Результат интеллектуальной деятельности: Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод

Изобретение относится к комплексной переработке отходов сточных вод и может быть использовано при переработке иловых осадков сточных вод, осадков избыточного ила из сооружений биологической очистки и других продуктов, загрязняющих окружающую среду и образующихся в результате процесса природопользования.

Наиболее близким аналогом является система и способ переработки осадка сточных вод (см патент RU 2632444 С1, 04.10.2017). Система для переработки осадка содержит устройство для механической очистки осадка, механический сгуститель, реактор для термического разложения жидкого осадка, включающий трубчатый корпус, имеющий вход для подачи осадка под давлением не менее 25 МПа и выход для продуктов разложения, а также установленный вокруг корпуса нагреватель, выполненный с возможностью нагрева осадка до температуры не менее 450°С, устройство для разделения полученных продуктов разложения на горючий газ и осадок, устройство для обезвоживания осадка, связанное с выходом разложенного осадка устройства разделения осадка. Выход горючего газа устройства разделения осадка связан с газогенераторной установкой для выработки из горючего газа тепловой и/или электрической энергии. Газогенераторная установка связана со сгустителем, реактором и устройством обезвоживания с возможностью подвода к ним выработанной энергии. В системе осуществляют способ переработки осадка сточных вод.

Недостатком данной системы является недостаточная эффективность работы, т.к. в процессе переработки образуются твердые бытовые отходы, которые требуют последующего захоронения на полигонах ТБО после переработки осадка. В процессе переработки происходит не полное разложение беззольного осадка, которое составляет только 90%, что также свидетельствует о недостаточной эффективности системы. Кроме того, давление в реакторе 30 МПа (300 атм.) в процессе переработки, в сочетании с температурой в 500°С, указывает на небезопасность процесса.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание безопасного и высокоэффективного процесса переработки иловых осадков сточных вод, уменьшение количества твердых отходов, требующих последующего захоронения на полигонах, повышение выхода газовой составляющей.

Заявляемый технический результат достигается тем, что комплекс для переработки иловых осадков сточных вод включает блок подготовки сырья с сушильно-дробильной машиной, узел подачи сырья в реактор, блок сепарации газообразной и твердой фаз, блок конденсации газов, энергоблок. Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод содержит турбо-вихревой термический реактор, снабженный камерами сгорания и содержащий соосно расположенные реакционную камеру, внешний тепловой контур и устройство-активатор, представляющее собой лопастную вертушку, снабженную внешним приводом, реакционная камера имеет в разрезе по диаметральной плоскости форму круга, а в поперечном разрезе имеет форму овала, устройство-активатор соосно размещено внутри реакционной камеры, внешний тепловой контур представляет собой камеру, окружающую реакционную камеру, при этом внешний тепловой контур установлен таким образом, что не охватывает боковые части поверхности реакционной камеры, реакционная камера имеет патрубок для подачи подготовленного сырья и отверстие вывода продуктов переработки, внешний тепловой контур содержит не менее одного патрубка подвода тепла, связанного с камерой сгорания, и патрубок отвода дымовых газов, связанный трубопроводом с сушильно-дробильной машиной.

Камеры сгорания позволяют регулировать температуру во внешнем тепловом контуре и поддерживать температуру в реакционной камере, что способствует высокоэффективной переработке иловых осадков сточных вод, уменьшении количества твердых отходов и повышении выхода газовой составляющей.

Выполнение устройства-активатора в виде лопастной вертушки, снабженной внешним приводом для регулирования частоты вращения, позволяет дополнительно раздробить вращающимися лопастями устройства-активатора сырье до пылеобразного состояния и создать интенсивный вихрь за счет вращения лопастей устройства-активатора и овальных стенок реакционной камеры для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья в реакционной камере.

Выполнение реакционной камеры в разрезе по диаметральной плоскости в форме круга, а в поперечном разрезе в форме овала с соосно размещенным внутри реакционной камеры устройством-активатором позволяет при вращении устройства-активатора создавать сильно закрученный вихревой эффект внутри реакционной камеры, который способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья.

Выполнение внешнего теплового контура в виде камеры, соосно расположенной с реакционной камерой и окружающей реакционную камеру, позволяет эффективно и равномерно нагревать реакционную камеру и создавать внутри нее необходимую температуру для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья.

Установка внешнего теплового контура таким образом, что внешний тепловой контур не охватывает боковые части поверхности реакционной камеры, позволяет разместить на этих частях патрубки и осуществить подачу подготовленного для переработки сырья непосредственно в реакционную камеру, что также способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья.

Размещение патрубка для подачи подготовленного сырья и отверстия вывода продуктов переработки на реакционной камере позволяет осуществить подачу подготовленного для переработки сырья непосредственно в реакционную камеру, и отвод продуктов переработки из реакционной камеры, что также способствует высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья.

Наличие на внешнем тепловом контуре патрубка подвода тепла, связанного с камерой сгорания, позволяет поддерживать во внешнем тепловом контуре температуру более 1000°С. Использование камер сгорания позволяет регулировать температуру во внешнем тепловом контуре. В реакционной камере необходимая температура от 600°С и более для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья поддерживается за счет регулирования температуры во внешнем тепловом контуре, окаймляющем реакционную камеру.

Наличие патрубка для отвода дымовых газов, связанного трубопроводом с сушильно-дробильной машиной, позволяет дымовым газам из внешнего теплового контура реактора поступать в сушильно-дробильную машину, в которой производят сушку и дробление сырья. При этом дымовые газы не поддерживают горение, поэтому процесс сушки и дробления сырья становится безопасным.

Блок подготовки сырья включает ленточно-скребковый транспортер, магнитный сепаратор, сушильно-дробильную машину, вихревые циклоны, бункер-накопитель готового сырья. Магнитный сепаратор позволяет извлечь частицы металла, которые могут присутствовать в исходном сырье, что позволяет получить более чистый продукт после переработки и снизить вероятность возгорания сырья от возможного возникновения искры при трении металлов. Наличие сушильно-дробильной машины, вихревых циклонов и бункера-накопителя готового сырья позволяет эффективно подготовить необходимое количество готового сырья для переработки для осуществления высокоэффективной высокоскоростной глубокой термической деструкции частиц сырья в реакционной камере.

Блок очистки дымовых газов, содержащий дожигатель, циклон и скруббер, причем дожигатель связан с вихревыми циклонами блока подготовки сырья, позволяет очистить газообразную среду от возможных оставшихся примесей. Таким образом, в атмосферу выводятся очищенные дымовые газы, не происходит загрязнение окружающей среды и соблюдаются экологические стандарты.

Узел подачи сырья в турбо-вихревой термический реактор, включающий шлюзовой затвор и шнековый транспортер, позволяет подавать необходимое количество сырья непосредственно в реакционную камеру.

Блок сепарации газообразной и твердой фаз, включающий вихревые конденсаторы-сепараторы, шнековый транспортер и бункер-накопитель, позволяет отделить от горячего газа несгоревший твердый остаток, который собирают в бункере-накопителе. Твердый остаток возможно использовать в виде пылеугольного топлива в котельных или в качестве наполнителя для стройматериалов.

В блоке конденсации газов, включающем вихревые конденсаторы-сепараторы, воздушный фильтр, газовый компрессор, буферные емкости, накопительное газовое хранилище, происходит интенсивное охлаждение и очистка газа с отводом конденсирующегося синтетического жидкого топлива.

Энергоблок, включающий газотурбинные или газо-поршневые установки, служит для получения электроэнергии.

На фиг. 1 показана принципиальная схема заявленного комплекса для переработки иловых осадков сточных вод, на фиг. 2 схематично изображен реактор, вид сбоку, на фиг. 3 схематично изображен разрез по линии А-А.

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод включает фекальные насосы 1; установки по обезвоживанию иловых осадков 2, блок подготовки сырья, узел подачи сырья в турбо-вихревой термический реактор, турбо-вихревой термический реактор, блок сепарации газообразной и твердой фаз, блок конденсации газов, энергоблок, блок очистки дымовых газов.

Блок подготовки сырья, включает ленточно-скребковый транспортер 3, магнитный сепаратор 4, промежуточную накопительную емкость с донным ворошителем 5, закрытый скребковый транспортер 6, сушильно-дробильную машину 7, запорное устройство 8, вихревые циклоны 9, бункер-накопитель готового сырья 10. Узел подачи сырья в турбо-вихревой термический реактор включает шлюзовой затвор 11, шнековый транспортер 12. Турбо-вихревой термический реактор 13, снабжен камерами сгорания 14. Блок сепарации газообразной и твердой фаз включает вихревой конденсатор-сепаратор 15, шнековый транспортер 16, бункер-накопитель 17. Блок конденсации газов включает вихревые конденсаторы-сепараторы 18, воздушный фильтр 19, газовый компрессор 20, буферные емкости 21, накопительное газовое хранилище 22. Энергоблок включает газотурбинные или газо-поршневые установки 23. Блок очистки дымовых газов включает камеру сгорания (дожигатель) 24, циклон 25 и скруббер 26.

Турбо-вихревой термический реактор 13 содержит соосно расположенные реакционную камеру 27, камеру внешнего теплового контура 28 и устройство-активатор 29 для создания вихревого эффекта. Реакционная камера 27 имеет в разрезе по диаметральной плоскости форму круга, а в поперечном разрезе - форму овала. Устройство-активатор 29 соосно размещено внутри реакционной камеры 27. Внешний тепловой контур 28 представляет собой камеру, окружающую реакционную камеру 27. При этом внешний тепловой контур установлен таким образом, что не охватывает боковые части поверхности реакционной камеры. Внешний тепловой контур 28 содержит тангенциально расположенные патрубки подвода тепла 30, связанные с камерами сгорания 14, и патрубок 31 отвода дымовых газов. Реакционная камера 27 с боковой стороны имеет патрубки 32 и 33 для подачи подготовленного сырья и отверстие вывода продуктов переработки 34. Устройство-активатор 29 представляет собой лопастную вертушку, например, лопастной вентилятор, приводимый во вращение с помощью внешнего привода 35, установленного с возможностью регулирования частоты вращения. Внешний тепловой контур 28 через патрубок 31 отвода дымовых газов посредством трубопровода 36 связан с сушильно-дробильной машиной 7.

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод работает следующим образом.

Переработка иловых осадков начинается с откачки ила из отстойников очистных сооружений при помощи фекальных насосов 1 общепромышленного производства производительностью, необходимой для транспортирования всего образующегося ила на данных очистных сооружениях. Для этой цели используют, например, фекальные насосы типа Calpenda.

Далее обводненный ил по трубам поступает на установки по обезвоживанию иловых осадков 2, задача которых - уменьшить содержание воды до 60-70%, это могут быть отжимные прессы, фильтровальные установки, и т.д., например, ленточные фильтр-прессы серии GSD.

Наиболее часто иловые осадки поступают на переработку после очистных сооружений в виде пластилинообразной массы в блок подготовки сырья. Эту пластилинообразную массу по закрытому ленточно-скребковому транспортеру 3 в подают промежуточную накопительную емкость 5 с донным ворошителем. В процессе подачи иловых осадков ленточный транспортер 3 проходит под магнитным сепаратором 4, где происходит извлечение металлических включений. В линии использован известный магнитный сепаратор производства НПО «ЭРГА».

Далее, управляя с помощью частотного преобразователя приводом ворошителя накопительной емкости 5, регулируют скорость и объем подачи ила на окончательную сушку и дробление. Затем, при помощи закрытого скребкового транспортера 6, осуществляют подачу ила в сушильно-дробильную машину 7.

В сушильно-дробильной машине 7 молотковыми устройствами в среде дымового газа, при температуре 150-200°С происходит дробление и досушивание ила до влажности 15-20%. Дымовые газы поступают в сушильно-дробильную машину 7 из камеры внешнего тепловой контура 28 по трубопроводу 36.

Получившийся в сушильно-дробильной машине 7 из иловых осадков порошок через трехходовое запорное устройство 8 поступает в вихревой циклон 9, где происходит разделение на сырье и дымовые газы. Дымовые газы поступают в блок очистки дымовых газов, состоящий из камеры сгорания (дожигателя) 24, циклона 25 и скруббера 26. В качестве камеры сгорания (дожигателя) использована известная конструкция, например, описанная в патенте России №2277204. В качестве циклона и скруббера применены известные выпускаемые промышленностью устройства. В блоке очистки дымовых газов происходит дожигание твердых частиц, которые могут быть подхвачены дымовыми газами, отделение несгоревших твердых частиц в циклоне 25 и последующая очистка газообразной среды от возможных оставшихся примесей с помощью скруббера 26. Таким образом, в атмосферу выводятся очищенные дымовые газы, не происходит загрязнение окружающей среды и соблюдаются экологические стандарты.

Подготовленное сырье из циклонов 9 подают в бункер-накопитель готового сырья 10 с наклонным дном и донным ворошителем.

При помощи частотного управления приводами донного ворошителя бункера-накопителя, шлюзового затвора 11 и шнекового транспортера 12 регулируют и осуществляют подачу подготовленного сырья (высушенного илового осадка) в реакционную камеру турбо-вихревого термического реактора 13.

При помощи камер сгорания 14 во внешнем тепловом контуре реактора поддерживают температуру более 1000°С. Использование камер сгорания позволяет регулировать температуру во внешнем тепловом контуре. Необходимая температура в реакционной камере поддерживается за счет регулирования температуры во внешнем тепловом контуре, окаймляющем реакционную камеру.

В реакционной камере происходит вращение устройства-активатора. Сырье попадает в реакционную камеру и дополнительно дробится вращающимися лопастями устройства-активатора 29 до пылеобразного состояния. Внутри реакционной камеры создается интенсивный вихрь за счет вращения лопастей устройства-активатора и овальных стенок реакционной камеры. Мелко измельченное сырье в интенсивном вихре и высокой температуре за 1-3 сек превращается в газ и небольшое количество несгоревшего твердого остатка. Реакция термической деструкции происходит без подачи воздуха и без непосредственного соприкосновения сырья с продуктами горения горелочных устройств. В результате получается высококалорийный синтетический газ.

Газ по трубопроводу затем попадает в горячий вихревой конденсатор-сепаратор 15, где происходит отделение из горячего газа несгоревшего твердого остатка, который через шлюз и шнековый транспортер 16 отводят в бункер-накопитель 17. Твердый остаток возможно использовать в виде пылеугольного топлива в котельных или наполнителя в стройматериалах. Газ из реакционной камеры и вихревого конденсатора-сепаратора удаляется за счет разрежения, созданного газовым компрессором 20.

В следующих вихревых конденсаторах-сепараторах 18 происходит интенсивное охлаждение и очистка газа с отводом конденсирующегося синтетического жидкого топлива. Проходя через финальный воздушный фильтр 19, охлажденный и очищенный газ с помощью газового компрессора 20 компримируется до 6-10 атм, и закачивается в буферные емкости 21, из которых также происходит отбор синтетического жидкого топлива (синтез происходит при повышении давления).

Получившийся газ закачивают в накопительное газовое хранилище 22 для обеспечения непрерывной работы исполнительных механизмов: горелочных устройства отопительных котлов, газотурбинных или газо-поршневых установок 23 для получения электроэнергии. Для получения электроэнергии возможно использовать газо-поршневые электростанции производства ЗАО «ПФК «Рыбинсккомплекс».

В зависимости от размера реактора объем переработки иловых осадков составляет от одной до трех тонн в час высушенного сырья (с влажностью 15-20%). При оптимальном режиме работы линии выход продуктов составляет с одной тонны иловых осадков (с влажностью 15-20%) до 550 куб. м газа калорийностью около 6500 ккал/куб. м, до 100 кг синтетического жидкого топлива и до 250 кг высокоуглеродистого материала в смеси с оксидами металлов.

Заявляемое изобретение имеет следующие преимущества.

После переработки осадка сточных вод на данном комплексе получаются смесь синтетических газов для сжигания в газо-поршневых установках или горелочных устройствах котельных, синтетическое жидкое топливо и высокоуглеродистый материал с оксидами металлов, который возможно применять в строительной промышленности, т.е. не образуются отходы и, поэтому не требуется их захоронение на полигонах.

На данном комплексе достигается 100% переработка и обезвреживание исходного продукта.

Реакция термо-механической деструкции высушенного вещества иловых осадков происходит при атмосферном давлении, что повышает безопасность процесса переработки.

В процессе испытаний и проведенных анализов доказано отсутствие вредных смолянистых веществ в получаемых продуктах и отсутствие в составе получаемого газа вредных азотных и других соединений. (Состав газа: Н2 - 19…22%; СО - 15…17%; СН4 - 20…26%; Этан, этилен - 7…8%; пропан, пропилен - 3…4%; сумма С4, С5, С6 - 5,5…7%; O2 - 1…2%; CO2 - 7…8%; N2 - 10…15%.)

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод полностью независим от внешних источников энергопотребления, при этом для собственных нужд используется только 4…5% получающегося синтетического газа. Таким образом, используя данную схему комплекса по переработке иловых осадков сточных вод очистных сооружений канализационного коллектора, предприятие получает возможность использования своей электрической энергии (более 1,5 МВт с одной тонны иловых осадков), получить прибыль от продажи на нефтеперерабатывающие предприятия синтетического жидкого топлива и твердого высокоуглеродистого остатка (до 250 кг с одной тонны иловых осадков), а также исключаются затраты на размещение иловых осадков на специализированных «иловых картах».

Комплекс для переработки иловых осадков сточных вод может быть изготовлен на имеющемся оборудовании имеющимися техническими средствами.