ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ

Настоящее техническое решение относится к области машиностроения, а именно к устройствам для сжигания твердых топлив в виде гранулированных низкокалорийных материалов (в том числе - органических отходов) с одновременным уничтожением содержащихся в них токсичных органических веществ и извлечением токсичных тяжелых металлов.
Из существующего уровня техники известно устройство для осуществления способа обеззараживания и утилизации летучих зол, образующихся при сжигании и газификации отходов, описанное в заявке РФ №2005114944 (опубликована 27.11.2006). Устройство выполнено в виде вращающейся печи, в которую загружается гранулированный материал из смеси золы, содержащей токсичные тяжелые металлы, хлорного аддитива и низкокалорийного топлива (угольной пыли, торфа и др.). Материал нагревается с помощью кислородно-газовой горелки, расположенной у входного торца печи, до температур свыше 700°С, после чего наступает самоподжиг материала, его температура повышается до 900°-1000°С, происходят отгон тяжелых металлов в виде их хлоридов и полное выгорание органического компонента материала. Недостатками данного технического решения являются большие теплопотери в зоне сжигания и, следовательно, невозможность перевести процесс во вращающейся печи в самоподдерживающийся режим. Для поддержания процесса требуется постоянная подача газо-воздушной смеси в горелку, что вызывает дополнительные энергозатраты. Другим негативным эффектом является вынос из зоны реакции как пылевидных фракций материала, так и газообразных соединений тяжелых металлов и необходимость последующей очистки отходных газов.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является наклонный вращающийся шахтный газификатор цилиндрического типа, описанный в патенте РФ №2278175. В таком устройстве удается сконцентрировать высокотемпературную зону в узком слое подаваемого низкокалорийного материала и тем самым обеспечить экономичный самоподдерживающийся режим горения и нагревание материала до температур, обеспечивающих отгон тяжелых металлов из горячей зоны. Недостатком данного технического решения является переосаждение части хлоридов тяжелых металлов, испаряющихся из горячей зоны, на сравнительно холодных гранулах материала, поступающих из зоны загрузки. Эти переосажденные соединения тяжелых металлов постоянно циркулируют между зоной загрузки и высокотемпературной зоной, что ухудшает общую эффективность отгона тяжелых металлов из перерабатываемого материала. Простой подсчет показывает, что за счет переосаждения испаряемых соединений тяжелых металлов на вновь поступающих гранулах итоговый коэффициент их отгона из токсичного материала может ухудшиться в 2-3 раза.
Задача на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении степени очистки низкокалорийного гранулированного материала от тяжелых металлов в режиме самоподдерживающегося горения. Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении степени очистки перерабатываемого материала от токсичных тяжелых металлов за счет существенного снижения эффекта переосаждения их летучих соединений на слоях загружаемого гранулята.
Для достижения поставленного результата предлагается термический реактор для обезвреживания токсических отходов, состоящий из корпуса в виде установленной с возможностью регулируемого вращения конической трубы, узла загрузки, расположенного у торца трубы наибольшего диаметра и узла выгрузки - у противоположного торца трубы, при этом труба установлена с регулируемым уклоном в направлении от узла загрузки до узла выгрузки, зона горения расположена в нижней части трубы перед узлом выгрузки, а величина уклона выбрана из условия поддержания поверхности обрабатываемого материала примерно горизонтальной при выбранных скоростях вращения конической трубы и скорости загрузки.
Предпочтительные, но не обязательные варианты воплощения заявленной конструкции предполагают выбор величины уклона исходя из следующего соотношения:
α>arctg ((Ri-Ro)/L), где:
α - угол наклона оси вращения корпуса к горизонтальной плоскости;
Ri и Ro - радиусы большего и меньшего торцов конического корпуса;
L - длина конического корпуса.
Кроме того, внутренняя поверхность корпуса может быть покрыта термоизолирующим и коррозионостойким материалом, например - слоем высокотемпературной керамики, а со стороны узла выгрузки может быть дополнительно расположено средство подачи регулируемой по составу и количеству кислородно-воздушной смеси.
Возможность достижения поставленного результат в общем виде обусловлена тем, что постепенное увеличение коэффициента заполнения конического корпуса в направлении узла выгрузки меняет поведение и физические характеристики перерабатываемого материала в разных частях реактора, что более подробно будет рассмотрено ниже.
Сущность полезной модели поясняется изображением общего вида конструкции в разрезе.
В общем виде конусообразный корпус реактора 1 располагается на свободно вращающихся роликовых вальцах 2, параллельные оси вращения которых закреплены на несущей раме 3. Рама 3 фиксируется таким образом, что угол наклона нижней образующей конического корпуса β относительно горизонтали в направлении узла выгрузки 4 может регулироваться в диапазоне от 1 до 35 градусов. Со стороны узла загрузки 5 на внешней поверхности конусообразного корпуса имеется узел привода вращения 6, соединенный с задающим генератором вращательного момента 7, например асинхронным электромотором. С целью увеличения срока службы внутренняя поверхность трубы реактора может покрываться термо- и коррозионно-стойким материалом 8, например- керамическими плитками, а для повышения интенсивности тепловых процессов со стороны узла выгрузки в реактор подается регулируемая по составу и количеству кислородно-воздушная смесь 9. Вынос газообразных соединений тяжелых металлов 10 производится со стороны узла загрузки 5.
Меняя скорость вращения мотора, можно плавно менять скорость, с которой нижняя образующая конического корпуса 1 окатывается на вальцах 2. Угол α наклона оси вращения корпуса относительно горизонтали и скорость вращения являются основными регулируемыми параметрами устройства, с помощью которых можно подбирать соотношение скоростей загрузки и выгрузки таким образом, что поверхность материала во входной части реактора оставалась примерно горизонтальной.
Устройство приводится во вращение с помощью узлов 6 и 7, обеспечивающих определенную скорость вращения, после чего производится загрузка реактора перерабатываемым гранулированным материалом или смесью материалов. В первой (входной) части реактора, вблизи узла загрузки, коэффициент заполнения трубы сравнительно мал (меньше 20%), гранулы материала свободно перекатываются в направлении, противоположном вращению корпуса, и происходит хорошее перемешивание разноразмерных фракций гранулированного материала, а также - материала и вносимого аддитива (например, порошков хлористых солей щелочных или щелочноземельных металлов, если такой аддитив вносится отдельно от гранул материала, а не внесен в их состав). Общая плотность материала примерно равна его насыпной плотности. Этот режим типичен для вращающихся печей. Над поверхностью перемешиваемого материала находится незаполненное пространство, через которое свободно выводятся пары хлоридов тяжелых металлов, образовавшихся в рабочей части реактора. Переосаждение газообразных хлоридов на частицах загружаемого материала минимально. Во второй (промежуточной) части реактора, где коэффициент заполнения трубы достигает 35-40%, все большее количество материала увлекается вдоль стенки в сторону верхней части поперечного сечения и оттуда пересыпается вниз. Состояние материала постепенно приобретает черты кипящего слоя: средние расстояния между гранулами увеличиваются, плотность материала становится меньше насыпной. В этой части реактора происходит нагревание гранул материала за счет отходных газов из горячей зоны. Поскольку между подогретыми гранулами существует значительное свободное пространство, вероятность переосаждения хлоридов тяжелых металлов на них гораздо меньше, чем на плотно упакованных холодных гранулах согласно прототипу. В основном газообразные хлориды каналируются между гранулами и выводятся в свободное пространство над материалом в первой части реактора и далее поступают в систему газоочистки. Наконец, в третьей (рабочей) части реактора материал заполняет трубу полностью, а поскольку поперечное сечение реактора на выходе значительно ниже, чем на входе, для поддержания баланса между загрузкой и выгрузкой возникает эффект уплотнения материала за счет градиента давления, направленного в сторону узла выгрузки. Плотность материала становится выше насыпной, и создаются условия для реализации процесса сверхадиабатического сжигания, описанного в патенте РФ №2322641. Органическая фракция материала выгорает, а соединения содержащихся в материале тяжелых металлов нагреваются до температур, при которых они реагируют с хлоридами аддитива. Образовавшиеся газообразные хлориды тяжелых металлов вместе с газом выводятся из зоны реакции навстречу поступающему материалу, а минеральный остаток реакции поступает в узел выгрузки.