Способ превращения твердых биоотходов в возобновляемое топливо

Способ превращения твердых биоотходов в возобновляемое топливо

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Ил с очистительных установок очистки городских стоков и сточных воды представляет серьезную ликвидационную проблему. Федерация по экологической охране водной среды (Water Environment Federation, WEF) формально признала термин «biosolids» (твердые биоотходы) в 1991 году и в настоящее время он широко используется во всем мире. WEF определяет «biosolids» как почвообразный остаток материалов, удаляемых из городских стоков в процессе очистки сточных вод. В процессе очистки бактерии и другие мельчайшие организмы разрушают нечистоты до более простых и более устойчивых форм органического материала. Органический материал оседает вместе с бактериальной клеточной массой, образуя твердые биоотходы. Согласно USEPA (Агентство по защите окружающей среде США) твердые биоотходы, которые отвечают критериям, касающимся очистки и содержания загрязнителей, «могут безопасным образом утилизироваться и применяться в качестве удобрения, гарантированно улучшая и сохраняя плодородные почвы и стимулируя рост растений».

Ил представляет собой смесь твердых биоотходов (состоящих главным образом из мертвых органических клеток, являющихся побочным продуктом очистки городских стоков и сточных вод, вследствие чего этот продукт может быть выпущен в открытые водоемы) и разных количеств свободной воды. Свободную воду можно по крайней мере частично удалять с помощью методов механического обезвоживания. Наряду со свободной водой твердые биоотходы содержат воду, связанную с клетками, которая может составлять до 80 об.% твердых биоотходов и которую невозможно удалить с помощью методов механического обезвоживания. Большие количества воды, содержащейся в таком иле придают ему сильно отрицательную теплотворную способность, что делает себестоимость сжигания ила чрезмерной, поскольку для отгонки связанной с клетками воды потребовались бы большие количества дорогостоящего топлива. В связи с этим такой ил в настоящее время направляют на свалку или используют в качестве удобрения, которое можно наносить поверх почвы, поскольку ил городских стоков часто содержит, например, азот и фосфор. Однако ил содержит также и вредные вещества, распространяет неприятные запахи и может привести к серьезному загрязнению почвы или территории свалки, в том числе тяжелыми металлами.

В процессе очистки городского стока и ливневой воды до стандартной чистоты твердые составляющие концентрируются с образованием побочного продукта, часто называемого осадком сточных вод. Осадок сточных вод представляет собой массу или агломерацию мертвых органических клеток или других твердых материалов, называемых твердыми биоотходами, которые смешаны с переменными количествами воды с соответствующей переменной вязкостью. Вне зависимости от степени, до которой механически обезвожена масса твердых биоотходов, остающаяся масса твердых биоотходов обычно содержит примерно 80% воды, так как большое количество воды связано внутри клеток, придавая массе твердых биоотходов отрицательную теплотворную способность, что делает твердые биоотходы совершенно бесполезными для целей получения от них тепла. Таким образом, твердые биоотходы все еще захоранивают на свалках или нанося их на сельскохозяйственную почву в качестве удобрения, поставляющего азот и фосфор. Однако твердые биоотходы могут также содержать живые вирусы и патогены, а также токсичные тяжелые металлы, что создает им жесткую оппозицию экологического характера, в то время как высокое содержание воды резко повышает стоимость их транспортировки к месту применения.

Уровень техники

Наблюдается растущая волна общественной поддержки возобновляемой энергии, называемой в народе «зеленой энергией». Несколько хорошо известных компаний, согласно журналу Power от мая 2003 года, в том числе General Motors, IBM, Dow Chemical и Johnson and Johnson, сообщили о планах покрытия части своих энергетических потребностей из «зеленых» источников. Некоторые компании сообщили даже о намерениях замены всего используемого в их производстве электричества «зеленой энергией». Основные поставщики ископаемой энергии, такие как Chevron, British Petroleum (BP) и Shell Oil, сообщили о своих намерениях поддержать экологические задачи. Действительно, BP является важным поставщиком панелей солнечной энергии. При Институте мировых ресурсов (World Resources Institute, WRI) имеется группа развития рынка зеленой энергии (Green Power Market Development Group), целью которой является разработка к 2010 году 1000 мегаватт (МВт) новой, экономически конкурентоспособной «зеленой энергии».

Наряду с этим более дюжины законодательных органов требуют от поставщиков энергии поэтапно и в определенных рамках наращивать энергию от возобновляемых источников. Нью-Йорк выдал распоряжение, в соответствии с которым государственные агентства должны к 2013 году продавать 25% энергии из возобновляемых источников, в то время как в настоящее время в Нью-Йорке из возобновляемых источников производится 19,3% энергии (New York Public Service Commission). Калифорния приняла закон, требующий, чтобы к 2017 году 20% предлагаемого в штате поставщиками электричества производилось из возобновляемых источников. Действительно, один из калифорнийских поставщиков электроэнергии, Pacific Gas and Electricity (PG&E), сообщает о том, что в настоящее время более 30% электричества происходит из возобновляемых источников. По меньшей мере 36 розничных продавцов энергии в США предлагают в настоящее время в качестве альтернативы «зеленую энергию». Европа также всерьез принимает возобновляемую энергию, ставя себе целью производство к 2020 году 20% энергии из возобновляемых источников.

К традиционной возобновляемой энергии обычно относится солнечная, ветряная, гидроэлектроэнергия, геотермальная энергия, энергия биомассы и свалочных газов. Имеются определенные проблемы, связанные с тем, каким образом удовлетворить потребность в возобновляемой энергии. Солнечная и ветровая энергия находятся на подъеме, но имеют очень слабую базу. Гидроэлектроэнергия и геотермальная энергия ограничены в новых местах размещения и встречают экологическое противодействие. Свалочный газ ограничен и также встречает критику из-за загрязнения воздуха. В настоящее время отсутствуют другие возобновляемые источники, которые могли быть предложены для заполнения большого разрыва между поставкой и потребностью.

Биомассу на протяжении долгого время использовали в качестве возобновляемого источника энергии. Столетиями, например, использовали в качестве топлива древесину и побочные продукты лесной промышленности и сельского хозяйства, механически сжигая их в печах и котлах с большим избытком воздуха и с низким коэффициентом полезного действия. Национальная лаборатория по возобновляемой энергии, National Renewable Energy Laboratory (NREL), определяет биомассу как «органический материал, получаемый на возобновляемой основе. Биомасса включает в себя остатки лесного и мельничного производства, сельскохозяйственные культуры и отходы, древесину и древесные отходы, отходы животных, остатки животноводства, водные растения, быстро растущие деревья и растения, а также бытовые и промышленные отходы». Согласно данным исследовательской техники по горению (Combustion Research Facility, CRF) Национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratory) 85% используемой в мире энергии использует горение. Если биомасса должна вносить заметный вклад в возобновляемую энергию, она при этом будет прямо или косвенно использоваться в качестве топлива.

Осадок сточных вод и большие количества содержащихся в нем твердых биоотходов вместе с их связанной с клетками водой ранее не рассматривали как источник энергии. Из-за своего большого содержания связанной воды твердые биоотходы имеют отрицательную топливную ценность и не могут быть сожжены, если их не нагревать с дорогостоящим топливом, которое необходимо покупать. Такое сжигание твердых биоотходов может оказаться желательным, чтобы избежать необходимости распространять их на грунте, устраняя тем самым или, по крайней мере, уменьшая возможное загрязнение окружающей среды, но при очень существенных расходах, в частности, на дополнительное тепло, которое должно быть получено от топлив, чтобы сжечь твердые биоотходы.

Годовое производство твердых биоотходов в США оценивается от 7,1 до 7,6 миллионов (short) тонн в расчете на сухой материал. Захоронение в океане было запрещено с начала 1980-х годов. Преобладающим решением является распространение твердых биоотходов на сельскохозяйственной почве в качестве удобрения. Другими решениями являются складирование на свалках и сжигание.

Сообщалось, что в 1998 году производство твердых биоотходов в Европе составило 7,2 миллиона сухих метрических тонн, из которых 25% было размещено на свалках. В 2005 году ожидается увеличение производства до не менее чем 9,4 миллиона метрических тонн с нанесением на грунт 54%, уменьшением размещения на свалках до 19% и роста сжигания до 24%, хотя оценивается, что сжигание обходится в пять раз дороже размещения на свалках.

Сообщалось, что в 2001 году производство твердых биоотходов в Японии составило 1,7 миллиона сухих метрических тонн, из которых 40% было компостировано, а остальная часть сожжена или использована в производстве цемента.

После энергичного механического обезвоживания и сбраживания на установках очистки стоков концентрация твердых веществ в твердых биоотходах все еще составляет лишь приблизительно от 14 до 30% и, как правило, не превышает 20%, что означает, что каждая тонна твердых биоотходов, очищенная и обезвоженная согласно предшествующему уровню техники, сопровождается примерно четырьмя тоннами воды, основная масса которой связана в мертвых клетках. Себестоимость отправки инертной воды ограничивает расстояние, на которое она может быть перемещена от своего источника (обычно установки очистки сточных вод (УОСВ)). Эти факторы придают твердым биоотходам отрицательную ценность. В результате этого УОСВ должна кому-то оплачивать устранение твердых биоотходов. Такую оплату часто называют «отгрузочным гонораром».

Поскольку выбор для устранения твердых биоотходов становится все более проблематичным и возможности для устранения все дальше удаляются от источника, расходы на устранение и транспортные расходы становятся все более возрастающей экономической нагрузкой. Чтобы ослабить эту нагрузку, промышленность сосредоточила внимание на уменьшении объема и веса. Индустрия сточных вод предприняла обширные усилия для удаления воды из твердых биоотходов, образующихся на очистных установках. На типичной УОСВ используются центрифуги, ленточные прессы или другие средства физического вытеснения воды из твердых биоотходов. Обезвоживанию может способствовать добавление полимеров или других химических веществ. Тем не менее такого рода способы механического обезвоживания, которые используют на УОСВ, не эффективны, дороги и не способны значительно снизить количество воды, связанной в клетках твердых биоотходов.

Агентство по защите окружающей среды США (ЕРА) классифицирует твердые биоотходы согласно норме "40 CFR part 503" как класс А и класс В. Эта норма касается, прежде всего, применения твердых биоотходов для сельскохозяйственной земли, в отношении чего существует шумная и растущая экологическая оппозиция. Например, экологи осуждают использование твердых биоотходов в качестве удобрения из-за содержащихся в них живых болезнетворных организмов (патогенов и вирусов) и тяжелых металлов (таких как свинец, ртуть, кадмий, цинк и никель), а также из-за вреда, наносимого ими грунтовым водам. Кроме того, экологи проявляют озабоченность в отношении вопросов, связанных с «качеством жизни», таких как насекомые и запахи, сопровождающие твердые биоотходы. Применение на грунте твердых биоотходов класса В запрещено как таковое в ряде графств, чему, как ожидается, последуют и другие графства и штаты. В одном из случаев, где 70% твердых биоотходов принадлежали к классу В, запрещение нанесения на почву в прилегающих графствах почти удвоило отгрузочный гонорар от примерно $125 в сутки за сухую тонну до примерно $210-235.

Наряду с этим, высокое содержание связанной с клетками воды в твердых биоотходах затрудняет их сжигание во многих областях промышленности. Например, цементная промышленность считается третьим в мире потребителем энергии. Для производства каждой тонны цемента она требует эквивалента приблизительно 215 кг каменного угля. С целью сохранения ископаемого топлива 15 цементных фабрик в США сжигают опасные отбросы топливной категории, а примерно 35 других фабрик используют в качестве добавки к ископаемому топливу обрезки автопокрышек. Развивающимся способом устранения твердых биоотходов является сжигание их в цементных печах. Поскольку их чистая топливная ценность отрицательна, существование подобной практики держится только на доходе, получаемом владельцем печи, например, из отгрузочного гонорара, так как для удаления связанной воды в твердых биоотходов необходимо сжигать дополнительное количество топлива, например каменного угля. Кроме того, при производстве цемента некоторые из содержащихся в твердых биоотходов элементов, таких как хлор, фосфор, натрий и калий, нежелательны из-за того, что они вредно влияют на качество цемента.

В прошлом потребность в устранении биомассы в целом сочеталась с попытками извлечения из нее тепловой энергии с тем, чтобы снизить расходы на устранение и экологическую нагрузку свалок. Попытки извлечения энергии из таких материалов ограничивались сжиганием низкокачественных топлив и твердых отходов. Например, ранние способы получения топлива из твердых городских отходов (ТГО) обычно сосредоточиваются на добавлении щелочи с целью облегчить удаление большей части содержащегося хлора в форме содержащегося в ТГО поливинилхлорида. При этом специалистам в данной области техники известны различные способы переработки относительно низкокачественного углеродистого топлива типа слабобитуминозных и лигнитовых углей. В обоих сценариях, однако, в качестве сырья используются низкокачественные топлива.

Был предложен ряд схем для пиролиза твердых биоотходов. Однако все они вынуждены были считаться с тем фактом, что твердые биоотходы содержат примерно в четыре раза больше воды по сравнению с твердым материалом даже после традиционного обезвоживания, например, на очистной установке. Невозможно достичь температур пиролиза пока вся вода не будет испарена, что требует по меньшей мере 4000 БЕТ на 1 фунт (8800 БЕТ/кг) твердых веществ, что в лучшем случае могло бы быть равным топливной ценности, после чего следуют инвестиционные и эксплуатационные расходы.

Как показывает сказанное выше, устранение твердых биоотходов становится все более дорогостоящим и спорным. В технике существует необходимость в способе чистого и экономичного устранения твердых биоотходов. В настоящем изобретении предлагается способ устранения твердых биоотходов при одновременном производстве экономически более эффективного возобновляемого топлива.

В то время как сами по себе твердые биоотходы не могут удовлетворить растущий спрос на возобновляемую энергию, превращение твердых биоотходов в полезное топливо согласно настоящему изобретению может быть объединено с извлечением энергии из других источников, таких как биомасса. Таким образом, в настоящем изобретении предлагаются способ и система для превращения твердых биоотходов, самих по себе или вместе с биомассой, в эффективное возобновляемое топливо экологически безопасным путем.

Согласно настоящему изобретению необработанные твердые биоотходы нагревают после их отвода с установки очистки стоков с целью разрушения клеток, высвобождая тем самым большие количества связанной с клетками воды. Температура достаточно высока для того, чтобы клеточная структура была разрушена и отделился диоксид углерода, снижая в твердых биоотходах содержание кислорода. Это ведет к образованию обугленного материала, который не является гидрофильным и может быть эффективно обезвожен и/или высушен. Этот обугленный материал является пригодным для практики возобновляемым топливом.

При дальнейшем развитии настоящего изобретения имеется возможность увеличить наличие возобновляемых топлив путем превращения биомассы (типа необработанных отходов ското- и птицеводческих ферм и сельскохозяйственных культур и т.п.) в той же самой или подобной ей аппаратуре. Аналогичным образом невозобновляемые гидрофильные топлива могут быть обработаны таким образом, чтобы дополнительно увеличить энергию, которая может быть получена из твердых биоотходов в соответствии с изобретением.

Раскрытие сущности изобретения

1. Насколько известно заявителям, твердые биоотходы состоят главным образом из мертвых клеток, содержащих связанную с клетками воду. При создании давления, достаточного для того, чтобы удерживать воду в жидком состоянии, нагрев суспензии или ила, содержащих твердые биоотходы, до некоторой первой, относительно низкой, температуры вызывает разрушение клеток, что высвобождает связанную внутри клеток воду и в результате этого превращает твердые биоотходы из субстанции, которую практически невозможно обезводить, в новое топливо, из которого легко механически удалить воду. Стадия удаления включает рециркуляцию по крайней мере части водной фазы на стадию подачи, предварительную очистку воды, удаляемой из суспензии обугленного материала, при которой образуется газообразный метан, а содержащаяся в диоксиде углерода сера выделяется на стадии отделения. Затем удаляют серу с помощью устройства контроля за загрязнением. Дальнейший нагрев твердых биоотходов дополнительно отщепляет диоксид углерода, понижая тем самым содержание кислорода в твердых биоотходах и превращая твердые биоотходы в обугленный материал. Эта стадия отделения диоксида углерода включает по крайней мере одну из стадий:

связывание диоксида углерода в земле и/или в большом объеме воды;

очистку и использование диоксида углерода в по меньшей мере одном из следующих применений: газированных напитках, пламегасителях изолирующего действия, в качестве вытеснителя для аэрозольных баллончиков, в качестве хладагента и в качестве инертного защитного газа;

использование диоксида углерода в качестве смешиваемого вытесняющего агента при третичной нефтедобыче;

сочетание указанных стадий.

При этом осуществляется теплообмен в суспензии с находящимися под давлением твердыми биоотходами. Будучи обезвоженным, обугленный материал обладает положительной теплотворной способностью и может непосредственно использоваться в качестве топлива, высвобождая тем самым тепловую энергию, которая до этого была недоступным образом связана в твердых биоотходах.

В частности, в сочетании с установкой очистки сточных вод (УОСВ) настоящее изобретение предлагает способ производства применимого на практике возобновляемого топлива из твердых биоотходов путем превращения твердых биоотходов в относительно сухой горючий материал. Во многих случаях способ может быть интегрирован в существующую структуру УОСВ. Поскольку обработанные твердые биоотходы по существу не содержат связанной воды, высвобожденная из клеток вода может быть возвращена на УОСВ. Оставшиеся клеточные материалы становятся намного менее гидрофильными, что придает им положительную теплотворную способность и позволяет транспортировать их до желаемого места назначения при намного более низких расходах. Если на УОСВ имеется стадия анаэробного брожения, образующийся газ может способствовать раскислению используемого в этой операции топлива в псевдоожиженном состоянии. Патогены разрушаются и, когда обезвоженные твердые биоотходы нагреваются в достаточной для карбонизации степени, образующийся обугленный продукт имеет пониженные уровни наиболее растворимых в воде загрязнений, включая натрий, калий, серу, азот, хлор и органические соединения, которые отделяются вместе с избыточной водой. Обугленные твердые биоотходы являются новым игроком на энергетической сцене и представляют собой недорогое возобновляемое топливо для многих энергопотребляющих отраслей промышленности.

Хотя обугленные твердые биоотходы и пригодны для мусоросжигателей и свалок, наиболее продуктивное их применение должно включать использование их энергетического содержания. Например, в одном из вариантов способ и система настоящего изобретения используются в комбинации с цементной печью и цементным производством, одновременно устраняя твердые биоотходы, которые в противном случае представляли бы собой нежелательные отходы. При этом содержащийся в твердых биоотходах инертный материал может стать частью продукта. Таким образом, может быть использована не только теплотворная способность твердых биоотходов, но и инертные вещества в этом случае не оставляют отрицательных побочных продуктов.

Поскольку твердые биоотходы образуются в виде вязкой суспензии, они не требуют серьезной подготовки за исключением необходимого для их однородности перемешивания. Вслед за нагревом суспензии твердых биоотходов под давлением до температуры, при которой происходит разрыв клеточных стенок, дальнейший нагрев твердых биоотходов приводит к существенной молекулярной перестройке клеток с выбросом значительной доли кислорода в виде диоксида углерода, что карбонизирует органические вещества и образует так называемые обугленные твердые биоотходы, которые легко сжигаются. Необходимая для такой молекулярной перестройки температура может меняться, но обычно в пределах от 177 до 315°С (350-600°F). Агрессивный гидролиз заставляет свободные анионы растворяться в водной фазе. Ранее связанные катионы, такие как натрий и калий, также становятся доступными для растворения в воде и последующего удаления или/и устранения.

При сравнении со сжиганием (необработанных) твердых биоотходов (в цементных печах или специальных мусоросжигателях) положительное содержание энергии в обожженных твердых биоотходах значительно уменьшает количество дополнительного топлива, которое необходимо покупать. Кроме того, растворимые катионы, которые являются источником низкотемпературного шлака в котлах и не желательны в цементе, легко удаляются с высвобожденной водой.

Для цементной печи и мусоросжигающих устройств было бы предпочтительно, чтобы обугленный материал был в максимальной степени обезвожен, результатом чего были бы производство и загрузка влажного «обугленного материала», содержащего только примерно от 40 до 50% воды, что составляет примерно одну пятнадцатую часть от того, что содержится в необработанных твердых биоотходах. Альтернативным образом с учетом транспортировки и манипулирования, для таких установок более предпочтителен высушенный и спрессованный или таблетированный обугленный материал. В настоящем изобретении имеются возможности получать обугленные твердые биоотходы в любой форме.

Наряду с этим получаемые в настоящем изобретении обугленные твердые биоотходы, с или без обугленного материала из других субстанций, таких, например, как биомасса, дают топливо, которое может быть использовано в различных других потребляющих топливо отраслях промышленности, в том числе в доменных печах, литейных цехах, бытовых котлах, энергетике, бумажной промышленности и других отраслях промышленности, где используют ископаемое топливо. Настоящее изобретение предусматривает, например, зеленую парогенераторную установку, на которой обугленные твердые биоотходы загружаются в камеру сгорания, работающую на пылевидном топливе или в режиме псевдоожиженного слоя, или в газогенератор, подающий чистый топливный газ в комбинированный цикл комплексной газосжигающей газовой турбины.

Далее, получаемые в настоящем изобретении обугленные твердые биоотходы могут быть сырьем для работающих на водороде топливных элементов при частичном окислении до топливного газа (главным образом оксида углерода и водорода) с последующей конверсией водяного газа и отделением диоксида углерода, как это применяется в технологии синтетического аммиака. Продукт может быть «рафинирован» с образованием жидких топлив путем применения «каталитического крекинга», «замедленного коксования» и «гидрокрекинга», проводимых в соответствии со стандартными процессами, хорошо известными в нефтеперерабатывающей промышленности.

В то время как изобретение ориентировано на экономичное и экологически безопасное решение проблемы твердых биоотходов, оно может быть совмещено с обработанными должным образом другими субстанциями, прежде всего с нуждающейся в устранении биомассой, включая сюда (но не ограничивая этим изобретения) отстои бумажного производства, пищевые отходы, сельскохозяйственные отходы, свиной навоз, куриный помет, коровий навоз, рисовую шелуху, жмых сахарной свеклы, лесосечные отходы, городские твердые отходы, медицинские отходы, бумажные отходы, древесину и древесные отходы, осадок пальмового масла, топлива из отходов, черный щелок с крафт-целлюлозных фабрик, зерновые культуры, быстро растущие энергетические культуры, а также гидрофильные невозобновляемые топлива, такие как низкосортные угли.

Настоящее изобретение относится, в частности, к способу превращения твердых биоотходов в экономически эффективное топливо путем создания в твердых биоотходах достаточно высокого давления, чтобы поддерживать жидкое состояние, нагрева находящихся под давлением твердых биоотходов до температуры, достаточной для разрушения клеток, с последующим выделением диоксида углерода, сброса давления в обуглившейся суспензии, отделения диоксида углерода от суспензии обуглившегося материала и удаление по крайней мере части водной фазы из суспензии обуглившегося материала, в результате чего получают обезвоженный обугленный продукт для последующего применения. Кроме того, изобретение относится к проведению реакции обезвоженного обугленного продукта с кислородсодержащим газом, превращая таким образом теплотворную способность топлива в тепловую энергию и используя тепловую энергию для сжигания топлива.

В целом настоящее изобретение предлагает экологически приемлемое решение проблемы твердых биоотходов, а также энергию для разных потребителей энергии, таких как цементные печи и электростанции. Кроме того, изобретение предлагает:

- способ увеличения объема и повышения экологической приемлемости возобновляемых топлив;

- способ сведения к минимуму количества направляемых на свалку отходов;

- способ снижения содержания влаги (воды), направляемой на свалку;

- способ повышения температуры размягчения возобновляемого топлива с целью уменьшения разложения и ошлаковывания;

- способ превращения неоднородного твердого топлива, такого как сельскохозяйственные отходы или отходы лесной промышленности, или/и шлам бумагоделательной фабрики, в однородное топливо;

- способ превращения объемистого топлива в топливо, которое компактно и может легко храниться и транспортироваться;

- способ превращения подверженного порче топлива в стерильное топливо, которое может храниться без порчи;

- способ создания экономичного средства для совместного сжигания несовместимого в другой ситуации топлива;

- способ создания термически эффективного объединения жидкостного раскисления и по крайней мере одного из следующих объектов: установки очистки сточных вод, цементной печи и теплоэлектростанции;

- способ сушки твердых биоотходов перед вводом в цементную печь или другое подобное ей устройство;

- способ снижения количества воды, вводимой в цементную печь или другие сжигающие устройства;

- способ совместной переработки нескольких видов сырья с использованием раскисления;

- способ использования золы твердых биоотходов или других видов биомассы;

- способ удаления (или извлечения) элементов, содержащихся в твердых биоотходах или других видах биомассы, таких как фосфор, хлор, CO₂, и

- способ удаления воды из твердых биоотходов или биомассы с целью дальнейшего рафинирования этих материалов или для снижения себестоимости устранения или применения в качестве удобрения.

Таким образом, настоящее изобретение предлагает способ устранения ила, производимого на установках очистки городских стоков и сточных вод экономичным и экологически благоприятным путем. Этот способ экологически благоприятен, потому что конечным продуктом является зола, которая не имеет запахов, а также вредных субстанций, таких как вирусы или патогены, а зола имеет малый объем и легко устраняется. Способ наряду с этим экономически эффективен, потому что прежде всего ему благоприятствует желание руководства очистных установок выплачивать отгрузочный гонорар за устранение трудно обрабатываемого ила городских стоков, а также потому что, с другой стороны, ил будет превращен в топливо с положительной теплотворной способностью, которая может быть использована для получения дополнительных доходов или других ценных позиций в виде оплаты за генерируемую тепловую энергию или, например, обмена извлеченного тепла за кредиты, желаемые продукты и т.п.

Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения станут очевидными из описания и чертежей настоящей заявки.

Краткое описание чертежей

Признаки и преимущества изобретения могут быть выявлены из следующего детального описания чертежей:

фиг.1 - схематическая диаграмма последовательности операций, иллюстрирующая способ настоящего изобретения, имеющий целью превращение твердых биоотходов в суспензию с высокой удельной энергией или сухое твердое топливо в качестве возобновляемого источника энергии;

фиг.2 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется на установке очистки сточных вод;

фиг.3 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется при эксплуатации цементной печи;

фиг.4 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения применяется на теплоэлектростанции с использованием дополнительных топлив, таких как низкокачественные угли, и

фиг.5 - технологическая схема, на которой способ настоящего изобретения объединен с термосушилкой и применяется в работе цементной печи.

Полное описание изобретения

Фиг.1 иллюстрирует превращение твердых биоотходов в практически пригодное возобновляемое топливо. Твердые биоотходы могут подаваться в виде ила по трубопроводу 107 с близлежащей установки очистки сточных вод или городских стоков (УОСВ) в сырьевой резервуар 106. Альтернативным образом твердые биоотходы могут подаваться с помощью грузового автомобиля 108 и перекачиваться иловым насосом 109 по линии 110 к резервуару 106.

Альтернативным образом сырьевой резервуар 106 может получать твердые биоотходы от нескольких источников и использоваться как смесительная емкость, с помощью которой более разбавленные твердые биоотходы смешиваются с более плотными и более вязкими твердыми биоотходами с образованием более пригодного для перекачки сырья. Для этой же цели может использоваться смесительно-суспендирующее устройство 104.

Кроме того, сырьевой резервуар 106 или смесительно-суспендирующее устройство 104 могут быть участками, где добавляется полимер для снижения содержания воды в суспензии твердых биоотходов или, альтернативным образом, где добавляют воду, если вязкость суспензии является проблемой.

Для повышения вязкости твердых биоотходов к резервуару 106 может подводиться тепло. Кроме того, может быть добавлена стадия резки или размола, например, между сырьевым резервуаром 106 и перекачивающим устройством 111. Эта резка или размол снизят вязкость, а также приведут к однородному размеру частиц, необходимому для оптимальной работы клапана 116 для сброса давления. Подвод тепла, резка и размол должны также повышать производительность перекачивающего устройства 111 и позволят вводить в систему материал с более высоким содержанием твердых веществ.

В одном из вариантов осуществления вводятся скрининг-устройство для удаления крупноразмерных частиц с целью повышения производительности размола (в случае его проведения), перекачивающее устройство 111 или/и клапан 116 для сброса давления. Скрининг-устройство может, например, быть помещено между сырьевым резервуаром 106 и перекачивающим устройством 111. В другом варианте осуществления сырьевой резервуар 106 или подобное ему устройство могут быть использованы для введения хелатирующего агента или другого подходящего химического вещества для удаления фосфора или других содержащихся в твердых биоотходах элементов.

Из сырьевого резервуара 106 суспензия твердых биоотходов перекачивается под давлением, которое должно поддерживать воду в твердых биоотходах во время последующих операциях нагрева в жидкой фазе. Например, в одном из вариантов осуществления суспензия находится под давлением примерно от 28 до 74 кг/см². В другом варианте осуществления суспензия находится под давлением примерно от 17,5 до 113 кг/см². Следует позаботиться о том, чтобы обеспечить перекачивающее устройство 111 адекватной высотой всасывания насоса (NPSH) либо гидравлически, либо с помощью механики, например с помощью винтового конвейера, с учетом того, что суспензия может быть очень вязкой и нести в себе растворенные газы.

Альтернативой (не показана), позволяющей уменьшить эксплуатацию перекачивающего устройства 111, является ввод в процесс подкачивающих насосов где-либо между перекачивающим устройством 111 и клапаном 116 для сброса давления. Дополнительной альтернативой (не показана), имеющей целью уменьшение эксплуатации перекачивающего устройства 111, является добавление перед перекачивающим устройством 111 высвобожденной воды или прореагировавшей суспензии.

Суспензия твердых биоотходов перед входом в реактор прокачивается через теплообменники 112 и 113. Проходя через теплообменник 112 суспензия нагревается за счет теплообмена с горячей жидкой теплопереносящей средой (ТПС) типа Терминол 59. В другом варианте осуществления (не показан) суспензия нагревается за счет прямого или опосредованного теплообмена с водяным паром. Температура суспензии на выходе из теплообменника 112 может быть в пределах примерно от 150 до 315°С и предпочтительно примерно от 200 до 260°С. Проходя через теплообменник 113, суспензия дополнительно нагревается до желаемой температуры, при которой стенки клеток твердых биоотходов должны разрушаться и высвобождать связанную в клетках воду. Далее температура предпочтительно устанавливается такой, чтобы в результате теплообмена с ТПС другие составляющие клеток твердых биоотходов обугливались с превращением в обугленные твердые биоотходы. В одном из альтернативных вариантов осуществления для нагрева суспензии до желаемой температуры используются конденсирующиеся пары испаряемой ТПС (такой как Therminol VP-1). В одном из вариантов осуществления температура составляет примерно от 200 до 260°С. В другом варианте осуществления температура составляет примерно от 150 до 260°С. В еще одном варианте осуществления температура составляет примерно от 260 до 350°С.

Хотя конструкция теплообменников для использования в настоящем изобретении и не является существенной, каждый из них может иметь два или более корпусов. Корпуса могут быть параллельными или последовательными. В одном из вариантов осуществления теплообменники 112 и 113 расположены последовательно таким образом, что суспензия твердых биоотходов проходит вначале через теплообменник 112 и затем через теплообменник 113.

Реактор 114 (который может состоять из одного или нескольких параллельных или последовательных реакторов) предоставляет время при повышенной температуре для того, чтобы, во-первых, разрушить клетки твердых биоотходов и затем завершить реакции раскисления, превратив составляющие клеток в обугленные твердые биоотходы. Хотя в данном случае обсуждается непрерывно проводимая реакция, настоящее изобретение допускает и периодическую или полунепрерывную реакцию. Как известно специалистам в данной области техники, способы нагрева реакторов периодического действия могут быть близкими к способам нагрева реакторов непрерывн