Установка для газификации, способ получения твердого топлива из органических промышленных отходов, средство для ускорения горения, применение средства для ускорения горения, твердое топливо из органических промышленных отходов

 

В установке для газификации реактор (1) для сжигания или газификации выполнен с двойным куполом. Камера сжигания или газификации реактора образована наружным куполом (1B) и концентричным ему внутренним куполом (1A). Внутренний купол (1A) установлен с возможностью поворота. По меньшей мере один из указанных куполов имеет возможность перемещения в вертикальном направлении. Реактор снабжен по меньшей мере одним подводом для прямого и/или косвенного подвода газовой смеси, содержащей водород и кислород. Реактор непосредственно соединен с позицией (2) катализации и генератором (3) энергии. Генератор 3 имеет отвод для возврата отходящего из генератора газа в реактор. Купола (1A, 1B) выполнены из жаропрочной керамики и/или сплава. Установка обеспечивает более полное сжигание твердых горячих веществ при высоких температурах с получением энергии и с небольшим выходом вредных веществ. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к установке для газификации горючих материалов, в частности, к установке для утилизации горючих промышленных отходов с получением энергии, а также к способу получения твердого топлива из органических промышленных отходов такой формы, которая подходит для такого способа, в частности, брикеты с определенной теплотворной способностью.

Известны установки для сжигания мусора с одновременным получением энергии. Однако функционирование таких установок с применением промышленных отходов, в частности, таких, которые могут использоваться для специфических отходов, зачастую содержащих галогены, может привести к повреждению мусоросжигательных установок. Кроме того, такое сжигание специфического мусора требует постоянства температуры, при которой происходит сжигание, которую очень трудно поддерживать, так как введение различных отходов с различной теплотворной способностью приводит к нежелательному изменению температуры сжигания отходов. Эта проблема до сегодняшнего дня зачастую решалась за счет того, что для сжигания применялось большее количество дополнительных энергоносителей. Опасные вещества, например, диоксины и дибензофураны, получающиеся при сжигании специфического мусора, также создают проблему, которая может быть решена только за счет того, что постоянно поддерживается температура сжигания выше 1260^oC.

Кроме того, большинство горючих материалов склонны к образованию плотного поверхностного слоя во время сжигания или газификации, который препятствует или полностью исключает сжигание или газификацию.

Другая проблема возникает при промежуточном или постоянном складировании токсических, в частности, жидких, а также твердых отходов, требующих дорогостоящих предохранительных мероприятий. Кроме того, в настоящее время становится все труднее найти новые места как для хранения специфического мусора, так и для размещения установок для сжигания специфического мусора, или же переналадить на это уже имеющиеся установки.

Кроме того, значительную, широкоизвестную проблему представляет собой транспортировка, в особенности жидких токсических промышленных отходов.

Задачей данного изобретения является создание установки, обеспечивающей более полное сжигание твердых горючих веществ или их газификацию с небольшим выходом вредных веществ или вообще без их образования предпочтительно при высоких температурах и с получением энергии, а также создание способа получения твердого топлива с определенной теплотворной способностью из жидких и твердых по меньшей мере частично горючих отходов.

Эта задача решается за счет создания реактора с двойным куполом и камерой сгорания между твердым наружным и поворачивающимся внутренним куполом, в частности, в комбинации с позицией катализации для приготовления газовой смеси, участвующей в газификации.

Сущность изобретения поясняется ниже чертежами: на фиг. 1 представлена установка для газификации или сжигания с замкнутой циркуляцией и получением энергии; на фиг. 2 - станция 2 катализации; на фиг. 3 - установка 4 для изготовления топливных брикетов с определенной теплотворной способностью, в частности, из горючих промышленных отходов или бытового мусора.

На чертежах использованы следующие позиции: 1 - реактор для газификации или сжигания; 1A - внутренний купол; 1B - наружный купол; 2 - станция катализации; 3 - генератор энергии; 4 - установка для брикетирования или хранилище, или база для хранения и вывоза топлива; 5 - сепаратор жидкости; 6 - емкость для получения смеси водорода с кислородом, взрывозащищенная; 7 - повторная переработка осадка;
8 - регулировочный клапан-дозатор;
9 - растворитель лантанидов;
10 - осаждение;
11 - теплообменник;
12 - источник подвода тепла, например, газ из реактора 1;
13 - трубопровод для регенерации;
14 - насос;
15 - подвод газовой смеси водорода с кислородом для мусоросжигательной установки;
16 - измельчение твердых отходов с содержанием калорий;
17 - емкость для жидких отходов, содержащих калории;
18 - подвод реакционных средств (химические регуляторы);
19 - подвод средств, ускоряющих сжигание;
20 - смесительный резервуар;
21 - подвод измельченных твердых отходов;
22 - подвод металлов (Cu, Zn, Mn) или их солей и/или силикатов;
22A - подвод упрочняющих средств;
23 - смесительная или реакционная емкость;
23A - радиоактивное облучение;
24 - нагнетающий насос или пресс;
25 - подвод гомогенного топлива непосредственно в установку для сжигания или;
25A - подвод гомогенного топлива на склад.

Камера для газификации расположена между двумя куполами и снабжена по меньшей мере одним подводом топлива и по меньшей мере одним подводом газа, а также с по меньшей мере одним отводом газа.

Купола 1A, 1B реактора 1 выполнены из жаростойкого материала. Требования к материалу купола определяются горючим веществом, то есть температурой, создаваемой при его горении. Для сжигания или газификации промышленных отходов, в частности, токсичных промышленных отходов, содержащих небольшое количество вредных веществ или не содержащих их вообще, требуются высокие температуры, обычно по меньшей мере около 1260^oC, предпочтительно по меньшей мере 1500^oС и до свыше 2000^oC. Для таких температур особенно подходят реакторы с куполами из специальной керамики, разрабатываемые, например, для космических полетов, а также купола из соответствующих жаропрочных металлических сплавов или других подходящих жаропрочных материалов.

Купола, предпочтительно концентрические купола, выполнены в виде конусообразно сходящихся сферических сегментов. Внутренний купол 1A имеет возможность вращения, что способствует повышению равномерности процесса сжигания без образования застойных зон и предпочтительно имеет также возможность перемещения относительно наружного купола 1B. За счет этого перемещения можно регулировать размеры камеры газификации или сгорания между куполами 1A и 1B и тем самым скорость пропускания материала. Перемещение осуществляется в основном в вертикальном направлении. Но может быть также предусмотрено перемещение в других направлениях для изменения геометрии камеры сгорания, которое может быть даже предпочтительным. Для большинства случаев применения подходящим оказывается расстояние обоих куполов приблизительно от 5 до 10 см от дна.

Диаметр внутреннего купола обычно составляет более 1 м, чаще около 1,5 м. С помощью такого реактора можно газифицировать или сжечь около 1 т горючего вещества в 1 ч.

Загрузочное отверстие для горючего материала предпочтительно расположено на куполе. Далее реактор имеет по меньшей мере по одному подводу, а также отводу газа, предпочтительно несколько расположенных по кругу в различных плоскостях наружного купола подводов и отводов, которые могут регулироваться любым образом. Расположение подводов, а также отводов газа ограничивается, в частности, нижними 2/3 наружного купола от его внутренней высоты.

Выяснилось, что температура газификации или сжигания может сильно повыситься, если в процессе газификации вводится не только воздух и/или кислород, но и смесь водорода с кислородом, и что из-за этого значительно повышается коэффициент полезного действия газификации или сжигания.

Такая смесь водорода с кислородом может приготовляться любым способом, например, электрокаталитически. Это может осуществляться особенно благоприятно с точки зрения снижения расходов и затрат энергии путем применения средств, ускоряющих процесс сгорания на основе лантанидов в кислом растворе.

Получение газовой смеси происходит на станции катализации предпочтительно в напорной емкости.

Для получения водорода и кислорода средство, ускоряющее горение, содержащее лантаниды (в основном лантан и церий) вводят в кислоту предпочтительно в напорной емкости, в которой соединения лантанидов переходят в раствор. Этот раствор катализирует диссоциацию воды на водород и кислород. Как только повысится значение pH, начинается выпадение лантанидов, после чего реакция прекращается. Осадок может подкисляться либо сам по себе в напорной емкости 6, либо растворяется предпочтительно в отдельной емкости 7 и снова вводится в реакцию. Добавка небольшого количества марганца и/или цинка, и/или меди, и/или никеля в основном 1 - 10% от содержания лантанидов может сказаться положительно.

Выяснилось, что при реакции, проходящей при температурах около 50 - 60^oC, образуется смесь с объемным соотношением водорода к кислороду приблизительно от 1:2 до 1:5, предпочтительно 1:3.

Реакционные газы предпочтительно направляются из печи на станцию катализации, где они нагревают с помощью теплообменника водный раствор, содержащий катализатор, что приводит к повышенной активности катализатора и тем самым к более эффективному получению водорода и кислорода.

Реакционные газы подвергаются анализу между станцией катализации 2 и генератором 3 и в случае необходимости смешиваются с H₂ и O₂, после чего нужная газовая смесь подводится к генератору 3 энергии, например, к приводному агрегату генератора электрического тока, и там сжигается с получением тока. Обычно большая часть газов сгорания обогащается предпочтительно водородом H₂ и кислородом O₂, снова подводится в реактор, незначительная часть отводится в виде газов сгорания - если нужно - после обработки катализатором дымового газа - и выводится через перепускной клапан в окружающее пространство.

Кроме того, станция катализации может подключаться к газификационному реактору, благодаря чему путем подвода водорода и кислорода соотношение температур и газа в реакторе может устанавливаться на оптимально благоприятном для процесса газификации уровне.

Благодаря в основном замкнутому контуру циркуляции и высоким достигаемым температурам и, кроме всего прочего, за счет проводимых адсорбционных процессов получаются чрезвычайно "чистые" отходящие газы.

Целесообразно оснастить установку измерительной аппаратурой, размещенной в соответствующих местах для предотвращения слишком высоких концентраций водорода. Из соображений предосторожности концентрация водорода не должна превышать в трубопроводах 4 об.%.

Само собой разумеется, установка для сжигания или газификации может содержать несколько реакторов, что является особенно благоприятным для того, чтобы не прерывать ее работу в случае необходимости проведения работ по обслуживанию.

С помощью установки согласно изобретению можно, например, получить при температуре реакции, равной 1500^oC, отводе 90% отходящего газа и концентрации водорода около 4% из одной тонны отходов только лишь при 2% выпадающего шлака и около 1% золы по меньшей мере около 1500 кВт электроэнергии.

Для оптимального ведения процесса желательно иметь топливо с постоянными, то есть сохраняющимися в течение длительного времени, точными параметрами горения. Такое топливо можно получить с помощью способа, являющегося также предметом данного изобретения.

В качестве исходного материала для такого топлива может применяться широкая палитра промышленных отходов и бытового мусора, в частности также токсичных отходов. Особенно подходят промышленные отходы, например, отходы химической и фармацевтической промышленности и исследовательских работ, отходы, получаемые при производстве минеральных масел и их продуктов, органических растворителей, включая краски, лаки, клеи и смолы, пластмассы и резину, а также текстиль.

Такие отходы могут перерабатываться с помощью описанного ниже более подробно способа в соответствующее топливо.

Способ согласно изобретению описывается более подробно с помощью фиг. 3.

Подлежащие переработке отходы подвергаются анализу и в случае необходимости подвергаются по результатам анализа промежуточному складированию. Важными параметрами анализа являются степень галогенизации, калорийность, а также значение pH. Твердые и жидкие отходы подготавливаются по-разному.

Твердые органические отходы 16 измельчают. Жидкие органические отходы 17 смешивают с химикалиями 18. Такими химикалиями могут быть кислоты или щелочи, необходимые для регулирования значения pH конечного продукта, и/или восстановители, и/или окислители. При добавлении таких регулирующих химикалий обеспечивается проведение экзотермической реакции. После интенсивного перемешивания жидкостей в смесительной емкости 20 они подаются вместе с измельченными твердыми веществами в смесительно-реакционную емкость 23. После этого еще влажный перемешанный продукт подводится к насосу высокого давления или прессу, где при температуре 20 - 120^oC и давлении от 2 до 4, а зачастую до 400 кг/см², получается упрочненный продукт. Таким образом, можно в обычных условиях получить стабильный продукт, который проходит по всем тестам как "неопасный" продукт. Одновременно происходит значительное обезвоживание. Вода частично испаряется, а выделяющийся в жидкой форме остаток может возвращаться обратно в процесс на более раннюю стадию. В заключение этот продукт может подводиться в любой форме в установку для сжигания или газификации. Это особенно хорошо удается, если к продукту добавляется упрочняющее средство, придающее ему по меньшей мере частично термопластические свойства.

В качестве реакционного средства 18 подходят любые щелочи и кислоты, но все же предпочтительными являются раствор едкого натрия и/или хлорид кальция, и/или сульфат кальция, а также крепкие неорганические кислоты и/или органические кислоты из продуктов отходов, а также восстановители и/или окислители, например, галогены, кислород, озон, а также в особенности смеси соли железа /II/ и железа /III/, предпочтительно, оксиды в количестве от 0,2 до 0,3 об. %.

В качестве упрочняющего средства 22A могут применяться мономеры и в любом случае олигомеры, а также растворимые силикаты, например, водное стекло, в случае, если они приводят при обычных условиях проведения реакции, то есть 20 - 120^oC и давлении 2 - 400 кг/см² к упрочнению смеси, полученной из отходов без каких-либо свойств, препятствующих процессу сжигания. Выяснилось, что при определенных условиях годятся мономеры акрила, в частности, сложный эфир акриловой кислоты, полиакриловые кислоты и/или ее соли (например, акрилон фирмы Бесф), а также вышеупомянутое водное стекло.

Иногда может быть желательным также введение полиола и диисоцианатов в особенности для повышения стабильности при хранении (то есть предотвращения выщелачивания, повышения температуры воспламенения).

Выяснилось, что совместная переработка твердых и жидких отходов является благоприятной. При соотношении 65 - 45% твердых отходов и 35 - 55% жидких отходов и при очень незначительном количестве сложного эфира акриловой кислоты, обычно меньше 3%, получается упрочненный продукт. При меньшем содержании твердых отходов, естественно, следует вводить больше упрочняющего средства.

Кроме того, способ проводится таким образом, что в реакционной емкости можно осуществлять дозирование реакционного средства.

Далее способом предусматривается возможность добавлять к самому реакционному продукту средство 19, ускоряющее сгорание. В основном это можно осуществлять в любом месте перед реакционной емкостью из соображений гомогенного распределения, но является предпочтительным вводить его в смесительную емкость 20. Специально подобранное средство, ускоряющее горение, содержит соли лантанида. Например, средство, ускоряющее горение, может состоять непосредственно из монацитного песка, монацитного песка с обогащенным лантанидом (приблизительно до 3 - 30%) или смеси чистой лантанидной соли, предпочтительно с силикатом в качестве носителя, или содержать их. Само собой разумеется, могут применяться другие руды, содержащие лантанид. Средство, ускоряющее горение, обычно применяется в концентрации до 20%.

Добавление такого ускоряющего горение средства позволяет при одинаковом количестве горючего вещества повысить контролируемую температуру обычно до 100 - 500^oC, благодаря чему наличие станции катализации становится не обязательно необходимым, хотя и желательным.

Кроме того, способ согласно изобретению проводится таким образом, что непосредственно перед реакционной емкостью 23 может быть подключена еще одна ступень, на которой отходы, содержащие галогены, могут обрабатываться излучением, получаемым, например, от ⁶⁰Co. Атомы галогена, содержащегося в реакционном средстве, расщепляются под действием излучения и выпадают в виде галогенидов и гомогенно распределяются в топливе.

Кроме того, способ обеспечивает возможность вводить непосредственно в реакционную емкость другие вещества 23, содержащие предпочтительно марганец, цинк, никель, медь и/или силикаты, предпочтительно силикаты этих металлов. Добавка силикатов, содержащих медь и/или марганец, и/или цинк, и/или никель, с одной стороны, рассматривается как средство для ускорения горения, а с другой стороны, способствует образованию шлака. Марганец, цинк, никель и во всяком случае медь могут усилить действие лантанового катализатора и обычно применяются в количестве около 10% лантанидов. При этом выяснилось, что такие металлы, в особенности медь, способствуют удалению хлора из хлорированного углеводорода в по меньшей мере частично каталитическом процессе.

С помощью способа согласно изобретению можно изготовить топливо повышенного качества, содержащее лантаниды, а также силикаты марганца и/или цинка, и/или меди, и/или никеля.

Топливо, изготовленное способом согласно изобретению, применяется предпочтительно в установках для сжигания или газификации, работа которых сопровождается получением энергии. При применении продукта, содержащего хлор, из экологических соображений является целесообразным, если установка для сжигания или газификации снабжена устройством для очистки отходящего газа, с помощью которой из отходящего газа могут удаляться соляная кислота или другие легколетучие вещества. В продукте с нейтральным значением pH с хорошим шлакообразованием хлориды оказываются в значительной мере в связанном состоянии в шлаке.

Формула изобретения

1. Установка для газификации, содержащая по меньшей мере один реактор для сжигания или газификации с камерой сжигания или газификации, по меньшей мере один подвод горючего вещества, по меньшей мере один подвод газа и по меньшей мере один отвод газа, отличающаяся тем, что реактор для сжигания или газификации выполнен с двойным куполом, в котором камера сжигания или газификации образована наружным куполом и, предпочтительно, концентричным с ним, имеющим возможность поворота внутренним куполом, причем по меньшей мере один из указанных куполов имеет возможность перемещения в вертикальном направлении.

2. Установка п. 1, отличающаяся тем, что реактор с двойным куполом снабжен по меньшей мере одним подводом для прямого и/или косвенного подвода газовой смеси, содержащей водород и кислород.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что реактор с двойным куполом соединен непосредственно или косвенно с по меньшей мере одной позицией катализации для получения смеси водорода с кислородом.

4. Установка по одному из пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что газоотвод реактора с двойным куполом соединен непосредственно или косвенно с генератором энергии.

5. Установка по одному из пп. 1 - 4, отличающаяся тем, что генератор энергии имеет отвод для отходящего газа, обеспечивающий по меньшей мере частичный возврат отходящего из генератора газа в реактор.

6. Установка по одному из пп. 1 - 5, отличающаяся тем, что купола реактора с двойным куполом выполнены из жаропрочной керамики и/или сплава.

Приоритет по пунктам
15.12.93 - по пп.1-6.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3