способ переработки осадков городских сточных вод

Формула изобретения

Способ переработки осадков городских сточных вод в смеси с другими отходами, включающий стадию газификации, отличающийся тем, что осадки городских сточных вод смешивают с целлюлозосодержащими материалами, взятыми в количестве до 95% в расчете на сухую массу, с последующим перетиранием полученной смеси до гомогенной массы, ее обезвоживанием и газификацией обезвоженной гомогенной массы в газогенераторных установках при температуре не более 950^oС с последующим сжиганием образующихся генераторных газов отдельно или совместно с другими топливами при температуре не менее 1100^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области утилизации осадков городских сточных вод /ОСВ/ путем их переработки в твердое топливо с последующим сжиганием и может быть использовано для получения тепло- и электроэнергии на теплоэлектростанциях и теплоэлектроцентралях различной мощности.

Известно техническое решение по использованию ОСВ в качестве удобрения [см. например, Гумен С.Г. Обработка и утилизация осадков городских сточных вод. // Водоснабжение и санитарная техника. - 1995. - N 4. - С. 6-8; Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. - М.: Стройиздат, 1988; Нефедов Ю.И. Обработка осадка городских сточных вод в России // Водоснабжение и санитарная техника. - 1996. - N 1. - С. 9]. Однако такое техническое решение не может использоваться на большинстве городских очистных сооружений из-за смешения на них хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, содержащих высокие концентрации солей тяжелых металлов.

Известен патент N 2147604 (Россия), приоритет от 24.11.98 г., согласно которому способ переработки осадков городских сточных вод заключается в том, что в осадки сточных вод перед их обезвоживанием вводятся целлюлозосодержащие материалы в количестве 10...75% на сухую массу топлива, полученная смесь перетирается до гомогенной массы с образованием волокон целлюлозы двух видов: длинных - с размерам волокна 0,1...1,0 мм и коротких с размерами волокна менее 0,05 мм, а гомогенная масса механически обезвоживается, сушится при температуре не ниже 80^oC и прессуется в виде топливных брикетов или гранулятов под давлением.

Однако описанный способ имеет ряд недостатков, заключающихся:

1) в зависимости устойчивости горения в паровых котлах от изменения качества полученного топлива, определяемого колебаниями исходного состава ОСВ;

2) в ограничении области применения изготовленного брикетного топлива конструкционными особенностями топок паровых котлов;

3) во введении дополнительной операции прессования, которая повышает стоимость получаемого топлива и снижает его экономическую эффективность использования.

Известен способ переработки обезвоженного ОСВ путем смешивания с водой, жидким углеводородом, либо с суспензией частиц углерода в жидком углеводороде или в воде, который затем подают в газогенератор без насадки, где взаимодействует смесь с газом, содержащим свободный кислород и водяной пар. Температура процесса - 815...1650^oC, давление - 1...250 ат. Образуется поток горячего газа, содержащего водород, окись углерода, двуокись углерода, воду или пар и частицы углерода. Исходную смесь можно подогреть до температуры 100...315^oC (патент GB N 1371296 от 23.10.74 г.).

Известен также способ переработки отходов, например отстоя сточных вод, путем обработки их при 900^oC газообразной смесью (кислород или воздух с двуокисью углерода, или двуокись углерода с водяным паром). Сырье предварительно подогревают до 500...700^oC (патент GB N 1341755 от 28.12.73 г.).

Недостатком известных способов является относительно невысокая экономическая эффективность.

Более близким к данному изобретению является способ переработки осадков бытовых сточных вод, включающий их газификацию при 350...1050^oC, обработку газифицирующим агентом до содержания органических веществ в отходах ниже 100 г/т. Далее полученную газовую смесь подвергают расщеплению при 950...1050^oC в течение 1 с на низкомолекулярные соединения и/или элементы, которые вводят в воду при 200...800^oC для разделения на синтез-газ и низкомолекулярные соединения. Синтез-газ обрабатывают в присутствии катализатора с получением жидких углеводородов и/или спиртов, газообразных углеводородов и двуокиси углерода. В качестве отходов используют, например, осадок сточных вод или его смесь с другими отходами (патент RU N 2014346 от 15.06.94 г.). Недостатком известного способа является сложность процесса и его относительно невысокая экономическая эффективность.

Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается способом переработки осадков городских сточных вод в смеси с целлюлозосодержащими материалами, взятыми в количестве до 95% в расчете на сухую массу, с последующим перетиранием полученной смеси до гомогенной массы, ее обезвоживанием и газификацией обезвоженной гомогенной массы в газогенераторных установках при температуре не более 950^oC с последующим сжиганием образующихся генераторных газов отдельно или совместно с другими топливами при температуре не менее 1100^oC.

В качестве целлюлозосодержащих материалов используются материалы растительного, древесного происхождения или производственные отходы деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности и сельского хозяйства, содержащих аналогичные отходы. Введенные в осадки городских сточных вод и перетертые с ними, целлолозосодержащие материалы позволяют изменить структуру осадков, поступающих на обезвоживание. В результате образования высокопористой несжимаемой гомогенной массы она не заиливает фильтрующие поверхности обезвоживающего оборудования и дренажную систему иловых площадок, что повышает эффективность процесса водоотдачи.

Положительный эффект предлагаемого способа переработки осадков сточных вод достигается за счет их газификации. В результате процесса газификации происходит превращение твердого топлива на основе ОСВ в высококачественное газообразное топливо за счет окисления кислородными соединениями органической части высушенной гомогенной смеси осадков сточных вод и целлюлозосодержащих материалов (например, под действием смеси воздуха и водяного пара образуется паровоздушный газ).

При сжигании твердого топлива в топке обычного котла процесс горения является труднорегулируемым, при этом температура в котле может превышать 1650^oC. В результате в топке обычного котла образуется огромное количество расплавленного шлака, который часто забивает теплопередающие поверхности и тем самым снижает кпд и надежность котла. Проведение процесса газификации при температуре не выше 950^oC позволяет организовать надежное твердое шлакоудаление, т.к. температура, при которой происходит спекание твердого топлива на основе осадков городских сточных вод и плавление золы, обычно превышает 1200^oC. Поэтому проблема засорения поверхностей нагрева шлаком не возникает, что позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы на процесс сжигания.

Кроме того, газификация полученного из осадков сточных вод твердого топлива при температуре не выше 950^oC обеспечивает переход содержащихся в золе металлов в невыщелачиваемые формы [см. например, Комплексная оценка технологий утилизации осадков сточных вод гальванических производств /С.С. Тимофеева, А.Н. Баранова, А.Э. Бабаян, Л.Д. Зубарева // Химия и технология воды. - 1991. - Т. 13, N 1, с. 68-71], что полностью отвечает экологическим требованиям. В результате газификации топлива, поступающего в пылевидном состоянии, образуется дисперсный шлам, который не требует дополнительного измельчения и термической обработки и может быть использован в качестве наполнителя при изготовлении дорожных покрытий и строительных материалов.

Другим положительным эффектом предлагаемого способа утилизации осадков сточных вод является тот факт, что при проведении процесса газификации топлива на основе ОСВ при температуре не более 950^oC образуются газообразные продукты, не содержащие токсических окислов азота. Кроме того, при данной температуре за счет содержащихся в составе осадков сточных вод солей кальция происходит связывание серы с образованием сульфита и сульфата кальция. Таким образом, вредные для окружающей среды вещества нейтрализуются непосредственно на месте их образования, т.е. в топке. Образующийся генераторный газ далее подвергается сжиганию в топках электростанций или тепловых пунктов отдельно или в дополнение к основному топливу при температуре не менее 1100^oC, при этом происходит высокотемпературное обезвреживание токсичных продуктов газогенерации.

Практическая реализация предлагаемого способа утилизации осадков сточных вод легко осуществляется путем включения в схему имеющейся теплоэлектростанции или теплового пункта любой мощности дополнительной газогенераторной установки перед основным котлом, что позволяет снизить капиталовложения в модернизацию имеющихся традиционных тепловых станций, работающих на любом виде топлива, либо в строительство новых. Кроме того, предлагаемый способ легко реализуется в котлах модульной конструкции с небольшой паропроизводительностью, что позволяет уменьшить риск чрезмерных или, наоборот, недостаточных капиталовложений и повысить производительность существующих тепло- и электростанций.

Применение метода газификации топлива на основе ОСВ позволяет производить электроэнергию по комбинированному циклу, при котором горячие продукты сгорания генераторного газа непосредственно используются для привода газовой турбины, а отработанное тепло продуктов сгорания после газовой турбины утилизируется с целью получения пара для паровой турбины. Такое совместное использование газовых и паровых турбин позволяет повысить эффективность производства электрической энергии. Высокий кпд комбинированного цикла компенсирует неизбежные потери, которые связаны с превращением твердого топлива на основе ОСВ в газ.

В зависимости от типа газогенераторной установки, использующейся в технологической схеме утилизации ОСВ, процесс сушки обезвоженной гомогенной массы может быть совмещен с процессом газификации, что достигается при прямоточном движении газов и топлива. Однако для повышения теплотворности получаемого генераторного газа целесообразно газификации подвергать предварительно высушенную гомогенную смесь осадков сточных вод и целлюлозосодержащих материалов.

Пример. Смешивают 50% ОСВ с 50% отходов целлюлозно-бумажной промышленности. Полученную смесь, перетирают до гомогенной массы и обезвоживают. Высушенную гомогенную массу подвергают газификации в газогенераторе при температуре около 800^oC. Полученный генераторный газ смешивают с любым топливом /твердым, жидким или газообразным/ и сжигают при 1250^oC.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ переработки осадков городских сточных вод позволяет получать газообразное топливо, которое по сравнению с твердым имеет ряд преимуществ:

- оно сгорает полностью, не дает твердых отходов;

- процесс горения легко регулируется и не зависит от колебания исходного состава осадков сточных вод;

- при сжигании газообразного топлива требуется очень небольшой избыток воздуха;

- образующийся газ можно передавать на дальние расстояния по трубопроводу, расходуя мало энергии на его перемещение и не загружая сухопутный и водный транспорт.

Кроме того, утилизация осадков сточных вод путем получения твердого топлива с последующей его газификацией имеет практическую ценность, которая заключается в следующем:

- снижении загрязнения окружающей среды осадками сточных вод и целлюлозосодержащими отходами производства и сокращении площадей, отводимых под полигоны их захоронения;

- сокращении выбросов токсичных продуктов при сгорании топлива на основе ОСВ;

- получении экологически безопасного шлама, который может использоваться без дополнительной обработки в качестве наполнителя при производстве строительных материалов и дорожных покрытий;

- включении в топливно-энергетический баланс страны дополнительных высококачественных энергоресурсов.

Таким образом, изобретение позволяет утилизировать осадки сточных вод и получать из них высококачественный газ путем газификации твердого топлива на основе ОСВ, который может сжигаться на электростанциях и тепловых пунктах различной мощности отдельно или в дополнение к основному топливу. Разработанный способ переработки ОСВ является универсальным, независящим от исходного состава сточных вод, и позволяет решить вопросы экологии и экономии природных ресурсов.