Способ плазменной утилизации твёрдых бытовых отходов и передвижная установка для его осуществления
METHOD OF SOLID DOMESTIC WASTES PLASMA RECYCLING AND MOBILE INSTALLATION FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способу переработки отходов перерабатывающих, коммунальных, промышленных и других производств, содержащих органику.
2
3
э
э
э
э
э
Известен способ переработки бытовых и промышленных отходов: твердых бытовых отходов и промышленных отходов, содержащих соединения тяжелых цветных металлов. Способ включает загрузку отходов с флюсующими добавками в барботируемую подаваемым газом ванну шлакового расплава в электропечь с погруженным в шлаковый расплав электродом при удельной мощности 400-1500 кВт/м, интенсивности дутья 0,3-0,5 нм/т⋅мин и температуре расплава 1450-1600°С. При этом осуществляют дожигание выделяющихся горючих компонентов, утилизацию пыли и тепла отходящих газов. Загрузку отходов и подачу газа осуществляют в приэлектродную зону электропечи, объем которой определяют как объем цилиндра диаметром, равным 2,38 d, высотой цилиндра, равной величине Н+d/2, где d - диаметр электрода, м; Н - заглубление электрода в шлаковый расплав, м. Газ подают в расплав со скоростью истечения в пределах 50-150 нм/сек. В расплав вводят железосодержащий флюс в количестве, необходимом для поддержания содержания железа в шлаковом расплаве в пределах 10-15% (см. патент RU №2349654, МПК С22В 7/00, F23G 5/00, опубл. 20.03.2009 г., бюл. №8).
Недостатками известного способа являются: необходимость предварительного смешивания отходов с флюсующими добавками; подержание температуры шлакового расплава в пределах 1450-1600°С, что приводит к высоким энергозатратам и необходимости применения дорогостоящих жаропрочных материалов; необходимость барботажа шлакового расплава, что усложняет конструкцию установки.
Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов и установка для его осуществления, которые относятся к области переработки отходов. Способ включает приготовление шихты в виде смеси отходов с флюсом, загрузку шихты и ее плавку в ванне мартеновской печи при температуре 1450-1500°С, где производят отвод выделяющихся горючих компонентов в камеру дожигания с утилизацией тепла отходящих газов, очистку отходящих газов от пыли в рукавном фильтре, а очистку отходящих дымовых газов от окислов углерода и окислов азота производят в каталитическом аппарате (см. патент RU №2523202, МПК С22В 7/00, F23G 5/00, опубл. 20.07.2014 г., бюл. №20).
Недостатками известного способа являются: необходимость предварительного смешивания отходов с флюсом; введение в печь при сжигании отходов дополнительного топлива, которое увеличивает количество уходящих газов; применение для очистки дымовых газов дорогих катализаторов (двуокись ванадия или титана), требующих частой их замены.
Известен плазмохимический реактор для переработки твердых отходов, который выполнен в виде шахтной печи с загрузочным устройством, плавильными камерами, газоотводом и сливным отверстием. Он включает последовательно расположенные в шахте сверху вниз камеру сушки твердых отходов с плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности плазменного реактора, камеру газификации твердых отходов с плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности плазменного реактора, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда с патрубками плазменных генераторов подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности реактора, причем в камере сушки в качестве рабочего газа может быть использован газ из группы, включающей углекислый газ, воздух, водяной пар, аргон, в камере газификации в качестве рабочего газа может быть использован газ из группы, включающей водяной пар, углекислый газ, водород, аргон, воздух, в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда в качестве рабочего газа может быть использован воздух или углекислый газ (см. патент RU №2406032, МПК F23G 5/027, F23G 5/08, В09В 3/00, опубл. 10.12.2010 г., бюл. №34).
Недостатками известного реактора являются: введение дополнительного тепла для поддержания в расплавленном состоянии стеклоподобного шлакового компаунда; усложнение конструкции за счет введения воздуха под слой расплавленного шлака (барботажа); необходимость предварительного нагрева воздуха до 5000-7000°С.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является плазмохимический способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов, который относится к переработке отходов перерабатывающих, коммунальных, промышленных и других производств, содержащих органику. Известный способ включает их загрузку с предварительной сепарацией путем отделения стекла, бетона, керамики и металла; сушку с частичным пиролизом органики в шахтной печи; перемешивание перерабатываемой массы отходов с дальнейшим их пиролизом. Достигается снижение температуры этого процесса до 500-850°С в результате воздействия восстановительных плазмохимических компонентов, получаемых путем парокислородной конверсии метана с увеличенным расходом пара, подаваемых противотоком перемещающимся отходам. Оборотный технологический газ, отходящий из шахтной печи, очищается в скрубберах и разделяется на топливный газ, подаваемый как в конвертор метана, так и в котел-утилизатор, при получении восстановительного газа, с частичным добавлением природного газа и кислорода. Отходящие газы из котла-утилизатора очищаются в адсорбере путем контакта с мелкозернистой известью, кроме того, часть образующихся восстановительных газов расходуется в нижней части реактора во время мгновенного теплового удара, осуществляемого путем сжигания сажепылевых частиц, поступающих из циклона для горячего газа с осажденными на них диоксинами, фуранами и другими вредными компонентами в атмосфере кислорода, причем образующиеся восстановительные газы могут направляться также в качестве синтез-газа в производство метанола, диметилэфира, моторного топлива и других продуктов. Изобретение позволяет снизить энергоемкость способа (см. патент RU №2478169, МПК F23G 5/00, С22В 7/00, опубл. 27.03.2013 г., бюл. №9).
Недостатками известного способа являются: использование кислорода и природного газа; процессы дожигания, разложения и газификации исходного сырья протекают при температуре 500-850°С; процесс производства топливного газа напрямую зависит от состава исходного сырья, что усложняет процесс переработки твердых бытовых и промышленных отходов.
Наиболее близким устройством по технической сущности к заявляемому изобретению является электромагнитный технологический реактор, содержащий реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, три стержневых электрода, размещенных на одинаковом расстоянии от продольной оси реакционной камеры и под углом 120° друг к другу и уклоном 5-7°, один стержневой электрод в центре для подогрева расплава, электромагнит в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим электродом, внизу дна реакционной камеры в центре диаметра вписанной окружности установлена в водоохлаждаемой обойме летка (см. патент RU №2432719, МПК Н05В 7/18, Н05В 7/22, опубл. 27.10.2011 г., бюл. №30).
Недостатками известного реактора являются: отсутствие системы газоотвода совмещенного с дожиганием отводимых газов; отсутствие системы очистки отходящих газов; предназначен только для переработки базальтовых пород и кремнийсодержащих материалов.
Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в утилизации твердых бытовых и медицинских отходов путем их сжигания в плазменно-дуговом реакторе и разложения образовавшихся газов в области низкотемпературной плазмы, генерируемой электродуговым плазмотроном с минимальными энергозатратами при более стабильной работе установки, как в непрерывном, так и циклическом режимах.
Технический результат заявляемой группы изобретений - сокращение времени, затрачиваемого на утилизацию отходов и повышение надежности работы установки с возможностью работы в непрерывном режиме, также выполнение установки на трале с возможностью его транспортировки.
Для достижения, обеспечиваемого изобретением, технического результата в способе плазменной утилизации твердых бытовых отходов, предусматривающем подачу исходного сырья в шредер и его измельчение, транспортировку подготовленного сырья ленточным конвейером в плазменный реактор, расплавление сырья в камере реактора путем низкотемпературной электродуговой плазмы, отведение и дожигание газов с помощью электродугового плазмотрона, аккумулирование минеральной части отходов в плазменном реакторе, удаление минерального остатка по мере необходимости, согласно изобретению в качестве утилизируемого сырья используют твердые бытовые отходы, утилизацию отходов осуществляют с использованием переменного и постоянного токов в установке - плазменном реакторе с камерой дожигания и электродуговым плазмотроном, ввод утилизируемого сырья в реактор осуществляют путем дозированной подачи в центральную часть реактора, подаваемого в зону горения трех низкотемпературных плазменных дуг, отвод газов осуществляют в камеру дожигания, где их разлагают и дожигают низкотемпературной плазмой, генерируемой электродуговым плазмотроном, отвод обезвреженных газов в атмосферу, слив расплава минеральной части отходов из реактора производят с возможностью механизирования, перемешивание всего объема расплава осуществляют путем равномерного магнитного поля, генерируемого магнитным ярмом.
Для реализации предложенного способа в передвижной установке, содержащей реактор с реакционной камерой, который состоит из боковых стенок, крышки, дна, футеровки дна из переклазовых кирпичей, устройств ввода утилизируемого сырья, дожигания и вывода газов, содержащего электродуговой плазмотрон, подключенный к дополнительному источнику питания, работающим в режиме постоянного тока, устройства вывода расплава, три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере на одинаковом расстоянии от продольной ее оси под углом 120° друг к другу и имеющих наклон относительно вертикальной продольной оси 5-7°, электромагнит в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из обмоток соединен с одним из трех стержневых электродов, а другой - с источником питания, работающим в режиме переменного тока, согласно изобретению, установка выполнена как плазменный реактор, который в поперечном сечении выполнен в виде треугольника с усеченными вершинами, боковые стенки которого состоят из водоохлаждаемых панелей, в крышку ректора вмонтирован газоход для отвода образующихся при плазменной утилизации отходов газов, на конце газохода смонтирована камера дожигания газов состоящая из корпуса цилиндрической формы, внутри которой вмонтирован усеченный конус, перпендикулярно оси камеры дожигания газов установлен электродуговой плазмотрон с возможностью охватывания при его работе потоком низкотемпературной электродуговой плазмы среза усеченного конуса и обрабатывания отводимых из плазменного реактора газов, а в нижней части реактора установлена летка для слива минеральной части утилизируемых отходов.
Отличительными признаками предлагаемого способа плазменной утилизации твердых бытовых отходов являются:
- ввод перерабатываемого сырья без предварительной сушки с частичным пиролизом и перемешиванием позволяет значительно упростить процесс утилизации отходов;
- отсутствие рециркуляции образующиеся в процессе утилизации отходов технических газов с разделением их на топливный и отходящие газы значительно упрощает процесс утилизации отходов и контроль параметров установки;
- применение электродугового плазмотрона позволяет полностью исключить из процесса утилизации отходов применение природного газа и кислорода;
- подача исходного сырья в установку без предварительной сепарации с отделением стекла и металла позволяет снизить энергозатраты на утилизацию отходов плазменным способом;
- использование энергии низкотемпературной плазмы и ее свойств позволяет отказаться от парокислородной конверсии метана и устройств по его производства, что повышает эффективность способа плазменной утилизации отходов.
Отличительными конструктивными признаками передвижной установки для утилизации твердых бытовых отходов являются:
- применение новой установки в виде плазменного реактора с камерой дожигания газов позволяет разложить вредные образования на элементарные составляющие с образованием простейших малотоксичных соединений;
- установка электродугового плазмотрона и плазменного реактора позволяет снизить энергозатраты на утилизацию вредных газов, например при сжигании природного газа;
- установка электродугового плазмотрона позволяет уменьшить реакционную камеру и время пребывания вредных газов в камере дожигания за счет свойств низкотемпературной плазмы;
- применение центрального ввода расплавляемого сырья позволяет снизить энергозатраты, повысить стабильность работы реактора;
- исполнение устройства в виде передвижной установки позволяет транспортировать установку непосредственно к местам сбора мусора, что снижает затраты на утилизацию отходов.
Таким образом, реализация заявленного изобретения позволяет создать мобильную передвижную установку для утилизации твердых бытовых отходов в установке плазменного реактора с камерой дожигания совмещенной с электродуговым плазмотроном.
Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ плазменной утилизации твердых бытовых отходов предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - передвижной установке с заявляемой совокупностью конструктивных признаков в плазменном реакторе с камерой дожигания совмещенной с электродуговым плазмотроном, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Таким образом, из уровня техники по патентной документации и научно-технической литературе заявителю не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым.
Сущность изобретения поясняется чертежами и фото, на которых:
на фиг. 1 изображен продольный разрез плазменного реактора;
на фиг. 2 изображен вид сбоку технологической схемы плазменной утилизации твердых бытовых отходов;
на фото 3 показано устройство передвижной установки для плазменной утилизации твердых бытовых отходов;
на фото 4 показан реактор в работе;
на фото 5 показан общий вид передвижной установки для плазменной утилизации твердых бытовых отходов;
на фото 6 показан вид сзади передвижной установки для плазменной утилизации твердых бытовых отходов.
Предлагаемый способ плазменной утилизации твердых бытовых отходов реализован в устройстве, выполненным в виде передвижной установки установке и состоит из плазменного реактора 1 (см. фиг. 1), который содержит три стержневых электрода 2, расположенных на одинаковом расстоянии от продольной оси ректора под углом 120° друг к другу с наклоном 5-7° для каждого электрода 2 относительно продольной оси реактора. Реактор 1 в поперечном разрезе выполнен в виде треугольника с усеченными углами и имеет водоохлаждаемые, изолированные друг от друга крышку 3, боковые стенки 4 реактора 1, дно 5, при этом все они выполнены из нержавеющей стали. Боковые стенки 4 реактора 1 выполнены из двенадцати стеновых панелей. Каждая стеновая панель боковых стенок 4, дно 5 и крышка 3 имеют по два входных 6 и по два выходных штуцера 7. В крышке 3 для подачи отходов установлены патрубок 8 и газоход 9 для вывода газов. Летка 10 закреплена в боковой стенке 4. Дно 5 оснащено футеровкой из переклазовых кирпичей 11, установленных с наклоном от боковых стеновых панелей 4 реактора 1 к летке 10. Переклазовые кирпичи 11 с дном 5 склеены карборундом на жидком стекле, что обеспечивает защиту дна 5 от прожига. Снаружи реактора 1 установлен электромагнит, состоящий из замкнутого ярма 12 с ориентированными внутрь и симметрично расположенными тремя полюсными наконечниками 13, на которых расположены сериесные обмотки (последние на фиг. 1 и 2 не показаны) с двумя выводами, первый из которых подключен к соответствующему стержневому электроду 2, а второй - к источнику питания 14 переменного тока (см. фиг. 1). Протекающие линейные токи системы «источник питания - сериесные обмотки - реактор» обеспечивают создание равномерного магнитного поля внутри реактора 1, которое перемешивает расплав, тем самым исключая «застойные» зоны и создает равномерное температурное поле в расплаве. К газоходу 9 прикреплена камера дожигания газов 15, состоящая из цилиндрического корпуса 16, фланца 17 и конусной вставки 18. Перпендикулярно оси камеры дожигания газов 15 установлен электродуговой плазмотрон 19, работающий от источника постоянного тока 20 (на фиг. 1 не показан). Отходы 21 с пункта сбора подаются в приемное окно 22 шредера 23. Измельченное сырье аккумулируется в промбункере 24. Затем конвейером 25 (питателем) перегружается в загрузочный бункер 26, откуда по патрубку 8, установленного в крышке 3, подаются в реактор 1. Обезвреженные газы с помощью вытяжного вентилятора 27 выводятся в атмосферу 28. Электрическое питание реактора 1 осуществляется от источника питания 14 переменного тока по линии 29 питания реактора 1, а питание электродугового плазмотрона 19 - по линии 30 питания плазмотрона 19. Все оборудование смонтировано на трайлере 31 с размером основной площадки равной 12 метрам. Для защиты оборудования от воздействия окружающей среды оно все за исключением шредера 23 и конвейера 25 размещено в контейнере (на фиг. 1-2 не показан).
Предлагаемый способ плазменной утилизации твердых бытовых отходов осуществляют следующим образом: с пункта сбора отходы 21 подают в приемное окно 22 шредера 23 (см. фиг. 2), где их измельчают. Измельченное сырье аккумулируют в промбункере 24, откуда конвейером (питателем) 25 перегружают в загрузочный бункер 26, и затем по патрубку 8, установленного в крышке 3, подают в реактор 1. В центральной части реактора 1 между слоями базальта формируют плоский слой мелкодисперсного электропроводного материала, например, графитового порошка, замыкающего три стержневых электрода 2 в плазменном реакторе 1. Затем подключают трехфазный источник питания 14 (см фиг. 2) и по линии 29 на стержневые электроды 2 подают напряжение. Ток, протекая по электропроводящим дорожкам, разогревает их, от чего они расплавляются и образуют три плазменных шнура. В процессе горения шнуров низкотемпературной плазмы выделяется большое количество теплоты. Близлежащие слои минерального сырья начинают расплавляться. В результате образуется первоначальная линза электропроводного расплава, которая постепенно увеличивается и перемыкает три стержневых электрода 2. После образования некоторого количества расплава по линиям горения плазменных дуг, плазменные шнуры погружаются в расплав, вследствие чего образуется рабочая плавильная зона, формируемая омическим нагревом токами проводимости. В процессе пуска плазменного реактора 1 и выхода его на рабочий режим величину тока увеличивают от минимального порядка 50А до рабочего 150-200А с помощью источника питания 14. После выхода реактора на рабочий режим включают электродуговой плазмотрон 19. Питание плазмотрона 19 постоянным током осуществляют от источника постоянного тока 20 по линии питания плазмотрона 30. При включении плазмотрона 19 между его катодом и анодом (на фиг.1 и 2 не показаны) загорается шнур электродуговой плазмы, который выдувается из плазмотрона 19 закрученными потоками воздуха, формируя плазменный факел с температурой 3000-5000°С. После разогрева камеры дожигания газов 15 и достижения в ней 1100-1200°С в реактор 1 по патрубку 8 из загрузочного бункера 26 загружают утилизируемые отходы. После обработки отходов в реакторе 1 образуются минеральный остаток в количестве 3-8% от первоначальной массы загруженных отходов и токсичные газы, отводимые из реактора 1 через крышку 3 по газоходу 9 в камеру дожигания газов 15. При поступлении токсичных газов в камеру дожигания газов 15 происходит их разложение на простейшие химические соединения, более устойчивые компоненты токсичных газов разлагаются в области горения факела низкотемпературной плазмы, что обуславливается достаточно высокими температурами самого факела и наличия в нем свободных активных центров (ионов и радикалов). Обезвреженные газы могут быть дополнительно очищены с помощью гидратной извести, активированного угля (на фиг. 1-2 не показано), а тепло уходящих газов - уловлено в теплообменнике (на фиг. 1-2 не показано) и использовано для отопления зданий и сооружений. Из камеры дожигания газов 15 газы отводят с помощью вытяжного вентилятора 27 в атмосферу 28 через дымовую трубу (на фиг. 1-2 не показано). Слив минерального остатка осуществляют в конце смены или по мере необходимости через летку 10 в бак с водой или специальную литейную форму (на фиг. 1-2 не показано). После охлаждения до 45-50°С и затвердевания минерального остатка производят его захоронение на полигоне твердых бытовых отходов.
На предлагаемой установке были опробованы различные режимы по утилизации твердых бытовых отходов с различным по составу содержанием пластиков, древесины, бумаги, картона с включениями стекла, алюминиевых и железных консервных банок.
Примеры подтверждающие утилизацию твердых бытовых отходов
Пример 1
Согласно способу плазменной утилизации твердых бытовых отходов предварительно измельченные в шредере 23 до размеров, не превышающих 100×10 мм, пластиковые бутылки подают конвейером 25 через загрузочный бункер 26 подают в реактор 1, где происходит первая стадия их термического разложения. Образующиеся при этом газы отводят по газоходу 9 в предварительно разогретую до температуры 1100-1200°С камеру дожигания газов 15, где происходит разложение сложных токсичных соединений на элементарные составляющие. Время утилизации 1 кг отходов в плазменной передвижной установке не превышало 40 секунд. Производительность по пластиковым бутылкам составила 90-120 кг/ч. Время набора шлакового расплава до максимально допустимого уровня составило 7 часов 53 минут до 8 часов 35 минуты.
Пример 2
Аналогично примеру 1 была произведена утилизация отходов содержащих: 70% по массе пластиковых бутылок, полиэтиленовых пакетов, пластиковых контейнеров; 20% - металлических банок; 5% - древесины разных сортов; 5% - бумагу и картон. Время утилизации 1 кг отходов в среднем составило 45 секунд, производительность составила 70-105 кг/ч. Время набора шлакового расплава до максимально допустимого уровня в среднем составило 5 часов 50 минут.
Таким образом, можно заключить, что соответствующий выбор рабочих условий, передвижной установки и применение способа плазменной утилизации твердых бытовых отходов по предлагаемому изобретению позволяет утилизировать: пластики, древесину, картоны, бумагу, стекло и другие твердые бытовые отходы.
Предлагаемая группа изобретений «Способ плазменной утилизации твердых бытовых отходов и передвижная установка для его осуществления» по сравнению с прототипами (см. патент RU №2478169, МПК F23G 5/00, С22В 7/00, опубл. 27.03.2013 г., бюл. №9 и патент RU №2432719, МПК Н05В 7/18, Н05В 7/22, опубл. 27.10.2011 г., бюл. №30) имеет следующие преимущества:
- установка камеры дожигания газов в передвижной установке совместно с электродуговым плазмотроном позволяет утилизировать различные токсичные соединения за непродолжительное время за счет использования энергии и свойств электродуговой плазмы;
- применение электродугового плазмотрона и камеры дожигания для утилизации токсичных газов позволяет исключить из технологии применение природного газа вообще;
- использование дополнительно монтируемого блока очистки газов методом их орошения гидратной известью (известковым молочком) позволяет произвести более качественную очистку уходящих газов, которая может потребоваться например, при утилизации медицинских отходов;
- использование теплообменника снижает потери тепла в окружающую среду и повышает коэффициент полезного действия передвижной установки;
- применение шредера для предварительного измельчения отходов обеспечивает снижение энергозатрат, стабилизирует работу реактора в целом и позволяет отделить металлические включения;
- выполнение конструкции передвижной установки на трайлере позволяет осуществлять ее транспортировку на различные расстояния непосредственно к пунктам сбора и хранения твердых бытовых отходов;
- применение плазменной техники снижает время, затрачиваемое на утилизацию отходов, что упрощает передвижную установку и уменьшает ее геометрические размеры.
- отсутствие в конструкции передвижной установки системы рециркуляции газа с разделением на топливный газ и отходящие газы, а также перемешивающего и подсушивающего устройств снижает удельные энергозатраты на утилизацию отходов и повышает эффективность установки;
- применение воздуха в качестве плазмообразующего газа позволяет снизить удельные энергозатраты;
- слив минерального остатка с боку от плазменного реактора позволяет уменьшить высоту установки и повысить надежность работы установки;
- отливка минерального остатка в форме прямоугольного параллелепипеда снижает затраты на транспортировку и захоронение на полигоне за счет большей плотности, небольшого количества (3-8% от исходной массы отходов) и правильной формы застывшего минерального остатка.
Все вышеперечисленные основные преимущества заявляемой группы изобретений, а именно способа плазменной утилизации твердых бытовых отходов и передвижной установки для его осуществления обеспечивают надежность работы установки и всей технологической линии в целом.