PL B1. Sposób utylizacji odpadów niebezpiecznych i urządzenie do utylizacji odpadów niebezpiecznych

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. B09B 3/00 ( ) F23G 5/027 ( ) H05H 1/26 ( ) (54) Sposób utylizacji odpadów niebezpiecznych i urządzenie do utylizacji odpadów niebezpiecznych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/08 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT TELE- I RADIOTECHNICZNY, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 11/10 (72) Twórca(y) wynalazku: TERESA OPALIŃSKA, Warszawa, PL EWA KOWALSKA, Warszawa, PL BOGDAN ULEJCZYK, Zabraniec, PL MACIEJ WIĘCH, Warszawa, PL JOANNA RADOMSKA, Warszawa, PL PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji odpadów niebezpiecznych zwłaszcza odpadów w postaci ciekłej lub stałej, zawierających substancje organiczne, zawierające lub niezawierające halogeny z zastosowaniem plazmowo-katalitycznej metody dopalania gazów powstałych po termicznym rozkładzie odpadu i urządzenie do utylizacji tych odpadów. Rozwój cywilizacji i stały wzrost konsumpcji są przyczynami powstawania coraz większej ilości odpadów w tym również odpadów niebezpiecznych. Źródłem odpadów niebezpiecznych są przemysł, przetwórstwo żywności, działalność służb medycznych i weterynaryjnych, oczyszczalnie ścieków a nawet działalność gospodarstw domowych. W krajach wysoko rozwiniętych przemysł wytwarza rocznie ponad 20 ton odpadów na osobę. Jeden człowiek produkuje około 600 kg odpadów w ciągu roku, w tym 260 kg papieru, 130 kg metali i 110 kg szkła. Wzrastająca ilość odpadów w tym również odpadów niebezpiecznych, wyrzucanych na śmietniska, składowanych na wysypiskach lub wywożonych do lasów czy przydrożnych rowów (dzikie wysypiska) wskazuje na ogromne zagrożenie środowiska.. Priorytetem działań w skali kraju, Europy i świata jest zapobieganie nadmiernemu powstawaniu odpadów a następnie bezpieczne ich unieszkodliwianie bądź ponowne wykorzystanie. Spalanie odpadów, w tym odpadów pochodzących z produkcji przemysłowej jest jednym (oprócz składowania) ze sposobów ich utylizacji. W krajach UE od 2002 roku zabronione jest jednak składowanie odpadów wcześniej nieprzetworzonych (dyrektywa UE 91/156 EEC), dotyczy to zarówno odpadów komunalnych jak i niebezpiecznych. Unia Europejska chce w ten sposób zmniejszyć ilość odpadów wywożonych na składowiska i ograniczyć je tylko do odpadów obojętnych dla środowiska, czyli niepalnych i charakteryzujących się odpowiednim poziomem spopielenia. Działania te wpływają na obserwowany w ostatnich latach postęp w dziedzinie technologii termicznego przekształcania odpadów i poszukiwania wciąż nowych rozwiązań w tym zakresie. Termiczny rozkład odpadów niebezpiecznych jest jednym ze znanych sposobów ich niszczenia. Niszczenie odpadów niebezpiecznych w nowoczesnych spalarniach odbywa się w trzech etapach. Pierwszy etap polega albo na pirolizie odpadów bez dostępu powietrza lub z małym dostępem powietrza albo na spalaniu odpadów z częściowym odgazowaniem przy dużym dostępie powietrza. W wyniku tych procesów powstają gazy popirolityczne lub pospaleniowe zawierające związki organiczne i nieorganiczne, które w drugim etapie dopala się w powietrzu lub w tlenie. Dopalanie może odbywać się również w obecności katalizatorów. W trzecim etapie dopalone gazy oczyszcza się, w co najmniej trzystopniowym układzie oczyszczania. Spalanie odpadów w pierwszym etapie procesu odbywa się w zakresie temperatur od 200 C do 1050 C. Piroliza zachodzi w temperaturach 200 C-800 C. Gazy popirolityczne lub/i pospaleniowe są dopalane w specjalnych palnikach, w temperaturach 1100 C C, przez co najmniej 2s. Warunki te są konieczne dla zminimalizowania ilości powstających w procesie niebezpiecznych węglowodorów (dioksyny i furany). Gazy procesowe poddawane są następnie chłodzeniu i oczyszczaniu, w co najmniej trzyetapowym procesie. Sposoby te mają szereg wad. Powodują produkowanie dużych ilości ditlenku węgla na skutek spalania nie tylko odpadów, ale również paliwa będącego źródłem energii niezbędnej do przeprowadzenia procesu. Ponadto, utrudnione jest odzyskiwanie niektórych składników odpadów, które można by później wykorzystać po odpowiedniej obróbce. W obecności tlenu jest ułatwione powstawanie dioksyn i furanów. Zatem korzystniejsze jest stosowanie sposobu polegającego na pirolizie odpadów, a następnie spalaniu gazów pirolitycznych. Ze zgłoszenia WO znany jest sposób, w którym piroliza jest prowadzona bez dostępu tlenu w środowisku redukującym w celu ograniczenia powstawania dioksyn i furanów. Gazy pirolityczne są utleniane tak, aby uzyskać bezpieczne dla środowiska CO 2 i wodę lub HCl dający się pochłonąć w odpowiednich urządzeniach. Z opisu patentowego DE znany jest sposób, w którym gazy pirolityczne są utleniane z zastosowaniem katalizatora w różnej postaci. Z opisów patentowych FR , EP , ES , JP i JP znane są plazmowe metody niszczenia odpadów niebezpiecznych. Polegają one na zastosowaniu strumienia plazmy o wysokiej temperaturze (>2000 C) generowanego w wyładowaniu łukowym, mikrofalowym lub indukcyjnym. Do strumienia plazmy wprowadza się odpady w postaci gazu, zdyspergowanej cieczy lub rozdrobnionego ciała stałego. Jeżeli rozkład odpadów zachodzi bez dostępu tlenu to następnym etapem procesu utylizacji jest klasyczne spalanie powstających w procesie gazów. Wadą procesów plazmowej utylizacji odpadów niebezpiecznych jest ich wysoka energochłonność

3 PL B1 3 oraz konieczność częstej wymiany elementów reaktorów plazmowych, zwłaszcza katod, ze względu na ich erozję na skutek oddziaływania prądu elektrycznego i aktywnego chemicznie środowiska. Wadą wprowadzania do plazmy tlenu lub jego związków jest również możliwość powstawania dioksyn i furanów w chłodniejszych obszarach strumienia reagujących gazów. Znane są również sposoby polegające na zastosowaniu plazmy tylko w procesie utleniania gazów pirolitycznych lub innych gazów niebezpiecznych jak to zaproponowano w patencie JP , gdzie opisano skojarzony plazmowo-katalityczny proces utleniania gazów odpadowych. Gaz zawierający merkaptany, aminy, rozpuszczalniki organiczne lub nieorganiczne tlenki gazowe najpierw poddaje się działaniu wyładowania koronowego, korzystnie jarzeniowego, a potem wprowadza na katalizator działający w temperaturze pokojowej. Skojarzenie tego sposobu utleniania gazów i pirolitycznego rozkładu odpadów niebezpiecznych ma ograniczenia wynikające z zastosowania katalizatora, którego praca może być znacznie utrudniona lub wręcz niemożliwa w obecności gazów zawierających w cząsteczce halogeny lub/i metale lub tlenki metali. Z opisu zgłoszenia patentowego PL znany jest sposób utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych polegający na skojarzonym procesie pirolizy w temperaturze do 1000 C z zastosowaniem obojętnego gazu nośnego, a następnie spalaniu produktów pirolizy w plazmie nierównowagowej o temperaturze do 1500 C w obecności tlenu lub gazu zawierającego tlen. Wadą tego sposobu jest możliwość powstawania dioksyn i furanów w procesie pirolizy, gdy odpad w swoim składzie elementarnym zawiera tlen. Dioksyny i furany mogą również powstawać w chłodniejszych obszarach reagującego strumienia gazów w procesie spalania. Może to spowodować, że w gazach wylotowych znajdą się dioksyny i furany w stężeniach przekraczających dopuszczalne standardy. Ponadto w procesie spalania gazów pirolitycznych mogą powstawać dioksyny i furany zawierające w cząsteczce halogeny, jeżeli rozkładany odpad zawierał je w swoim składzie elementarnym. Kwaśne składniki gazów wylotowych powstające w procesie, na przykład wówczas, gdy stosowana jest para wodna, nie są pochłaniane i przedostają się do gazów odlotowych. Unieszkodliwianie lub utylizacja niebezpiecznych odpadów zawierających związki organiczne w urządzeniu i według sposobu, które są przedmiotem wynalazku posiada szereg zalet w porównaniu do znanych sposobów unieszkodliwiania tych odpadów. Zaletą jest ograniczenie ilości powstających w procesie dioksyn i furanów (także tych zawierających halogeny). Ograniczenie to realizuje się prowadząc pirolizę odpadu w środowisku gazu obojętnego, a następnie utleniając gazy pirolityczne w plazmie nierównowagowej generowanej w poślizgowym wyładowaniu elektrycznym. Środowisko plazmy nierównowagowej stosowanej w opisywanym sposobie nie sprzyja powstawaniu wielopierścieniowych związków aromatycznych i ich pochodnych. Gdyby jednak powstały to są rozkładane w module katalizatora a później, dodatkowo, adsorbowane w module adsorbera/neutralizatora. Oprócz tego zastosowanie modułu neutralizatora/absorbera umożliwia pochłonięcie kwaśnych składników gazów oraz pyłów (także tych zawierających metale lub/i ich tlenki). Zastosowanie pirolizy odpadu zamiast bezpośredniego spalania znacznie obniża stężenie ditlenku węgla w gazach wylotowych. Ponadto zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość utylizacji metali i ich związków, które można wyodrębnić po pirolizie. Modułowy charakter urządzenia pozwala na dostosowanie jego budowy do potrzeb i wymagań prowadzonego procesu. Według wynalazku, sposób utylizacji odpadów niebezpiecznych w postaci ciekłej lub stałej, zawierających substancje organiczne, polega na tym, że odpady poddaje się rozkładowi termicznemu w beztlenowym środowisku gazu obojętnego w temperaturze C. Następnie powstały w wyniku tego procesu gaz utlenia się w obecności tlenu w strumieniu plazmy nierównowagowej o temperaturze gazu mniejszej niż 2000 C i energii elektronów rzędu 1 ev, korzystnie generowanej w wyładowaniu poślizgowym. Gaz wprowadzany do obszaru wyładowania poślizgowego zawiera 10-30% tlenu, a stosunek mocy doprowadzonej do wyładowania poślizgowego do sumy przepływów wprowadzanych gazów: obojętnego i zawierającego tlen jest większy niż 2.0 kwh/m 3. Po opuszczeniu obszaru wyładowania gaz odpadowy schładza się i poddaje oczyszczaniu z pyłów, dioksyn, furanów i kwaśnych składników. Gazy odpadowe powstające w procesie utylizacji odpadów zawierających w składzie elementarnym halogeny przed procesem oczyszczania poddaje się rozkładowi katalitycznemu w temperaturze C. Urządzenie do utylizacji odpadów niebezpiecznych, w których składzie elementarnym nie stwierdza się obecności halogenów, jest utworzone z pieca elektrycznego do termicznego rozkładu odpadów, który wyposażony jest w dopływ gazu obojętnego i połączony jest z reaktorem plazmowym.

4 4 PL B1 Reaktor plazmowy posiada dwie współosiowe dysze umieszczone centrycznie w stosunku do elektrod reaktora plazmowego i wyposażony jest w dopływ gazu zawierającego tlen i zasilacz elektryczny. Reaktor plazmowy połączony jest z wymiennikiem ciepła odpowiedzialnym za chłodzenie gazów procesowych. Wymiennik ciepła połączony jest z neutralizatorem/absorberem, do którego dołączony jest wentylator utrzymujący żądane ciśnienie w urządzeniu. W procesie utylizacji odpadów zawierających halogeny reaktor plazmowy jest połączony z wymiennikiem ciepła poprzez katalizator. Wynalazek jest bliżej objaśniony na przykładach opartych o schematy pokazane na rysunkach. Fig. 1 pokazuje schemat urządzenia do utylizacji odpadów niebezpiecznych, w których składzie elementarnym nie stwierdzono obecności halogenów. Fig. 2. pokazuje schemat urządzenia do utylizacji odpadów, w których składzie elementarnym stwierdzono obecność halogenów. P r z y k ł a d I Urządzenie do utylizacji odpadów z Fig. 1 zbudowane jest z pieca elektrycznego 1 do termicznego rozkładu odpadów zaopatrzonego w źródło gazu obojętnego oraz wprowadzenie odpadów i rektora plazmowego 2 wyposażonego w źródło gazu zawierającego tlen oraz w dwie współosiowe dysze, o stosunku średnic 9,5, połączonego z zasilaczem elektrycznym 3 reaktora plazmowego 2. Reaktor plazmowy 2 połączony jest poprzez wymiennik ciepła 4 z neutralizatorem/absorberem 5. Wentylator 6 wymusza przepływ gazów w urządzeniu. Urządzenie służy do utylizacji odpadów niebezpiecznych zawierających związki organiczne, w których składzie elementarnym nie stwierdzono obecności halogenów. W urządzeniu można stosować ciśnienie atmosferyczne, podciśnienie i nadciśnienie, korzystnie co najmniej 850 hpa. W urządzeniu opisanym powyżej umieszcza się odpad stały mannit (C 6 H 14 O 6 ) - zanieczyszczony odczynnik chemiczny wykorzystywany do produkcji żywic syntetycznych, który wraz ze wzrostem temperatury najpierw topi się, potem wrze i rozkłada się. W urządzeniu stosuje się ciśnienie atmosferyczne. W piecu elektrycznym 1 umieszcza się zanieczyszczony odczynnik. Następnie podnosi się temperaturę do 500 C z szybkością 3 C/min w atmosferze przepływającego argonu (0,8 Nm 3 /h). Do reaktora plazmowego 2 wprowadza się wraz z argonem powstałe podczas procesu pirolizy gazy i tlen w ilości 0,2 Nm 3 /h. Następnie gazy procesowe schładza się w wymienniku ciepła 4 i oczyszcza się w neutralizatorze/absorberze 5. W ten sposób uzyskuje się 99% redukcję masy odpadu. W gazach wylotowych stwierdza się obecność ditleneku węgla, tleneku węgla, pary wodnej i niewielkiej ilości wodoru. P r z y k ł a d II Gdy rozkłada się odpad stały, którym są np. płytki obwodów drukowanych zawierające halogeny, pomiędzy reaktorem plazmowym 2 a wymiennikiem ciepła 4 włącza się katalizator 7. Po umieszczeniu odpadów w piecu elektrycznym 1, podnosi się temperaturę do 650 C z szybkością 4 C/min, zapewniając atmosferę przepływającego argonu (0,6 Nm 3 /h). Zawartość tlenu w stosunku do sumy przepływów gazów wejściowych wynosi 20%. Stosunek mocy doprowadzonej do reaktora plazmowego 2 do sumy wejściowych przepływów gazów: obojętnego i zawierającego tlen wynosi 1,9 kwh/m 3. Następnie gazy procesowe oczyszcza się w neutralizatorze/absorberze 5. Uzyskany stosunek stężenia ditlenku węgla do tlenku węgla w gazach wylotowych wnosi 3,4. Uzyskuje się 90% redukcję stężenia dioksyn i furanów w gazach wylotowych. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób utylizacji odpadów niebezpiecznych w postaci ciekłej lub stałej, zawierających substancje organiczne, w którym odpady poddaje się rozkładowi termicznemu w beztlenowym środowisku gazu obojętnego w temperaturze C, następnie powstały w wyniku tego procesu gaz utlenia się w obecności tlenu w strumieniu plazmy nierównowagowej o temperaturze gazu mniejszej niż 2000 C i energii elektronów rzędu 1 ev, korzystnie generowanej w wyładowaniu poślizgowym, znamienny tym, że gaz wprowadzany do obszaru wyładowania poślizgowego zawiera 10-30% tlenu, a stosunek mocy doprowadzonej do wyładowania poślizgowego do sumy przepływów wprowadzanych gazów: obojętnego i zawierającego tlen jest większy niż 2.0 kwh/m 3, zaś po opuszczeniu obszaru wyładowania gaz odpadowy schładza się i poddaje oczyszczaniu z pyłów, dioksyn, furanów i kwaśnych składników.

5 PL B Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gazy odpadowe powstające w procesie utylizacji odpadów zawierających halogeny przed procesem oczyszczania poddaje się rozkładowi katalitycznemu w temperaturze C. 3. Urządzenie do utylizacji odpadów niebezpiecznych wyposażone w piec elektryczny i reaktor plazmowy, znamienne tym, że składa się z pieca elektrycznego /1/ do termicznego rozkładu odpadów wyposażonego w dopływ gazu obojętnego, połączonego z reaktorem plazmowym /2/, posiadającym dwie współosiowe dysze umieszczone centrycznie w stosunku do elektrod reaktora plazmowego /2/ i wyposażonym w dopływ gazu zawierającego tlen i zasilacz elektryczny /3/, oraz wymiennika ciepła /4/, połączonego z neutralizatorem/absorberem /5/, który z kolei połączony jest z wentylatorem /6/. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że pomiędzy reaktorem plazmowym /2/ a wymiennikiem ciepła /4/ dodatkowo zawiera katalizator /7/ do oczyszczania gazów powstających w procesie utylizacji odpadów zawierających halogeny.

6 6 PL B1 Rysunki Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.