Система и реактор для теплового химического превращения твердых коммунально-бытовых отходов
Группа изобретений относится к оборудованию для переработки отсортированных и несортированных твердых коммунально-бытовых отходов для производства энергии. Технический результат - увеличение качества производимого синтез-газа и уменьшение общего объема отходов. Система для термического разложения твердых отходов содержит множество секций цилиндрического контейнера, предназначенных для удержания твердых отходов, соединительную кольцевую конструкцию по меньшей мере у одного конца каждой из множества секций цилиндрического контейнера, автоклав для удержания одной или более из множества секций цилиндрического контейнера и выпускное отверстие автоклава для удаления газов, образующихся при термическом разложении твердых отходов. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 15 ил.
РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по ранее поданной предварительной заявке США №62/807798, поданной 20 февраля 2019 г., которая целиком включена для всех целей посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Данное изобретение относится к способу и оборудованию для переработки отсортированных и несортированных твердых коммунально-бытовых отходов (далее «ТКБО») для производства энергии, как правило, в форме электричества или тепла. Системный способ позволяет сохранять максимальное количество энергии, извлекать углеводороды из ТКБО и производить синтез-газ с увеличенной величиной БТЕ. В этом раскрытии предложены способы, методы и оборудование для увеличения величины БТЕ или качества производимого синтез-газа, а также для значительного уменьшения общего объема отходов. Количество отходов может быть уменьшено до 95% от их первоначального объема при одновременном сокращении выбросов парниковых газов до 95%.
[0003] Данное изобретение относится к реактору, оптимизированному для термического разложения ТКБО, в частности цилиндрических тюков ТКБО, и способу термического химического превращения ТКБО в энергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Существует множество методов превращения ТКБО в энергию: от термического разложения, термического разрушения, газификации, плазменной дуги до сжижения. Каждый из этих способов уменьшает ТКБО и производит газ и/или скрытое тепло для производства энергии.
[0005] При термическом разложении могут перерабатываться несортированные ТКБО и может образовываться тепло, которое используется для работы котлов, которые, в свою очередь, приводят в действие турбины для производства электроэнергии.
[0006] Газификация включает сортировку ТКБО, калибровку (как правило, измельчение), сушку и преобразование сырых ТКБО в пеллеты перед подачей в установку газификации.
[0007] Пиролиз включает сортировку для удаления неподходящих материалов, затем нагревание в отсутствии кислорода, что приводит к разложению ТКБО на жидкие углеводороды и синтез-газ.
[0008] К сожалению, в настоящее время наиболее популярным методом утилизации отходов является захоронение отходов. Этот способ требует небольших капиталовложений, чтобы просто транспортировать отходы в подходящее место для захоронения и укрытия. Кроме того, твердые коммунально-бытовые отходы в настоящее время являются одним из крупнейших производителей парникового газа, метана, с бесчисленных полигонов. Газ образуется при разложении отходов и постоянно просачивается в атмосферу.
[0009] Совершенно очевидно, что существует потребность в способе и оборудовании для выполнения способа, которые превратят большие количества ТКБО в источник зеленой энергии при одновременном уменьшении объема ТКБО.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Данное раскрытие относится к способу переработки ТКБО, как отсортированных, так и несортированных, который может быть осуществлен с использованием контейнеров для удерживания исходных отходов и автоклавов, специально разработанных для обработки отходов при подходящих комбинациях температуры и давления. Конечный твердый продукт представляет собой смесь углеродной золы и негорючих материалов, таких как металлы, гипсокартон и т.д., и синтез-газа, который имеет повышенную величину БТЕ, как правило, от 11,177 до 26,081 кДж/м3 (300 до 700 БТЕ/фут3). Остаток твердого материала, как правило, составляет около 5% от первоначального объема ТКБО. Затем этот материал может быть отсортирован по металлам, а остаток отправлен на полигон или в другие способы переработки, в зависимости от его состава.
[0011] Кроме того, тепло, выделяемое в способе, может быть использовано для полезных областей применения. Вырабатываемое тепло может передаваться, например, системе горячего масла. В системе горячего масла масло может циркулировать через два теплообменника: один находится в камере термической переработки, поглощающей тепло, а второй теплообменник может представлять собой органический цикл Ренкина, парогенератор, водяной испаритель или другую нагревательную систему, в которой тепловая энергия может извлекаться и использоваться для выработки пара для привода турбин, производящих электричество.
[0012] Также в данном документе раскрыт контейнер или реактор для термического разложения материалов отходов, состоящий из множества секций контейнера, конструкции дна внизу каждой из множества секций контейнера, соединительного компонента, расположенного между любыми двумя из секций контейнера, и отверстия для нагретого воздуха для подачи нагретого воздуха, расположенного в конструкции дна в самой нижней из множества секций контейнера. В некоторых вариантах реализации данного раскрытия реактор может состоять из одного контейнера, а не из расположенных друг над другом контейнеров, как дополнительно описано в данном документе.
[0013] Более конкретно, раскрытый в данном документе способ термического превращения исходных твердых отходов в энергию включает предоставление исходных твердых отходов; предоставление по меньшей мере одного удерживающего контейнера; предоставление герметичного корпуса реактора, имеющего нижнюю камеру зажигания газа и выполненного для работы в условиях как восходящего, так и нисходящего потока; размещение исходных твердых отходов в удерживающем контейнере; размещение по меньшей мере одного удерживающего контейнера в герметичном корпусе реактора; герметизацию герметичного корпуса реактора; продувку корпуса реактора воздухом; включение масляной/газовой горелки для начала процесса термического разложения; подачу нагретого воздуха из горелки через присоединенную трубу в нижнюю часть корпуса реактора и через самую нижнюю секцию контейнера до тех пор, пока секция контейнера не достигнет целевого первого диапазона температур от 500 до 1000°С; повышение температуры исходных твердых отходов и давления в корпусе реактора как до целевого второго диапазона температур, от 400 до 1000°С, так и до второго уровня давления от 28 до 1034 кПа (4 до 150 фунтов на квадратный дюйм), соответственно; регулирование давления в корпусе реактора до целевого третьего уровня давления, от 138 до 690 кПа (20 до 100 фунтов на квадратный дюйм), путем регулирования впрыска сжатого воздуха; впрыск воды через распылительные форсунки для обеспечения реакции конверсии водяного газа; продолжение термического превращения исходных твердых отходов до тех пор, пока температура не достигнет целевого четвертого температурного диапазона от 100 до 1000°С; нагнетание воды в удерживающий контейнер так, чтобы она превращалась в пар и стекала на исходные твердые отходы; нагнетание воды через форсунки большего размера в корпус реактора, достаточной для гашения термического превращения исходных твердых отходов, и извлечение технологического газа.
[0014] Данное раскрытие также относится к способу термического разложения материала отходов путем предоставления материала отходов, по меньшей мере одной из множества секций контейнера, имеющих центральное отверстие, выполненное для приема нагретого воздуха от нагревателя для удержания материала отходов, и углеродной подушки, расположенной между нагретым воздухом и материалом отходов. Затем множество секций контейнера помещают в герметичный корпус реактора, в который через центральное отверстие вводят нагретый воздух, чтобы тем самым инициировать термическое разложение материала отходов; условия реакции в корпусе реактора поддерживаются для термического разложения материала отходов; затем материалы отходов резко охлаждают водой, когда термическое разложение завершено, и в результате термического разложения материала отходов образуется синтез-газ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0015] Сопроводительные графические материалы, которые включены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения, и включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют предпочтительные варианты реализации изобретения и, вместе с подробным описанием, служат для объяснения принципов изобретения. На графических материалах:
[0016] На Фиг. 1А, 1В, 1С, 1D и 1Е изображены виды сверху секций контейнера по одному варианту реализации данного раскрытия;
[0017] На Фиг. 2 изображена общая схема автоклава и устройства управления газом по одному варианту реализации данного раскрытия;
[0018] На Фиг. 3А и 3В изображены виды сверху автоклава и контейнеров по различным вариантам реализации данного раскрытия, и
[0019] На Фиг. 4А, 4В, 4С, 4D, 4Е, 4F и 4G изображены горизонтальные проекции деталей секций контейнера по различным вариантам реализации данного раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0020] Согласно нескольким вариантам реализации раскрытого в данном документе способа, периодическая переработка ТКБО, как отсортированных, так и несортированных, осуществляется посредством использования контейнеров для удерживания исходных отходов и специально выполненных автоклавов для переработки отходов при целевой температуре и давлении. Контейнеры также действуют как изолятор, отводя большую часть тепла из процесса. Синтез-газ с повышенной величиной БТЕ может быть получен с помощью раскрытого в данном документе способа. Конечный твердый продукт представляет собой смесь углеродной золы и негорючих материалов (металлов, гипсокартона и т.д.). Это твердое вещество составляет около 5% от первоначального объема. Затем твердый материал может быть отсортирован на предмет любых возможных перерабатываемых компонентов, таких как металлы, а остаток отправлен на полигон.
[0021] В раскрытой в данном документе системе ТКБО могут поступать как насыпью, так и тюками. В любом случае материал может быть помещен в цилиндрические контейнеры, которые затем помещаются в автоклав для термической переработки. Одна особенность раскрытой в данном документе системы заключается в том, что при переработке тюков ТКБО нет необходимости открывать тюки перед помещением в секцию контейнера, то есть весь спрессованный тюк может быть помещен в секцию контейнера в том виде, в котором он был получен из упаковочного пресса. Как изображено на Фиг. 4А, 4В, 4С и 4D, контейнер 400 может состоять из одной, двух или трех секций, которые могут быть уложены друг на друга для увеличения количества ТКБО, перерабатываемых за один цикл автоклава. Секции могут быть соединены друг с другом соединительным кольцом (кольцами) 420. В некоторых случаях контейнер может представлять собой единственный одинарный контейнер 470, который может быть меньше, больше или того же размера, что и уложенные друг на друга контейнеры. Каждая секция контейнера может быть загружена либо тюками ТКБО, либо насыпными ТКБО, либо, в некоторых случаях, их смесью, а затем поднята в автоклав и помещена на позицию. Секции контейнеры могут быть уложены друг на друга в автоклаве.
[0022] Различные потоки исходных отходов, поступающие в упаковочный пресс, могут содержать множество возможных отделенных переработанных компонентов или отходов, включая пищевые отходы, отходы газонов и садов, пластмассы, резину, жидкое масло, консистентные смазки, смазочные материалы или другие углеводородсодержащие жидкости или гели.
[0023] В некоторых случаях в прессованный материал могут быть включены металлические части большего размера. Одной из причин добавления металлических частей является минимизация мертвых зон внутри тюка, в которых материал не подвергается термическому разложению. Это явление наблюдается нерегулярно во время раскрытого в данном документе способа. Хотя точный механизм того, почему разложение не происходит, полностью не разработан, в настоящее время понятно, что введение пустот может повысить эффективность процесса разложения и уменьшить мертвые зоны. Добавление металлических частей может увеличить пустоты, а также создать горячие точки и увеличить передачу тепловой энергии в более плотно упакованный материал отходов.
[0024] ЕРА (США) в широком смысле определяет ТКБО как содержащие «предметы повседневного обихода, такие как упаковка продуктов, садовые обрезки, мебель, одежда, бутылки и жестяные банки, продукты питания, газеты, бытовая техника, электроника и батареи». Типичные источники ТКБО включают жилые, коммерческие и ведомственные объекты. Хотя определение ЕРА исключает промышленные, опасные, а также строительные отходы и отходы сноса зданий, для настоящего раскрытия такие отходы могут быть включены в определение ТКБО. При обращении с определенными классами ТКБО следует соблюдать меры предосторожности, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов и загрязнения отходами.
[0025] Секции контейнера могут быть разделены соединительным кольцом, расположенным в верхней части каждой секции. Верхняя секция может поддерживаться соединительным кольцом 170, чтобы предотвратить дальнейшее сжатие секциями ТКБО, расположенными в нижней секции. Штифты 140 проходят через отверстие в соединительном кольце 170 и в соответствующее отверстие в верхней секции контейнера. Первая или самая нижняя секция автоклава будет расположена непосредственно над камерой газового нагревателя. Как изображено на Фиг. 1А, 1В и 1С, три секции контейнера могут быть уложены друг на друга, образуя большой блок 10. В некоторых вариантах реализации предлагаемой в данном документе системы верхняя часть камеры газового нагревателя может быть оборудована сплошной металлической пластиной или кольцом 450, чтобы облегчить запуск и поддержание процесса термического разложения. Пластина должна иметь отверстие подходящего размера в середине, чтобы обеспечить надлежащую вентиляцию зоны газового нагревателя. Секция контейнера может иметь колосник 410 или сборку из проволочной сетки 430 у ее концевой части. Свойства колосника могут варьироваться в зависимости от свойств ТКБО, содержащихся в секции контейнера. Эта компоновка более подробно изображена на Фиг. 1 и 4.
[0026] Камера с нагретым воздухом, расположенная в нижней части автоклава, может быть оснащена тепловым экраном конической формы, который может быть изготовлен из подходящего металла, например, из нержавеющей стали, чтобы выдерживать условия. Тепловой экран 160 может иметь форму рифленого конуса, как изображено на Фиг. 1С и F. Самая нижняя секция контейнера должна располагаться над самой высокой частью теплового экрана, чтобы обеспечить достаточно места от дна контейнера до верха теплового экрана для процесса термического превращения для генерирования достаточного количества тепла и воздушного потока для создания теплового слоя в ТКБО, находящихся в контейнерах.
[0027] Как изображено на Фиг. 4, нижняя ступень многоступенчатого контейнера может быть оборудована по существу закрытым дном 450 с центральным отверстием для ввода нагретого воздуха через него. В некоторых вариантах реализации данного раскрытия дно нижней ступени контейнера может быть оборудовано колосником или перфорированным дном, 410, 430, для обеспечения потока воздуха. Кроме того, нижняя ступень контейнера может иметь коническую конструкцию 160, выступающую вверх от окружности центрального отверстия. Углеродная подушка может быть размещена вокруг конической конструкции для улучшения начального процесса термического разложения.
[0028] Углеродная подушка может состоять в основном из древесного угля. Углеродная подушка (не изображена) может быть расположена вокруг конической конструкции 160 и над ней, а также над колосниковой конструкцией дна 430. Углеродная подушка может быть достаточно толстой, чтобы нагретый воздух не оказывал прямого воздействия на материал твердых отходов во время начальной операции запуска процесса термического разложения. В иллюстративных целях в некоторых случаях углеродная подушка может иметь толщину от десяти дюймов или более. Материал твердых отходов термически превращается в синтез-газ во время описанного в данном документе способа термического разложения и не вступает в прямой контакт с нагретым воздухом.
[0029] Верхняя ступень многоступенчатого технологического контейнерного реактора может иметь перфорированное или колосниковое дно или конструкцию дна (см. 110, 130 и 150 на Фиг. 1), которая должна быть выполнена так, чтобы дно могло выдерживать тюк спрессованных ТКБО или других материалов, загруженных на него для термической переработки. Нижняя конструкция может содержать арматурные стержни или опоры по всему контейнеру. Кроме того, конструкция дна должна быть способна поддерживать любые непереработанные материалы, которые остаются после остановки процесса термического разложения, и не допускать их падения в секцию контейнера нижней ступени контейнерного реактора.
[0030] Секции контейнера могут быть оборудованы воздушными вентиляционными отверстиями 120 в соответствующих местах для управления тепловой реакцией внутри контейнера. В некоторых случаях эти воздушные вентиляционные отверстия могут быть отрегулированы до целевого отверстия до того, как заполненные контейнеры будут вставлены в автоклав. В некоторых вариантах реализации контейнеров верхняя часть 100 и вентиляционные отверстия 120 могут присутствовать независимо друг от друга во время процесса термического разложения.
[0031] Размеры секций цилиндрического контейнера соответствуют размерам тюков спрессованных ТКБО стандартного размера. Эти тюки, как правило, весят от 453 до 1180 кг (от 1000 до 2600 фунтов). Тюки могут быть получены разных размеров. Как правило, тюки имеют высоту от 0,9 до 1,5 м (от 3 до 5 футов), но могут достигать высоты до 3,6 м (12 футов), диаметр тюка может составлять от около 1,2 до 1,5 м (от около 4 до 5 футов). Раскрытая в данном документе система не ограничивается определенным размером или габаритами тюков ТКБО, но может иметь размер, больший или меньший, чтобы соответствовать размеру имеющихся тюков. На некоторые свойства, такие как эффективность превращения или повышенная величина БТЕ газа, может влиять размер тюка.
[0032] В некоторых вариантах реализации изобретения ТКБО могут быть упакованы в тюки без сортировки отходов, а в других вариантах реализации изобретения отходы могут быть отсортированы на основе их величины БТЕ. Таким образом, отходы с высокой величиной БТЕ, пластмассы и резиносодержащие предметы, такие как шины, могут быть отделены от отходов с более низкой величиной БТЕ, таких как газеты, пищевые или садово-огородные отходы. Разделенные элементы могут быть спрессованы в отдельные тюки, или в некоторых вариантах реализации изобретения разделенные элементы могут быть повторно смешаны для получения смеси ТКБО со средней базовой величиной БТЕ в каждом тюке.
[0033] По мере добавления различных материалов отходов в тюки также могут добавляться материалы жидких отходов. Жидкие отходы, такие как отработанные моторные масла или смазочные материалы, могут увеличить величину БТЕ в тюкованном материале.
[0034] Возможность отдельно загружать каждую секцию контейнера в раскрытой в данном документе системе позволяет загружать один или более контейнеров насыпными ТКБО, в то время как другие контейнеры могут загружаться тюкованными ТКБО. Эта гибкость позволяет обрабатывать более крупные элементы без необходимости тюкования. Как упоминалось выше, размер решетки или колосника у нижнего отверстия секции контейнера может быть довольно большим для насыпных или крупных элементов и значительно меньшим для тюка ТКБО.
[0035] Обзор одного варианта реализации данного изобретения представлен на Фиг. 2, на которой автоклав 210, содержащий контейнеры 10, заполненные ТКБО, находится с левой стороны. Воздух 200 для термического превращения ТКБО вводят в автоклав, и в результате получается синтез-газ 220 с улучшенным БТЕ. Затем синтез-газ может быть смешан, если необходимо для поддержания горения, со вторичным топливом, посредством входа 240, таким как дизельное топливо, природный газ или пропан, и воздухом 230, а затем сожжен в камере сгорания 250 для получения нагретого газа. Затем нагретый газ может быть направлен через теплообменник 260 для передачи своей энергии органическому циклу Ренкина («ОЦР») или паровому котлу для производства электроэнергии. Затем нагретый газ может проходить через блок очистки воздуха для последующего выброса в окружающую среду.
[0036] Все компоненты цилиндрических контейнеров могут быть собраны из нержавеющей или низкоуглеродистой стали в зависимости от конструктивных требований окружающей среды. Колосники между секциями контейнеров могут быть выполнены, например, из низкоуглеродистой стали, в то время как любая проволочная сетка, разделяющая секции или располагающаяся сверху колосника, может быть изготовлена из нержавеющей стали.
[0037] Температуру и давление во время процесса термического превращения можно контролировать с помощью датчиков тепла и давления, расположенных по всему автоклаву. Датчики могут быть расположены на верхнем куполе, в верхней, средней и нижней секциях контейнера, на внутреннем экране и на различных технологических линиях, входящих и выходящих из автоклава. Датчики могут быть установлены известными способами через стенки автоклава, чтобы обеспечить возможность измерения условий в реакторе во время процесса термического превращения.
[0038] Автоклав по данному раскрытию может содержать средства для работы как в условиях восходящего, так и нисходящего потока. Эти средства включают отверстия или входы/выходы для сжатого воздуха или другой подходящей текучей среды, расположенные по меньшей мере в верхней и нижней частях автоклава.
[0039] Один возможный вариант реализации описанного в данном документе автоклава или процессора ТКБО дополнительно изображен на Фиг. 3. Как видно на Фиг. 3А и 3В автоклав обеспечивает различные входы и выходы 342, 344, 352, 354 во время цикла термической переработки по меньшей мере с одним входом 200, 352 сжатого воздуха, по меньшей мере одним входом 342 распыленной воды, воды для резкого охлаждения 344, по меньшей мере одним выходным отверстием 354 для регулирования противотока, по меньшей мере одним входным отверстием 360 для нагретого воздуха и по меньшей мере одним выходным отверстием 220, 360 для полученного синтез-газа. На Фиг. 3А тепловой экран 322 уменьшен в размерах по сравнению с предыдущими способами, что позволяет части 314 контейнера располагаться над экраном. На Фиг. 3В тепловой экран 346 прикреплен к автоклаву по меньшей мере с помощью стоек 340, керамическое покрытие 348 может находиться внутри автоклава, а теплоотражающая пластина 350 находится под контейнером. В некоторых вариантах реализации данного изобретения входы и выходы для различных компонентов могут быть общими, то есть компонент, проходящий через конкретное отверстие, может изменяться в зависимости от этапа способа.
[0040] Дополнительные особенности проиллюстрированного варианта реализации корпуса реактора включают изменения по сравнению с корпусом реактора, описанным в патенте США №8713582 В1. Эти изменения включают, но не ограничиваются ими, более маленький тепловой экран, окружающий контейнер внутри автоклава, так что, по меньшей мере часть верхней и нижней секций контейнера расположена за пределами теплового экрана, и впускное отверстие для распыленной воды.
[0041] Один вариант реализации раскрытого в данном документе способа включает размещение углеродной подушки на дне самой нижней секции контейнера, чтобы обеспечить прослойку между зажигательным газом и ТКБО. Углерод может воспламеняться нагретым воздухом и тем самым превращаться в тепловой слой. В некоторых вариантах реализации способа ТКБО не контактируют напрямую с нагретым воздухом от нагревателя, а скорее воспламеняется углеродная подушка, которая, в свою очередь, инициирует термическое превращение ТКБО. Во время нисходящего цикла тепловой слой все еще будет подниматься вверх сквозь ТКБО, в то время как технологические газы будут проходить вниз сквозь углеродный слой. Понятно, что когда газы проходят сквозь углеродный слой, любые присутствующие ароматические циклические углеводородные кольцевые соединения могут разрушаться.
[0042] Затем несортированные ТКБО могут быть загружены в контейнер, который, в свою очередь, помещается в автоклав. Отходы могут быть помещены в контейнер в насыпном виде, или в контейнеры могут быть помещены спрессованные тюки. Предпочтительно тюки имеют цилиндрическую форму и размер, позволяющий помещаться в контейнеры по данному изобретению. Тюки могут быть спрессованы при давлении от 689 до 6894 кПа (от 100 до 1000 фунтов на квадратный дюйм).
[0043] Способ превращения по данному раскрытию представляет собой комбинацию восходящей и нисходящей газификации при давлении в атмосфере с низким содержанием кислорода. Способ начинается в цикле запуска, который включает открытие клапана противотока, затем открытие клапана зажигательного газа и впускного клапана воздуха. Этот способ создает эффект Вентури, который создает разрежение/отрицательное давление на линии противотока.
[0044] Горелка, которая может быть снабжена одним или более из природного газа, пропана или дизельного топлива, обеспечивает тепловую энергию для инициации термического превращения углеродной подушки. Горелка расположена на технологической линии и производит нагретый воздух, который проходит в нижнюю часть автоклава, для воспламенения углеродной подушки. Затем включается газовая/дизельная горелка и работает до тех пор, пока датчик температуры на линии противотока не достигнет целевой температуры, как правило, от 250 до 1000 С. В некоторых случаях горелка работает от 5 до 10 минут, в других случаях этот процесс может длиться вплоть до 25 минут и, по-видимому, зависит от вариаций исходного материала. В способе образуется атмосфера, обогащенная диоксидом углерода, которая обеспечивает необходимые элементы для обратной реакции Будуара.
[0045] Когда процесс зажигания завершен, трубка Вентури и топливный клапан, питающий горелку, закрываются, в то время, как вентилятор горелки остается включенным. Как правило, вентилятор горелки работает от пяти до десяти минут или до тех пор, пока температура противотока не достигнет 250-300 градусов Цельсия.
[0046] Цикл запуска завершен, когда горелка выключена, а клапан горелки, трубка Вентури и противоточные клапаны закрыты.
[0047] Следующим этапом способа является восходящий процесс, который начинается с открытия технологического клапана на от около 5 до 20%, а главный клапан сжатого воздуха также открывается на от около 2 до 20%. Восходящий процесс начинает нарастать как при давлении от около 414 до 689 кПа (от 4 до 6 Бар или от 60 до 100 фунтов на кв. дюйм), так и при температуре, измеренной с помощью технологической термопары, расположенной на технологической линии, выходящей из автоклава, от около 100 до 1000°С.
[0048] Распыленная вода может быть впрыснута в автоклав во время процесса для регулирования температуры на термопаре на выходе топочного газа в диапазоне от около 500 до 1000°С. Также считается, что вода инициирует реакцию конверсии водяного газа, которая увеличивает величину БТЕ полученного синтез-газа. Вода может впрыскиваться из верхней части автоклава, а также из боковых отверстий, чтобы удерживать термическое превращение в нижних секциях автоклава.
[0049] На восходящем этапе продолжается поддержание температуры, измеренной термопарой технологической линии, которая расположена на технологической линии, выходящей из автоклава, от 100 до 700°С.
[0050] Затем процесс преобразуется в нисходящий для завершения термического разложения всего материала в ТКБО на простые газы. Предпочтительно, чтобы материал ТКБО генерировал в основном газы от С1 до С4. Нисходящее функционирование обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что отходящий газ проходит сквозь термический слой, что может разрушать любые более крупные молекулы, присутствующие в газе, такие как кольца ароматических углеводородов.
[0051] Раскрытый в данном документе способ может быть продолжен до тех пор, пока не будет достигнута целевая конечная точка. Целевая конечная точка может представлять собой, но не ограничивается ею, точку, в которой исходные ТКБО 1) превращаются в золу, сажу, полукокс или углеродный остаток, или 2) уменьшаются по массе до уровня, равного около 10% или менее от массы исходных ТКБО. Затем исходные ТКБО могут быть резко охлаждены паром. Оставшееся тепло от исходных ТКБО перегревает пар, отгоняя углеводороды и производя водород. Затем, после охлаждения, удерживающий контейнер удаляется из корпуса реактора, а оставшаяся зола, минералы, стекло, гипс, углерод и негорючие вещества могут быть удалены из удерживающего контейнера.
[0052] Во время цикла резкого охлаждения вода дозируется через большие распылительные форсунки в верхней части автоклава через внутренний экран или, в некоторых случаях, за пределами экрана. При относительно высоких температурах в реакторе вода мгновенно превращается в пар и, таким образом, является дополнительным источником водорода. Водород увеличивает величину БТЕ полученного синтез-газа. Во время этапа резкого охлаждения в описанном способе, как правило, количество воды, используемой для резкого охлаждения, находится в диапазоне от 5 до 50 галлонов воды на две тонны исходных ТКБО.
[0053] Синтез-газ, полученный в результате термического превращения ТКБО, затем подается по трубопроводу в отдельную камеру сгорания 250, расположенную за пределами автоклава 210. Синтез-газ смешивается с воздухом и сжигается для производства большего количества тепловой энергии. Камера сгорания может быть оборудована постоянно включенной растопочной горелкой, работающей на природном газе, пропане и/или дизельном топливе. Вторая горелка действует как растопочная, а также как резервный нагреватель, позволяя камере сгорания продолжать вырабатывать тепло. Один из возможных вариантов реализации этой системы сжигания синтез-газа изображен на Фиг. 2.
[0054] Тепло от сгорания синтез-газа передается через теплообменник 260 подходящей текучей среде 270, 280, такой как синтетическое масло или вода. Затем текучая среда может циркулировать через тепловой двигатель (не изображен), такой как двигатель ОЦР, для производства электроэнергии.
[0055] Конечные выбросы могут быть смешаны со свежим воздухом, необязательно направленным через мокрый скруббер 262 для понижения температуры, затем дополнительно охлаждены вентилятором 266 с заборником свежего воздуха 268, пропущены через систему 272 фильтрации воздуха, такую как систему фильтрации Blue Sky, затем через фильтр НЕРА 290.
[0056] Раскрытый в данном документе способ может снизить выбросы парниковых газов из ТКБО на 95%.
[0057] Раскрытый в данном документе способ превращения исходных ТКБО до менее чем 5% от их первоначального объема может иметь обратимые технологические потоки, позволяя газам течь как вверх, так и вниз. Другими словами, термическое превращение исходных ТКБО может происходить как в нисходящем, так и в восходящем направлении.
[0058] В данном раскрытии также предложен реактор для термического разложения материала отходов. Реактор может содержать множество секций контейнера, конструкцию дна в нижней части каждой из множества секций контейнера, соединительный элемент, расположенный между любыми двумя секциями контейнера, и отверстие для нагретого воздуха для ввода нагретого воздуха, расположенное в конструкции дна в самой нижней из множества секций канистры.
[0059] Данный реактор может быть помещен в автоклав, пригодный для размещения множества секций контейнера. В большинстве случаев в автоклаве содержится не более трех секций контейнера во время одного цикла термического разложения; хотя размер автоклава и секций контейнера, очевидно, будет влиять на количество содержащихся секций контейнера.
[0060] Самая нижняя секция контейнера может содержать коническую конструкцию, расположенную по центру над отверстием для нагретого воздуха, с углеродной подушкой, расположенной вокруг конической конструкции, выполненной с возможностью предотвращения прямого контакта нагретого воздуха с материалом отходов. Как изложено выше, углеродная подушка в некоторых вариантах реализации раскрытой в данном документе системы может иметь толщину десять дюймов или более. Одним из предназначений углеродной подушки является предотвращения прямого воздействия нагретого воздуха на спрессованные или насыпные ТКБО.
[0061] В некоторых вариантах реализации изобретения реактор может содержать конструкцию дна, содержащую колосниковый структурный компонент, выполненный так, чтобы обеспечивать поток воздуха и поддерживать материал отходов. Особый интерес представляет предотвращение падения частично термически разложившегося материала из верхней секции контейнера на материал отходов в нижней секции контейнера.
[0062] Для самой нижней секции контейнера из множества секций контейнера конструкция дна может представлять собой сплошную пластину, имеющую центральное отверстие для нагретого воздуха, и в некоторых случаях колосниковый структурный компонент может быть расположен над сплошной пластиной и ее центральным отверстием для нагретого воздуха.
[0063] Как изложено выше, могут быть предусмотрены условия для введения дополнительного воздуха и воды в раскрытый реактор для управления процессом термического разложения, таким образом, по меньшей мере одна из секций контейнера может содержать отверстия для выпуска технологического газа или введения дополнительных реакционных компонентов.
[0064] Раскрытый процесс термического разложения материала отходов сначала включает предоставление материала отходов и по меньшей мере одной из множества секций контейнера, имеющих центральное отверстие, выполненное для приема нагретого воздуха от нагревателя для удержания материала отходов, и углеродную подушку, описанную выше. В некоторых случаях одна секция контейнера может использоваться вместо множества уложенных друг на друга секций контейнера. Следующим этапом является размещение множества секций контейнера в герметичном корпусе реактора и введение нагретого воздуха через центральное отверстие, чтобы тем самым инициировать термическое разложение материала отходов. После инициации термического разложения необходимо поддерживать условия реакции в корпусе реактора для термического разложения материала отходов. Когда термическое разложение завершено, материалы отходов могут быть резко охлаждены водой, а синтез-газ, полученный в результате термического разложения материала отходов, может быть собран.
[0065] Термическое разложение происходит при условиях реакции, включающих температуру в диапазоне от 400 до 850°С и давление в корпусе в диапазоне от 28 до 1379 кПа (от 4 до 200 фунтов на квадратный дюйм). Эти условия поддерживаются после того, как нагретый воздух погаснет и начнется термическое превращение материала отходов.
[0066] В случае плотно спрессованных тюков иногда возникают мертвые зоны, в которых термическое разложение ограничено. Добавляя металлические части к материалу отходов, мертвые зоны уменьшаются в местах, в которых металлические части добавляются в количестве, достаточном для уменьшения количества нетермически разложившегося материала отходов.
[0067] Как изложено выше, материал отходов может быть предоставлен в виде цилиндрического тюка спрессованного материала отходов, обернутого защитным материалом для поддержания материала отходов в спрессованном состоянии. В других случаях материал отходов может быть предоставлен в виде насыпного материала отходов. Также возможно иметь одну секцию контейнера со спрессованным тюком и другую секцию контейнера с насыпным материалом, или даже смесь двух форм в одной секции контейнера.
[0068] Герметичный корпус реактора, в общем подходящий для использования с раскрытым в данном документе способе, может включать аппарат, в общем описанный в предыдущем патенте заявителя - патенте США №8715582 В2, раскрытие которого целиком включено в данный документ для всех целей посредством ссылки.
[0069] Все публикации, параграфы, статьи, патенты, патентные публикации и другие ссылки, процитированные в данном документе, тем самым целиком включены в данный документ посредством ссылки для всех целей.
[0070] Хотя вышеприведенное описание относится к предпочтительным вариантам реализации данного изобретения, следует отметить, что другие вариации и модификации будут очевидны специалистам в данной области техники, и могут быть выполнены без отклонения от сущности или объема данного изобретения.
[0071] Вышеизложенное подробное описание различных вариантов реализации данного изобретения было предоставлено в целях иллюстрации и описания. Оно не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим или ограничивать данное изобретение конкретными раскрытыми вариантами реализации. Специалистам в данной области техники будут очевидны многие модификации и вариации. Варианты реализации были выбраны и описаны для наилучшего объяснения принципов данного изобретения и его практического применения, тем самым давая возможность другим специалистам в данной области техники понять данное изобретение для различных вариантов реализации и с различными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого использования. Подразумевается, что объем данного изобретения определяется следующей формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Система для термического разложения твердых отходов, содержащая:
множество секций цилиндрического контейнера, предназначенных для удержания твердых отходов;
соединительную кольцевую конструкцию по меньшей мере у одного конца каждой из множества секций цилиндрического контейнера;
автоклав для удержания одной или более из множества секций цилиндрического контейнера; и
выпускное отверстие автоклава для удаления газов, образующихся при термическом разложении твердых отходов.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что каждая из множества секций цилиндрического контейнера содержит колосниковую или сетчатую структуру дна у одного конца.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что соединительная кольцевая конструкция позволяет секциям контейнера укладываться одна на другую без сжатия материала твердых отходов в нижней секции контейнера.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из множества секций цилиндрического контейнера содержит соединительные кольцевые конструкции у обоих концов.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из множества секций цилиндрического контейнера удерживает насыпной материал твердых отходов.
6. Реактор для термического разложения материала отходов, содержащий:
множество секций контейнера;
конструкцию дна внизу каждой из множества секций контейнера;
соединительный компонент, расположенный между любыми двумя секциями контейнера, и
отверстие для нагретого воздуха для подачи нагретого воздуха, расположенное в конструкции дна в самой нижней из множества секций контейнера.
7. Реактор по п. 6, дополнительно содержащий автоклав, пригодный для удержания множества секций контейнера.
8. Реактор по п. 6, дополнительно содержащий:
коническую конструкцию, расположенную по центру над отверстием для нагретого воздуха, и
углеродную подушку, расположенную вокруг конической конструкции, выполненную для предотвращения прямого контакта нагретого воздуха с материалом отходов.
9. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что конструкция дна содержит колосниковый структурный компонент, выполненный так, чтобы обеспечивать поток воздуха и поддерживать материал отходов.
10. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что конструкция дна самой нижней секции контейнера из множества секций контейнера содержит сплошную пластину, имеющую центральное отверстие.
11. Реактор по п. 10, отличающийся тем, что колосниковый структурный компонент расположен над сплошной пластиной.
12. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из множества секций контейнера содержит отверстия для выпуска технологического газа или введения дополнительных реакционных компонентов.
13. Реактор по п. 6, отличающийся тем, что автоклав имеет внутреннюю тепловую защиту и множество секций контейнера имеет открытый верх.
