УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к устройствам для переработки гетерогенных органических и неорганических отходов с одновременной регенерацией природных ресурсов. Применение полезной модели наиболее предпочтительно для крупномасштабной переработки муниципальных твердых отходов, автомобильных шин и медицинских отходов.
Известны различные устройства для реализации электротермического химико-металлургического процесса, в котором обработку отходов проводят комбинированно: с помощью плазменно-дугового нагрева и обработкой продуктов плазменного пиролиза в ванне расплава, нагреваемого джоулевым теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока между графитовыми электродами, опущенными в расплав. При этом органические составляющие конвертируют в синтез-газ, который затем утилизируют сжиганием или в газовой турбине, или в двигателе внутреннего сгорания. (см. например, патенты США №№5666891, оп.1997, 5756957, оп.1998, 5811752, оп.1998, 5908564, оп.1999, 6018471, оп.2000, 6037560, оп.2000, 6127645, оп.2000, 6160238, оп.2000, 6215678, оп.2001).
Недостатком известных устройств являются прежде всего большие капитальные затраты на строительство такого завода, обусловленные сложностью системы электропитания. Необходимость в большом числе электродов, погруженных в расплав, сопряжена с организацией громоздкой системы электропитания этих электродов. Множество электродов требует множество источников электропитания для каждой пары электродов или балластных реостатов для электропитания нескольких пар электродов от одного источника электропитания.
Ближайшим техническим решением является устройство для электротермической переработки отходов, которое содержит зону электротермической обработки отходов, включающую последовательно по вертикали расположенные плазменный реактор с безэлектродными плазмотронами, работающими на перегретом водяном паре или на смесях водяного пара с кислородом, и водоохлаждаемый частотный плавитель прямого индукционного нагрева, содержащий ванну металлического или оксидного расплава, источники питания плазмотронов, источник электропитания частотного плавителя прямого индукционного нагрева, и фурмы для подачи кислорода в расплав
расположенные в нижней части частотного плавителя (заявка WO 2004044492, оп.27.05.2004).
Недостатками известного устройства является низкий КПД и ограниченный ресурс работы вакуумных генераторных ламп, применяемых в генераторах высокой частоты в качестве источников питания мощных безэлектродных плазмотронов. КПД таких генераторов не превышает 70%, а срок службы мощных генераторных ламп ВЧ и СВЧ диапазона составляет, как правило, всего нескольких тысяч часов. Это определяет повышенный расход электроэнергии и необходимость частой замены генераторных ламп, определяющих значительную часть стоимости источников питания плазмотронов, что приводит к повышенным эксплуатационным расходам.
Техническим результатом полезной модели является упрощение устройства за счет упрощения системы электропитания плазматронов, что приводит к снижению эксплуатационных расходов.
Для достижения указанного результата предложено устройство для электротермической переработки отходов, содержащее зону электротермической обработки отходов, включающую последовательно расположенные по вертикали плазменный реактор с безэлектродными плазмотронами, работающими на перегретом водяном паре или на смесях водяного пара с кислородом, и водоохлаждаемый частотный плавитель прямого индукционного нагрева, содержащий ванну металлического или оксидного расплава, источники питания плазмотронов, источник электропитания частотного плавителя прямого индукционного нагрева, и фурмы для подачи кислорода в расплав, расположенные в нижней части частотного плавителя, отличающееся тем, что в качестве источников питания безэлектродных плазмотронов используют полупроводниковые преобразователи частоты высокочастотного диапазона 66 кГц - 440 кГц, при этом плазмотроны выполнены на базе разряда ВЧИ - типа (высокочастотного индукционного типа).
Общий вид устройства для электротермической переработки отходов показан на фигуре, где 1 - плазменный реактор; 2 - ВЧИ-плазмотроны; 3 - источники питания плазмотронов; 4 - частотный плавитель прямого индукционного нагрева; 5 - ванна расплава; 6 - индуктор; 7 - источник питания частотного плавителя; 8 - канал загрузки отходов; 9 - трубопровод вывода синтез-газа; 10 - переливной патрубок; 11 - коллектор расплава; 12 - донные фурмы.
В зоне электротермической переработки отходов, включающую последовательно по вертикали расположенные плазменный реактор 1 с ВЧИ-плазмотронами 2, подключенными к источникам питания плазмотронов 3 и водоохлаждаемый частотный плавитель прямого индукционного нагрева 4, содержащий ванну металлического или оксидного расплава 5. Снаружи частотного плавителя расположен индуктор 6, подключенный к источнику питания 7 частотного плавителя. В верхней части плазменного реактора расположен канал загрузки отходов 8 и трубопровод вывода синтез-газа 9, в верхней части ванны расплава 5 находится переливной патрубок 10 подключенный к коллектору расплава 11, а в нижней части - донные фурмы 12 для подачи кислорода в расплав.
Сущность полезной модели состоит в применении в качестве источников питания безэлектродных плазмотронов компактных полупроводниковых преобразователей частоты высокочастотного диапазона (66 кГц - 440 кГц), имеющих высокий КПД (свыше 90%) и неограниченный ресурс работы. Данный диапазон частот позволяет поддерживать в безэлектродном плазмотроне разряд ВЧИ (высокочастотного индукционного) - типа, позволяющий реализовывать мощные плазмотроны на уровне мощности до нескольких МВт.
Устройство работает следующим образом. Отходы в виде предварительно подготовленных брикетов поступают в канал загрузки 8, расположенный в верхней зоне плазменного реактора 1 через специальный шлюз (на рисунке не показан), где они поступают под действием собственного веса в расплав, подготовленный заранее прямым индукционным нагревом металлического скрапа или иного керамического или солевого материала в ванну металлического или оксидного расплава 5 частотного плавителя 4. Мощность в частотный плавитель 4 поступает с индуктора 6 от источника питания 7. Брикеты, поступающие на поверхность расплава в частотном плавителе, обрабатывают сверху потоками водопаровой или парокислородной плазмы, генерируемой безэлектродными плазмотронами ВЧИ-типа 2, подключенными к источникам питания 3, выполненных в виде полупроводниковых преобразователей частоты. Инициация ВЧИ-разряда производится при включенном источнике питания впрыском легко ионизующегося газа, от высоковольтной искры или их комбинацией. В частотный плавитель через донные фурмы 12 дополнительно подается кислород. Температура в зоне водопаровой плазменной переработки отходов устанавливается выбором общего энерговклада в интервале 2000-2500°С. При этой температуре устанавливается термодинамически благоприятная среда для преимущественной конверсии органической составляющей отходов в водород и монооксид углерода. Неорганическая составляющая
отходов, содержащая металлы в различном виде, неорганические соединения (оксиды, соли, другие соединения, называемые собирательно инертами) в результате плазменной обработки полностью или частично плавятся, стекают или оседают в объеме частотного плавителя 4. Накапливающийся расплав достигает уровня переливного патрубка 10, сливается по нему в коллектор 11. В верхней части плазменного реактора 1 установлен трубопровод 9 для вывода синтез-газа, направляемого последовательно на охлаждение, очистку и утилизацию.
Таким образом, предложенное устройство позволит, не снижая КПД устройства, упростить систему электропитания и снизить эксплуатационные расходы.