Результат интеллектуальной деятельности: Технологическая линия по одновременной переработке различных проблемных отходов и стоков

Изобретение относится к области экологии, а именно к области экологически чистого преобразования отходов в ценные продукты с использованием сверхкритической технологии (СКТ).

При раскрытии заявленного устройства использован термин «проблемные отходы и стоки». В рамках данной заявки термин «проблемные отходы» означает: пищевые отходы; загрязненные растительные массы, в том числе водоросли; средства личной гигиены; не перерабатываемые емкости из-под продуктов питания; опасные отходы (батарейки, ртутные лампы, градусники); отходы электроники и бытовой техники; автошины; полиэтилен-терефталат, контейнеры для готовой еды; горшки и контейнеры для растений; бутылки от косметики; блистеры; файлы из поливинилхлорида; пластиковые окна; натяжные потолки; детали для мебели; скатерти; занавески для ванной; напольные покрытия; линолеум (поликарбонат, полиамид и прочее), детские бутылочки; одноразовая посуда; бутылки для воды (многоразовые и для кулера); тюбики от зубной пасты; CD и коробки для CD; пластик без маркировки, шлам коммунальных очистных сооружений, шлаки, в том числе мусоросжигательных заводов, фильтры, в том числе фильтры мусоросжигательных заводов и пр. В рамках данной заявки термин «проблемные стоки» означает: промышленные стоки; стоки животноводческих комплексов; стоки аквакультурных комплексов; дренажные стоки; ливневые стоки; хозбытовые стоки; фекальные стоки; канализационные стоки; льяльные воды; фугаты, в том числе фильтраты полигонов; шламы, в том числе нефтешламы; донные отложения; илы разного вида и пр.

Известен (RU, патент 2480423, опубл. 27. 04. 2013) комбинированный способ очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения, включающий первичную обработку исходных сточных вод коагулянтом и флокулянтом, разделение обработанных сточных вод на ил и осветленные сточные воды, отбор ила для последующей обработки, обработку осветленных сточных вод нано структурированным бемитом с абсорбцией органических загрязнений частицами нано структурированного бемита до достижения заданной степени очистки осветленных сточных вод, разделение обработанных осветленных сточных вод на очищенные сточные воды и твердый осадок, содержащий загрязненный нано структурированный бемит, сбор твердого осадка, содержащего загрязненный нано структурированный бемит, регенерирование нано структурированного бемита, для чего собранный твердый осадок подвергают сверхкритическому водному окислению до полного окисления органических соединений, абсорбированных нано структурированным бемитом, и сбор регенерированного нано структурированного бемита для последующего повторного использования.

Недостатком известного способа следует признать узкую область применения - только переработка осадка сточных вод.

Известна (RU, патент 2570331, опубл. 10.12.2015) линия для переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащая завод по сортировке твердых бытовых и промышленных отходов, пиролизную установку, установку по переработке органики, установку плазменно-химической переработки, установку по переработке расплавленного шлака, блок очистки биогаза, блок получения синтез-газа, блок переработки углекислого газа, блок получения углекислоты, блок генерации энергии и блок каталитической переработки, при этом завод по сортировке твердых бытовых отходов по выходу продукции связан с пиролизной установкой и с установкой по переработке органики, а выход пиролизной установки связан со входом установки плазменно-химической переработки, выходы которой связаны со входами установки по переработке расплавленного шлака, блока генерации энергии и блока каталитической переработки, а выход установки по переработке органики связан со входом блока очистки биогаза, выход которого связан со входом блока переработки углекислого газа, выходы которого связаны со входами блока получения углекислоты, блока получения синтез-газа и блока генерации энергии.

Недостатком известной линии следует признать узкую область применения - только твердые бытовые и промышленные отходы.

Известен (RU, патент 2659924, опубл. 04.07.2018) мусороперерабатывающий комплекс для переработки твердых бытовых и промышленных отходов, содержащий площадку приема твердых отходов, конвейерную линию полуавтоматической сортировки отходов, участок дробления хвостов сортировки, участок предварительной сушки измельченных отходов. Кроме того, комплекс содержит блок пиролиза, включающий, по меньшей мере, две пиролизные установки, конвейерную линию для подачи подготовленных отходов к реакторам, конвейерную линию для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер, при этом в барабанном реакторе цилиндрическая камера сгорания размещена соосно, вынесена за пределы реакционной зоны и сопряжена с внутренним контуром обогрева рабочего объема реактора, выполненного в виде горизонтально и радиально расположенных труб различного диаметра, возле внутренней стенки цилиндра реактора по всей его длине размещен шнековый транспортер с разделяемым приводом и газоплотной шиберной задвижкой, а под реактором расположен шнековый транспортер-охладитель, блок конденсации парогазовой смеси содержит скруббер ударно-инерционного действия, по меньшей мере два насадочных скруббера с системой автоматического управления процессом орошения, кожухотрубный теплообменник.

Недостатком известного устройства следует признать использование пиролизной переработки отходов, не позволяющей получить многих полезные продукты.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2655838, опубл. 29.05.2018) модуль реализации сверхкритической технологии проточной переработки углеродсодержащих отходов любой степени влажности, содержащий блок загрузки, блок проведения сверхкритических технологий и блок переработки газа, полученного по сверхкритической технологии, причем в состав блока загрузки входят, по меньшей мере, узел транспортировки твердых отходов, мельница, узел подачи фугата/стоков, при этом выходы мельницы и узла подачи фугата/стоков подключены к узлу смешения для получения суспензии - реакционной массы, в состав блока проведения сверхкритических технологий входят, по меньшей мере, узел периодической загрузки полученной реакционной массы в реактор сверхкритической технологии, выполненный с возможностью обеспечения непрерывности процесса, по меньшей мере, один реактор сверхкритической технологии, выполненный с возможностью проведения процесса термического разложения реакционной массы в комплекте с газовыми вихревыми сепараторами и водоотведением, а также с возможностью периодической выгрузки минерального остатка в принимающий бункер, в состав блока переработки газа, произведенного по сверхкритической технологии, входят по меньшей мере система мониторинга и контроля для измерения фактического потока и состава газа, произведенного по сверхкритической технологии, и узел беспламенного сжигания СКТ-газа на каталитических горелках.

Недостатком ближайшего аналога следует признать недостаточный ассортимент получаемых товарных продуктов.

Техническая проблема, решаемая с использованием разработанной технологической линии, состоит в разработке новых технологий экологически чистой конвертации отходов в энергию и ряд ценных продуктов.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанной линии, состоит в улучшении экологической установки в зоне ее эксплуатации.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную технологическую линию по одновременной переработке различных проблемных отходов и стоков, характеризуемая тем, что она содержит модуль сверхкритической технологии, к входу которого подключен блок подготовки пульпы, выполненный с возможностью приема стоков, жидкой фазы, выделенной первым сепаратором, выполненным с возможностью отделения жидкой фазы от продуктов измельчения мельницей, выполненной с возможностью измельчения органических отходов, осадка коммунальных сточных вод, шламов и илов, смешанных твердых бытовых отходов, при этом первый сепаратор выполнен с возможностью отделения порошкообразных металлов, первый выход модуля сверхкритической технологии по газовой фазе подключен к входу второго газового сепаратора, второй выход модуля сверхкритической технологии по минеральному остатку подключен к третьему сепаратору твердой фракции, выполненному с возможностью отделения порошкообразных цветных металлов от минеральной составляющей, второй газовый сепаратор выполнен с возможностью осушения СКТ газа, его выход по водяному пару подключен к генератору электроэнергии, выход которого по конденсату водяного пара подключен к сборнику дистиллированной воды, выход по газу газового сепаратора подключен к системе доочистки, выполненной с возможностью получения газа с содержанием метана 97,5%, Р=200 бар. при этом технологическая линия дополнительно содержит систему переработки органических в том числе пищевых отходов, включающих последовательно установленные блок отжима, выход по жидкой фазе которого подключен к блоку подготовки пульпы, а выход по твердой фазе, подключен к блоку обеззараживания и конвенционной сушки, выход которого совместно с выходом по минеральной составляющей сепаратора твердой фракции подключены к блоку смешения, выполненному с возможностью получения гранулированных органоминеральных удобрений.

В качестве отходов биологической природы могут быть использованы шлам осадка сточных вод, навоз, торф, силос, водоросли и прочее.

Блок подготовки пульпы в большинстве вариантов реализации линии выполнен с возможностью приема «проблемных стоков», в том числе дренажных, ливневых, фекальных, хозяйственно-бытовых и промышленных стоков.

Предпочтительно линия выполнена с возможностью выделения из измельченных мельницей «проблемных отходов» средне- и тонкодисперсные порошкообразные черные и цветные металлы методом гидродинамического фракционирования с последующим проведением их классификации на основе критериальных параметров.

Также в предпочтительном варианте реализации разработанная технологическая линия выполнена с возможностью отделения средне- и тонкодисперсных порошкообразных цветных металлов от минеральной составляющей второго выхода модуля сверхкритической технологии методом гидродинамического фракционирования на основе их критериальных параметров.

Работа разработанной технологической линии основана на технологии, известной как сверхкритические (флюидные) технологии (СКТ). Это перспективный способ переработки различной биомассы. Быстрое развитие данного направления связано с исключительной экономической эффективностью и экологической чистотой, соответствующей требованиям, сформулированным в концепции «зеленой» экономики. Особые физико-химические свойства веществ проявляются в области сверхкритических температур и давлений. Вещества в сверхкритическом состоянии обладают аномально большой проникающей способностью. Можно сказать, что сверхкритические среды - это газы, сжатые до плотностей, приближающихся к плотностям жидкостей. Этим и объясняется тот факт, что сверхкритическое вещество являются хорошими растворителями. В этих условиях вода приобретает особые свойства, отличные от свойств жидкой и газообразных фаз. Вода из полярной жидкости превращается в неполярную среду и способна растворять гидрофобные химические соединения, но при этом не растворяет многие неорганические соли.

При переходе сверхкритического флюида в газ в критической точке выделяет экстрагированные вещества, так как газ ничего не растворяет. В сверхкритической воде растворяются почти все органические вещества. Растворимость неорганических веществ также меняется. На этом основана технология гидротермального выращивания кристаллов, которой больше полувека. Термическое разложение происходит в водной сверхкритической среде при повышенных давлениях. Диоксин, фуран, бензапирен и др. ядовитые соединения не образуются, так как в этих условия равновесие реакция разложения биомассы с образованием газообразных продуктов смещено в сторону образования метана и углекислого газа. Сложные органические соединения дают при разложении, например, водород, окись углерода, метан, бензол, толуол и другие ценные продукты. Минеральные остатки СКТ утилизации могут использоваться для разных целей в зависимости от состава исходного сырья. Металлы выделяются в виде неорганических солей или окислов. Большинство устойчивых в условиях СКТ неорганических соединений мало растворимы и выпадают в минеральный остаток в при сбросе давления.

Модуль СКТ проточной переработки отходов и стоков содержит блок загрузки, блок проведения сверхкритических технологий и блок переработки газа, полученного по сверхкритической технологии. В состав блока загрузки входят узел транспортировки отходов. При работке с твердыми отходами предусмотрена мельница для подготовки сырья и последующее получение пульпы - реакционной массы. В состав блока проведения сверхкритических технологий входят узел периодической загрузки полученной реакционной массы в реактор сверхкритической технологии, выполненный с возможностью обеспечения непрерывности процесса в комплекте с газовыми вихревыми сепараторами, обеспечивающими разделение парогазовой смеси и осушение СКТ газа, а также с возможностью периодической выгрузки минерального остатка в принимающий бункер.

Очищенный СКТ газ при давлении не менее Р=150 бар в среднем имеет следующий состав:

СО=5±1%; CO₂=5±3%; N₂=2%; Н₂=5±2%; СН₄=80±5%.

Теплотворная способность - 30 МДж/нм³, что позволяет выработать 1,3-1,5 кВт час из 1 кг исходного сырья. СКТ газ, содержащий до 80% метана (СН4) может быть использован для получения газообразных и синтетических моторных топлив, а также микробного белка биотехнологическими методами.

Очищенная вода может возвращаться в водоем, минеральный остаток с влажностью 10-15% с фракцией от 100 до 5 микрон может использоваться в качестве сырья для формирования грунтов и/или строительных материалов для дорожных работ или для малых архитектурных форм.

Для запуска рабочего режима Модуль требует подключения к мощности не менее 50 кВт ч. В зависимости от внешних условий выход на рабочий режим может занять от 10 минут до 2 часов. После выхода на рабочие режимы система генерирует энергию и не требует внешнего подключения энергии.

Минеральный остаток СКТ переработки органических отходов (навоза, иловых отложение и жидких отходов биоферментации) содержит минеральные соли фосфора, кальция и калия, но азот будет удален в процессе переработки вместе с СКТ газом. Влажность сухого минерального остатка составляет 10-15%, а фракционный состав - менее 100 микрон, что позволит провести грануляцию минерального остатка. Обогащение грунтов, полученных из минерального остатка СТК, минеральными компонентами в гранулированном виде легко осуществимо и позволит сформировать новую линейку продуктов плодородных грунтов различного назначения.

Предварительная термическая сушка навоза позволит сохранить массовую долю азота и повысить качество искусственных грунтов. Для эффективного использования существующего сушильного агрегата начальная влажность исходного сырья должна быть от 50 до 85%. Готовый продукт в зависимости от задач хозяйства может быть высушен до влажности 8-30%.

В качестве первичного энергоносителя, используемого для сушки могут использоваться электричество, природный газ, газ, получаемый в результате сопутствующих биологических процессов, отработанный пар, горячая вода, которые в избытке может предоставить СКТ Модуль и осуществлять полное уничтожение вредоносной микрофлоры и семян сорняков.

Таким образом, новым товарным продуктом линия по одновременной переработке различных проблемных отходов и стоков станут гранулированные комплексные органоминеральные удобрения - компост многоцелевого назначения (КМН) - включающие основные компоненты питания растений в соотношении, соответствующем биологическим особенностям растений и уровню плодородия почвы. Характеристики КМН приведены в табл. 1

Дозы внесения таких удобрений значительно снижаются и могут быть внесены в почву машинами для минеральных удобрений.

Дозы внесения таких удобрений значительно снижаются и могут быть внесены в почву машинами для минеральных удобрений.

Разработанная технологическая линия может в некоторых вариантах реализации дополнительно содержать систему электронного контроля, которая оборудована средствами наблюдения (контроля) за потоками, давлением и температурой, объемом производимых СКТ газа и электроэнергии.

Также разработанная технологическая линия может в некоторых вариантах реализации дополнительно содержать блок управления, оснащенного системой программного обеспечения (СПО). СПО должно обеспечивать защиту от ошибок оператора, вывод сообщений об ошибках и автоматическое ведение журнала ошибок, автоматическое восстановление текущего режима и параметров работы при аварийном завершении программы.