Способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях

Изобретение относится к области термического обеззараживания и утилизации органосодержащих отходов, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии, и может быть использовано в различных отраслях, связанных с переработкой отходов биомассы. Техническими эффектами изобретения являются уменьшение выбросов патогенных микроорганизмов и вирусов в биосферу, увеличение производительности системы, снижение энергозатрат на процесс обеззараживания отходов. Способ включает разделение отходов на твердые, жидкие и газообразные. Смесь жидких и твердых отходов подвергается двухступенчатому центробежному обезвоживанию с выделением твердой фракции и жидкой фазы. При этом обезвоженный осадок твердой фракции перед термической сушкой подвергают дополнительному центробежному обезвоживанию в фильтрующей ступени центрифуги с выделением твердого осадка и фильтрата. Высушенный осадок проходит обеззараживание и утилизацию в камере сгорания, где в качестве топлива используют суспензионное водоугольное топливо, приготовленное на основе угольных шламов и фильтрата, а вентиляционные выбросы производственных помещений используются в качестве дутьевого воздуха котлоагрегата котельной. Регулирование объема подачи дутьевого воздуха при переменной нагрузке осуществляется изменением объема отходящих газов, образующихся после термической вихревой сушки осадка твердой фазы, направляемых на смешивание с вентиляционными выбросами. Технической задачей настоящего изобретения является снижение выбросов патогенных микроорганизмов и вирусов в биосферу и энергозатрат на процесс обеззараживания и утилизации тепловой энергии. Техническими результатами изобретения являются: обеззараживание биологически опасных органосодержащих отходов, находящихся и в газообразном состоянии, путем термической обработки в камере сгорания теплогенерирующей установки c использованием отработанного вентиляционного воздуха помещений в качестве дутьевого воздуха теплогенерирующей установки; утилизация теплоты удаляемого воздуха, используемого в качестве дутья для котлоагрегатов котельной, обеспечивающая снижение энергозатрат на подогрев приточного воздуха; снижение энергозатрат на обеззараживания воздуха, при исключении из технологического цикла отдельной операции по обработки удаляемого воздуха, путем совмещения операций горения топлива и термического обеззараживания газообразных отходов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, связанных с переработкой и нейтрализацией отходов биомассы, находящейся в различных агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном - в частности биологических отходов, навоза, помета, вентиляционных выбросов и канализационных стоков предприятий.

Предпосылка создания изобретения, аналоги изобретения. Одной из основных проблем в промышленном производстве продуктов животноводства и птицеводства является большое количество инфицированных отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях. Высокая концентрация животных и птицы не позволяет рекреационному механизму биосферы нейтрализовать вредные и опасные отходы биологической (вирусы, микроорганизмы) и химической природы, представляющих большую опасность для окружающей среды, человека и животных. Крупные животноводческие и птицеводческие комплексы являются очень крупными источниками опасных выбросов. Так свинооткормочный комплекс на 108 тыс. голов/год ежесуточно выбрасывает в окружающую среду жидких отходов - 900…3000, твердых -50…80, газообразных (вентвыбросы) - 690…1000 т/сутки, 5×10⁹ микробных тел/час и в случае инфекционных заболеваний животных данный объект будет представлять большую угрозу для населения и экосистемы в целом.

Пыль, мелкодисперсные частицы аэрозолей (диаметр частиц не более 0.004…0.005 мм), выделяемые животными, легко перемещаются потоками воздуха, длительное время находятся в нем во взвешенном состоянии. Средняя скорость оседания частиц составляет в 0,011…0,015 см/с. При благоприятных погодных условиях аэрозоли могут перемещаться на несколько десятков километров, представляя наибольшую эпидемиологическую опасность.

Характер и специфика вирусных и бактериальных инфекций, их высокая подвижность и возможные механизмы передачи инфекций - воздушно-капельный, воздушно-пылевой - позволяют сделать вывод о необходимости дополнительной обработки и газообразных отходов, выбрасываемых в биосферу.

Существующие системы обеззараживания воздуха, как правило, обрабатывают внутренний воздух помещения, а удаляемый из помещения воздух без обработки сбрасывается в окружающую среду. Для повышения безопасности необходима не только защита от вирусных и бактериальных инфекций внутри производственного помещения, но и экосистемы в целом.

Обеззараживание инфицированных газообразных отходов (вентвыбросы производственных помещений) может осуществляться термическим, электромагнитным, химическим, плазменным и другими методами.

Известен способ обеззараживания воздуха в помещениях заключающейся в пропускании воздуха через слой фотокатализатора на основе диоксида титана, на который воздействуют ультрафиолетовым излучением (УФ) с энергией, большей или равной ширине запрещенной зоны фотокатализатора, и непрерывно орошают водой. Изобретение позволяет за короткое время обеспечить устойчивый эффект обеззараживания во всем объеме помещения, а также сохранить низкий уровень зараженности воздуха даже при наличии постоянных источников инфицирования [1]. К недостаткам указанных способов следует отнести: наличие системы орошения, которая ограничивает диапазон рабочих температур воздуха положительными значениями. При использовании данного способа в системах вытяжки вентиляционных шахт возможно обмерзание элементов системы и выпадение конденсата, что не позволяют эффективно эксплуатировать установки в зимний и переходной период времени года.

Известен способ дезинфекции воздуха в помещении, заключающейся в фильтрации и прокачивании воздуха вентилятором через камеру обеззараживания при воздействии на него электромагнитного поля с частотой 100-4000 МГц объемной плотностью мощности 0,001-0,3 Вт/см³ [2]. К недостаткам данного способа при использовании для обеззараживания требуемых объемов газообразных отходов следует отнести большие затраты энергии, высокий уровень электромагнитного излучения, требующего использования специальных методов защиты и ограничения по мощности генераторов электромагнитного поля.

Известен способ очистки и обеззараживания воздуха окислением с использованием фотокатализатора на основе диоксида титана и источника ультрафиолетового излучения [3], отличающийся тем, что в качестве катализатора используют аэрозольное облако нанопорошка диоксида титана, который аэрируют и распыляют из предварительно заполненного контейнера продуктами сгорания газогенератора с зарядом низкотемпературного твердого топлива, и используют не менее трех источников излучения, которые располагают равномерно по периферии аэрозольного облака. Способ является одним из наиболее эффективных методов локального обеззараживания воздуха. К недостаткам данного способа следует отнести сложность и высокие эксплуатационные затраты при использовании в непрерывном производственном цикле (системы вентиляции производственных помещений).

Одним из наиболее эффективных методов обеззараживания воздуха является озонирование.

Известен способ обеззараживания животноводческих помещений от стафилококка заключающейся в их обработке озоно-воздушной смесью с концентрацией озона, в качестве источника которого используется различные виды электрического разряда в газах [4]. Преимущества данного способа обеззараживания: полностью уничтожает любую микрофлору и загрязняющие вещества; воздействует на все известные виды вирусов, спор грибков и бактерий без исключений. Озон чрезвычайно ядовит - первый класс опасности. Работа с мощными генераторами озона требует соблюдения высокой технологической дисциплины. Эффективная генерация озона при электрическом разряде в газах резко снижается при высокой влажности воздуха, наличии конденсации влаги, пыли и резких колебаниях температуры и влажности воздуха - все это характерно для установок, используемых для обеззараживания вентиляционных выбросов, что существенно снижает их эффективность.

Известна система фильтрации и дезинфекции воздуха посредством инжекции плазмы [5], включающая в том числе плазменно-реакторный узел, обеспечивающий обработку воздуха низкотемпературной плазмой. Данный способ обработки достаточно просто масштабировать. К недостаткам следует отнести наличие дополнительных энергозатрат на обеззараживание воздуха.

Все вышеперечисленные способы обеззараживания имеют общий недостаток - требуют дополнительные затраты энергии на уничтожение микроорганизмов и вирусов. Удаление вентиляционных выбросов осуществляется через вытяжные шахты (10…20 шт. / 1000 голов свиней). При установке системы обеззараживания на каждой шахте необходимо смонтировать более 1000 установок (свинооткормочный комплекс мощностью 108 тыс. голов/год) что приводит к очень большим экономическим затратам.

Известен способ обеззараживания и утилизации органосодержащих отходов, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое, жидкое), патент РФ №2718563, принятый за прототип, образующихся при производстве биологической продукции в производственных помещениях, включающий механическое и центробежное обезвоживание с выделением частично обезвоженного осадка твердой фракции и жидкой фазы в виде фугата, биохимическую обработку фугата, дополнительную термическую сушку осадка твердой фазы с последующим сжиганием высушенного продукта и получением тепловой энергии, обезвоженный осадок твердой фазы перед термической сушкой подвергают дополнительному центробежному обезвоживанию в фильтрующей ступени центрифуги с выделением твердого осадка и фильтрата, при этом полученный обезвоженный осадок направляют на термическую вихревую сушку, где в качестве сушильного агента используют смесь горячих дымовых газов и атмосферного воздуха, объем подачи которого регулируют шибером, с получением высушенного твердого осадка и отходящих газов, причем высушенный твердый осадок подается на термическое обеззараживание и утилизацию в адиабатическую камеру сгорания, преимущественно вихревого типа, котлоагрегата, являющегося источником тепловой энергии для производственного помещения - источника органосодержащих отходов, в которой в качестве основного топлива используют суспензионное водоугольное топливо, приготовленное на основе угля или угольных шламов и фильтрата, а в качестве дутьевого воздуха - часть отходящих газов вихревой сушилки, объем подачи которых регулируют шибером [6].

Достоинства данного метода - отсутствие дополнительных затрат энергии на обеззараживание среды, большая мощность, ограниченная лишь мощностью теплоэнергетической установки, высокая степень обеззараживания твердых и жидких отходов.

Данный способ обеззараживания и утилизации отходов и его техническая реализация не позволяет проводить обеззараживание газообразных отходов производства.

Все животноводческие комплексы и птицефабрики имеют развитую систему теплоснабжения, включая котлоагрегаты мегаваттного класса. Для примера - животноводческий комплекс мощностью 108 тыс. голов/год имеет свою котельную с тепловой мощностью 25 МВт. Собственная тепловая нагрузка животноводческого комплекса 19 МВт (отопление, вентиляция и кормоприготовление) (время использования максимума нагрузки Тmax=1900 ч/год). Бытовой сектор, подсобные помещения и вспомогательные службы потребляют около 6 МВт (время использования максимума нагрузки Тmax=3000 ч/год). Энергоноситель - водоугольное топлив калорийностью 3000 ккал/кг (12,6 МДж/кг). Коэффициент полезного действия котлоагрегатов 82%. Объем вентиляционных выбросов составляет 530…770 тыс. м³/сутки. Требуемый объем дутьевого воздуха котлагрегатов котельной - до 1500 тыс. м³/сутки, что может обеспечить полное термическое обеззараживание вентиляционных выбросов производственных помещений без использования специальных обеззараживающих установок. Дополнительные затраты электроэнергии на транспортировку газообразной части отходов составляют до 10… 15% от потребления электроэнергии системой вентиляции помещений.

Целесообразно использовать термический способ утилизации и обеззараживания отходов, находящихся в трех агрегатных состояниях в одной установке обеззараживания отходов - котлоагрегате системы теплоснабжения предприятий, работающей в совмещенных по времени и согласованных по объемам утилизации отходов режимах производства тепловой энергии и термического обеззараживания отходов. Тем самым существенно сокращаются затраты на обеспечение приемлемой экологической и инфекционной обстановки среды обитания человека и животных. Эффективность данного метода обеззараживания определяется совмещением операций горения топлива и обеззараживания отходов.

Технической задачей настоящего изобретения является снижение выбросов патогенных микроорганизмов и вирусов в биосферу и энергозатрат на процесс обеззараживания и утилизации тепловой энергии.

Техническими результатами изобретения являются:

- обеззараживание биологически опасных органосодержащих отходов находящихся и в газообразном состоянии путем термической обработки в камере сгорания теплогенерирующей установки использованием отработанного вентиляционного воздуха помещений в качестве дутьевого воздуха теплогенерирующей установки;

- утилизация теплоты удаляемого воздуха используемого в качестве дутья для котлоагрегатов котельной обеспечивающее снижение энергозатрат на подогрев приточного воздуха;

- снижение энергозатрат на обеззараживания воздуха, при исключении из технологического цикла отдельной операции по обработки удаляемого воздуха, путем совмещения операций горения топлива и термического обеззараживания газообразных отходов.

Указанные эффекты достигаются тем, что согласно изобретению в дополнение к существующей системе обеззараживания и утилизации твердых и жидких отходов, газообразные отходы (вентиляционные выбросы) помещений системой транспортировки вентиляционных выбросов, включающей сборный воздуховод и центробежный вентилятор, подаются в устройство для смешивания вентиляционных выбросов (вентвыбросов), где смешиваются с отходящими газами, поступающими из вихревой сушилки, и далее подаются в камеру сгорания котлоагрегата в качестве дутьевого воздуха, обеспечивая процесс горения топлива и полное термическое обеззараживание вентиляционных выбросов при высокой температуре (1000…1050°С).

Блок-схема способа комплексного термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях, представлена на рисунке, где приняты следующие обозначения: А - блок механического центробежного обезвоживания отходов, В - блок биохимической обработки фугата, С - блок термического обеззараживания, D - блок приготовления водоугольного топлива, Е - система транспортировки вентиляционных выбросов.

Реализуется следующая последовательность операций: органосодержащие отходы полужидкой фракции с содержанием твердой фракции от 8 до 18%, образующиеся при производстве биологической продукции в производственных помещениях, поступают в блок механического и центробежного обезвоживания (А), где разделяются методом центробежного обезвоживания в осадительной ступени осадительно-фильтрующей центрифуги на частично обезвоженный осадок твердой фракции с влажностью (w) до 90% и жидкую фракцию (фугат).

Жидкая часть сбрасывается жидкая часть после биохимической обработки (блок В) сбрасывается в канализационную систему. Предварительно обезвоженный в осадительной ступени центрифуги осадок твердой фазы перед термической сушкой подвергают дополнительному центробежному обезвоживанию в фильтрующей ступени осадительно-фильтрующей центрифуги с выделением твердого осадка влажностью менее 70% и фильтрата. Фильтрат направляется для приготовления водоугольного топлива (блок D), используемого в качестве основного топлива в системе теплоснабжения помещений. При этом полученный обезвоженный осадок направляют на термическую сушку в вихревую камеру, где в качестве сушильного агента используют смесь горячих дымовых газов и атмосферного воздуха, объем подачи которого регулируют шибером, с получением высушенного твердого осадка влажностью менее 14% и отходящих газов, часть которых используется в качестве дутьевого воздуха в установке для термического обеззараживания и утилизации отходов. Высушенный твердый осадок подается на термическое обеззараживание (блок С) и утилизацию энергии, содержащейся в твердой органической массе отходов с теплотой сгорания от 2 до 4 Гкал/т, в адиабатическую камеру сгорания преимущественно вихревого типа котлоагрегата. Тепло, получаемое в котлоагрегате, используется для отопления производственного помещения - источника органосодержащих отходов.

В качестве основного топлива котлоагрегата используют суспензионное водоугольное топливо [7], приготовленное на основе угольных шламов и жидкой фазы, выделяющейся при обезвоживании осадка фильтрующей ступени центрифуги, а в качестве дутьевого воздуха - вентиляционные выбросы помещений смешанными с отходящими газами вихревой сушилки. Для повышения КПД котлоагрегата и интенсификации процесса горения топлива удаляемый вентиляционный воздух из производственных помещений подается системой транспортировки (блок Е) где смешивается с отходящими газами, образующимися после термической вихревой сушки осадка твердой фазы, имеющими более высокую температуру, чем удаляемый вентиляционный воздух, формируя тем самым объем дутьевого воздуха. Дутьевой воздух используется для горения водоугольного топлива и высушенного твердого остатка в топке котлоагрегата, тем самым осуществляется термическое обеззараживание отходов находящихся и в газообразном состоянии.

Требуемый объем дутьевого воздуха при максимальной тепловой нагрузки в нашем случае составляет величину 1500 тыс. м³/сутки, объем вентиляционных выбросов составляет 530…770 тыс. м³/сутки. В случае изменения тепловой нагрузки котлоагрегата в летний период ниже указанных значений может возникнуть необходимость в уменьшении объема подачи дутьевого воздуха. Регулирование объема подачи дутьевого воздуха осуществляется изменением объема отходящих газов, образующимися после термической вихревой сушки осадка твердой фазы, направляемых на смешивание с вентиляционными выбросами.

Данный способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях позволяет проводить операции обеззараживания и утилизацию отходов в одном месте - котлоагрегат котельной - на установках мегаваттной мощности, без дополнительных затрат энергии на обеззараживание отходов и обеспечивает снижение энергетических и экономических затрат.

Источники информации

1. Патент РФ №2386451, опубл. 20.04.2010, бюл. №11.

2. Патент РФ №2231367, опубл. 27.06.2004, бюл. №18.

3. Патент РФ №2450851, опубл. 20.05.2012, бюл. №14.

4. Патент РФ №2554743, опубл. 27.06.2015, бюл. №18.

5. Патент РФ №2711203, опубл. 15.01.2020, бюл. №2.

6. Патент РФ №2718563, опубл.08.04.2020, бюл. №10.

7. Делягин В.Н. «Использование водоугольного топлива в энергообеспечении АПК» / Делягин В.Н., Мурко В.И., Иванов Н.М., Ревякин Е.Л. М. // Монография. ФГБНУ «Росинформагротех», 2013. - 92 с.).

1. Способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях, образующихся при производстве биологической продукции в производственных помещениях, включающий механическое и центробежное обезвоживание с выделением частично обезвоженного осадка твердой фракции и жидкой фазы в виде фугата, биохимическую обработку фугата, дополнительную термическую сушку осадка твердой фазы с последующим сжиганием высушенного продукта и получением тепловой энергии, при этом обезвоженный осадок твердой фазы перед термической сушкой подвергают дополнительному центробежному обезвоживанию в фильтрующей ступени центрифуги с выделением твердого осадка и фильтрата, полученный обезвоженный осадок направляют на термическую вихревую сушку, где в качестве сушильного агента используют смесь горячих дымовых газов и атмосферного воздуха, объем подачи которого регулируют шибером, с получением высушенного твердого осадка и отходящих газов, причем высушенный твердый осадок подается на термическое обеззараживание и утилизацию в адиабатическую камеру сгорания, преимущественно вихревого типа, котлоагрегата, являющегося источником тепловой энергии для производственного помещения - источника органосодержащих отходов, в котором в качестве основного топлива используют суспензионное водоугольное топливо, приготовленное на основе угля или угольных шламов и фильтрата, отличающийся тем, что удаляемый вентиляционный воздух из производственных помещений поступает на смешивание с отходящими газами, образующимися после термической вихревой сушки осадка твердой фазы, и далее транспортируется в топку котлоагрегата, где используется в качестве дутьевого воздуха.

2. Способ термического обеззараживания и утилизации инфицированных органосодержащих отходов, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях по п. 1, отличающийся тем, в случае изменения тепловой нагрузки котлоагрегата регулирование объема подачи дутьевого воздуха осуществляется изменением объема отходящих газов, образующихся после термической вихревой сушки осадка твердой фазы, направляемых на смешивание с вентиляционными выбросами.