Эффективная утилизация топлив и отходов, содержащих хлор и/или влагу - RU2161168C2

Чертежи

Описание

Изобретение направлено на решение взаимосвязанных общенациональных проблем энергетической безопасности, утилизации отходов и чистоты воздуха. Более конкретно, оно направлено на экологически эффективную утилизацию потенциальных местных энергетических ресурсов, которые не используются или недостаточно используются из-за наличия примесей (в частности, влаги, хлора, серы, золы и токсичных металлов), наличия неоднородностей, низкой теплоты сгорания и неудобства в обращении.

Уровень техники
Множество разновидностей биомассы, целлюлозосодержащих и органических продуктов, побочных продуктов и отходов (углеродосодержащие отводы) не относятся к ископаемым топливам и могут рассматриваться как уступающие торфу и по возрасту, и по эффективности. По сравнению даже с низкоэффективными ископаемыми топливами они имеют более низкое содержание углерода и более высокое кислорода. В число этих материалов входят, в частности, различные твердые бытовые отходы (ТБО) и топливо, изготовленное из отходов данного типа (ТИО) путем извлечения из них утилизуемых материалов. В эту группу могут быть также включены древесные или целлюлозосодержащие продукты и субпродукты сельскохозяйственного происхождения (багасса, рисовая шелуха, солома, обрезки ветвей садовых деревьев и т.п.) и продукты лесопереработки (обрезки, опилки, кора, сучья и т.д.), а также отходы отраслей, использующих подобные продукты. Большинство из них имеют волокнистую структуру и высокое содержание воды. Аналогичные отходы, которые обычно не рассматриваются как биомасса, включают ил промышленных стоков, например, при производстве технической целлюлозы, бумаги и т.п., или бытовых сточных вод, навоз, строительные отходы, разносортные пластики и остаточные материалы при разделке автомобилей.

Углеродосодержащие отходы, прежде всего ТБО, ТИО и твердый ил, весьма неудобны для использования в качестве топлива из-за своей физической формы. Их куски или части не только необычайно разнообразны по форме и размерам, но резко различаются по содержанию влаги, пластичности, плотности и воспламеняемости. Как следствие, обычная технология сжигания осложняется введением сложных добавочных операций, применением старомодных топок или подвижных колосников, огромными потребностями в избыточном воздухе, необходимостью во множестве приборов для контроля чистоты воздуха, низкой управляемостью и малой универсальностью топлива. Все это увеличивает трудности выполнения жестких нормативов по чистоте газообразных выбросов.

Недостатком твердых форм угля, с точки зрения энергетического рынка, является наличие примесей. Так, в Дополнениях к Закону о Чистом Воздухе (ДЗЧВ), США, 1990, идентифицированы 189 опасных загрязнителей воздуха (ОЗА), содержание которых должно быть нормировано. Данные ОЗА могут включать в себя следы металлов, сурьмы, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, меди, свинца, марганца, ртути, никеля и селена.

Преобразование углеродосодержащих отходов, особенно ТБО, в энергию также осложняется наличием примесей. Содержание воды высокое и весьма непостоянное. Содержание золы также может быть очень высоким. Токсичные вещества: свинец, кадмий, ртуть и другие тяжелые металлы - попадают в продукты сгорания, и их нужно улавливать посредством скрубберов, фильтров и других сложных систем защиты окружающей среды. Содержание хлора, источником которого являются хлорированные пластики, например ПВХ, составляет в среднем 0,5%, но может достигать в ТБО и в ТИО уровня 1,8%. Он вызывает коррозию трубопроводов котельных, требует применения щелочных скрубберов и способствует образованию диоксинов, фуранов и, возможно, других загрязнителей воздуха. Хотя именно хлор привлекает основное внимание, в углеродосодержащих отходах могут содержаться, хотя и в меньших количествах, также и другие галогены. По результатам теста "Процедура определения характеристик токсичности выщелачиванием" (ПОХТВ), разработанного Агентством по Охране Окружающей Среды США, образующаяся при сжигании зола в ряде случаев может классифицироваться как опасная. Согласно литературным данным, для того, чтобы зола прошла указанный тест, ее необходимо нагреть выше точки плавления.

Большие количества отходов претерпевают гниение в условиях, которые рассматриваются как экологически неблагоприятные. Ощущается общественное давление, которое, вероятно, будет возрастать, в пользу улучшения положения на старых свалках и захоронениях отходов. Данная ситуация неудовлетворительна не только из-за наличия потенциальных опасностей и необходимости мероприятий по уходу за свалками, но и тем, что, в ожидании экономичных методов утилизации, остается неиспользуемым большой энергетический потенциал.

ТБО сжигаются вместе с углем в энергетических установках на базе котельных жилых зданий и промышленных предприятий (этот процесс называется совместным сжиганием). Согласно ДЗЧВ 1990 г., допускается включать в состав топлива до 30% углеродосодержащих отходов без того, чтобы котлоагрегат рассматривался как установка по сжиганию отходов. В то время как применение совместного сжигания стимулируется снижением выброса SO₂, совместное применение комбинации углеродосодержащих отходов с низким содержанием серы и угля с высоким содержанием серы обладает многими недостатками, в том числе ростом трудоемкости, возрастанием потребности в избыточном воздухе, повышенным выбросом НС1, СО, NO_x и хлорсодержащих органических веществ, ростом количества шлака в котле и ростом удельного сопротивления летучей золы. Кроме того, использование совместного сжигания в коммерческих целях ограничивается только котлами колосникового или циклонного типов. Однако наблюдается возврат интереса к совместному сжиганию в связи с появлением данных о том, что окислы серы от сжигания угля препятствуют образованию диоксинов из хлорсодержащих отходов, а также в связи с трудностями выполнить требования ДЗЧВ 1990 г. при обычном сжигании угля.

Изобретатели и предприниматели реагировали на проблемы влаги и малой теплотворной способности низкоэффективных топлив путем разработки множества процессов карбонизации и пиролиза, в которых влага и кислород удаляются действием тепла. Хотя теплотворная способность повышается, появляются такие недостатки, как распыление и спонтанное возгорание. Возникает проблема (рассматриваемая, например в патенте США N 5000099), что делать с удаляемой влагой, которая сильно загрязнена комплексными органическими соединениями. При этом сырье и продукты на выходе процесса карбонизации рассматриваются в этой технологии как твердое топливо во всей последовательности операций, таких как подача, измельчение, просеивание, нагрев, охлаждение и т.д., что увеличивает затраты и создает опасность загрязнения и потерь.

Департамент Энергии США и частные предприниматели стремились устранить еще один, часто игнорируемый недостаток твердых топлив, а именно недостаток структуры, которым они обладают по сравнению с текучими топливами, т.е, с нефтью и газом. Одна из наиболее дорогостоящих попыток такого рода относилась к программам по превращению угля в суспензию, называемую "Топливо Уголь-Вода" (ТВУ) или "Смесь Уголь-Вода", которые успешно сжигались в котлах и топках, рассчитанных на нефтепродукты. Специально приготовленные образцы ТВУ сжигались также в экспериментальных дизельных установках и в камерах сгорания газотурбинных установок. Однако в настоящее время мировые цены на нефть настолько низкие, что данная технически осуществимая замена экономически неэффективна.

Хотя жидкие ТВУ (суспензии) успешно сжигались в котлах, рассчитанных на угольную пыль и нефть, углеродосодержащие отходы не использовались подобным образом, поскольку для того, чтобы их можно было закачивать, суспензии ТВУ должны быть настолько разбавленными, что их энергетическая ценность становится очень низкой (а в некоторых случаях и отрицательной). Высокосортные угли, например антрациты, могут быть размолоты и превращены в суспензию с содержанием закачиваемой твердой составляющей порядка 50% или выше. По мере снижения сортности способность к образованию суспензии снижается. Плохие характеристики по образованию суспензий низкосортных топлив и углеродосодержащих отходов связываются с их волокнистой и гидрофильной природой. Однако, как отмечено в патенте США N 4380960, концентрация гидрофильного топлива в суспензии может быть повышена путем нагрева до температуры, при которой происходит перестройка на физическом и молекулярном уровнях с разрывом связей двуокись углерода - вода. В результате образуется менее гидрофильное и менее волокнистое топливо (карбонизованное вещество), для которого закачиваемая концентрация суспензии значительно выше. Этот процесс называется "карбонизация суспензии".

Твердые бытовые отходы, извлеченное из них топливо и многие другие влагосодержащие отходы содержат микроорганизмы, которые ограничивают время, в течение которого эти отходы могут сохраняться без выделения запахов и других процессов разложения. Плохая сохраняемость в сочетании с громоздкостью и неоднородностью требует применения узкоспециализированных котлов для того, чтобы преобразовать их (с низкой эффективностью) в энергию. Поскольку места образования и/или хранения подобных отходов рассеяны по значительному пространству, их количества в определенной зоне часто оказывается недостаточно, чтобы оправдать подобное дорогостоящее преобразование (единственной альтернативой этому является захоронение).

Сущность изобретения
Тепловая эффективность сжигания топлив на основе водной суспензии является функцией их энергетической плотности, или теплоты сгорания топлива, выраженной в ккал/кг. Теплота сгорания в расчете на содержание твердого вещества может варьировать в определенных пределах, тем не менее энергетическая плотность прежде всего зависит от концентрации твердых частиц в суспензии. Другими словами, она обратно пропорциональна содержанию воды. Эта концентрация ограничивается вязкостью, которая должна быть достаточно низкой для того, чтобы суспензию можно было закачивать, нагревать, подавать и диспергировать в атмосферу зоны сжигания. Это ограничение по вязкости является приемлемым в отношении высокосортных углей, позволяя применять концентрации около 49% и более без присадок и до 70% в случае применения присадок. По мере снижения сортности происходит снижение концентрации суспензии, т.е. падение ее энергетической плотности при приемлемой вязкости, что делает соответствующие топлива менее привлекательными.

Кроме того, утилизация низкосортных углей и углеродосодержащих отходов часто затрудняется наличием примесей, отличных от воды, в частности, серы, хлора, азота, токсичных металлов и шлакообразующих катионов, например натрия, калия и др. Влияние серы может быть смягчено методами, описанными в вышеупомянутых патентах. Настоящее изобретение также обеспечивает снижение содержания серы и азота, но в основном оно направлено на снижение содержания воды, хлора, токсичных металлов и шлакообразующих катионов и анионов.

Удалось обнаружить, что многочисленные низкосортные виды угля и углеродосодержащих отходов, которые являются нежелательными в качестве топлива для обычного сжигания по причине своей структуры, громоздкости, разбросанности, сезонности, нестойкости, низкой теплотворной способности, присутствия влаги и/или других загрязнителей, могут быть преобразованы в полезные, стерильные топлива типа суспензий с высокой энергетической плотностью. Обнаружена также возможность существенного одновременного снижения содержания различных примесей, в том числе натрия, калия, кальция, серы, хлора, азота, тяжелых металлов, других катионов и анионов, исходная концентрация которых препятствует утилизации вследствие их коррозионных свойств, образования шлаков и/или токсичных выбросов.

Эти важные улучшения достигаются за счет создания водной суспензии низкосортных углей, углеродосодержащих отходов или их смесей при приемлемой вязкости. Такая суспензия карбонизуется, т.е. нагревается под давлением, обычно в присутствии щелочи, до температуры, при которой происходит существенная перестройка на физическом и молекулярных уровнях, характеризующаяся высвобождением значительной части кислорода, находившегося в связанном состоянии в составе двуокиси углерода. Необходимая для такой перестройки температура зависит от характеристик подаваемой суспензии, но обычно лежит в интервале от 220^oC до 370^oC. Требуемое значение давления является функцией давления водяного пара при максимальной температуре плюс парциального давления двуокиси углерода и других присутствующих газов. В указанных условиях твердые частицы в подаваемой суспензии в значительной степени утрачивают свою волокнистую и гидрофильную структуру и распадаются на более мелкие обуглившиеся частицы. Это приводит к образованию суспензии с резко улучшенной реологией, способной обеспечить намного более высокую концентрацию и энергетическую плотность при приемлемой вязкости.

Одновременно, в агрессивно гидролизных условиях свободный хлор, входящий в состав органических соединений (даже таких стойких полимеров, как ПВХ), а также сера и другие анионы вступают в реакцию со щелочью и растворяются в жидкой фазе. Ранее связанные катионы, такие как натрий и калий, также становятся способными к растворению в воде. Физическая и молекулярная перестройка создает возможность растворить или суспензировать в перегретой воде большинство всех токсичных металлов, имевшихся в исходной суспензии. Очень малый размер частиц и их присутствие в виде водной суспензии, находящейся при повышенной температуре, позволяет применить весь опыт, накопленный химической наукой и промышленностью в борьбе с нежелательными примесями (в том числе еще не идентифицированными). Например, появляется возможность введения различных агентов, специфичных в отношении солюбилизации, экстракции, осаждения или нейтрализации одной или нескольких примесей, включая кислоты, щелочи, пероксиды, пассиваторы, до, во время и/или после нагрева и/или концентрирования карбонизованных частиц.

Некоторые низкосортные угли или углеродосодержащие отходы, такие как ил бытовых стоков, могут уже в исходном состоянии иметь форму суспензии и не требовать никакой дополнительной подготовки. Другие, например навоз, могут иметь более высокое содержание твердых веществ, и для превращения их в суспензию требуется добавление воды, в том числе отработанной, или других суспензий. Образующийся в процессе добычи слишком мелкий уголь, а также уже существующие огромные запасы такого угля, который, как правило, является влажным, представляют источник почти готового низкосортного угля. Если они находятся в твердом и относительно сухом состоянии, низкосортные угли и углеродосодержащие отходы режутся, раскалываются, размалываются, превращаются в пульпу и/или подвергаются другим известным операциям по уменьшению размеров, перемешиваются с водой, отработанной водой и/или с другими суспензиями для получения суспензии приемлемого качества.

Если подаваемые материалы содержат значительную долю неорганических веществ, которые могут быть отделены с использованием принципа различной плотности, а также других физических и/или химических свойств, такое разделение производится. Подходящий метод (мокрое извлечение ресурсов), предусматривающий образование суспензии и выделение из нее твердых осколков, железа, стекла, неферромагнитных металлов, с предварительным концентрированием углеродосодержащей суспензии до требуемой вязкости, описан применительно к ТБО в патенте США N 4624417. В патенте США N 4561860 описан подходящий метод (сухое извлечение ресурсов) для удаления из ТБО неорганических веществ путем резки и пропускания через барабанный грохот, отсадочную машину и вибрационные сита, а также применения магнитных, и воздушных сепараторов, сепараторов на основе вихревых токов с целью получения ТИО, которое может быть смешано с водой для получения материала приемлемой вязкости для карбонизации суспензии. Известны также и другие многочисленные способы и устройства (для сухих и мокрых процессов), служащие для сепарирования неорганических веществ из угля.

Когда низкосортные угли или углеродосодержащие отходы содержат существенное количество галогенов, серы и/или других кислотообразующих анионов, то перед, во время и/или сразу же по завершении карбонизации суспензии в нее добавляется щелочь (в случае ее отсутствия в суспензии). Когда суспензия карбонизируется как смесь, то щелочь, исходно присутствующая в некоторых низкосортных углях, позволяет обойтись без добавки щелочи или уменьшить объем добавки. Поскольку ТБО, ТИО, прочие углеродосодержащие отходы и угли содержат хлор и другие галогены (которые способны образовывать галоидводородные кислоты в процессе карбонизации суспензии), в то время как значительное количество топлив и отходов содержит щелочные элементы, такие как натрий, кальций, магний и калий, они образуют естественное сочетание для совместной обработки на стадии карбонизации суспензии. Обе эти группы не только превращаются в однородные суспензионные топлива с высокой энергетической плотностью, но их химические примеси способны нейтрализовывать друг друга. Весьма логично расширить принцип совместной обработки на органические отходы с низким содержанием серы и добавляемые к ним ископаемые топлива с высоким содержанием серы, которые, взятые отдельно, не отвечают допустимым нормам. В результате создается суспензионное топливо с более низким испусканием SO₂ (в расчете на одну энергетическую единицу), чем исходное ископаемое топливо.

Обычный способ передачи тепла от потока жидкости, выходящего из реактора, к потоку на его входе состоит в непрямой теплопередаче через поверхность теплообмена. Обнаружено однако, что теплота в жидком выходящем потоке, находящемся под давлением и при температуре выше его точки кипения при атмосферном давлении, может быть экономично передана вязкому входному потоку путем ступенчатого снижения давления в выходящем потоке и взрывного выделения из него пара при последовательных пошаговых снижениях давления. Пар при каждом таком мгновенном выделении смешивается непосредственно с входным потоком при ступенчатом уменьшении давления. Это наблюдение в первую очередь применимо к находящимся под давлением вязким суспензиям, которым свойственны образование осадка и/или низкий уровень непрямой теплопередачи.

В соответствии с уровнем техники, приемлемо низкая вязкость для прокачки в суспензиях на основе низкосортного угля или углеродосодержащих отходов достигается добавлением к суспензии воды, что существенно увеличивает объемы прокачиваемой суспензии и увеличивает затраты на насосы и другое оборудование, а также увеличивает потребность в технологической воде и в ее обработке после удаления из суспензии. Теперь обнаружено, что, как альтернатива, углеродосодержащая суспензия со скачкообразно повышенным содержанием твердого вещества может быть нагрета и подвергнута обработке в противотоке жидкости и твердых углеродосодержащих частиц, при использовании двух шнеков с переменным шагом. В результате обнаружения этой возможности система может обеспечить нагрев углеродосодержащей суспензии с высоким содержанием твердой фазы. Это существенно снижает требования к производительности технологического оборудования, сокращает расход тепла, уменьшает или устраняет потребность в концентрировании суспензии после ее обработки и/или сокращает объем обработки воды, удаленной из суспензии.

Если суспензия, полученная в результате данного процесса, практически свободна от растворенных в ней вредных солей и/или других материалов, ее концентрацию можно увеличить до максимальной вязкости, удобной для хранения, транспортировки и последующего сжигания с помощью центрифуг, фильтров, испарителей и/или других подходящих средств и/или путем смешивания разбавленной суспензии с другим твердым ископаемым топливом. Если же суспензия содержит существенное количество растворенных солей и/или минералов, которые могут создать трудности при ее использовании и/или привести к испусканию загрязняющих веществ, твердая углесодержащая составляющая практически полностью отделяется от водной фазы и снова переводится в суспензию в чистой воде при максимально приемлемой вязкости. Может оказаться желательным перед повторным суспензированием промыть влажную твердую составляющую чистой водой. При повторном суспензировании могут быть также применены жидкие углеводородные продукты, такие как, например, дизельное топливо, с образованием суспензионного топлива. Хотя предпочтительной формой является высокоэнергетическая суспензия, можно также осуществить обезвоживание, сушку и таблетирование твердой составляющей с получением высокосортного твердого топлива.

Влага, удаленная из обработанной суспензии, может содержать растворенные или взвешенные примеси. Большую часть этой удаленной влаги желательно использовать повторно как воду для получения суспензии из материалов, подаваемых на вход. В связи с накоплением растворенных или взвешенных примесей в этой повторно используемой воде, часть ее может быть выведена из производственного цикла и подвергнута обычной обработке для возвращения в цикл или сброса. В определенных ситуациях предпочтительно повторно использовать обработанную воду в качестве материала для суспензирования конечного продукта обработки. В этом случае любые растворенные или взвешенные органические вещества будут окисляться в процессе сжигания топлива и превращаться в золу.

Хотя реакция карбонизации уменьшает размер частиц, дальнейшее уменьшение их размера путем перемалывания, резки и/или применения специально разработанных устройств для уменьшения размеров частиц при одновременном приложении давления часто позволяет дополнительно повысить содержание твердой фазы и энергетическую плотность. "Размельчаемость" существенно улучшается по сравнению с исходным углеродосодержащим сырьем. Селективное уменьшение размеров частиц карбонизованного вещества часто приводит к дальнейшим улучшениям благодаря бимодальному характеру распределения частиц по размерам. После карбонизации-концентрации суспензии смеси различных исходных материалов часто демонстрируют более высокую энергетическую плотность (при определенной вязкости), чем суспензии этих материалов, взятых по отдельности. Введение одной или нескольких добавок для улучшения вязкости, известных в технологии ТВУ, часто открывает еще один путь к максимизации энергетической плотности суспензии из конечного продукта.

Суспензия из карбонизованного вещества согласно настоящему изобретению предпочтительно применяется в качестве топлива для получения пара, тепла или электричества в котлах, печах, мусоросжигателях, топках, дизельных машинах или газовых турбинах. Возможно использование котлов любого типа (работающих при повышенном или практически атмосферном давлении), в том числе рассчитанных на топочный мазут и/или угольную пыль. Во многих случаях карбонизованное вещество непосредственно или в виде концентрированной суспензии может быть применено в качестве материала для получения угля или водорода для газификации с получением синтетического газа, а также в качестве исходного материала для каталитической или биохимической реакции с получением низкомолекулярных органических веществ, таких как метанол, уксусная кислота и т.д., для гидролиза, реформинга, сжижения или получения сажи, активированного угля и т.п.

Таким образом, относительно чистая, стерильная и некоррозионная суспензия карбонизованного вещества, полученная согласно данному изобретению, может достаточно удобно сохраняться для дальнейшего использования и/или транспортироваться к месту использования. Становится доступным эффективное централизованное использовании тепловой энергии из рассеянных на больших пространствах низкосортных топлив, например, на тепловой электростанции, местоположение которой выбрано таким образом, чтобы сделать возможным использование суспензий, приготовленных во множестве различных мест.

Далее, суспензии из карбонизованного вещества могут применяться по мере необходимости, например во время пиковых нагрузок, поскольку суспензию легко хранить, причем в пересчете на теплотворную способность она имеет малый объем, а установки по обработке низкосортных топлив могут работать круглый год.

Далее, использование суспензии из карбонизованного вещества не ограничивается производством тепла. Она может быть превращена в газ для сжигания, который можно транспортировать к различным местам его применения, она может подвергаться окислению в жидкой фазе для получения низкомолекулярных органических соединений и быть преобразованной в активированный уголь, сажу, углеволокно или синтетические драгоценные камни, причем зоны ее обработки физически не привязаны к зоне, где производится низкосортное топливо.

Если суспензия на основе карбонизованного вещества все еще содержит такие количества токсичных металлов, которые могут привести к образованию опасной золы, первичную температуру сжигания суспензии следует выбрать превышающей температуру плавления большинства компонентов золы. В результате частицы золы будут превращаться в расплавленные частицы (шлак), которые в течение короткого промежутка времени оказываются взвешенными в газовой фазе. По мере снижения температуры за счет дополнительной подачи воздуха или рециркулируемого газа, а также теплопроводности, расплавленные частицы переходят в твердое состояние, образуя остеклованную зольную пыль, которая способна пройти упомянутый выше тест ПОХТВ на выщелачивание.

Настоящее изобретение вносит новый аспект в совместное сжигание углей и углеродосодержащих отходов, особенно ТБО, ТИО и ила сточных вод. Соотношение основных компонентов может быть подобрано таким образом, чтобы добиться допустимого уровня выбросов серы и окислов азота без возникновения дополнительных проблем избыточного шлакообразования, коррозии или вредных примесей в дымовом газе. Топливная суспензия карбонизованного вещества обладает прекрасной однородностью, что минимизирует потребность в избыточном воздухе при совместном сжигании и позволяет более точно управлять его расходом. Кроме того, суспензированные топлива сжигаются с применением горелок, аналогичных применяемым для топочного мазута и/или угольной пыли, т.е. не требуют использования устаревших неэффективных механических топок или топок с подвижными колосниковыми решетками.

Таким образом, настоящее изобретение решает проблему сокращения зависимости от импорта топлива. Конкретные задачи, решаемые изобретением: более эффективное получение тепла и энергии из низкосортных топлив и углеродосодержащих отходов; экономичное использование частиц топлива, которые слишком малы для применения обычных методов; повышение точки размягчения топливной золы для снижения уровня загрязнения и шлакообразования; превращение неоднородных топлив, таких как ТБО, ТИО или ил сточных вод, в однородное жидкое топливо; преобразование громоздкого топлива в компактное, удобное для хранения и последующего транспортирования в зону использования; преобразование разлагающегося топлива в стерильное, хранящееся без ухудшения свойств: улучшение экономических показателей использования топлив, содержащих влагу и/или хлор: снижение выбросов в атмосферу газов галоидных кислот, галогеносодержащей органики и/или токсичных металлов; эффективное и непрерывное остеклование потенциально опасной золы; лучшее использование ТБО, ТИО, ила сточных вод и других углеродосодержащих отходов и минимизация количества захораниваемых отходов: предотвращение попадания токсичных металлов в захораниваемые отходы; облегчение переработки существующих захоронений отходов за счет разработки безопасной и экономичной технологии избавления от загрязненных углеродосодержащих отходов, а также экономичное совместное сжигание топлив, ранее не пригодных для этой цели. Дополнительные задачи станут ясны из описания чертежей и соответствующих пояснений к ним.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 представляет схему процесса варианта осуществления изобретения, в котором низкосортные угли и/или углеродосодержащие отходы в виде разбавленной суспензии нагреваются путем непрямого теплообмена под давлением и преобразуются в топливную суспензию карбонизованного вещества с высокой энергетической плотностью и низким содержанием хлора.

Фиг. 2 представляет схему процесса варианта осуществления изобретения, в котором низкосортные угли и/или углеродосодержащие отходы в виде разбавленной суспензии подвергаются давлению и предварительному поэтапному прямому нагреву со ступенчатым взрывным выделением пара из суспензии карбонизованного вещества и с преобразованием ее в суспензированное топливо на базе карбонизованного вещества с высокой энергетической плотностью и низким содержанием хлора.

Фиг. 3 представляет схему процесса варианта осуществления изобретения, в котором низкосортные угли и/или углеродосодержащие отходы в виде вязкой суспензии подвергаются давлению, нагреваются, подаются в реактор с двумя механическими шнеками, обеспечивающими противоток текучей среды и твердых углеродосодержащих веществ, и преобразуются в топливную суспензию карбонизованного вещества с высокой энергетической плотностью и низким содержанием хлора.

Фиг. 4 - это схематичное изображение сечения по линии 4-4 на фиг. 3.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Вариант, который иллюстрируется фиг. 1, относится к осуществлению изобретения применительно к низкосортным углям и/или углеродосодержащим отходам, содержащим негорючие вещества тяжелее воды и/или один или несколько анионов, например хлор, обладающих коррозионными свойствами и/или загрязняющих атмосферу, и/или один или несколько катионов, образующих шлак при температурах сжигания и/или загрязняющих атмосферу. В качестве примера рассматриваются твердые бытовые отходы (ТБО), которые могут быть модифицированы путем соответствующего пресепарирования, а также получены из существующего захоронения отходов.

Углеродосодержащие отходы подаются в установку посредством конвейера 101. Подпиточная вода, отработанная вода и/или суспензия (типа необработанных сточных вод) подаются, если это требуется, по каналу 102. Углеродосодержащие отходы измельчаются и перемешиваются с рециркуляционной или подпиточной водой в секции 103 приготовления суспензии исходного топлива, в качестве которой может быть использовано оборудование, описанное в патенте США N 4624417, относящемся к "мокрому извлечению ресурсов". В секции 103 происходит высаживание тяжелых обломков и мусора, а углеродосодержащие материалы диспергируются, так что от них могут быть отделены металлы, стекло и другие неорганические включения тяжелее воды. Отделенные таким образом материалы выводятся из установки по трубопроводу или трубопроводам 104. Секция 103 может быть также оборудована для отделения ингредиентов с плотностью меньше, чем у воды, которые выводятся по другому трубопроводу (не изображен).

Суспензия, состоящая главным образом из углеродосодержащих отходов, подается в основной концентратор 105 (в качестве которого может быть применено любое подходящее устройство обезвоживания), который удаляет из нее большую часть воды с образованием прокачиваемой углеродосодержащей суспензии. Отделенная вода возвращается в секцию 103 с помощью основного рециркуляционного насоса 106 по каналу 107. Оборудование в секции 103 может также работать с низкосортными углями и/или другими углеродосодержащими отходами, описанными в разделе "Уровень техники", либо в смеси с ТБО, либо отдельно, в паузах между обработкой ТБО.

К ставшей вязкой углеродосодержащей суспензии, покидающей секцию (или секции) приготовления суспензии исходного топлива по каналу 108, может быть добавлен щелочной раствор (или суспензия), поступающая по каналу 109. Щелочь добавляется в количестве, которое по меньшей мере составляет химический эквивалент кислотообразующим анионам в углеродосодержащей суспензии. Щелочи являются отличными агентами, способствующими отщеплению и нейтрализации кислотообразующих анионов. Однако в некоторых случаях приоритетной задачей может стать удаление катионов, в том числе образующих шлаки и потенциально токсичных металлов. В подобных случаях по каналу 109, вместо щелочи, могут добавляться солюбилизирующие агенты, эффективные по отношению к указанным элементам, включающие, в частности, определенные кислоты или хелатные добавки.

Применительно к некоторым легко гидролизируемым отходам добавка щелочи до проведения карбонизации суспензии приводит к увеличению количества растворимых органических продуктов за счет твердого карбонизованного вещества, так что в таких ситуациях часто представляется предпочтительным уменьшить или отменить добавку щелочи по каналу 109 и нейтрализовать кислотные продукты в одной или нескольких точках после или во время карбонизации суспензии.

Устройство 110 теплопереноса, например, насос, обеспечивает давление, достаточное для прокачки углеродосодержащей суспензии через смеситель 11 газа и суспензии, в котором суспензия контактирует со смесью пара и газа карбонизации, поступающей по каналу 112 и/или с другими нагретыми текучими веществами (не показаны). Газопаровая смесь передает тепло непосредственно суспензии, повышая ее температуру. Нагретая суспензия и несконденсированный газ совместно поступают в сглаживающий ресивер 113, где происходит отделение газа и остаточного пара, которые выводятся по каналу 114. Отводимый газ, в основном двуокись углерода, представляет некоторую тепловую ценность и может быть подан в печь, котел или какое-то другое устройство (не изображено) для утилизации его тепла. Ресивер 113 может быть снабжен нагревательными средствами и теплоизолирован для сохранения ощутимой теплоты, в нем также могут иметься один или несколько смесителей и/или канал рециркуляции к насосу 110 (не показан) для поддержания однородности свойств суспензии.

Параллельно с секцией 103 или вместо нее может иметься одна или несколько секций приготовления другого типа (не изображены), приспособленные для ископаемых топлив или углеродосодержащих отходов, которые подлежат карбонизации в суспензии отдельно или совместно с материалами, подаваемыми конвейером 101. Например, низкосортный уголь, высокосортный уголь, другое ископаемое топливо и/или произведенная и/или утилизуемая угольная мелочь могут быть подвергнуты стадии подготовки и/или измельчению с обогащением, как это обычно делается для получения подходящей исходной суспензии. Твердое ТИО, получаемое обычным сухим методом извлечения из отходов, достаточно просто измельчить и диспергировать в воде подпитки или рециркуляционной воде. Древесные отходы можно измельчить, подвергнуть магнитному сепарированию для отделения железа и превратить в пульпу. Другие ископаемые топлива и/или отходы, такие как ил сточных вод, могут потребовать только подбора содержания воды. В то время как высокосортные угли, особенно содержащие хлор или вещества, формирующие шлаки, могут обрабатываться аналогичным образом, иногда более выгодно пропустить суспензии на базе подобных углей мимо оборудования для карбонизации суспензии и смешивать их с твердым карбонизованным веществом и/или суспензией на его основе. Когда это требуется, углеродосодержащая суспензия может быть очищена от мелких частиц посредством гидроклона или гидроклонов, приспособленных для этой цели. Если необходимо произвести существенное разбавление дополнительной углеродосодержащей суспензии с целью отделения неорганических веществ, то очищенная суспензия может пройти устройство 105 обезвоживания или устройство аналогичного назначения.

Для осуществления стадии карбонизации или совместной карбонизации эта дополнительно приготовленная углеродосодержащая суспензия может вводиться прямо в канал 115 или в канал между секцией 103 и устройством 110 (не показано). Эта суспензия может быть подана также в ресивер 113 по каналу 116 или по каналу 117 к приемной линии загрузочного устройства 118 высокого давления. Загрузочное устройство 118 может относиться к классу насосов, экструдеров, шнеков или других известных устройств для создания давления; при этом возможно применение одного или нескольких подобных устройств, установленных последовательно или параллельно. В приемной линии загрузочного устройства 118 может быть установлен смеситель (не изображен). Кроме того, практически сухие или полусухие низкосортные угли, углеродосодержащие отходы, высокосортные угли и/или другие ископаемые топлива могут добавляться прямо в ресивер 113 через дополнительный канал (не изображен). Загрузочное устройство 118 отбирает углеродосодержащую суспензию из ресивера 113 (и в некоторых случаях из канала 117) и обеспечивает давление, достаточное для того, чтобы перемещать ее через последующее оборудование для приложения давления и поддерживать суспензию в жидком состоянии при нагреве.

Углеродосодержащая суспензия протекает из устройства 118 к холодной стороне низкотемпературного теплообменника 119, в котором она нагревается непрямым путем с помощью суспензии карбонизованного вещества из канала 125 до температуры, приближающейся к температуре этого вещества. Из теплообменника 119 нагретая углеродосодержащая суспензия поступает к холодной части высокотемпературного теплообменника 120, в котором она нагревается непрямым путем с помощью суспензии карбонизованного вещества из канала 123. Каждый из теплообменников 119 и 120 может состоять из единственного или из нескольких теплообменных модулей, установленных последовательно или параллельно. Устройство, которое отделяет часть воды из нагретых твердых углеродосодержащих веществ (не изображено), может быть установлено также между теплообменниками 119 и 120. В таком случае отделенная вода предпочтительно направляется к соответствующему теплообменнику (не изображен) для отбора от нее тепла, тогда как частично обезвоженная суспензия поступает к теплообменнику 120.

Горячая углеродосодержащая суспензия течет от теплообменника 120 к нагревателю 121, который введен в качестве дополнения или альтернативы теплообмену в теплообменниках 119 и 120. Кроме того, нагреватель 121 служит для компенсации теплопотерь и необратимости прямого теплообмена путем обеспечения теплового баланса, необходимого, чтобы повысить температуру суспензии до значения, подходящего для реакций карбонизации. Тепло в нагревателе 121 передается непрямым путем, с применением пара (в том числе пара, смешиваемого с газом, выделяющимся при мокром окислении растворимого органического компонента при очистке, как это будет описано со ссылкой на фиг. 2), специального жидкого теплоносителя, трубчатой печи, электрорезистивных элементов, спирали, нагреваемой горячим дымовым газом или выхлопными газами турбины и/или другого подходящего источника тепла. В качестве альтернативы, тепло может подводиться в нагревателе 121 непосредственно к суспензии, путем инъекции пара под высоким давлением (например пара, выделяющегося при мокром окислении в процессе очистки - см. фиг. 2), горячего дымового газа от горелки и/или небольших количеств воздуха или кислородосодержащего газа.

В некоторых конкретных вариантах прокачка от нагревателя 121 к входу горячей части теплообменника 120 может занимать время, достаточное для завершения реакции карбонизации. Если конкретная углеродосодержащая суспензия требует большей длительности нахождения при повышенной температуре, чем это обеспечивается временем прокачки, для увеличения времени реакции может быть введен реактор 122. В качестве дополнения или альтернативы подвода энергии к суспензии в нагревателе 121 реактор 122 может быть снабжен рубашкой для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды, которая в качестве альтернативы может быть инжектирована непосредственно в реактор вместе с горячей суспензией для передачи ей добавочной тепловой энергии. В дополнение может быть предусмотрен канал 147 для отвода из реактора газа карбонизации по мере его образования, с тем, чтобы сместить равновесии реакций карбонизации суспензии в сторону увеличения выхода карбонизованного вещества. Газ, выводимый по каналу 147, является горячим и имеет значительное содержание пара. В интересах экономии большую часть содержащегося в нем ощутимого и латентного тепла обычно удается извлечь, например с помощью теплообменников (не изображены) или путем обеспечения прямого контакта с суспензией, например в смесителе 111.

В качестве дополнения и/или альтернативы к добавлению щелочи по каналу 109 щелочь может через соединитель 124 вводиться в канал, выходящий из реакторной секции 122, или в канал, входящий в реактор 122 (этот вариант не изображен). Разбавленная суспензия карбонизованного вещества, вязкость которой существенно уменьшена, и газ, выделенный при реакции карбонизации (состав которого может быть модифицирован за счет инъекции теплоносителя), далее текут по каналу 123 к горячей стороне высокотемпературного теплообменника 120, в котором они передают тепло непрямым путем углеродосодержащей суспензии, которая была частично нагрета в теплообменнике 119. Охлажденная в результате теплообмена в теплообменнике 120 суспензия карбонизованного вещества и газ карбонизации поступают по каналу 125 к горячей части низкотемпературного теплообменника 119. Далее охлажденная суспензия карбонизованного вещества может быть дополнительно охлаждена при непрямом теплообмене и/или прямом контакте с водой, воздухом или другой охлаждающей текучей средой (этот процесс может являться альтернативой охлаждению суспензии в теплообменниках 119, 120). В качестве альтернативы и/или дополнения к введению щелочи по каналу 109 и/или каналу 124, она может быть также инжектирована в канал 125 через соединитель 126.

Охлажденная в теплообменнике 119 до требуемой температуры суспензия, вместе с газом карбонизации, подается по каналу 127 к редуктору 128 давления. Устройство 128 одновременно может служить для уменьшения размеров частиц в суспензии, с использованием для этого кинетической энергии, выделяемой при увеличении объема суспензии. Уменьшение давления приводит к увеличению объема газа карбонизации и увеличивает выделение насыщенного пара в результате испарения воды из суспензии по мере продвижения смеси к сепаратору 129 газа и суспензии. В сепараторе 129 происходит отделения газа и пара, которые поступают, как это было описано выше, по каналу 112 к смесителю 111.

Разбавленная суспензия карбонизованного вещества, пройдя сепаратор 129, течет по каналу 130 к устройству 131 концентрации карбонизованного вещества. Концентратор 131 изображен в виде центрифуги, но им может быть и испаритель, фильтр или любое другое подходящее устройство, которое отделяет от суспензии воду, отводимую по каналу 132 от влажного карбонизованного вещества, которое выводится в трубопровод 133. Концентратор 131 может быть приспособлен для промывки влажного карбонизованного вещества перед его выведением чистой и/или рециркуляционной водой из канала 134, которая встречается с осадками от промывки в канале 132.

Рециркуляционная вода вместе с осадками от промывки накапливается в рециркуляционном барабане 135, из которого она прокачивается с помощью дополнительного водяного насоса 136 по каналу 137 в секцию 103 приготовления суспензии. Однако обычно перед этим требуется удалить растворимые продукты очистки, чтобы предотвратить накапливание избыточных растворимых и суспензированных соединений. Эти продукты очистки могут быть перед их сбросом подвергнуты обработке, хорошо известной в технологии обработки воды или описанной в патенте США N 4898107. В качестве альтернативы продукты очистки могут быть выделены из горячей суспензии в канале 123, как это будет описано со ссылкой на фиг. 2, и подвергнуты мокрому окислению с целью получения пара высокого давления, подающего тепло к нагревателю 121 прямым либо непрямым путем и удаляющего соли, присутствующие в виде рассола. Согласно еще одному варианту, рециркуляционная вода в канале 137 может быть обработана обычными методами обработки сбросовой воды для того, чтобы удалить или уменьшить содержание растворенных и суспензированных материалов перед ее повторным использованием в секции 103.

Влажное карбонизованное вещество, падающее по трубопроводу 133, смешивается в смесителе 139 с чистой и/или рециркуляционной водой из канала 134 в регулируемой пропорции для получения суспензии требуемой вязкости. Полученный топливный продукт течет по каналу 140 к калибровочному устройству 141, в котором происходит удаление частиц с размерами, превышающими требуемые, после чего он подается (в случае необходимости с помощью воды) по каналу 142 к устройству 143 для уменьшения размеров частиц, из которого суспензия с частицами уменьшенного размера возвращается с помощью насоса 144 рециркуляции суспензии к устройству 141. Благодаря наличию этого контура уменьшения размеров частиц максимальный размер частиц в суспензии приводится в соответствие с заданным диапазоном размеров, после чего суспензия выводится по трубопроводу 145 в резервуар 146 хранения готового продукта, где он накапливается для будущего использования или продажи. Резервуар 146 предпочтительно снабжен смесителем (смесителями) или системой рециркуляции для поддержания однородности продукта. По желанию, высокосортный уголь и/или другое ископаемое топливо (в сухом, полужидком виде или в виде суспензии с достаточной энергетической плотностью), а также жидкие топлива, такие как, например, дизельное топливо, могут смешиваться с готовой суспензией карбонизованного вещества, содержащейся в резервуаре 146, минуя контур карбонизации.

Готовая суспензия хранится в резервуаре 146 либо для использования в месте ее приготовления, либо для транспортирования по трубопроводу, в цистернах, водным или другим путем 150 в место использования 152 типа тепловой электростанции или установки по обработке твердой фазы суспензии.

В некоторых случаях описанный контур уменьшения размеров частиц может быть объединен в единое устройство, которое предотвращает прохождение слишком больших частиц и уменьшает их размеры до допустимых значений. Иногда же оказывается оправданным измельчение частиц с размерами, лежащими в определенных интервалах, для обеспечения оптимального распределения частиц по размерам, позволяющего достичь максимальной концентрации твердой фазы, т.е. максимальной энергетической плотности при заданной вязкости.

Хотя значительное сокращение содержания неорганических примесей достигается уже при разделении по плотности, осуществляемом в секции 103, резкое уменьшение размеров частиц в результате карбонизации суспензии и/или последующего механического измельчения может в некоторых случаях привести к высвобождению дополнительного неорганического материала, который может быть выделен (благодаря его плотности, другим физическим и/или химическим свойствам) в любой точке за реактором 122 и предпочтительно перед сепаратором 131 с помощью гидроклона, флотационного или какого-либо другого подходящего устройства.

Если суспензия карбонизованного вещества оказывается свободной от больших частиц, способных забить оборудование, установленное по ходу потока, контур 141-144 можно не применять. Если исходное сырье не содержит существенного количества экстрагируемых анионов или катионов, суспензия может быть просто доведена до нужной вязкости в устройстве 131, вместо того, чтобы подвергаться полному сепарированию с повторным образованием суспензии в чистой воде. Как вариант, контур 141-144 уменьшения размеров частиц может быть помещен перед концентратором 131.

ПРИМЕР 1
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, проиллюстрированным фиг. 1, уплотненное ТИО, изготовленное сухим методом извлечения ресурсов, было измельчено до размеров частиц 0,3 см, смешано с гидроксидом натрия и переведено в водную суспензию концентрацией 7,2% по весу при вязкости 300 сантипуаз. Теплота сгорания суспензии на базе исходного топлива (ТИО) составляла 310 ккал/кг суспензии при содержании кислорода 36,2% при пересчете на сухой вес.

После повышения давления в исходной суспензии ТИО она подавалась в непрерывно действующую пилотную установку производительностью 285 кг/час, в которой использовались центробежный и диафрагменный насос. Предварительный нагрев суспензии осуществлялся посредством трех электрических нагревателей с жидким теплоносителем, причем давление и температура суспензии поддерживались и в реакторе. После выведения суспензии карбонизованного вещества из реактора ее давление и температура снижались посредством взрывного испарения до достижения атмосферного давления. Образующиеся при взрывном испарении пар и газ дополнительно охлаждались в конденсаторе с водяным охлаждением, причем неконденсируемый газ сжигался, а конденсат закачивался в резервуар хранения. Суспензия после снятия давления обезвоживалась в фильтр-прессе; уменьшение размеров частиц производилось с помощью мельницы.

Продукт, получаемый в пилотной установке при описанных условиях, будучи разбавлен водой до общего содержания твердой фазы 51,8% по весу, имел кажущуюся вязкость 500 сантипуаз, теплоту сгорания 3670 ккал/кг суспензии и содержание кислорода 13,9% при перерасчете на сухой вес. Одновременно описанные условия обеспечивали уровень экстракции хлора, превышающий 94%, который был дополнительно повышен промывкой в фильтр-прессе. В дополнение, в готовом продукте, по данным анализа, было существенно понижено содержание азота, серы, титана, кальция, натрия, калия и следов таких металлов, как ртуть, сурьма, мышьяк, кадмий, свинец, кобальт, медь, марганец и цинк.

Опираясь на эти результаты испытаний, было проведено компьютерное моделирование установки производительностью 500 т/день, соответствующей варианту по фиг. 1 и использующей в качестве сырья ТБО. С применением стандартных методов была также найдена оценка стоимости ввода в действие такой установки. Расчетные суммарные капитальные затраты для установки, интегрированной с оборудованием для мокрого извлечения ресурсов, составили 36,9 миллионов долларов США при уровне резервирования 15%. Эксплуатационные расходы (включая обслуживание) в первом году были оценены в 11,4 миллиона долларов, включая финансирование капитальных затрат, обслуживание кредита и амортизацию. Это соответствует 69 долл./т ТБО, без учета выручки от продажи восстановленных рециркулируемых материалов и готовой топливной суспензии. Принимая, что продажная цена топлива составляет 7,73 долл./миллион ккал, чистые эксплуатационные затраты снижаются до 36 долл./т ТБО.

Фиг. 2 иллюстрирует другой вариант осуществления изобретения применительно к обработке низкосортных углей и/или углеродосодержащих отходов. В нем используются некоторые элементы и операции, описанные со ссылкой на фиг. 1, в частности, подготовительные операции, включающие добавление щелочи или солюбилизирующих агентов, удаление неорганических веществ, подбор содержания воды, уменьшение размеров частиц и/или смешивание углеродосодержащих отходов, низкосортных углей, других ископаемых топлив и их смесей.

Далее, как показано на фиг. 2, подготовленная вязкая суспензия подается в установку по каналу 201. Углеродосодержащая суспензия поступает к смесителю 202 газа и суспензии, в котором она контактирует с парогазовой смесью, подводимой по каналу 203 и/или другими нагретыми текучими средами. Парогазовая смесь отдает тепло непосредственно суспензии, повышая ее температуру. Подогретая суспензия течет к первому устройству 204 повышения давления жидкости. Устройство 204 повышает давление в суспензии до уровня, существенно меньшего давления парогазовой смеси в канале 205, так что оба потока могут быть объединены во втором смесителе 206. Любые неконденсируемые газы и конденсирующийся пар разбавляют и повышают температуру суспензии, которая поступает ко второму устройству 207 повышения давления. Устройство 207 повышает давление в суспензии до уровня, существенно меньшего давления парогазовой смеси в канале 208, так что оба потока могут быть объединены в третьем смесителе 209. Любые неконденсируемые газы и конденсирующийся пар еще более разбавляют и повышают температуру суспензии, которая поступает к третьему устройству 210 повышения давления. Устройство 210 также повышает давление в суспензии до уровня, существенно меньшего давления парогазовой смеси в канале 211, так что оба потока могут быть объединены в четвертом смесителе 212. Любые неконденсируемые газы и конденсирующийся пар еще более разбавляют и повышают температуру суспензии, которая поступает к четвертому устройству 213 повышения давления. Устройство 213 аналогичным образом повышает давление в суспензии до уровня, существенно меньшего давления парогазовой смеси в канале 214, так что оба потока могут быть объединены в пятом смесителе 215. Любые неконденсируемые газы и конденсирующийся пар в смесителе 215 еще более разбавляют и повышают температуру суспензии до значения, требуемого для реакций карбонизации суспензии.

Горячая углеродосодержащая суспензия направляется от смесителя 215 к нагревателю 216, который служит дополнением или альтернативой прямому нагреву в устройствах 202-215. В нагревателе 216 требуемое тепло передается непрямым образом, например с использованием пара от внешнего источника, подходящей жидкости-теплоносителя, трубчатой печи, электрорезистивных элементов, спирали, нагреваемой горячим дымовым газом или выхлопным газом турбины и/или другого подходящего источника тепла. В качестве альтернативы, тепло может подводиться в нагревателе 216 непосредственно к суспензии, путем инъекции пара под высоким давлением от внешнего источника, горячего дымового газа от горелки и/или небольших количеств воздуха или кислородосодержащего газа.

Хотя устройства 204, 207, 210 и 213 для повышения давления были описаны и показаны на фиг. 2 как дискретные устройства, два или более из них могут представлять собой отдельные блоки единого устройства и/или получать питание от единого источника. Кроме того, в состав установки могут входить как более, так и менее четырех подобных устройств, в качестве которых могут применяться насосы, экструдеры, шнеки и другие известные устройства или их комбинации.

Неконденсируемые газы могут отделяться и выводиться из основного потока сразу же за смесителями 202, 206, 209, 212 и/или 215. Выводимые неконденсируемые газы могут быть поданы к печи, котлу и/или другим устройствам для утилизации любого содержащегося в них остаточного тепла. Кроме того, между устройствами для повышения давления в нагретой суспензии может быть проведено ее обезвоживание до вязкости, позволяющей вести дальнейшую обработку суспензии. Удаленная влага после этого направляется к устройству утилизации заключенного в ней тепла, и/или она повторно направляется в секцию подготовки (не изображена).

В зависимости от выполнения установки, прокачка между нагревателем 216 и сепаратором 220 газа и суспензии может занимать время, достаточное для завершения реакции карбонизации. Если конкретная углеродосодержащая суспензия требует большей длительности нахождения при повышенной температуре, чем обеспечивается временем прокачки, для увеличения времени реакции может быть введен реактор 217. Реактор 217 может быть снабжен средствами для отделения газа карбонизации по мере его образования, с выведением его по неизображенному каналу. В качестве дополнения или альтернативы подвода энергии к суспензии в нагревателе 121 реактор 122 может быть снабжен рубашкой для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды, которая в качестве альтернативы может быть инжектирована непосредственно в реактор вместе с горячей суспензией для передачи ей дополнительной тепловой энергии. В качестве дополнения или альтернативы нагревателю 216 реактор 217 может быть снабжен рубашкой для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды, которая в
качестве альтернативы может быть инжектирована непосредственно в реактор вместе с горячей суспензией для передачи ей дополнительной тепловой энергии.

Применительно к некоторым легко гидролизируемым отходам добавка щелочи до проведения карбонизации суспензии приводит к увеличению количества растворимых органических продуктов за счет твердого карбонизованного вещества, так что в таких ситуациях часто представляется предпочтительным уменьшить или отменить добавку щелочи в секции приготовления суспензии исходного топлива и нейтрализовать кислотные продукты в одной или нескольких точках после или во время карбонизации суспензии. Когда продукты карбонизации суспензии покидают реактор 217 по каналу 218, в этот канал из дополнительного канала 219 может быть инжектирован раствор или суспензия щелочи; щелочь может быть также введена в канал, входящий в реактор 217 (этот вариант не изображен).

Канал 218 ведет к сепаратору 220 газа и жидкости, выполненному, например, в виде водяного затвора. В сепараторе 220 происходит отделение газов, образовавшихся в процессе карбонизации суспензии, а также газов, введенных в поток (и/или образовавшихся при мокром окислении растворимых органических продуктов, как это будет описано далее), и их выведение по каналу 221. Газ в канале 221 является горячим и имеет значительное содержание пара. В интересах экономии большую часть содержащегося в нем ощутимого и латентного тепла обычно удается извлечь, например, с помощью теплообменников (не изображены) или путем обеспечения прямого контакта с суспензией, например в канале 201. Пар, конденсируемый из этого потока, представляет собой потенциально ценный источник относительно чистой воды.

Суспензия карбонизованного вещества после сепаратора 220 течет по каналу 220 к первой ступени 223 сепаратора для разделения жидкой и твердой фаз, верхний выход которого связан со второй ступенью 224 сепаратора для разделения жидкой и твердой фаз. В качестве сепараторов 223 и 224 могут использоваться, например, гидроклоны, показанные на фиг. 2. Естественно, что количество ступеней и организация потока между ними могут модифицироваться по мере необходимости. Желательно, чтобы в максимально возможной степени твердое карбонизованное вещество вместе с рециркулируемой водой (которая может содержать растворенные газы) выводилась через нижний выход сепараторов 223 и 224, которые настраиваются таким образом, что через верхний выход выводится часть поступающей из сепаратора 220 жидкости, представляющая собой продукт промывки от растворимых органических и неорганических соединений.

Имеется также следующая причина для вывода этого продукта через верхний выход сепараторов, основанных на разности плотностей. Несмотря на внимание, уделяемое условиям максимизации выхода твердого карбонизованного вещества и ограничения (насколько это возможно) образования газа (двуокиси углерода), карбонизация суспензии - это форма пиролиза, который может приводить к образованию в небольших количествах жидких углеводородов и/или смол. Кроме того, некоторые особо стойкие полимеры могут не разложиться и сохраниться (но перейдя под действием температуры в жидкую форму). Эти нерастворимые материалы с относительно высокой температурой плавления по мере охлаждения продукта могут привести к забиванию последующих ступеней оборудования. Однако, имея меньшую плотность, чем вода, они располагаются в зоне продуктов промывки и поэтому поступают вместе с водой и растворенными органическими веществами на разрушение методом мокрого окисления с выработкой в процессе окисления полезного тепла.

Давление в потоке, выводимом через верхний выход сепаратора 224, повышается с помощью насоса 225, который подает этот поток в смеситель 226, где он смешивается со сжатым газом, содержащим кислород, который поступает по каналу 227 и в той степени, в которой это возможно, окисляет органические вещества в потоке до двуокиси углерода и воды. Для того чтобы обеспечить достаточное время для достижения желательного уровня окисления, предусмотрена специальная секция в виде реактора 228. Окисление высвобождает достаточное количество тепла для того, чтобы повысить температуру смеси до уровня, соответствующего превращению части содержащейся в ней воды в пар.

Смесь горячего пара, газов и воды, в которой содержатся неорганические вещества в виде раствора или суспензии (рассола), поступает по каналу 229 в сепаратор 230 пара и рассола. В сепараторе 230 происходит отделение пара и газов, которые выводятся через устройство 231 управления давлением и канал 214 и подаются в смеситель 215 для нагрева предварительно подогретой суспензии, как это уже было описано. Рассол, выделяемый в сепараторе 230, выводится из процесса через редуктор 232 давления. Он также содержит значительное количество тепла, которое следует утилизовать в подходящем теплообменном оборудовании.

Если окислителем, подаваемым по каналу 227, является воздух, паровая фаза на выходе сепаратора 230 будет иметь значительное содержание азота, который будет сопровождать полностью нагретую суспензию при прохождении через реактор 217 к сепаратору 220. Парциальное давление этого азота, сложенное с парциальными давлениями газов, выделяемых при окислении и карбонизации суспензии, делает необходимым поддерживать давление на участке между устройством 213 и сепараторами 220 и 230 значительно большим, чем давление насыщенного водяного пара. Кроме того, потери тепла, связанные с образованием насыщенного пара, будут в этом случае выше, чем при применении промышленного кислорода. Выбор окислителя обычно определяется местными экономическими условиями, в частности, ценой на приобретаемый кислород.

Поток с нижнего выхода гидроклонов 223 и 224 по каналу 233 поступает к редуктору 234. Падение давления на выходе редуктора 234 приводит к взрывному испарению части воды из суспензии (возможно вместе с растворенными газами) при движении смеси к первой ступени 235 сепаратора для разделения карбонизованного вещества и суспензии. В сепараторе 235 пар отделяется от суспензии и течет по каналу 211 к смесителю 212, как это было описано. Суспензия, частично охлажденная и ставшая более концентрированной в результате испарения части содержавшейся в ней воды, поступает из нижней части сепаратора 235 ко второму редуктору 236.

Падение давления на выходе редуктора 236 приводит к взрывному испарению еще одной части воды из суспензии (возможно вместе с растворенными газами) при движении смеси ко второй ступени 237 сепаратора для разделения карбонизованного вещества и суспензии. В сепараторе 237 пар отделяется от суспензии и течет по каналу 208 к смесителю 209, как это было описано. Суспензия, частично охлажденная и ставшая более концентрированной в результате испарения части содержавшейся в ней воды, поступает из нижней части сепаратора 237 к третьему редуктору 238.

Падение давления на выходе редуктора 238 приводит к взрывному испарению еще одной части воды из суспензии (возможно вместе с растворенными газами) при движении смеси к третьей ступени 239 сепаратора для разделения карбонизованного вещества и суспензии. В сепараторе 239 пар отделяется от суспензии и течет по каналу 205 к смесителю 206, как это было описано. Охлажденная суспензия, температура которой теперь лишь незначительно превышает ее температуру кипения при атмосферном давлении и концентрация которой увеличилась за счет испарения части содержавшейся в ней воды, поступает от нижнего выхода сепаратора 239 в аккумулятор 240, из которого дополнительно выводится небольшое количество пара, в результате чего суспензия охлаждается до температуры кипения при атмосферном давлении. Пар из аккумулятора 240 может быть подан по каналу 203 для смешения с поступающей по каналу 210 исходной суспензией (суспензией исходного топлива) в смесителе 203, как это было описано. Как показано на фиг. 2, сепараторы 235, 237 и 239 могут быть выполнены в виде водяных затворов, нижние выходы которых могут быть снабжены специальной емкостью (не изображена) для поддержания необходимого уровня суспензии и предотвращения выхода пара в этом направлении.

Хотя в устройствах 223, 224, 235, 237, 239 и 240 из суспензии карбонизованного вещества было удалено значительное количество влаги и растворенных соединений, может оказаться необходимым дополнительное концентрирование суспензии до требуемой вязкости. В таком случае разбавленная суспензия подается от сепаратора 240 по каналу 241 к устройству 242 концентрации карбонизованного вещества. Концентратор 242 изображен в виде центрифуги, но им может быть и испаритель, фильтр или любое другое подходящее устройство, которое отделяет от суспензии воду, отводимую по каналу 243 от влажного карбонизованного вещества, которое выводится в трубопровод 244. Концентратор 242 может быть приспособлен для промывки влажного карбонизованного вещества перед его выведением чистой и/или рециркулированной водой из канала 245, которая встречается с осадками от промывки в канале 243.

Рециркулированная вода вместе с осадками от промывки накапливается в рециркуляционном барабане 246, из которого она прокачивается с помощью дополнительного водяного насоса 247 по каналу 248 в секцию приготовления суспензии исходного топлива или обработки рециркулируемой воды (не изображены). Может оказаться необходимым, в дополнение к рассолу, удаляемому через редуктор 232, удалить растворимые продукты очистки, например через устройство 249 управления расходом, чтобы предотвратить накапливание избыточных растворимых и суспензированных соединений. Эти продукты очистки могут быть перед их сбросом подвергнуты обработке, хорошо известной в технологии обработки воды или описанной в патенте США N 4898107. Рециркулированная вода из канала 248 может быть обработана обычными методами обработки сбросовой воды для того, чтобы удалить или уменьшить содержание растворенных и суспензированных материалов перед ее повторным использованием в секции приготовления суспензии топлива (не изображена).

Влажное карбонизованное вещество, падающее по трубопроводу 244, смешивается в смесителе 250 с чистой и/или рециркулированной водой из канала 245 в регулируемой пропорции для получения суспензии требуемой вязкости. Расширение объема и высокие скорости, возникающие в результате действия устройств 233, 235 и 237, приводят к значительной фрагментации частиц. Тем не менее, может оказаться необходимым обеспечить дальнейшее уменьшение размеров частиц. В таком случае топливный продукт подается по каналу 251 к калибровочному устройству 252, в котором происходит удаление частиц с размерами, превышающими требуемые, после чего он течет (в случае необходимости с помощью воды) по каналу 253 к устройству 254 для уменьшения размеров частиц, из которого суспензия с частицами уменьшенного размера возвращается с помощью насоса 255 рециркуляции суспензии к устройству 252. Благодаря наличию этого контура уменьшения размеров частиц максимальный размер частиц в суспензии приводится в соответствие с заданным диапазоном размеров, после чего суспензия выводится по трубопроводу 256 в резервуар 257 хранения готового продукта, где он накапливается для будущего использования или продажи. Резервуар 257 предпочтительно снабжен смесителем (смесителями) или системой рециркуляции для поддержания однородности продукта. По желанию, высокосортный уголь и/или другое ископаемое топливо (в сухом, полужидком виде или в виде суспензии с достаточной энергетической плотностью), а также жидкие топлива, такие как, например, дизельное топливо, могут смешиваться с готовой суспензией карбонизованного вещества, содержащейся в резервуаре 257, минуя контур карбонизации.

Изображенные на фиг. 2 устройства 252-255 для уменьшения размеров частиц в некоторых случаях могут быть объединены в единое устройство, которое предотвращает прохождение слишком больших частиц и уменьшает их размеры до допустимых значений. Иногда же оказывается оправданным измельчение частиц с размерами, лежащими в определенных интервалах, для обеспечения оптимального распределения частиц по размерам, позволяющего достичь максимальной концентрации твердой фазы, т.е. максимальной энергетической плотности при заданной вязкости.

Хотя значительное сокращение содержания неорганических примесей достигается уже при разделении по плотности, осуществляемом в секции приготовления суспензии (не изображена), резкое уменьшение размеров частиц в результате карбонизации суспензии и/или последующего механического измельчения может в некоторых случаях привести к высвобождению дополнительного неорганического материала, который может быть выделен (благодаря его плотности, другим физическим и/или химическим свойствам) в любой точке за реактором 217 и предпочтительно перед сепаратором 242 с помощью гидроклона, флотационного или какого-либо другого подходящего устройства.

Если суспензия карбонизованного вещества оказывается свободной от больших частиц, способных забить оборудование, установленное по ходу потока, контур 252-255 уменьшения размеров частиц можно не применять. Если исходное сырье не содержит существенного количества экстрагируемых анионов или катионов, суспензия может быть просто доведена до нужной вязкости в устройстве 242, вместо того, чтобы подвергаться полному сепарированию с повторным образованием суспензии в чистой воде. Как вариант, контур 252-255 уменьшения размеров частиц может быть помещен перед концентратором 242.

Для упрощения понимания на фиг. 2 показаны три ступени снижения давления в суспензии карбонизованного вещества. Чем больше ступеней, на которые разбивается общее снижение давления, тем ближе система приближается к идеальному (реверсивному) теплообмену и тем меньше тепла требуется от стадии окисления в реакторе 228 и/или от нагревателя 216. Количество тепла, выделяемое при окислении, зависит от получения водорастворимых органических соединений, характеристик исходного сырья, температуры и длительности карбонизации и выбора точки добавления щелочи. В общем случае целью является максимизация производства твердого карбонизованного вещества, что соответствует минимизации производства растворимой органики. Чем меньше выход растворимой органики, тем большее количество ступеней взрывного испарения требуется для достижения внутреннего теплового баланса системы (без помощи нагревателя 216). Во многих случаях это количество может быть более трех. Тепло, выделяемое в результате окисления, можно также регулировать изменением давления. Повышение давления приводит к увеличению объема воды, сбрасываемой как рассол (т.е. к уменьшению воды, преобразуемой в пар). Хотя в идеальном случае в виде рассола сбрасывается минимальное количество воды, достаточное для обеспечения ее свободного вывода из системы, может оказаться необходимым сбрасывать больше воды, чтобы поддержать тепловой и/или водный баланс. Еще одна возможность регулирования состоит в варьировании степени промывки, т.е. доли потока, выводимого через верхний выход гидроклона к насосу 225. Меньшие уровни промывки соответствуют более высоким концентрациям органических веществ и солей, и наоборот.

Углеродосодержащая суспензия (суспензия топлива) в канале 210 была определена как вязкая. Поскольку вязкость - это функция концентрации, она может служить мерой объема воды, которую нужно нагреть до температуры карбонизации и снова охладить, или, другими словами, мерой количества тепла, которое нужно передать. В варианте по фиг. 1, в котором основная часть теплопередачи происходит в теплообменниках, вязкость является важным фактором, определяющим темпы теплопередачи и, следовательно, требуемую площадь поверхности теплообмена. Количество и стоимость обеспечения такой поверхности быстро возрастают с ростом вязкости. Необходимо сбалансировать противодействующие факторы: чем выше вязкость, тем меньше нагрузка, но ниже темпы теплопередачи (и, возможно, более выражена тенденция к забиванию каналов). Таким образом, вязкость, в основном, выбирается из экономических соображений.

Вариант, представленный на фиг. 2, обеспечивает цикл ввода/вывода, нагрева/охлаждения без применения теплообменников, избегая таким образом ограничения по вязкости, присущего варианту по фиг. 1. В варианте по фиг. 2 становится возможным повысить концентрацию суспензии, поступающей на стадию карбонизации, до консистенции пасты. Важно отметить, что во время нагревания вязкость неоднократно снижается за счет повышения температуры и разбавления, а также в результате самих реакций карбонизации. Благодаря этому наиболее экономичный уровень вязкости (концентрации) часто (хотя и не всегда) оказывается более высоким. При этом нужно учитывать, что соотношение между длительностью нагрева и охлаждения само по себе не влияет на затраты, когда эти процессы осуществляются простой прокачкой воды и пара, а эффективность гидроклонов выше при относительно низкой вязкости.

ПРИМЕР 2
Второе компьютерное моделирование относилось к установке производительностью 500 т ТБО в день (на входе), соответствующей варианту по фиг. 2: при его проведении использовались результаты экспериментальной проверки пилотной установки, описанные в примере 1. С применением стандартных методов была также найдена оценка стоимости ввода в действие такой установки. Расчетные суммарные капитальные затраты для установки, интегрированной с оборудованием для мокрого извлечения ресурсов, составили 29,5 миллионов долларов США при уровне резервирования 15%. Эксплуатационные расходы (включая обслуживание) в первом году были оценены в 10,5 миллионов долларов, включая финансирование капитальных затрат, обслуживание кредита и амортизацию. Это соответствует 63 долл./т ТБО, без учета выручки от продажи восстановленных рециркулируемых материалов и готовой топливной суспензии. Принимая, что продажная цена топлива составляет 7,73 долл./миллион ккал, чистые эксплуатационные затраты снижаются до 42 долл./т ТБО.

Фиг. 3 иллюстрирует еще один вариант изобретения, который минимизирует соотношение между нагревом и охлаждением и обеспечивает прямую теплопередачу, без применения теплопередающей поверхности. В нем используются некоторые элементы и операции, описанные со ссылкой на фиг. 1, в частности, подготовительные операции, включающие добавление щелочи или солюбилизирующих агентов, удаление неорганических веществ, подбор содержания воды, уменьшение размеров частиц и/или смешивание углеродосодержащих отходов, низкосортных углей, других ископаемых топлив и их смесей. Концепция варианта по фиг. 3 заключается в продвижении твердых углеродосодержащих частиц против градиента давления в жидкости посредством механических шнеков, так что теплота, содержащаяся в горячей жидкости, находящейся в прямом контакте с углеродосодержащими твердыми частицами, передается им, обеспечивая тем самым желаемый нагрев и, следовательно, реакции карбонизации суспензии.

Как показано на фиг. 3, подготовленная вязкая суспензия исходного топлива подается в установку по каналу 301 и ее давление повышается до заданного рабочего значения в устройстве 302 повышения давления. В качестве такого устройства может быть применен насос, экструдер, шнек или другое известное устройство или комбинация этих устройств. От устройства 302 находящаяся под давлением вязкая суспензия поступает в вертикальный цилиндрический реактор 303, в котором установлен вертикальный червячный конвейер, использующий два вращающихся вертикальных шнека 304 и 305. Шнеки 304 и 305 вращаются в противоположных направлениях и выполнены таким образом, чтобы ограничить поток жидкости между каждым шнеком и смежной стенкой реактора. Шнеки 304 и 305 расположены относительно друг друга так, что край лопасти одного шнека почти касается оси другого. Шнеки вращаются синхронно, так что замкнутые объемы, формируемые между смежными витками шнеков, перемещаются в направлении верхнего конца реактора 303, где давление максимально. Как показано на фиг. 4, реактор 303 имеет форму сдвоенного цилиндра с минимальным зазором между витками шнеков и его стенками.

Как пояснялось ранее, для подачи углеродосодержащей суспензии к реактору 303 по каналу 301, она должна быть достаточно разбавленной, чтобы давление в ней можно было эффективно повысить. После повышения давления разбавленной суспензии в устройстве 302 и подачи ее в реактор 303 производится ее сгущение путем удаления большей части воды, добавленной для транспортировки, через сетчатый фильтр 344. Клапан 308 управления давлением функционирует таким образом, чтобы поддерживать значительное дифференциальное давление на сетчатом фильтре 344, так что удаление воды осуществляется без снижения давления в реакторе 303. Выведение добавленной для транспортировки воды приводит к повышению концентрации в суспензии твердых углеродосодержащих частиц, которые перемещаются снизу вверх вращающимися витками шнеков 304 и 305.

Пунктирная линия 306 соответствует поперечному сечению реактора 303, в котором противоток текучей среды сверху вниз, навстречу потоку концентрированной суспензии снизу вверх, отсутствует или минимален. Высокая концентрированность суспензии может быть достигнута тем, что в сечении ниже указанной линии шаг шнековых витков сделан прогрессивно уменьшающимся, так что суспензия по мере своего движения вверх под действием вращающихся шнеков механически сдавливается. Такая плотно упакованная суспензия фактически предотвращает сток текучей среды в этом сечении реактора 303. Выше поперечного сечения 306 витки шнеков имеют больший шаг, так что механическое давление на твердую углеродосодержащую фазу движущейся вверх суспензии ослабляется, что позволяет повысить содержание жидкости в суспензии. Эта более разбавленная суспензия позволяет сформировать поток текучей среды, направленный под действием градиента давления в ней сверху вниз, т.е. против направления движения твердых частиц. Поскольку этот поток текучей среды не может существовать ниже сечения 306, он должен выводится из реактора через сетчатый экран 345 и далее по каналу 309. Управляющий клапан 310 служит для обеспечения того, чтобы при отводе текучей среды внутри реактора 303 обеспечивалось заданное давление.

Твердые углеродосодержащие частицы выше линии 306 имеют возможность захватить какое-то количество воды; их концентрация в суспензии снижается, так что горячая вода приобретает возможность стекать вниз. По мере продвижения твердых частиц вверх по реактору 303 под действием шнеков 304 и 305 они контактируют с горячей водой, текущей вниз, нагреваются до требуемой температуры карбонизации суспензии, и их температура приближается к температуре горячей воды. Объем реактора и скорость вращения шнеков подбираются так, чтобы обеспечить достаточное время для завершения этого прямого теплопереноса. Несмотря на внимание, уделяемое условиям процесса, карбонизация суспензии - это форма пиролиза, который может приводить к образованию в небольших количествах жидких углеводородов и/или смолы. Эти нерастворимые материалы с относительно высокой температурой плавления по мере охлаждения продукта могут привести к забиванию последующих ступеней оборудования и могут приводить к потенциальным дополнительным затратам на обработку рециркуляционной воды. Чтобы предотвратить их, направленный вниз поток горячей воды ниже линии 311 может быть ограничен за счет изменения шага шнеков 304 и 305, так что существенная доля горячей воды удаляется по каналу 312. Устройство 313 управления давлением регулирует скорость потока горячей воды в канале 312 и давление в реакторе 303 выше линии 311. Третий сетчатый фильтр 346, установленный между шнеками 304, 305 и реактором 303, предотвращает вывод из реактора твердых частиц вместе с горячей водой. Витки шнеков 304 и 305 скребут по поверхности фильтра 346, чтобы предотвратить накопление на ней твердых углеродосодержащих частиц. Часть воды, удаляемой из суспензии по каналу 312, может быть подвергнута очистке и/или обработке для того, чтобы удалить и/или разрушить образовавшиеся смолы и/или углеводороды с применением известных методов и/или мокрого окисления, как это было указано при описании фиг. 2. В случае необходимости выведенная горячая вода после ее обработки может быть снова введена в реактор 303 по каналу 343 в точке выше линии 311 с целью обеспечения требуемого нагрева, концентрации твердых частиц и потока воды сверху вниз.

Выше линии 311 твердые углеродосодержащие частицы имеют возможность захватить какое-то количество воды, так что их концентрация падает, и горячая вода имеет возможность стекать вниз. Чтобы скомпенсировать потери тепла и необратимость теплообмена, горячая вода, пар под высоким давлением или другие текучие среды вводятся в реактор 303 по каналу 314. Кроме того, реактор может быть снабжен рубашкой (не изображена) для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды в качестве дополнения и/или альтернативы к подводу энергии по каналу 314.

Поведение углеродосодержащей суспензии внутри реактора с двумя шнеками будет зависеть как от размеров реактора 303 и шнеков 304 и 305, так и от физических свойств твердой и жидкой фаз суспензии. Если просвет между стенками реактора и витками шнеков 304 и 305 практически отсутствует и суспензия предельно концентрирована, устройство будет действовать как экструдер и весь материал будет транспортироваться в направлении перемещения полостей между витками. Если же между шнеками и стенками реактора имеются большие зазоры, а суспензия разбавлена, устройство будет перемешивать суспензию по мере того, как она течет встречно направлению перемещения полостей между витками. Между этими двумя процессами существует область таких физических параметров оборудования, которые в сочетании с определенными характеристиками суспензии обеспечат желаемый процесс встречного движения текучей среды и твердых углеродосодержащих частиц. Такое встречное движение будет иметь место, когда сочетание физических параметров и характеристик суспензии обеспечит формирование сплошной колонны влажных углеродосодержащих частиц по высоте реактора, при наличии достаточных механических ограничений для формирования обратного потока твердых частиц. При этом механическое усилие, действующее на твердые частицы, должно оставаться ниже "порога разрушения", когда это механическое усилие (обычно составляющее менее 7 кг/см², если измерять его как давление в текучей среде) пропорционально объему удаляемой воды, а не связано с ним экспоненциальной зависимостью.

Вертикальная колонна, образуемая встречно вращающимися шнеками, функционирует таким образом, что движущиеся вверх твердые частицы достигают желаемой температуры карбонизации суспензии у верхнего конца реактора 303. Приводимый во вращение горизонтальный шнек 316 перемещает твердые углеродосодержащие частицы, вместе с определенным объемом воды, от шнеков 304 и 305 в сосуд 307 (который находится практически под тем же давлением, что и реактор 303) и далее к его выходу 347. Объем сосуда 307 и скорость вращения шнека 316 таковы, что обеспечивается достаточное время для завершения желаемых реакций карбонизации суспензии. Чтобы скомпенсировать потери тепла и/или как дополнение к подаче тепла в реактор 303 по каналу 314, горячая вода и/или пар под высоким давлением могут быть инжектированы по каналу 318 в сосуд 317. Кроме того, сосуд 317 может быть снабжен рубашкой (не изображена) для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды. При определенных значениях температуры, давления и подачи материала в процессе карбонизации суспензии может оказаться целесообразным удалять полностью или частично газ карбонизации и пар из сосуда с горизонтальным шнеком по каналу 315.

Применительно к некоторым легко гидролизируемым отходам добавка щелочи до проведения карбонизации суспензии приводит к увеличению количества растворимых органических продуктов за счет твердого карбонизованного вещества, так что в таких ситуациях часто представляется предпочтительным уменьшить или отменить добавку щелочи в секции приготовления суспензии и нейтрализовать кислотные продукты в одной или нескольких точках после или во время карбонизации суспензии.

Из сосуда 317 суспензия карбонизованного вещества течет по каналу 319 к холодной части непрямого теплообменника 320, где она охлаждается с помощью воды, воздуха или другой холодной текучей среды, поступающей из канала 321, до температуры среды. Эта жидкая среда соответственно нагревается до температуры, близкой температуре суспензии, и поступает по каналу 322 для дальнейшего нагрева с целью ее использования в качестве горячей воды, пара высокого давления и/или другой текучей среды, инжектируемой в сосуд 317 по каналу 318 и/или в реактор 303 по каналу 314. Теплообменник 320 может состоять из одного или нескольких теплообменных модулей, установленных последовательно и/или параллельно.

Охлажденная до соответствующей температуры в теплообменнике 320, суспензия вместе с газом карбонизации течет по каналу 323 к редуктору давления 324, который снижает давление в смеси. Устройство 324 одновременно может служить для уменьшения размеров частиц в суспензии, используя для этого кинетическую энергию, выделяемую при увеличении объема суспензии. Уменьшение давления приводит к увеличению объема газа карбонизации и увеличивает выделение насыщенного пара в результате испарения воды из суспензии по мере продвижения смеси к сепаратору 325 газа и суспензии, где происходит отделения газа и пара, которые выводятся по каналу 326. Отводимый газ, в основном двуокись углерода, представляет некоторую тепловую ценность и может быть подан в печь, котел или какое-то другое устройство для утилизации его тепла (не изображено). Кроме того, газ и остаточный пар могут быть направлены в устройство утилизации ощутимого и латентного тепла.

Хотя по каналам 307, 310, 312 и 326 из суспензии карбонизованного вещества было удалено значительное количество влаги и растворенных соединений, может оказаться необходимым дополнительное концентрирование суспензии до требуемой вязкости. В таком случае разбавленная суспензия подается от сепаратора 325 по каналу 327 к устройству 328 концентрации карбонизованного вещества. Концентратор 328 изображен в виде центрифуги, но им может быть и испаритель, фильтр или любое другое подходящее устройство, которое отделяет от суспензии воду. Отделенная вода сбрасывается в канал 329, тогда как влажное карбонизованное вещество выводится в трубопровод 330. Концентратор 328 может быть приспособлен для промывки влажного карбонизованного вещества перед его выведением чистой и/или рециркуляционной водой из канала 331, которая встречается с осадками от промывки в канале 329.

Удаленная вода подается по каналу 248 в секции приготовления суспензии или обработки рециркулируемой воды (не изображены). Может оказаться необходимым удалить растворимые продукты очистки, например, через устройство 333 управления расходом, чтобы предотвратить накапливание избыточных растворимых и суспензированных соединений. Эти продукты очистки могут быть перед их сбросом подвергнуты обработке, хорошо известной в технологии обработки воды или описанной в патенте США N 4898107. Влажное карбонизованное вещество, падающее по трубопроводу 330, смешивается в смесителе 334 с чистой и/или рециркуляционной водой из канала 331 в регулируемой пропорции для получения суспензии требуемой вязкости. Расширение объема и высокие скорости, возникающие в результате действия редуктора 328, а также размельчения под действием шнеков 304, 305 и 316 приводят к значительной фрагментации частиц. Тем не менее, может оказаться необходимым обеспечить дальнейшее уменьшение размеров частиц. В таком случае топливный продукт подается по каналу 335 к калибровочному устройству 336, в котором происходит удаление частиц с размерами, превышающими требуемые, после чего он подается (в случае необходимости с помощью воды) по каналу 337 к устройству 338 для уменьшения размеров частиц, из которого суспензия с частицами уменьшенного размера возвращается с помощью насоса 339 рециркуляции суспензии к устройству 336. Благодаря наличию этого контура уменьшения размеров частиц максимальный размер частиц в суспензии приводится в соответствие с заданным диапазоном размеров, после чего суспензия выводится по трубопроводу 340 в резервуар 341 хранения готового продукта, где он накапливается для будущего использования или продажи. Резервуар 341 предпочтительно снабжен смесителем (смесителями) или системой рециркуляции для поддержания однородности продукта. По желанию, высокосортный уголь и/или другое ископаемое топливо (в сухом, полужидком виде или в виде суспензии с достаточной энергетической плотностью), а также жидкие топлива, такие как, например, дизельное топливо, могут смешиваться с готовой суспензией карбонизованного вещества, содержащейся в резервуаре 341, минуя контур карбонизации.

Устройства 336-339 для уменьшения размеров частиц в некоторых случаях могут быть объединены в единое устройство, которое предотвращает прохождение слишком больших частиц и уменьшает их размеры до допустимых значений. Иногда же оказывается оправданным измельчение частиц с размерами, лежащими в определенных интервалах, для обеспечения оптимального распределения частиц по размерам, позволяющего достичь максимальной концентрации твердой фазы, т.е. максимальной энергетической плотности при заданной вязкости.

Хотя значительное сокращение содержания неорганических примесей достигается уже при разделении по плотности, осуществляемом в секции приготовления суспензии (не изображена), резкое уменьшение размеров частиц в результате карбонизации суспензии и/или последующего механического измельчения может в некоторых случаях привести к высвобождению дополнительного неорганического материала, который может быть выделен (благодаря его плотности, другим физическим и/или химическим свойствам) в любой точке за сосудом 317 и предпочтительно перед сепаратором 328 с помощью гидроклона, флотационного или какого-либо другого подходящего устройства.

Если суспензия карбонизованного вещества оказывается свободной от больших частиц, способных забить оборудование, установленное по ходу потока, контур 336-339 уменьшения размеров частиц можно не применять. Если исходное сырье не содержит существенного количества экстрагируемых анионов или катионов, суспензия может быть просто доведена до нужной вязкости в устройстве 328, вместо того, чтобы подвергаться полному сепарированию с повторным образованием суспензии в чистой воде. Как вариант, контур 336-339 уменьшения размеров частиц может быть помещен перед концентратором 328.

Преимущество прямого теплообмена над непрямым в данном случае состоит в сокращении затрат на оборудование в связи с исключением поверхностей теплопереноса и снижения тепловой энергии, необходимой для работы в стационарном режиме. Одно из достоинств варианта изобретения по фиг. 3 состоит также в том, что содержание твердой фазы в секции теплообмена в реакторе 303 может поддерживаться на уровне оптимальной концентрации с точки зрения эффективной транспортировки при очень малом влиянии на тепловую экономичность.

Как показывает рассмотрение приведенных вариантов осуществления, общая тепловая эффективность сжигания топлива зависит от нескольких факторов, таких как содержание влаги в топливе, степень сгорания углерода, избыток воздуха, температура выводимого дымового газа и паразитные потери, связанные с подачей топлива, вентиляцией, удалением золы, потреблением энергии (включая падение давления) со стороны устройств контроля загрязнения воздуха (КЗС) и т. д. Природный газ был назван совершенным топливом, потому что он почти или полностью свободен от влаги, степень сгорания углерода практически равна 100% при номинальном избытке воздуха, температура выводимого дымового газа может быть минимальной при минимальных паразитных потерях, поскольку дымовые газы достаточно чистые (отсутствует зола, низкий уровень эмиссии NO_x и CO). Беззольное дистиллятное топливо, вероятно, стоит на втором месте. Оно требует несколько повышенного избытка воздуха для полного сгорания и обычно приводит к несколько большим паразитным потерям, чем в случае природного газа в связи с необходимостью применять топливный насос. Для топлив из остаточных нефтепродуктов, практически свободных от влаги, степень сгорания высокая при умеренном избытке воздуха, но могут потребоваться сажеобдувочные устройства. Температура выводимых дымовых газов, как правило, должна быть выше кислотной точки росы, требуется оборудование для контроля над зольными выбросами, например пылеуловитель с тканевыми фильтрами, и, в зависимости от содержания серы, может понадобиться использование извести или применение скрубберов, что означает уровень потерь от низкого до умеренного.

Угольные топлива существенно различаются по зольности, содержанию влаги, серы и азота. В общем случае их наиболее эффективное сгорание достигается с горелками для угольной пыли, которые обеспечивают высокую степень сгорания при умеренном избытке воздуха. Температура выводимых дымовых газов должна быть выше кислотной точки росы. Паразитные потери, включая потери, связанные с измельчителями и устройствами КЗВ, лежат в диапазоне от умеренных до высоких, в зависимости от уровня примесей. В дополнение, угольная пыль требует большего времени пребывания в процессе сжигания, чем природный газ и жидкое топливо. Когда угольное топливо сжигается в слое в механических топках, с применением вибрирующих или движущихся колосниковых решеток, для достижения высокой степени сгорания углерода необходим большой избыток воздуха, и паразитные потери соответственно выше, чем у горелок для угольной пыли.

ТБО, в случае его массового сжигания с использованием движущихся колосниковых решеток или псевдоожиженного слоя или в виде ТИО, обладает самой низкой эффективностью сгорания. Высокое и непостоянное содержание влаги в ТБО требует избытка воздуха на уровне 100-150%, чтобы обеспечить приемлемый уровень сгорания, при значительно более высоких потерях, связанных с измельчителями, конвейерами для твердой фазы, вентиляторами для подачи воздуха, тканевыми фильтрами, устройствами КЗВ для кислого газа, NO_x, следов токсичных металлов и диоксинами. В связи с более значительными объемами дымовых газов, что необходимо для достижения эффективного сгорания углерода и жесткими требованиями по газовым выбросам, паразитные потери возрастают до уровня, почти вдвое превышающего уровень для эквивалентных котлов на угольном топливе.

При использовании настоящего изобретения ТБО и другие низкосортные углеродосодержащие топлива и отходы преобразуются в однородное жидкое топливо, которое может сжигаться подобно жидкому топливу, за исключением того, что может потребоваться увеличение производительности средств по удалению золы (хотя ее уровень остается ниже уровня, типичного для угольной пыли и ТБО). В дополнение, большинство токсичных металлов и хлор оказываются удаленными из готовой суспензии, что упрощает или даже делает необязательным применение систем контроля выбросов этих веществ. Реакционная способность настолько высока, что практически 100% сгорание углерода достигается при избытке воздуха не выше 15%. В отличие от существующей практики, не требуется никаких устройств КЗВ для кислого газа или NO_x. Единственным фактором, снижающим эффективность, является содержание влаги порядка 50%.

Чтобы оценить показатели, достигаемые при использовании настоящего изобретения, была проведена карбонизация суспензии применительно к образцам ТИО, бурого угля и смеси, содержащей 50% бурого угля (БУ) и 50% ТИО (по сухому весу) в лабораторной установке и в непрерывной пилотной установке, упомянутой в Примерах 1 и 2. В таблице 1 приведены предельные содержания (в весовых %, при нулевой влажности), теплоты сгорания (в сухом виде и в суспензии) и реологические характеристики исходного топлива и конечного карбонизованного продукта (КП). Карбонизованный продукт из бурого угля и смеси БУ/ТИО был получен на лабораторной установке, а из ТИО - на пилотной.

Путем карбонизации суспензии было достигнуто снижение содержания кислорода для каждого углеродосодержащего топлива, тогда как в сухом состоянии теплота сгорания карбонизованного продукта была увеличена. Кислород выводился из твердых углеродосодержащих частиц в виде газа - двуокиси углерода. Применительно к ТИО содержание кислорода было понижено на 64% (в расчете на сухой вес), а теплота сгорания увеличилась на 72% (в расчете на сухой вес). Кроме того, за счет использования настоящего изобретения содержание твердой фазы в суспензии карбонизованного продукта было повышено до 51,8% по весу, т. е. более чем на 460% относительно суспензии исходного топлива. Теплота сгорания суспензии карбонизованного вещества составила 3670 ккал/кг суспензии. Содержание твердой фазы в смеси бурый уголь/ТИО было выше, чем в суспензии из каждого компонента в отдельности, что обусловлено бимодальным распределением частиц смеси по размерам. В отдельных экспериментах по оценке эффективности размалывания влажного карбонизованного ТИО содержание твердой фазы в суспензии исходного продукта составляло 49,2% по весу, тогда как размалывание позволяло довести это содержание до 51,8% по весу при той же вязкости.

При обработке согласно настоящему изобретению концентрация хлора в карбонизованном ТИО в случае добавления гидроксида натрия (NaOH) была уменьшена на 85% по сравнению с исходным ТИО. При добавлении к исходной суспензии извести (CaO) содержание хлора было уменьшено на 91%. В отдельных экспериментах карбонизованный продукт промывался водой, не содержащей хлора, и содержание хлора было дополнительно понижено. Содержание хлора в карбонизованном продукте из смеси бурый уголь/ТИО было ниже, чем при использовании только ТИО (в случае добавления в исходную суспензию CaO и NaOH) благодаря тому, что содержащиеся в буром угле щелочи реагировали с хлором.

Чтобы подтвердить высокое качество топливной суспензии, полученной согласно настоящему изобретению, суспензия карбонизованного вещества, которая была получена в экспериментах на пилотной установке, упомянутой в примерах 1 и 2, сжигалась в имитаторе котла для угольной пыли (УП) с производительностью 164000 ккал/час. Кроме того, суспензия, полученная из ТИО описанным способом, смешивалась с 7,5% дизельным топливом (ДТ) и сжигалась в том же имитаторе. Далее, суспензии, полученные из бурого угля, ТИО и смеси 50% бурого угля с 50% ТИО (по сухому весу), сжигались под давлением в экспериментальном реакторе с псевдоожиженным слоем (РСПС). Условия сжигания и содержание примесей в дымовом газе без применения каких-либо устройств КЗВ приведены в таблице 2.

Эмиссия примесей при сжигании всех пяти топливных суспензий была исключительно низкой. Несмотря на то, что избыток воздуха составлял только 15,0-40,3%, выброс окиси углерода (СО) для топливных суспензий на базе ТИО был на 67-96% ниже уровня в соответствии с Новыми Стандартами Качества Выбросов для Муниципальных Мусоросжигателей (НСКВ, США, 1994 г.). Такой низкий уровень выбросов СО был достигнут благодаря высокой реактивности суспензии карбонизованного вещества (высокому содержанию летучей компоненты по сравнению с фиксированным углеродом), повышенной однородности, улучшенному смешиванию топлива с воздухом.

Поскольку при карбонизации суспензии экстрагируется значительная доля хлора, серы и анионов/катионов токсичных металлов, выбросы HCL были существенно ниже требований, даже без применения селективных некаталитических или каталитических методов уменьшения выбросов. Хотя измеренное содержание SO₂ в выбросах для суспензий из ТИО слегка превышало требования НСКВ, нужно учесть, что эти требования соответствуют доле допустимой концентрации для котлов, работающих на угле, согласно Дополнениям к Закону о Чистом Воздухе (ДЗЧВ). Для карбонизованной суспензии на базе смеси бурый уголь/ТИО выбросы были на 72% ниже, чем для суспензии на базе бурого угля, причем в обоих случаях они соответствовали требованиям Фазы II ДЗЧВ. Без применения карбонизации суспензии выбросы SO₂ от исходного бурого угля или смеси бурый уголь/ТИО не отвечали бы этим требованиям. Далее, выбросы ртути (Hg) для топливных суспензий на базе карбонизованного ТИО были на 95% ниже уровня, предусмотренного НСКВ, благодаря выведению значительной части ртути во время операций извлечения ресурсов и карбонизации суспензии.

Реферат

Способ предназначен для экологически эффективной утилизации энергетических ресурсов и отходов различных производств. Способ обеспечивает улучшение структуры топлива, повышение его энергетической плотности и снижение уровня примесей применительно к низкосортным углям и/или углеродосодержащим отходам типа твердых бытовых отходов, топлива, приготовленного из отходов, или сточных вод, путем формирования из низкосортного топлива, углеродосодержащих отходов или их смеси водных суспензий с вязкостью, позволяющей проводить их дальнейшую обработку. Такая исходная суспензия нагревается под давлением (118), обычно в присутствии щелочи (109) до температуры, при которой происходят существенные преобразования на физическом и молекулярном уровнях, характеризующиеся отщеплением значительной части находившегося в низкосортных углях или углеродосодержащих отходах в связанном состоянии кислорода в виде двуокиси углерода (147). В указанных условиях твердые частицы исходной суспензии (103), в основном, утрачивают свою волокнистую и гидрофильную структуру и распадаются на более мелкие карбонизованные частицы, что приводит к образованию суспензии карбонизованного вещества с резко улучшенной реологией, т. е. позволяющей обеспечить значительно более высокие концентрации твердой фазы (и следовательно, более высокую энергетическую плотность) при приемлемой вязкости. Изобретение обеспечивает энергетическую безопасность и чистоту воздуха. 4 с. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Формула