(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 R ZECZPO SPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: B09B 3/00 (54) Sposób utylizacji odpadów komunalnych (73) Uprawniony z patentu: Instytut Szkła i Ceramiki, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 02/96 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/98 (72) Twórcy wynalazku: Henryk Kycia, Warszawa, PL Henryk Pieczarowski, Warszawa, PL Zbigniew Polesiński, Warszawa, PL Danuta Chmielewska, Warszawa, PL Barbara Lasocka-Tatar, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: Bartula Michał E., Biuro Techniczno-Prawne, Kancelaria Patentowa "PATENT" PL B1 (57)1. Sposób utylizacji odpadów komunalnych, na który składa się proces spalania ich z wytworzeniem stałych produktów w postaci żużli, popiołów i pyłów, zawierających związki metali, znamienny tym, że wytworzone w wyniku spalania odpadów żużle i/lub popioły, i/lub pyły o uziamieniu poniżej 1 mm poddaje się korzystnie wstępnej preparacji, polegającej na ewentualnym wstępnym przesianiu, segregacji, domieleniu, dosuszeniu, a także odzysku rtęci z odpadów poprzez ogrzewanie ich w cienkiej warstwie w temperaturze od 570 do 670 K w czasie od 15 do 60 minut i schłodzeniu, po czym żużle i/lub popioły, i/lub pyły miesza się z sobą, korzystnie fluidalnie, i w ilości od 20 do 80% mas. miesza do uzyskania jednorodnej mieszanki z uwodnionym surowcem krzemionkowym w ilości od 20 do 80% mas., wodnym roztworem surowca alkalicznego w ilości do 8% mas. w przeliczeniu na R2O, surowcem ilastym w ilości do 60% mas. oraz składnikiem organicznym w ilości do 5% mas., a następnie uzyskaną masę zbryla się, korzystnie granuluje, do uziamienia od 4 do 12 mm, granule korzystnie sezonuje do 18 godz. i/lub podsusza nadmuchem gazowym o temperaturze do 700 K, a następnie wypala w temperaturze od 1270 do 1520 K w czasie od 1 do 8 godz. do uzyskania spieku o strukturze glinokrzemianu, po czym produkt ziarnisty pozostawia się do stopniowego schłodzenia w warunkach otoczenia lub korzystnie przedmuchuje gazem o temperaturze stopniowo malejącej, korzystnie w zakresie od 900 do 400 K i w czasie od 15 do 120 minut.

2 Sposób utylizacji odpadów komunalnych Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób utylizacji odpadów komunalnych, na który składa się proces spalania ich z wytworzeniem stałych produktów w postaci żużli, popiołów i pyłów, zawierających związki metali, znamienny tym, że wytworzone w wyniku spalania odpadów żużle i/lub popioły, i/lub pyły o uziamieniu poniżej 1 mm poddaje się korzystnie wstępnej preparacji, polegającej na ewentualnym wstępnym przesianiu, segregacji, domieleniu, dosuszeniu, a także odzysku rtęci z odpadów poprzez ogrzewanie ich w cienkiej warstwie w temperaturze od 570 do 670 K w czasie od 15 do 60 minut i schłodzeniu, po czym żużle i/lub popioły, i/lub pyły miesza się z sobą, korzystnie fluidalnie, i w ilości od 20 do 80% mas. miesza do uzyskania jednorodnej mieszanki z uwodnionym surowcem krzemionkowym w ilości od 20 do 80% mas., wodnym roztworem surowca alkalicznego w ilości do 8% mas. w przeliczeniu na R2O, surowcem ilastym w ilości do 60% mas. oraz składnikiem organicznym w ilości do 5% mas., a następnie uzyskaną masę zbryla się, korzystnie granuluje, do uziamienia od 4 do 12 mm, granule korzystnie sezonuje do 18 godz. i/lub podsusza nadmuchem gazowym o temperaturze do 700 K, a następnie wypala w temperaturze od 1270 do 1520 K w czasie od 1 do 8 godz. do uzyskania spieku o strukturze glinokrzemianu, po czym produkt ziarnisty pozostawia się do stopniowego schłodzenia w warunkach otoczenia lub korzystnie przedmuchuje gazem o temperaturze stopniowo malejącej, korzystnie w zakresie od 900 do 400 K i w czasie od 15 do 120 minut. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako uwodniony surowiec krzemionkowy stosuje się surowiec naturalny i/lub odpadowy surowiec wtórny, korzystnie bezpostaciowy w formie koloidalnej lub szklistej, zawierającej nie mniej niż 70% mas. krzemionki. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako surowiec alkaliczny stosuje się korzystnie roztwór wodorotlenków i/lub węglanów, i/lub fluorków sodu, potasu, litu. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako surowiec ilasty stosuje się iły nieogniotrwałe, niskotopliwe, o współczynniku pęcznienia poniżej 2,5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako składnik organiczny stosuje się kopaliny w stanie naturalnym lub przetworzonym, jak wszystkie rodzaje węgla, torf, koks, ropa naftowa, a zwłaszcza odpady pofiltracyjne ropy naftowej oraz zużyte oleje przemysłowe, silnikowe, spożywcze, rozdrobnione części roślin, w tym masę drzewną, korę, owoce, liście, a także odpady lnu, konopi, bawełny, wełny sierści, skór, tworzyw sztucznych. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że uziamienie składników mieszanki surowcowej wstępnej nie przekracza 0,07 mm. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że surowiec ilasty dozuje się do mieszanki korzystnie sukcesywnie do 1/3 czasu operacji mieszania. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dozowanie surowca alkalicznego prowadzi się poprzez natrysk w czasie od 1/3 do 1/4 czasu mieszania, w końcowej fazie operacji mieszania i do uzyskania wilgotności od 6 do 14%. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wypalanie granul prowadzi się korzystnie przy przerywanym lub ciągłym ich ruchu. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gazem, użytym do podsuszania granul po ich uformowaniu i do schładzania granul po ich wypaleniu, jest powietrze, a korzystnie gazy odlotowe wytworzone w procesie spalania odpadów komunalnych, ewentualnie rozrzedzone powietrzem.

3 Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji odpadów komunalnych, stanowiących coraz bardziej nabrzmiały problem współczesnej cywilizacji. Wysypiska czy składowiska śmieci wielkich aglomeracji pochłaniają coraz większe połacie terenu, czysto przyrodniczo czy gospodarczo bardzo cennych. Ponadto są one przyczyną długotrwałego skażenia gleby, wód i powietrza, a w tym źródłem różnego rodzaju schorzeń i alergii ludzi i zwierząt. Jednym ze sposobów utylizacji odpadów komunalnych jest ich spalanie w odpowiednich urządzeniach, zawierających różne zabezpieczenia przed emisją gazów i pyłów. W metodzie tej brak ostatniego ogniwa, bowiem - niezależnie od problemów wynikających ze znacznych jeszcze ilości i drobnoziarnistej postaci stałych produktów spalania odpadów, a więc żużli, popiołów i pyłów - istnieje zagrożenie spowodowane zawartością w nich zwłaszcza związków metali ciężkich oraz metalicznej rtęci. Składniki te są w przypadku magazynowania odpadów na składowiskach otwartych wymywane przez wody opadowe i wraz z nimi dostają się do wód gruntowych i powierzchniowych, skażając rozległe tereny. Z polskiego opisu patentowego nr znany jest sposób rekultywacji hałd odpadów przemysłowych, polegający na pokrywaniu powierzchni składowiska warstwą glebotwórczą. W pierwszej fazie utrzymuje się poziom wody w składowisku poniżej 2 do 4 cm od powierzchni i nanosi się warstwę neutralizująco-spajającą o grubości co najmniej 2 cm w postaci pulpy. Pulpa składa się, licząc w częściach masowych, z 1 do 3 nadmiernego osadu czynnego fenolowego z oczyszczania ścieków koksowniczych o odczynie 5 do 6.5 ph, i do 3 nadmiernego osadu czynnego z biologicznego oczyszczania ścieków sanitarnych o odczynie 4.5 do 6 ph, 0.3 do 1 osadu pokoagulacyjnego z uzdatniania wody przemysłowej o odczynie 4.5 do 5.5 ph, i zawierającego związki glinu oraz wody w takiej ilości, aby uwodnienie tej pulpy wynosiło powyżej 95% mas. Tak naniesioną warstwę utrzymuje się w stanie powietrzno - suchym przez minimum 180 dni, po czym nanosi się warstwę nawożącą z nasionami mieszanki roślin o grubości minimum 1 cm w postaci pulpy ze składników jak w pierwszej warstwie, zachowując jednak proporcje, licząc odpowiednio w częściach masowych, 3 do 5 nadmiernego osadu czynnego fenolowego, 3 do 6 nadmiernego osadu czynnego z biologicznego oczyszczania ścieków sanitarnych, 0.2 do 1 osadu pokoagulacyjnego z uzdatniania wody przemysłowej oraz wody w takiej ilości, aby uwodnienie wynosiło minimum 88% mas. Następnie obniża się i utrzymuje poziom wód w składowisku od 10 do 40cm poniżej ostatecznego poziomu składowiska. Z polskiego opisu patentowego nr znany jest sposób utylizacji odpadów przemysłowych, zawierających chemiczne związki metali. Polega on na tym, że 1.0 część mas. odpadu o uziamieniu do 0,1 mm, przeliczoną na zawartość związków metali, miesza się z osadowymi skałami krzemionkowymi o uziamieniu do 20,0 mm w ilości od 10.0 do części mas., wodorotlenkiem sodowym w ilości, przeliczonej na suchy NaOH, od 0.5 do 25.0 części mas., związkami wapnia i/lub magnezu o uziamieniu do 0,1 mm w ilości od 0.0 do 4.0 części mas., składnikami barwiącymi w ilości od 0.0 do 0,9 części mas., wodą w ilości od 0.0 do 14.0 części mas., po czym mieszankę tę ewentualnie suszy się w zakresie temperatur od 370 d o 570 K i wypala w temperaturze od 1190 do 1530 K w czasie niezbędnym dla powierzchniowego spieczenia albo częściowego lub korzystnie całkowitego zeszkliwienia ziam osadowej skały krzemionkowej. Produktem końcowym procesu są barwne grysy o uziamieniu od 1 do 20 mm z wytworzoną na powierzchni warstewką szkła krzemowo - sodowo - wapniowego z domieszką metali ciężkich. Przedstawione znane sposoby mają zastosowanie do odpadów przemysłowych, charakteryzujących się, w zależności od pochodzenia, stabilnym i stosunkowo ograniczonym jakościowo składem chemicznym. Natomiast, jak wykazały badania i obserwacje, skład odpadów komunalnych jest bardzo zróżnicowany ilościowo i jakościowo, a ponadto wykazuje pewne tendencje zmian w zależności od miejsca i czasu ich powstania. Stężenie pierwiastków toksycznych w odpadach komunalnych jest niższe od ich stężenia w odpadach przemysłowych. Powyższe, a także fakt, że odpadów komunalnych jest wielokrotnie więcej masowo i objętościowo od odpadów przemysłowych, powoduje niemożność prostego zastosowania metod utylizacji odpadów przemysłowych do utylizacji odpadów komunalnych.

4 Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że stałe produkty spalania odpadów komunalnych w postaci żużli i/lub popiołów, i/lub pyłów o uziamieniu poniżej 1 mm poddaje się korzystnie wstępnej preparacji, polegającej przykładowo na wstępnym przesianiu, segregacji, domieleniu, dosuszeniu, a także odzysku rtęci poprzez ogrzewanie ich w cienkiej warstwie w temperaturze od 570 do 670 K w czasie od 15 do 60 minut i schłodzeniu. Żużle i/lub popioły, i/lub pyły miesza się z sobą, korzystnie fluidalnie i uzyskaną mieszankę w ilości od 20 do 80% mas. miesza się przez czas niezbędny do ujednorodnienia z uwodnionym surowcem krzemionkowym w ilości od 20 do 80% mas., wodnym roztworem surowca alkalicznego w ilości do 8% mas. w przeliczeniu na Na2O i K2O, surowcem ilastym w ilości do 60% mas. oraz składnikiem organicznym w ilości do 5% mas. Korzystnie surowiec ilasty dozuje się do mieszanki sukcesywnie do 1/3 czasu operacji mieszania, a surowiec alkaliczny dozuje się poprzez natrysk w czasie od 1/3 do 1/4 czasu mieszania w końcowej fazie mieszania. Po zakończeniu mieszania mieszanka ma wilgotność od 6 do 14%. Uzyskaną w wyniku mieszania jednorodną, o odpowiedniej wilgotności mieszankę zbryla się, korzystnie granuluje do uziamienia od 4 do 12 mm. Wytworzone granule korzystnie sezonuje się przez okres do 18 godzin i/lub podsusza nadmuchem gazowym o temperaturze do 700 K, a następnie wypala w temperaturze od 1270 do 1530 K w czasie od 1 do 8 godzin do uzyskania spieku o strukturze glinokrzemianu. Wypalanie prowadzi się korzystnie przy ciągłym lub przerywanym ruchu ziaren. Po wypaleniu produkt ziarnisty pozostawia się do stopniowego schłodzenia w warunkach otoczenia lub korzystnie przedmuchuje gazem o temperaturze stopniowo malejącej w zakresie od 900 do 400 K w czasie od 15 do 120 minut. Jako uwodniony surowiec krzemionkowy stosuje się surowiec naturalny i/lub odpadowy surowiec wtórny, korzystnie bezpostaciowy w formie koloidalnej lub szklistej, zawierający nie mniej niż 70% mas. krzemionki. Jako surowiec alkaliczny stosuje się korzystnie roztwór wodorotlenków i/lub węglanów, i/lub fluorków sodu, potasu, litu. Jako surowiec ilasty stosuje się iły nieogniotrwałe, niskotopliwe o współczynniku pęcznienia poniżej 2,5. Jako składnik organiczny stosuje się palne kopaliny w stanie naturalnym lub przetworzonym, jak wszystkie rodzaje węgla, torf, koks, ropa naftowa, a zwłaszcza odpady pofiltracyjne ropy naftowej, oraz zużyte oleje przemysłowe, silnikowe,spożywcze, rozdrobnione części roślin, w tym masę drzewną, korę, owoce, liście, a także odpady lnu, konopi, bawełny, wełny, sierści, skór i tworzyw sztucznych. Uziamienie stałych składników mieszanki do granulowania wynosi korzystnie poniżej 0.07 mm. Gazem użytym do podsuszania granul po ich uformowaniu i do schładzania granul po ich wypaleniu jest powietrze, a korzystnie spaliny wytworzone w procesie spalania odpadów komunalnych. Główną zaletą przedstawionego powyżej sposobu jest trwałe unieszkodliwienie toksycznych związków zawartych w stałych produktach spalania odpadów komunalnych. Szczególnie istotne jest związanie metali ciężkich w fazie szklistej krzemionkowej. W czasie wypalania zachodzi proces wytwarzania fazy szklistej typu SiO2 - R2O - R2O - MeO, gdzie RO oznacza CaO + MgO, R2O oznacza Na2O + K2O a MeO - tlenki metali ciężkich. Równolegle zachodzi proces wytwarzania glinokrzemianów typu skaleniowego. Metale ciężkie są związane zarówno w strukturze fazy krystalicznej jak i szkła. Obie fazy są nierozpuszczalne w wodzie, dzięki czemu produkty zawierające je mogą być bezpiecznie składowane na otwartej przestrzeni. Postać ich i masa właściwa wykluczają również ich pylenie. Składowanie produktów procesu nie jest jednak optymalnym jego wykorzystaniem. Niejako dodatkową, ale również bardzo istotną, zaletą sposobu jest możliwość zastosowania granul w budownictwie do różnego rodzaju zapraw oraz jako niepalnego, nieutleniającego się lekkiego materiału izolacyjnego. Produkt spieczony może być także użyty jako surowiec topnikowy w masach ceramicznych. Zastosowania te ograniczają zużycie naturalnych kopalnych surowców, co w efekcie prowadzi również do pomniejszenia degradacji środowiska naturalnego. W procesie utylizuje się nie tylko odpady wysypisk komunalnych, ale i odpadowe surowce krzemionkowe czy nieużyteczne odpady organiczne. Jeszcze jednym nieoczekiwanym i oryginalnym efektem, a zarazem zaletą, sposobu jest możliwość uzyskiwania w wyniku jego stosowania, a przy modyfikacjach poszczególnych operacji i ich parametrów oraz składu ilościwo-jakościowego, surowcowej mieszanki wyjściowej różnych produktów końcowych, różniących się dość znacznie właściwościami fizyko-chemicznymi, a w konsekwencji

5 tego możliwościami użytecznego wykorzystania. Powyższe obrazuje przedstawione poniżej zestawienie: Składniki przedstawione w postaci tlenkowej Rodzaje i skład w % mas. produktu Spiek topnika Agloporyt (keramzyt) Wolastonit SiO2 48,0-86,0 do 60,0 40,0-50,0 AL2O3 7,0-32,0 10,0-24,0 5,0-7,0 Fe2O3 0,1-8,0 5,0-10,0 0,5-1,0 CaO+MgO 0,2-8,0 3,0-7,0 40,0-50,0 Na2O+K2O 2,3-20,0 2,0-6,0 1,5-2,0 SO3-0,0-3,0 - Rozwiązanie według wynalazku zilustrowane jest przedstawionymi poniżej przykładami wykonania. Przykład I. Uzyskany ze spalania odpadów komunalnych odżelaziony żużel, popiół i pył o uziamieniu do 0.07 mm i wilgotności 5% miesza się z sobą fluidalnie w równych proporcjach, po czym mieszankę tę miesza się do jednorodnej mieszaniny z tą samą ilością zużytego katalizatora krzemionkowego o zawartości 99,5% mas. SiO2 i 0,5% mas. związków organicznych. Po upływie 45 min. mieszania zestaw nawilża się przez natrysk stężonym roztworem potasu i sody w ilościach wprowadzających 3,5% mas. K2CO3 i 3% mas. Na2CO3 w stosunku do masy surowców ziarnistych w przeliczeniu na suchą masę. Uzyskaną jednorodną masę o wilgotności 10% granuluje się, uzyskane granule o średnicy 10 mm sezonuje przez 16 godz. z podsuszeniem pod koniec tego okresu spalinami o temperaturze 570 K. Podsuszone i wstępnie utwardzone granule wprowadza się do pieca obrotowego, w którym wypala się je przez czas 1 godz. w temperaturze 1270 K. Po wysypaniu granule przedmuchuje się od dołu powietrzem o temperaturze w zakresie od 800 do 400 K w czasie 100 min. W efekcie procesu uzyskuje się granule ze spieku typu skalenia sodowo-potasowego, podatne na mielenie, o bardzo małej rozpuszczalności w wodzie. Przykład II. Uzyskane w procesie spalania odpadów komunalnych pyły ogrzewa się w warstwie o grubości 2 cm przez czas 30 min. w temperaturze 640 K i chłodzi w celu usunięcia metalicznej rtęci. Pyły te o uziamieniu do 0,06 mm w ilości 10% mas., odżelaziony żużel, uzyskany ze spalenia odpadów komunalnych, o uziamieniu do 0,05 mm i wilgotności 5% w ilości 60% mas. miesza się i w jego trakcie w czasie 15 minut dosypuje się w sposób ciągły mułek chalcedonitowy o uziamieniu do 0,08 mm i wilgotności 6% w ilości 30% mas. Po upływie 45 minut, nie przerywając operacji mieszania, wprowadza się do suchej mieszanki rozpylony, stężony roztwór NaOH w ilości 7% mas. w stosunku do masy surowców ziarnistych, w przeliczeniu na suchy NaOH. Ujednorodnioną masę o wilgotności 6% granuluje się, a granule o średnicy 6 mm nadmuchuje się gazami odlotowymi z procesu spalania odpadów komunalnych o temperaturze 500 K przez czas 200 minut. Granule wypala się w piecu obrotowym w temperaturze 1520 K przez czas 5 godz. W wyniku procesu uzyskuje się granule ze spieku typu skalenia sodowego oraz metaliczną rtęć do dalszego wykorzystania w zakładach chemicznych. Przykład III. Odważa się odżelaziony żużel ze spalania odpadów komunalnych o uziarnieniu 0,08 mm i wilgotności 5% w ilości 80% mas., ił niskotopliwy o uziamieniu 0.06 mm pęczniejący w temperaturze 370 K w ilości 15% mas., miał węgla brunatnego o uziamieniu 0,08 mm w ilości 3% mas, i trociny o uziamieniu 1,0 mm w ilości 2% mas. Składniki te miesza się, przy czym ił wprowadza się do mieszanki w postaci zawiesiny wodnej stopniowo, w czasie 15 minut. Masę tę o wilgotności 11 % granuluje się przez płytę sitową i wypala przez czas 5 godz. w temperaturze 1400 K. W wyniku procesu uzyskuje się materiał izolacyjny typu keramzytu.

6 Przykład IV. Uzyskany w procesie spalania odpadów komunalnych pył miesza się z uwodnionym surowcem krzemionkowym o strukturze chalcedonitu i uziamieniu poniżej 0,06 mm w proporcji zabezpieczającej stosunek ilościowy CaO : SiO2 = 1:1.08, nawilża do wilgotności 10% i granuluje do uziamienia 4 mm. Wytworzone granule ogrzewa się przeponowo gazami odlotowymi o temperaturze 660 K w czasie 60 min. W wyniku tej operacji utwardza się i ogrzewa granule, które bezpośrednio wprowadza się do pieca obrotowego, gdzie się je wypala w temperaturze 1280 K w czasie 3 godzin. W wyniku procesu uzyskuje się granule spieku typu wolastonitu, będącego surowcem wysokotopliwym. Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł