способ переработки органических углеродсодержащих отходов и углеродсодержащие формовки

Формула изобретения

1. Способ переработки органических углеродсодержащих отходов, имеющих энергетический потенциал, без потери свойств органических отходов гореть и/или улучшать плодородие почв и их структуру, в углеродсодержащие формовки, включающий дозирование компонентов в виде органических углеродсодержащих отходов биологического происхождения, перемешивание-активацию, формование активированных компонентов под давлением с получением углеродсодержащих формовок, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих отходов биологического происхождения используют такие, как осадки от очистки сточных вод, и/или навоз животных, и/или птичий помет, и/или лигнин, перед формованием каждый компонент или их смесь сушат до влажности не более 40%, а формование проводят при давлении не более 120 МПа, при этом сушку компонентов или их смесей проводят либо за счет прямого контакта сушильного агента с осушаемыми компонентами или их смесью и сушильный агент при этом содержит кислород в количестве не более 14 мас.%, либо сушку проводят без прямого контакта с сушильным агентом и окружающим воздухом при температуре сушильного агента не выше 500°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае сушки без прямого контакта с сушильным агентом и окружающим воздухом ее проводят при давлении в камере сушки ниже атмосферного.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемешивании - активации компонентов дополнительно вводят добавки из твердых горючих отходов влажностью не более 70% в количестве не более 70 мас.%.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве твердых горючих отходов используют отсев торфа, опилки, кору, солому, полову, шелуху семян, жмых, листья и стебли растений, горючую часть твердых бытовых отходов в любом их сочетании.

5. Углеродсодержащие формовки, полученные по любому из пп.1-4.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству формованного топлива, а точнее к производству углеродсодержащих формовок в виде брикетов или гранул из органических углеродсодержащих отходов, которые могут быть использованы в качестве заменителя природного твердого топлива. Кроме того, эти углеродсодержащие формовки могут быть использованы также в качестве удобрения и/или структурообразователя почв в сельском хозяйстве.

Известно формованное твердое топливо (брикетированное, экструдированное или гранулированное), которое может быть использовано для коммунально-бытовых нужд, а также в промышленности, частично решая при этом проблему снижения загрязнения окружающей среды отходами (RU 2131449 С1, 1998, МПК С10L 5/14).

Это формованное топливо создано на основе высушенной смеси измельченного твердого топлива и сгущенного ила с установок по очистке сточных вод. Такое формованное топливо содержит сгущенный ил с содержанием воды 5-14 мас.% и измельченное твердое топливо, выбранное из группы, содержащей древесные, растительные отходы, лигнин, торф, коксовую или угольную мелочь, текстильные отходы или их смеси (патент РФ №2131449).

Такое формованное топливо для обеспечения механической прочности требует сушки готовых формовок (а не мелкодисперсных компонентов). Это приводит к высоким энергетическим затратам и удорожанию переработки отходов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению являются углеродсодержащие формовки, используемые в качестве заменителя природного твердого топлива для коммунально-бытовых нужд и промышленности, а также в качестве удобрения и/или структурообразователя почв в сельском хозяйстве (RU 2246530 C1, 2003, МПК⁷ С10L 5/02). Углеродсодержащие формовки содержат измельченные торф и/или лигнин и древесно-растительные компоненты в виде древесных опилок, и/или щепы, и/или коры, и/или соломы, и/или шелухи семян, и/или жмыха, и/или стеблей, и/или листьев растений, и/или животных компонентов в виде птичьего помета и/или навоза и связующее, в качестве которого используют негашеную известь или едкий натр или едкое кали. Связующее вводят в количестве 1-10 мас.%. Под активированием торфа и/или лигнина и связующих добавок понималось достижение такой совокупности эффектов, как увеличение поверхности твердых частиц за счет их дополнительного измельчения в активаторе, гомогенизация смеси, частичное подсушивание смеси.

В углеродсодержащих формовках для образования адгезивной субстанции используют дополнительные химические вещества, а также используют процесс двойного перемешивания, процесс вылеживания, что усложняет технологию и увеличивает затраты на переработку отходов.

Известен способ получения формованного топлива, который включает дозирование и смешение сгущенного активного ила с установок по очистке сточных вод и измельченного твердого топлива, формование смеси и последующую сушку формовок (патент РФ №2131449). Для смешения используют сгущенный активный ил с содержанием воды 70-80 мас.%. Формуют смесь при давлении 0,1-25 МПа. Сушат формовки при 50-180°С или при температуре окружающей среды. Формованное топливо содержит сгущенный ил с содержанием воды 5-14%.

Такой способ обуславливает высокие энергетические затраты, так как проводится сушка не мелкодисперсных компонентов, а формовок, что приводит к высоким энергетическим и финансовым затратам при переработке отходов.

Наиболее близким к заявленному является способ изготовления углеродсодержащих формовок, который включает дозирование, смешение, измельчение и активирование торфа и/или лигнина со связующим, затем добавляют древесно-растительные и/или животные компоненты, повторно перемешивают и полученную смесь формуют в формовки, которые затем упрочняют путем их вылеживания в течение 2-30 часов (патент RU 2246530 C1, 2003, МПК ⁷ С10L 5/02).

Связующая добавка, равномерно распределяясь в объеме торфа и/или лигнина, приводит к экзотермической реакции, в результате которой смесь подогревается и образуются адгезивные гуматы, которые склеивают частицы смеси при формовании. Затем в эту смесь вводят древесно-растительные и/или животные отходы.

Для образования адгезивной субстанции используют дополнительные химические вещества, процесс двойного перемешивания компонентов и вылеживания формовок, это усложняет технологию и снижает производительность технологии и в конечном итоге увеличивает затраты на переработку отходов.

В основу изобретения поставлена задача упрощения технологии и снижения затрат на переработку органических, углеродсодержащих отходов, имеющих энергетический потенциал, без потери свойств органических отходов гореть и/или улучшать плодородие почв и их структуру.

Такая задача особенно актуальна при наличии необходимости скорейшей ликвидации скопления больших количеств разнообразных органических отходов, продуктами разложения которых отравляется окружающая среда.

Технический результат - обеспечение прочного адгезивного сцепления частиц органических углеродсодержащих компонентов в формовках, повышение прочности формовок за счет оптимального влагосодержания компонентов и давления формования.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки органических углеродсодержащих отходов, имеющих энергетический потенциал, без потери свойств органических отходов гореть и/или улучшать плодородие почв и их структуру, в углеродсодержащие формовки, включающем дозирование компонентов в виде органических углеродсодержащих отходов, перемешивание-активацию, формование активированных компонентов с получением углеродсодержащих формовок, используют в качестве компонентов органические углеродсодержащие отходы биологического происхождения, такие как осадки от очистки сточных вод, и/или навоз животных, и/или птичий помет, и/или лигнин, или их смеси в любом сочетании, а для обеспечения адгезивного сцепления частиц в полученных углеродсодержащих формовках перед формованием каждый компонент или их смесь сушат до влажности не более 40%, а формование производят при давлении не более 120 МПа, что обеспечивает прочное адгезивное сцепление частиц.

Целесообразно также сушку проводить за счет прямого контакта сушильного агента с осушаемыми компонентами или их смесью, при этом сушильный агент должен содержать кислород в количестве не более 14 мас.%, что исключает самовозгорание любого из осушаемых компонентов или их смеси в процессе сушки.

Целесообразно также сушку проводить без прямого контакта сушильного агента с осушаемыми компонентами при температуре не выше 500°С, при этом давление в камере сушки может быть ниже атмосферного.

Кроме того, целесообразно, чтобы при перемешивании-активации компонентов дополнительно вводили добавки из твердых горючих отходов влажностью не более 70% в количестве не более 70 мас.%. В качестве твердых горючих отходов целесообразно использовать отсев торфа, опилки, кору, солому, полову, шелуху семян, жмых, листья и стебли растений, горючую часть твердых бытовых отходов в любом их сочетании.

Поставленная задача решается также получением углеродсодержащих формовок.

Способ осуществляют следующим образом.

Органические отходы биологического происхождения, включающие такие компоненты, как лигнин, и/или осадки от очистки сточных вод, и/или навоз животных, и/или помет птиц, сушат с помощью сушильного агента.

Сушильный агент при контакте с осушаемыми компонентами или их смесью содержит кислород в количестве не более 14 мас.%, такая концентрация кислорода в сушильном агенте не допускает самовозгорания осушаемых компонентов или их смеси в процессе сушки.

При сушке компонентов или их смесей без прямого их контакта с сушильным агентом и воздухом в камере сушки при температуре не выше 500°С ограничения содержания кислорода в сушильном агенте не требуется, так как в этом случае ни кислород сушильного агента, ни кислород воздуха в зоне сушки не контактирует с осушаемыми компонентами или их смесями, то и самовозгорание компонентов или их смесей невозможно. При этом возможно осуществление более интенсивной сушки за счет поддерживания давления в камере сушки ниже атмосферного.

Каждый компонент органического отхода или их смесь сушат до влажности не более 40%, формование проводят при давлении до 120 МПа, что обеспечивает прочное адгезивное сцепление частиц компонентов в формовках.

Экспериментально установлено, что для обеспечения прочного адгезивного сцепления частиц компонентов или смесей органических углеродсодержащих отходов биологического происхождения, включающих такие компоненты, как лигнин, и/или осадки от очистки сточных вод, и/или навоз животных, и/или помет птиц, или их смеси в любом сочетании, влажность любого из компонентов или их смесей после сушки должна быть не более 40%, а давление формования не более 120 МПа.

Компоненты или их смеси также сушат с помощью сушильного агента, который при контакте с осушаемыми компонентами или их смесью содержит кислород в количестве не более 14 мас.%. Такая концентрация кислорода не допускает самовозгорания компонентов или их смеси.

Компоненты или их смеси сушат до влажности не более 40%.

Полученные осушенные компоненты или их смеси в любом сочетании и соотношении формуют в углеродсодержащие формовки.

Формование может проводиться на вальцевых, штемпельных, экструдерных, гидравлических прессах и грануляторах, при этом получают формовки в виде брикетов, гранул или пеллет.

Формование проводят при температуре окружающей среды и давлении до 120 МПа.

Полученные углеродсодержащие формовки обладают высокой механической прочностью, а затраты на их получение сравнительно низкие.

Примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1. В качестве органического углеродсодержащего отхода был взят гидролизный лигнин - отход Онежского гидролизного завода с влажностью 67%. Лигнин подвергли перемешиванию - активации на роторно-лопастной дробилке с целью гомогенизации и активации поверхности частиц. Активированный лигнин сушили в сушилке кипящего слоя дымовыми газами, производимыми в теплогенераторе, в вихревой топке которого использовалась часть сухого лигнина в качестве топлива. При этом производился постоянный приборный контроль за температурой дымовых газов, подаваемых в сушилку дымососом из теплогенератора, за содержанием кислорода в этих газах и за влажностью осушенного лигнина. Пониженное содержание кислорода в сушильном агенте (дымовых газах) поддерживалось за счет рециркуляции 70% отработанного сушильного агента, который из сушилки подавался специальным дымососом в смеситель теплогенератора для подогрева и после этого снова подавался в сушилку. При сушке температура сушильного агента, подаваемого в сушилку, изменялась в диапазоне 200-220°С, содержание кислорода в сушильном агенте изменялось в пределах 8-9%, а влажность осушенного лигнина изменялась от 9 до 12%. Осушенный лигнин подавали в вальцевый пресс, где формовали осушенный лигнин в топливные брикеты при давлении 22 МПа. Полученные брикеты имели высокую механическую прочность - 89% (на сбрасывание), сравнительно высокую теплотворную способность рабочего топлива - 4400 ккал/кг и имели на 30% более низкую себестоимость по сравнению с брикетами из лигнина, которые сушили после формования.

Пример 2. В качестве органического углеродсодержащего отхода был взят осадок от очистки сточных вод с очистных сооружений города Ростова с влажностью 76%, а в качестве добавки использовали горючую часть измельченных твердых бытовых отходов (ТБО) с установки по сортировке ТБО с влажностью 30%. Соотношение осадка и горючей части ТБО было следующим: осадок от очистки сточных вод - 80 мас.%; горючая часть ТБО - 20 мас.%.

Компоненты подвергли перемешиванию - активации в роторно-лопастной дробилке. Активированную смесь сушили в трубчатой сушилке, где сушильным агентом был пар. При этом не было контакта осушаемой смеси с паром и воздухом, так как осушаемая смесь продвигалась шнеком внутри внутренней трубы, а пар подавался в кольцевой зазор между внутренней и внешней трубой. Тепло передавалось осушаемой смеси через стенки внутренней трубы. Сушильное пространство внутренней трубы было изолировано от воздушной среды. Поэтому ограничения по содержанию кислорода в паре не требовалось и контроль за этим параметром не проводился. Постоянный приборный контроль проводился за температурой подаваемого в сушилку пара и влажностью осушенной смеси. При сушке температура пара изменялась в диапазоне 230-250°С, влажность осушенной смеси изменялась в диапазоне 10-14%. Осушенную смесь подавали в гидравлический пресс, где при давлении 18,5-20 МПа формовали брикеты как топливо для газификации. Полученные формовки-брикеты имели высокую механическую прочность - 91% (на сбрасывание), высокую теплотворную способность рабочего топлива - 3950 ккал/кг и имели себестоимость ниже на 35%, чем формовки по известному решению (прототипу).

Остальные примеры сведены в таблицу

№ примера	Состав отходов и параметры способа их переработки			Формовки и их параметры
	Состав компонентов и добавок, мас.%	Влажность компонентов, %	Вид сушки, давление формования	Механическая прочность формовок, %	Влажность формовок, назначение использования, эффект снижения себестоимости, низшая теплота сгорания
1	2	3	4	5	6
3	Свиной навоз - 20	86	Сушка с прямым контактом сушильного агента с осушаемыми компонентами, содержание кислорода в сушильном агенте 14%. Температура сушильного агента 215-230°С Влажность высушенной смеси 40%. Давление формования 15 МПа.	80	Влажность формовок 40%; формовки для удобрения, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 40%
	лигнин - 10 Лузга семечек - 70	70 70
4	Птичий помет - 30	60	Сушка без контакта сушильного агента с осушаемой смесью, с давлением в камере сушки ниже атмосферного (150 мм рт.ст.) Температура сушильного агента 210-240°С. Влажность высушенной смеси 24%. Давление формования 120 МПа.	98	Влажность формовок 24%; гранулы для удобрения и структуризации почвы, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 21%
	Коровий навоз - 30 Опилки - 20 Полова - 20	80 27 22
5	Осадок от очистки сточных вод - 100	72	Сушка с прямым контактом сушильного агента с осушаемым осадком. Содержание кислорода в сушильном агенте 8-10%. Температура сушильного агента 240-260°С. Влажность высушенной смеси 21%. Давление формования 25 МПа.	91	Влажность формовок 21%; топливный брикет, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 24%, теплота сгорания низшая 3500 ккал/кг
6	Свиной навоз - 60	82	Сушка без контакта сушильного агента с осушаемой смесью. Температура сушильного агента 470-500°С. Влажность высушенной смеси 18%. Давление формования 20 МПа.	89	Влажность формовок 18%; топливные гранулы, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 32%; теплота сгорания низшая - 3600 ккал/кг
	Дробленая солома - 10 Дробленые листья и стебли подсолнечника - 30	18 35
7	Птичий помет - 40	74	Сушка без прямого контакта сушильного агента с осушаемой смесью. Температура сушильного агента 215-225°С. Влажность высушенной смеси 28%. Давление формования 22 МПа.	86	Влажность формовок 28%; гранулы для удобрения, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 27%
	Лигнин - 10	69
	Дробленая кора - 20 Свекольный жмых - 30	22 41
8	Свиной навоз -100	78	Сушка с прямым контактом сушильного агента с осушаемым навозом. Содержание кислорода в сушильном агенте 9-11%. Температура сушильного агента 220-230°С. Влажность высушиваемого навоза 15%. Давление формования 20 МПа.	90	Влажность формовок 15%; топливный брикет, себестоимость ниже, чем по прототипу, на 30%, теплота сгорания низшая 3600 ккал/кг.