высушивают при температуре 155-160 град. С. до влажности не более 2-3%, паровоздушную смесь очищают и отводят, высушенные древесные отходы подвергают последующему пиролизу в реакторе без доступа кислорода при температурах 525-670 град.С. в течение не более 5 с, а образовавшийся пиролизный газ через теплообменник направляют в систему конденсации для разделения на жидкое топливо и синтез газ.

Недостатком прототипа является то, что теплотворная способность синтетического газа и синтетической нефти, примерно, в два раза меньше, чем у природного газа и углеводородного натурального дизельного топлива. Общепромышленные высокооборотные двигатели внутреннего сгорания на таком топливе работать не могут.

Поэтому, синтетические газ и нефть поступают на специальные станции по их переработке. До этого они проходят стадии логистики, включающие сбор, складирование, контроль качества, сертифицирование, транспортировку, погрузку, разгрузку и т.п. С учетом расходов на сам процесс переработки и доставки их потребителю, стоимость этих продуктов превышает стоимость природных ресурсов. По этой причине в настоящее время уже часть, построенных ранее производств по выработке биогаза и этанола из органического возобновляемого природой сырья, закрывается.

Кроме того, для некоторых видов сырья, например, бурого угля и сланцев, температуры пиролиза 670 град.С. оказывается недостаточно и требуется дополнительная подача тепловой энергии в пиролизный реактор, что снижает эффективность комплекса.

Также малоэффективна переработка в пиролизном реакторе жидких углеводородосодержащих отходов, таких, как загрязненные нефтепродукты, отработанные масла и кулинарные жиры. Слишком много тратится энергии на их высушивание перед подачей в пиролизный реактор.

Целью предлагаемой модели является устранение недостатков прототипа.

Подбирается высокоресурсный среднеоборотный двигатель внутреннего сгорания с частотой вращения коленчатого вала не более 1000 об/мин, предпочтительно, в газодизельном варианте. Он модернизируется в части газоподачи и топливоподготовки синтезнефти и некондиционных нефтепродуктов и кулинарных жиров с их активацией и образованием водотопливных и водомасляных эмульсий.

Нужно отметить, что двигатель внутреннего сгорания имеет самый высокий электрический коэффициент полезного действия среди тепловых двигателей. Он лишь незначительно снижается при долевых нагрузках. Это его существенное преимущество перед турбинными двигателями.

Выпускные газы двигателя внутреннего сгорания, не содержащие кислород, но имея высокую температуру, направляются вначале, частично или полностью в пиролизный реактор, где выполняют функции источника теплоэнергии и теплоносителя одновременно.

Таким образом, органические бытовые и промышленные отходы, используя энергию выпускных газов двигателя внутреннего сгорания, а так же тепловую энергию, выделяемую в пиролизном реакторе за счет экзотермических процессов и процессов фазовых переходов на уровне реализации нанотехнологий, преобразуются в три вида топлива: синтез-газ, синтез-нефть и порошкообразное высокоуглеродистое вещество. Они никуда не транспортируются, а непосредственно в комплексе преобразуются в электрическую и тепловую энергию и передаются в соответсвующие сети.

Синтез-газ и синтез нефть подаются, как топливо, в двигатель внутреннего сгорания. При необходимости в синтез-нефть дозировано подается вода и в блоке топливной подготовки двигателя создается водотопливная эмульсия. Через этот же блок подготовки пропускаются жидкие нефтяные, масляные и жировые отходы, минуя пиролизный реактор.

Высокоуглеродистое вещество подается в обычный водогрейный твердотопливный котел, из которого горячая вода так же направляется в теплосеть.

В итоге предлагаемый комплекс практически может утилизировать в одном месте все виды органических бытовых и производственных отходов, выдавая экологически чистую стандартную электрическую и тепловую энергию, не потребляя при этом никакой энергии извне и не оставляя никаких отходов.

Имея небольшие габариты и вес такой комплекс в блочно модульном исполнении с быстроразборным и транспортабельным помещением, с двигательгенератором, установленным посредством амортизаторов на единой подмоторной раме, не требующей глубокого фундамента, можно считать мобильным. В случае необходимости кратковременного отключения двигателя, например, для профилактического или аварийного ремонта при минусовых температурах окружающей среды, комплекс остается в рабочем состоянии с некоторым снижением производительности. Учитывая это, для холодных регионов целесообразно, чтобы весь комплекс был «под одной крышей». В этом случае требование к теплоизоляция помещения снижается и конструкция помещения может быть облегченной.

В различных регионах приоритетной может быть или функция утилизации отходов или функция выработки электрической и тепловой энергии.

Например, для крупных городов главной задачей является утилизация городских отходов. В тоже время потребности в электрической и тепловой энергии там неограничены. Поэтому, утилизация отходов по предлагаемой полезной модели здесь становится менее обременительной для регионального бюджета за счет компенсации расходов по утилизации путем реализации электрической и тепловой энергии.

В отдаленных районах, в сравнительно небольших поселениях, особенно в северо-восточных областях, на первый план выступает электрическое и тепловое обеспечение. Если возникает дефицит сырья в виде бытовых и производственных отходов, то его можно компенсировать за счет специальной добавки некондиционной древесины или торфа.

Для приближенной оценки и оптимизации экономических параметров выбираемого комплекса на основе проведенных расчетов и опыта эксплуатации головного образца можно исходить из того, что комплекс с единичным двигателем внутреннего сгорания и единой пиролизной установкой, перерабатывающий отходы в количестве 10000 тонн в год будет выдавать 1000 кВт/час электрической энергии и 0,9 Гкал тепловой энергии.

При выборе более мощных комплексов целесообразно применять несколько двигателей внутреннего сгорания, но с более мощной одной пиролизной установкой. То есть, целесообразно иметь ряд комплексов: с одним, двумя, тремя и так далее двигателями, имеющими производительность по отходам 10000, 20000, 30000 и более тонн в год.

Так же необходимо учесть, что более высокая стоимость среднеоборотных двигателей компенсируется увеличенными ресурсами, лучшей приспособленностью к высоковязким топливам, вплоть до гудронов.

Нужно также учесть, что в предлагаемом комплексе двигатель решает одну из главных задач пиролизного процесса тем, что его выпускные газы являются одновременно и источником высокотемпературного тепла и теплоносителем без кислорода.

На Рис.1 представлена блок-схема когенерационного комплекса с использованием технологии быстрого пиролиза.

Он состоит из двигателя внутреннего сгорания 1 с системой выпуска отработавших газов 2, электрогенератора 3, пиролизного реактора 4, водяного конденсатора 5, блока ректификации 6, топливоподкачивающего насоса 7, газового крана 8, загрузочного бункера сырья 9, сборного бункера высокоуглеродистого вещества 10, расходного бака дизельного топлива 11, заслонки дозированной подачи выпускных газов в пиролизный реактор 12, заслонки дозированной рециркуляции отработавших газов из пиролизного модуля 13, очистителя выпускных газов 14, подогревателя 15, расширительного бака холодной воды 16, блока подготовки жидкого топлива с эмульгатором 17, водяного насоса, навешенного на двигатель 18, водогрейного твердотопливного котла 19, сушильной камеры 20.

Работает установка следующим образом

Перед ее включением осуществляется сортировка органических отходов по видам: древесные отходы, пластики, пищевые отходы и так далее. В зависимости от превалирующего по объему вида сырья задается температурный режим в пиролизном реакторе. Затем отходы проходят дробление до размера эквивалентного диаметру 2-3 мм.

Запускается в работу двигатель 1 на дизельном топливе из расходного бака 11 Двигатель прогревается. Заслонка 12 открыта полностью на выпуск отработавших газов через выпускную систему 2 в атмосферу. По мере завершения прогрева двигателя и повышения температуры выпускных газов заслонка 12 приоткрывает доступ газов в пиролизный реактор 4. Для ускорения пускового периода включается подогреватель 15. Выпускные газы прогревают посредством конвективного теплообмена пиролизный реактор 4 и сушильную камеру 16.

При достижении заданной рабочей температуры в реакторе 4 начинается подача из бункера 9 сырья в сушильную камеру 16 и далее в реактор 4.

Под воздействием тепловой энергии выпускных газов двигателя, а также энергии экзотермических процессов и процессов фазовых переходов осуществляется пиролиз сырья и образуется пиролизныйгаз и выокоуглеродистое вещество в виде порошка.

Высокоуглеродистое вещество выгружается периодически в бункер 19, а затем подается в водогрейный твердотопливный котел 19, из которого подогретая вода поступает в тепловую сеть.

Охлаждение двигателя и пиролизного реактора осуществляется объединенной автоматически регулируемой системой с водяным насосом, навешенным на двигатель 1.

Газообразные продукты пиролиза подаются в водяной конденсатор 5, где они частично конденсируются и оттуда подаются в блок ректификации 6. Там из них получается синтетический газ и синтетическая нефть. Синтетический газ по трубопроводу подается через газовый кран 6 в газоподающую ситему двигателя 1.

Синтетическая нефть по трубопроводу через навешенный на двигатель топливоподкачивающий насос 7 подается в блок подготовки жидкого топлива 17, в который так же дозированно подается вода из бака 16 для создания водотопливной мелкодисперсной эмульсии.

Часть недообработанных газов рециркулируется через заслонку 13 в газотурбонагнетатель двигателя 1, повышая его эффективность и дополнительно очищаясь перед выходом в атмосферу. Окончательную очистку все выпускные газы проходят в очистителе 14.

Таким образом, в предлагаемом комплексе реализуется замкнутый процесс, в котором на вход в установку пиролиза подаются твердые и жидкие органические бытовые и производственные отходы, а на выходе получается электрическая и тепловая энергия, поступающая непосредственно потребителю.

Отработанные нефтепродукты и жиры перерабатываются непосредственно в двигателе, минуя пиролизный реактор.

Двигатель внутреннего сгорания выполняет не только функцию привода электрогенератора, но и участвует непосредственно в пиролизном процессе.

Выпускные газы двигателя, не содержащие кислород, являются одновременно источником тепловой энергии и ее носителем.

Все это повышает эффективность когенерационного комплекса, упрощает конструкцию и организацию его обслуживания.

Источники информации:

1. Размещение промышленных отходов в подземных хранилищах. Зильбельшмидт И.Г. и др., Пермь, ПГТУ, 1995.

2. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов., М, Химия, 1990.

3. Переработка отходов производства и потребления, Бобович Б.Б., Девяткин В.В., Изд-во Интерне Инжиниринг, 2000.

4. Способ переработки торфа. Патент на изобретение 2259385 от 11.02.2004 г., Котельников В.А., Подзоров А.И.

1. Когенерационный комплекс по переработке бытовых и промышленных отходов, содержащий установку быстрого пиролиза углеродосодержащих веществ с сушильной камерой, пиролизным реактором, водяным конденсатором, блоком ректификации, отличающийся тем, что в комплекс включен электрический генератор с приводом от среднеоборотного двигателя внутреннего сгорания, имеющего частоту вращения коленчатого вала не более 1000 об/мин, работающего на синтетическом газе и синтетической нефти, которые продуцируются в установке быстрого пиролиза, при этом вырабатываемая электрическая и тепловая энергия выдается в электрические и тепловые сети.

2. Когенерационный комплекс по п.1, отличающийся тем, что выпускные газы двигателя внутреннего сгорания направляются частично или полностью в пиролизный реактор, выполняя одновременно функции источника тепла и теплоносителя без наличия кислорода.

3. Когенерационный комплекс по п.1, отличающийся тем, что часть отработавших газов из пиролизной установки рециркулируется на вход газотурбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания.

4. Когенерационный комплекс по п.1, отличающийся тем, что в комплекс включен водогрейный твердотопливный котел, работающий на высокоуглеродистом веществе, горячая вода из которого поступает в тепловую сеть.

5. Когенерационный комплекс по п.1, отличающийся тем, что система водяного охлаждения пиролизного реактора и двигателя внутреннего сгорания объединены и используют водяной насос, навешенный на двигатель, а горячая вода, выходящая из системы охлаждения, направляется в тепловую сеть.

6. Когенерационный комплекс по п.1, отличающийся тем, что некондиционные нефтяные, масляные и жировые отходы поступают непосредственно в систему топливоподачи двигателя внутреннего сгорания, минуя пиролизный реактор, в которой они дополнительно обрабатываются и очищаются до требуемого уровня вязкости и чистоты.

7. Когенерационный комплекс по п.6, отличающийся тем, что для лучшего сгорания жидких топлив в двигателе в систему топливоподачи включен активатор, обеспечивающий тонкодисперсное смешивание жидкостей и создание водотопливных и водомасляных эмульсий.