способ утилизации отходов

Формула изобретения

1. Способ утилизации отходов, включающий вскрытие угольного пласта скважиной, формирование полости подземного газогенератора и последующее газифицирование углеродсодержащей фракции отходов в подземном газогенераторе, отличающийся тем, что полость подземного газогенератора формируют посредством гидромониторного агрегата, при этом боковым стенкам и кровле полости придают вид свода естественного равновесия в пределах ее проектных размеров, после чего прекращают гидравлическую выемку угля, откачивают воду и осуществляют термическую подготовку массива к газификации, для чего в полость подают газ с температурой 350 - 400^oC до осушения этой полости, после чего полость газогенератора загружают углеродсодержащей фракцией бытовых отходов, которую перед вводом в подземный газогенератор подвергают пиролизу при температуре 500 - 600^oC и последующей дезинтеграции, при этом в загруженный отходами газогенератор подают газовую смесь, включающую СО₂, О₂, причем долю СО₂ минимизируют пока не инициируется процесс газификации отходов, после чего содержание СО₂ повышают до проектного, а также в состав дутья вводят водяной пар, при этом после окончания выгазовывания первой порции отходов полость газогенератора заполняют следующей порцией отходов и так далее до полного заполнения полости газогенератора зольным остатком.

2. Способ утилизации отходов по п.1, отличающийся тем, что в почве полости в процессе ее гидравлической выемки формируют зумпф.

3. Способ утилизации отходов по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника газов, используемых для подготовки подземной полости к газификации отходов, применяют газотурбинную электрогенераторную установку, в которой сжигают газ - продукт газификации угля и(или) углеродсодержащей фракции отходов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки и утилизации отходов бытовых и (или) промышленных, включающих отходы углесодержащих материалов.

Известен способ утилизации отходов, включающий обезвоживание отходов и последующий их пиролиз в реторте, с воспламенением материала за счет работы высокоинтенсивного лазера. Лазер используют до тех пор, пока не образуется количество метана и других летучих компонентов, достаточное для поддержания процесса пиролиза (см. пат США, МКИ E 23 C 5/12, 1988).

Недостаток этого решения - безвозвратное уничтожение материала, потенциально пригодного для производства энергетического топлива, и загрязнение окружающей среды, как тепловое, так и продуктами сжигания отходов.

Известен способ утилизации отходов, включающий обогащение массы отходов отделением твердой неуглеродсодержащей фракции, измельчение углеродсодержащей фракции и последующее ее газифицирование в газогенераторе) см. статью Тихомирова А.Г. и др. Твердые бытовые отходы - важный источник энерго- и ресурсосбережения. - Промышленная энергетика, 1990, 12, с. 45-47).

Недостаток этого технического решения - необходимость последующей утилизации или захоронения отходов процесса газификации, отвлечение больших площадей под сооружение комплексов по переработке отходов, необходимость ограничения температурных параметров процесса газификации или, соответственно, необходимость использования специальных термостойких материалов, что удорожает комплекс оборудования, используемого при газификации.

Известен также способ утилизации отходов, включающий вскрытие угольного пласта скважиной, формирование полости подземного газогенератора и последующее газифицирование углеродсодержащей фракции отходов в подземном газогенераторе (см. пат. РФ N 2069591, кл. B 09 B 3/00, E 21 B 43/295, 1996).

Недостаток этого технического решения - сравнительно невысокая емкость подземного газогенератора, полость которого заполнена золой от сгоревшего угля, что снижает эффективность использования подземного газогенератора как установки для утилизации твердых бытовых отходов, а также возможность использования запасов угля только в виде продуктов его газификации.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении эффективности использования подземного газогенератора как установки для утилизации твердых бытовых отходов и обеспечении возможности использования части запасов угля в натуральном виде.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении полезных объемов подземного газогенератора и извлечении запасов угля в пределах проектных размеров полости подземного газогенератора.

Поставленная задача решается тем, что способ утилизации отходов, включающий вскрытие угольного пласта скважиной, формирование полости подземного газогенератора и последующее газифицирование углеродсодержащей фракции отходов в подземном газогенераторе, отличается тем, что полость подземного газогенератора формируют посредством гидромониторного агрегата, при этом боковым стенкам и кровле полости придают вид свода естественного равновесия в пределах ее проектных размеров, после чего прекращают гидравлическую выемку угля, откачивают воду и осуществляют термическую подготовку массива к газификации, для чего в полость подают газ с температурой 350-400^oC, по завершении чего полость газогенератора загружают углеродсодержащей фракцией бытовых отходов, которые перед вводом в подземный газогенератор подвергают пиролизу при температуре 500 - 600^oC, при этом в загруженный отходами газогенератор подают газовую смесь, включающую CO₂, O₂, кроме того, после выхода процесса газификации на устойчивый режим в состав дутья вводят пары воды, при этом после окончания выгазовывания первой порции отходов, полость газогенератора заполняют следующей порцией отходов и так далее до полного заполнения полости газогенератора зольным остатком.

Кроме того, в почве камеры в процессе ее гидравлической выемки формируют зумпф.

Кроме того, в качестве источника газов, используемых для подготовки подземной полости к газификации отходов, применяют газотурбинную электрогенераторную установку, в которой сжигают газ - продукт газификации угля и (или) углеродсодержащей фракции отходов.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию новизна.

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "полость подземного газогенератора формируют посредством гидромониторного агрегата" обеспечивает возможность извлечения угля из проектных объемов полости газогенератора и возможность придания заданного профиля подземному газогенератору и исключает заполнение части его объема зольным остатком до начала процесса газификации отходов.

Признаки "боковым стенкам и кровле полости придают вид свода естественного равновесия в пределах ее проектных размеров, после чего прекращают гидравлическую выемку угля, откачивают воду" исключают самопроизвольное разрушение массива, вмещающего газогенератор и обеспечивают возможность перехода к процессу подготовки к газификации отходов.

Признак "углеродсодержащую фракцию отходов подвергают пиролизу" обеспечивает постоянство физико-химического состава материалов, вводимых в подземный газогенератор, исключает необходимость затрат тепла на предварительную обработку материала непосредственно в газогенераторе (т.е. исключается возможность резких изменений условий процесса газификации).

Признак, регламентирующий параметры процесса пиролиза, был принят по следующим соображениям: при температурах пиролиза, меньших названного предела, не обеспечивается полное удаление летучих фракций, поддержание температур, больших названного диапазона, бессмысленно, поскольку все летучие фракции уже отсутствуют.

Признаки "в загруженный отходами газогенератор подают газовую смесь, включающую CO₂, O₂, " обеспечивают в названных условиях инициацию процесса газификации и, одновременно, возможность повышения теплотворной способности газов - продуктов процесса подземной газификации.

Признак "после выхода процесса газификации на устойчивый режим, в состав дутья вводят пары воды" обеспечивает возможность повышения теплотворной способности газов - продуктов процесса подземной газификации без снижения интенсивности самого процесса газификации.

Признаки "при этом после окончания выгазовывания первой порции отходов, полость газогенератора заполняют следующей порцией отходов и так далее до полного заполнения полости газогенератора зольным остатком" обеспечивают возможность формирования закладочного массива из зольных остатков в объеме полости подземного газогенератора и тем самым обеспечивают сохранность массива.

Признак второго пункта формулы изобретения упрощает процесс осушения полости газогенератора после окончания процесса его формирования посредством гидромонитора.

Признаки третьего пункта формулы изобретения конкретизируют источник получения горячих газов, необходимых для осушения полости газогенератора и предварительной подготовки вмещающего его массива.

Признак второго пункта формулы изобретения обеспечивает повышение потребительских качеств газообразных продуктов процесса пиролиза.

На чертеже показана схема реализации способа. На схеме показаны дутьевая скважина 1, обсадная колонна 2, полость газогенератора 3, залежь 4 угля, установка для пиролиза отходов 5 с теплообменными полостями 6, блоки оборудования 7 очистки отходящих газов, газотурбинная установка (ГТУ) 8 с генератором электрического тока, зумпф 9.

Подготовка подземного газогенератора к работе включает бурение скважины 1 с поверхности до почвы залежи 4 угля (с небольшим перебуром, обеспечивающим формирование зумпфа 9). Затем в скважине 1 размещают обсадную колонну 2 и вводят в скважину 1 гидромониторный агрегат (не показан) и проводят гидравлическое разрушение угольной залежи 4 с выдачей угольной пульпы на поверхность. Объем формируемой подземной полости 3 определяется из условия обеспечения устойчивости ее стенок и кровли. Размеры и форму образующейся полости 3 контролируют известным образом, например ультразвуковыми методами. По достижении заданных проектом размеров полости 3 ее осушают откачкой на поверхность угольной пульпы при размещении приемного отверстия става гидромонитора непосредственно в зумпфе 9.

Затем размещают внутри обсадной колонны газоотводящий став (не показан) либо соответствующим образом переоборудуют оголовок обсадной трубы 2, после чего осуществляют обработку полости 3 горячими газами с температурой 350-400^oC. Для этого полость обсадной трубы 2 связывают либо с газоотводящей скважиной соседнего (с описываемым) подземного газогенератора, либо с выхлопным коллектором (не показан) ГТУ 8, либо с обеими названными объектами одновременно и прокачивают через нее горячий газ. При этом достигается осушение поверхности подземного газогенератора, а затем и соответствующий ее прогрев.

До начала процесса утилизации бытовых и промышленных отходов отходы процесса газификации накапливаются в герметичных емкостях.

В качестве исходного сырья для приготовления газифицируемого материала используют отходы промышленного производства (в том числе и отходы гальванического производства и нефтесодержащие воды), твердые бытовые отходы (макулатура, текстиль, пластмассы, органика, в том числе и пищевая), либо в смеси, либо порознь.

Указанные твердые отходы подвергают обогащению с выделением твердой неуглеродсодержащей фракции (металла, стекла, керамики и т.п.), что позволяет вернуть эти материалы в хозяйственный оборот.

Операцию обогащения выполняют либо непосредственно в районе размещения газогенератора, либо на городских пунктах сбора отходов, располагающих соответствующим оборудованием, что предпочтительнее, так как позволяет уменьшить объемы перевозок. Технический процесс разделения отходов на фракции аналогичен процессу, используемому в объединении "Спецтранс" (г. Ленинград), и является следующим: (не показан) отходы из приемного отделения подают во вращающиеся теплоизолированные барабаны, обеспечивающие измельчение и перемешивание отходов. Постоянная аэрация (на 1 кг отходов подают 0,2 - 0,8 м³) воздуха пробуждает аэробную микрофлору, которая разогревает массу сначала до 20 - 30^oC, а потом до 50^oC. Затем за счет воздействия термофильной микрофлоры температура возрастает до 60^oC. При этом происходит обеззараживание массы твердых бытовых отходов. Процесс продолжается 2 суток, после чего обезвреженные отходы подаются ленточным конвейером на сортировку, где из отходов выделяют металлы, стекло и т. п. твердую фракцию.

Подготовленные таким образом твердые отходы вводят в рабочую полость установки для пиролиза отходов 5.

Конструктивно установка для пиролиза отходов 5 представляет из себя герметичную емкость с теплообменниками, например герметичными полостями 6, снабженными трубопроводами для подключения к источнику или источникам теплоносителя и отвода последнего, трубопроводом для отвода газа - продукта пиролиза и герметичными люками для загрузки отходов и выгрузки кокса (не показаны).

Теплообменные полости 6 связывают либо с газоотводящей скважиной 2 подземного газогенератора, либо с выхлопным коллектором (не показан) ГТУ 8, либо с обеими названными объектами одновременно.

При подаче теплоносителя в теплообменные полости 6 масса отходов разогревается (температуру процесса поддерживают на уровне 500-600^oC). Поскольку нагрев проводят без доступа воздуха, осуществляется пиролиз массы отходов. Последние обугливаются и теряют влагу и летучие фракции. Выгрузку образовавшегося кокса осуществляют через люк в нижней части емкости 5, загрузку отходов - через верхний.

По окончании работ по осушке и подготовке газогенератора 3 к работе дезинтегрированный кокс вводят через скважину 1 в полость 3 газогенератора до ее заполнения и подают дутье - газовую смесь, включающую CO₂, O₂. Причем на первом этапе долю CO₂ минимизируют, пока не инициируется процесс газификации отходов. После чего содержание CO₂ повышают до проектного, а также в состав дутья вводят водяной пар. Таким образом осуществляется газификация загруженной порции подготовленных отходов, при этом в процессе газификации участвует и приконтурный массив угля. При этом интенсивность газификации этой части массива сдерживается благодаря остаточному количеству воды, попавшей в него при гидравлическом формировании полости газогенератора 3 и "отжатой" в глубь угольной залежи при термообработке полости 3.

После выгазовывания порции отходов процесс повторяется до полного заполнения объема полости 3.

При необходимости форсирования теплового режима в газогенераторе в дутье, подаваемом в полость 3, увеличивают содержание кислорода. Стабильные параметры загружаемого материала обеспечивают стабильную работу газогенератора.

Таким образом, при наличии в окрестностях крупных населенных пунктов запасов углесодержащих твердых полезных ископаемых, даже непригодных к широкому промышленному использованию, обеспечивается возможность утилизации с захоронением бытовых и промышленных отходов при одновременном извлечении части объемов угля в природном виде.