ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
PLASMOCHEMICAL REACTOR FOR PROCESSING OF SOLID WASTES

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к способам переработки твердых отходов.
Известна установка для плазменной переработки отходов (патент RU №2143086). Изобретение относится к устройствам для термического обезвреживания отходов путем пиролиза и может быть использовано при переработке бытовых и промышленных отходов, выработке тепловой и электрической энергии. Установка для плазменной переработки отходов включает печь пиролиза с плазмотроном с автономным источником электропитания, выходы которой соединены с входами гранулятора шлака, приемника металла, системы очистки пирогаза, линию водоподготовки, теплообменник, энергетический блок. Линия водоподготовки содержит приемный коллектор солоноватой или морской воды, выполненный по крайней мере с двумя рукавами, в каждом из которых установлен по крайней мере один теплообменник. Выход системы очистки пирогаза соединен со входом энергетического блока. Один рукав приемного коллектора расположен внутри теплообменника, соединенного с плазмотроном и источником электропитания, внутри гранулятора шлака и приемника жидкого металла, установленных друг за другом вдоль этого рукава. Выход этого рукава соединен со входом раздаточного коллектора. Второй рукав расположен внутри последовательно установленных теплообменников, которые автономно соединены либо с печью пиролиза, либо с системой очистки пирогаза, либо с энергетическим блоком. Выход второго рукава соединен со вторым входом раздаточного коллектора, выходы которого введены на входы дистилляционной опреснительной и обратноосмотической опреснительной установок. Один из выходов дистилляционной опреснительной установки соединен со входом системы охлаждения источника электропитания плазмотрона и со входом энергетического блока, а выход по пару энергетического блока соединен с соответствующими входами печи пиролиза и дистилляционной опреснительной установки. Недостатками указанного устройства являются низкая эффективность переработки отходов и высокий расход электроэнергии при работе устройства.
Известна печь плазмохимического реактора (Полезная модель RU №30931), содержащая сводчатую и подовую части, плазмотроны, плавильную камеру со сливными каналами, где сводчатая и подовая части печи выполнены разъемными с замковыми соединениями и фиксирующими элементами и подовая часть печи установлена на откатной тележке, содержащей опорную платформу и домкраты. Недостатками известного технического решения являются избирательность применения данного устройства и экологическое загрязнение окружающей среды продуктами работы печи.
Известна печь плазмохимического реактора (прототип). Полезная модель RU №44165)), содержащая разъемные сводчатую и подовую части, тигель для расплава и сливные каналы, где под тиглем в подовой части печи и вокруг сливных каналов расположены нагреватели со схемой управления, связанной со схемой управления с плазмотронами. Причем нагреватели выполнены трубчатыми, а их выводы соединены с источником внешнего тепла. Кроме того, нагреватели выполнены индукционными, а их выводы соединены с высокочастотным генератором. Печь предназначена для плазменной переработки твердых отходов (бытовых и промышленных) с получением горючего пирогаза и стеклоподобного шлакового компаунда. Недостатками известного технического решения являются низкий кпд устройства и экологическое загрязнение окружающей среды продуктами работы печи.
Для реактора, выполненного в виде шахтной печи с одной, двумя или более плавильными камерами в нижней части реактора, твердые отходы, загружаемые в верхнюю часть реактора (шахтной печи) через загрузочное устройство и заполняющие реактор (печь), перерабатываются под действием нагретого до высоких температур (5000-7000°С) с помощью плазмотронов воздуха, подаваемого в нижнюю часть (в плавильную камеру) реактора (печи). При этом по высоте печи (шахты) образуются температурные зоны с преобладанием различных плазмохимических процессов: в верхней части реактора (шахтной печи) - сушка отходов при температурах 100-250°С, в средней части - газификация органической компоненты отходов при температурах 300-600°С, в нижней части реактора (плавильных камерах) при температурах 1100-1500°С - окисление неорганической части твердых отходов, плавление и синтез стеклоподобного шлакового компаунда.
Данное техническое решение имеет следующие недостатки.
1) В зоне сушки твердых отходов помимо сушки осуществляется возгонка органических компонент отходов типа летучих смол с последующим их осаждением на выходе из плазмохимического реактора на частях газоходов, имеющих температуру ниже температуры конденсации смол, что приводит к потере части пирогаза и «засмолению» элементов конструкции плазменно-технологических комплексов, в составе которых используется плазмохимический реактор.
2) В зоне газификации органических компонент из состава твердых отходов содержание кислорода в составе подаваемого в плазмохимический реактор (печь) рабочего газа (воздуха) невелико вследствие его участия в реакциях окисления неорганической части твердых отходов в нижней части реактора (в плавильной камере). В результате значительная часть органической компоненты отходов подвергается, в основном, термическому разложению под действием нагретого плазмотронами азота воздуха, что также ведет к увеличению доли летучих смол в составе пирогаза.
3) Использование воздуха в качестве рабочего газа в плазмохимических преобразованиях твердых отходов ведет к тому, что значительная часть пирогаза (до 60%), отводимого из плазмохимического реактора, - это нагретый азот. Присутствие столь высокой доли азота в составе пирогаза приводит к существенному снижению калорийности пирогаза и, как следствие, к снижению калорийности пирогаза при последующем его использовании для генерирования электроэнергии.
4) Подача нагретого плазмотронами воздуха на поверхность шлака в плавильной камере реактора, практически перпендикулярно к его поверхности, приводит к существованию температурных перенапряжений в зоне стыковки плавильной камеры с шахтной частью реактора из-за низкой теплопроводности стеклоподобного шлакового компаунда, слабого его перемешивания и существования отраженных от поверхности шлакового компаунда потоков высокотемпературного газа (воздуха).
Т.о. техническим эффектом, на который направлено данное изобретение, является повышение эффективности плазменной переработки твердых отходов, выраженное в техническом результате - повышении калорийности пирогаза, получаемого в реакторе при переработке твердых отходов.
Повышение эффективности плазменной переработки твердых отходов обеспечивается за счет конструкции плазмохимического реактора (плазменной печи), представленной на чертеже, на котором показаны:
1. Загрузочное устройство.
2. Шахта реактора.
3. Зона сушки перерабатываемых твердых отходов.
Камера сушки.
Плазменный генератор подачи нагретого рабочего газа для сушки твердых отходов.
4. Зона газификации перерабатываемых твердых отходов.
Камера газификации.
Плазменный генератор подачи нагретого рабочего газа для газификации твердых отходов.
5. Зона формирования стеклоподобного шлакового компаунда.
Патрубок (фурма) ввода нагретого рабочего газа для формирования стеклоподобного шлакового компаунда.
Плазменный генератор подачи нагретого рабочего газа для формирования стеклоподобного шлакового компаунда.
6. Сливное отверстие.
7. Газоотвод пирогаза.
Плазмохимический реактор для переработки твердых отходов работает следующим образом.
В реактор через загрузочное устройство 1 загружаются твердые отходы. Загруженные в реактор отходы заполняют шахту 2 до выходной трубы загрузочного устройства 1.
2
2
2
2
2
2
В камеру сушки отходов 3.1 через плазменные генераторы (плазмотроны) 3.2 подается рабочий газ. В качестве рабочего газа может использоваться углекислый газ (СO), нагретый до высоких температур (5000-7000°С - на выходе из канала плазмотрона). В плазменном генераторе (плазмотроне) 3.2, в дуговом разряде, происходит разложение углекислого газа: СО→СО+О. Влага, содержащаяся в твердых отходах, взаимодействует с продуктами разложения углекислого газа в зоне сушки перерабатываемых отходов 3 при температурах 100-250°С с образованием водорода: НO+СО→Н+СO. Углеродосодержащие отходы взаимодействуют в зоне сушки перерабатываемых отходов 3 с продуктами разложения углекислого газа и образуют окись углерода: С+О→СО. Газообразные продукты реакции поступают в газоотвод 7. Количество подаваемого рабочего газа в единицу времени (расход рабочего газа) и его температура могут изменяться в зависимости от влажности перерабатываемых твердых отходов. Потребный расход рабочего газа (СО) и его температура определяются по максимуму выхода основных продуктов реакции - окиси углерода и водорода. Содержание продуктов реакции определяется в зоне сушки перерабатываемых отходов 3. Плазмохимические процессы в зоне сушки твердых отходов 3 могут включать не только процессы сушки отходов, но и другие процессы плазменной переработки, включая плазменный пиролиз и газификацию. В этом случае в плазменных генераторах 3.2, расположенных в камере сушки твердых отходов 3.1, в качестве рабочих газов могут использоваться и другие рабочие газы: вода (водяной пар), воздух, аргон. Возможно также использование комбинаций плазменных генераторов 3.2, работающих на различных рабочих газах и расположенных камере сушки твердых отходов 3.1.
2
В камеру газификации 4.1 через плазменные генераторы (плазмотроны) 4.2 подается нагретый до высоких температур (5000-7000°С - на выходе из канала плазмотрона) рабочий газ. В качестве рабочего газа может использоваться нагретый до указанных температур водяной пар, т.е. в плазменные генераторы в качестве рабочего тела подается вода. В плазменном генераторе (плазмотроне) 4.2 в дуговом разряде происходит разложение воды: НО→Н+ОН→Н+Н+О. При взаимодействии органических компонентов твердых отходов в зоне газификации 4 при температурах 300-600°С с нагретым рабочим газом (и продуктами его разложения) происходит ряд процессов - разложение органических компонент отходов, образование окиси углерода, насыщение свободных углеродных связей водородом. Газообразные продукты реакции через зону сушки 3 поступают в газоотвод 7. Количество рабочего газа (водяного пара), подаваемого в камеру газификации 4.1 в единицу времени (расход) плазменными генераторами 4.2, и его температура могут изменяться в зависимости от доли органической компоненты в составе твердых отходов. Потребный расход рабочего газа (водяного пара) и его температура определяются исходя из двух основных критериев: минимизации выхода смол в качестве продуктов реакции и наибольшим связыванием водяного пара в протекающих реакциях. Первое определяется по осаждению смол в газоходе 7 в единицу времени, второе - по минимизации влагосодержания вне зоны газификации 4 (между зонами сушки 3 и газификации 4). В зоне газификации твердых отходов 4 могут использоваться в качестве рабочих газов в плазменных генераторах 4.2, расположенных в камере газификации твердых отходов 4.1, и другие рабочие газы: углекислый газ, водород, воздух, аргон. Возможно также использование комбинаций плазменных генераторов 4.2, работающих на различных рабочих газах и расположенных камере газификации твердых отходов 4.1.
2
В зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда 5 через патрубки 5.1 подается с помощью плазменных генераторов (плазмотронов) 5.2 нагретый до высоких температур (5000-7000°С - на выходе из канала плазмотрона) рабочий газ. В качестве рабочего газа может использоваться воздух, в том числе воздух, обогащенный кислородом. Неорганическая компонента из состава твердых отходов при взаимодействии с кислородом нагретого плазменными генераторами 5.2 воздуха при температурах 1100-1500°С образует окислы металлов и неметаллов, смесь которых и образует стеклоподобный шлаковый компаунд. Количество рабочего газа (воздуха), подаваемого в зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда 5 в единицу времени (расход), и его температура могут изменяться в зависимости от доли неорганической компоненты в составе твердых отходов. В качестве рабочего газа в плазменных генераторах 5.2 может использоваться также углекислый газ (СO). Возможна также комбинация рабочих газов (воздуха и углекислого газа), когда на различных плазмотронах, установленных в патрубках 5.1, используются различные рабочие газы.
Температура рабочего газа определяется исходя из количества тепла, вносимого потоком нагретого рабочего газа и необходимого для поддержания стеклоподобного шлакового компаунда в расплавленном состоянии при температурах 1200-1300°С. Количество рабочего газа (воздуха), подаваемого в зону образования стеклоподобного шлакового компаунда, определяется исходя из необходимости полного окисления неорганической компоненты твердых отходов и получения химически нейтрального неводорастворимого (практически) стеклоподобного шлакового компаунда. Получение нейтрального и неводорастворимого стеклоподобного шлакового компаунда можно контролировать на основе химического анализа проб шлака.
Для улучшения процессов перемешивания расплавленного шлакового компаунда нагретый воздух может подаваться под слой расплавленного шлака, что обеспечит необходимый барботаж, лучшую передачу тепла от нагретого воздуха к шлаку и его более полное окисление. Достигается это поддержанием необходимого уровня шлакового компаунда.
Накопившийся шлаковый компаунд удаляется через сливное отверстие (или сливное устройство) 6.
Процесс переработки твердых отходов в плазмохимическом реакторе осуществляется в непрерывном режиме. Отходы, загружаемые загрузочное устройство 1 шахты 2 реактора, последовательно проходят все температурные зоны, опускаясь сверху вниз. По мере прохождения температурных зон: в зоне сушки перерабатываемых твердых отходов 3 снижается влажность отходов и несколько уменьшается объем твердой компоненты, газообразные продукты переработки отводятся из реактора через газоотвод 7; в зоне газификации перерабатываемых твердых отходов 4 перерабатывается органическая компонента твердых отходов и еще более уменьшается объем твердой компоненты отходов, газообразные продукты переработки отводятся в газоотвод 7; оставшаяся неорганическая твердая компонента отходов имеет объем, в 15-20 раз меньший, чем объем загруженных твердых отходов, окисляется до стеклоподобного шлакового компаунда в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда 5, продукт переработки - стеклоподобный шлаковый компаунд удаляется по мере накопления (порциями или непрерывно) через сливное отверстие 6. По мере переработки и опускания уровня отходов в шахте 2 реактора производится загрузка реактора твердыми отходами через загрузочное устройство 1. Удаление газообразных отходов из реактора осуществляется через газоход, и в верхней части шахты реактора поддерживается разрежение, необходимое для того, чтобы избежать попадания газообразных продуктов реакции в окружающую атмосферу.
Т.о. благодаря эффективной конструкции плазмохимического реактора обеспечивается повышение эффективности плазменной переработки твердых отходов за счет повышения калорийности пирогаза, получаемого в реакторе при переработке твердых отходов.