ПЛАЗМЕННЫЙ ИНЦИНЕРАТОР

Полезная модель относится к средствам высокотемпературного уничтожения и обезвреживания техногенных и химически- вредных отходов, до 2-го класса опасности различного состава и агрегатного состояния (жидких, твердых, пастообразных и газовых), образующихся на различных предприятиях химической, нефтехимической, фармацевтической и микробиологической промышленности, промышленности продуктов питания, а также на предприятиях коммунального хозяйства, в медицинских учреждениях, в ветеринарных и в сельских скотоводческих хозяйствах. Полезная модель имеет отношение к экологии, способствует улучшению экологической обстановки путем решения проблем с отходами, повышению культуры производства и обслуживания, и, в результате, повышению качества жизни и здоровья населения.
Хорошо известны городские и областные проблемы обращения с отходами различных медицинских, сельскохозяйственных, химических, научных и учебных учреждений. Обычными «технологиями» уничтожения отходов являются: захоронение в землю; выброс в большие городские свалки; сжигание в открытых кострах; сжигание в маломерных печах - газовых, твердотопливных и малогабаритных электрических. Отмеченные «технологии» не позволяют проводить высокотемпературный процесс горения, при котором опасные компоненты полностью окисляются или деструктуризуются до практически безвредных состояний. Для достижения этого необходимо управление процессом горения-сжигания, а это почти невозможно в малогабаритных печах и, тем более, - в кострах. Единственным высокотемпературным методом является применение «низкотемпературной» плазмы - газовых потоков, разогретых до температуры 5000-6000°С с помощью электродугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы. Плазменный метод является самым надежным и экологически чистым для переработки медико-биологических отходов, но достаточно сложным.
Известно устройство для термической переработки отходов [Патент РФ №2038537, 10.08.1993, F23G 5/00, F23G 7/00], содержащее шахтную печь с загрузочным устройством, установленные в подгорновой зоне шахты по ее периметру плазменные горелки, летки для выпуска металла и шлака, газоход отходящих газов. Устройство снабжено установленными на шахте дополнительным коаксиальным плазмотроном, центральный полый электрод которого соединен с загрузочным устройством, и подсводовой ванной, герметизированные рабочие пространства шахты и ванны разделены вертикальной перегородкой с окном в придонной части с образованием гидрозатвора, летка для выпуска шлака выполнена сифонной и расположена на дальнем от шахты конце ванны с уровнем сливного порога выше окна перегородки, газоход установлен перед этой леткой, а перед летками и выпуском газохода установлены блоки бактериального контроля. Блоки бактериального контроля шлака и металла выполнены в виде охлаждаемой изложницы с узлом контроля температуры металла или шлака, соединенной с сосудом для размещения биологически активной жидкости, механизма перемещения образцов из изложницы в сосуд и прибора контроля за изменением оптических характеристик биологически активной жидкости.
К недостаткам указанного изобретения следует отнести: необходимость проведения пробной плавки для определения эффективности процесса; необходимость постоянного бактериологического контроля расплавов шлака, металлов и отходящих газов. В случае использования высококислородной среды и высоких температур при уничтожении органических материалов, особенно дисперсных и жидких есть опасность возникновения взрывоопасных ситуаций. Из-за несовершенной системы очистки, отсутствия непрерывного контроля протекающих процессов и управления режимными параметрами в процессе работы установки возможны выбросы в окружающую среду частично не разрушенных органических материалов и образование вторичных опасных органических продуктов в выхлопных газах.
К тому же наличие избыточного окислителя и высокие температуры приводят к образованию значительного количества оксидов азота, практически не улавливаемых шлаковым расплавом. Не предусмотрено также использование тепла дымовых газов.
Известна установка для высокотемпературного уничтожения токсичных промышленных отходов [Патент РФ №2246072, 13.11.2002, F23G 7/00, F23G 5/10, F23G 5/50], содержащее загрузочное устройство, рабочую камеру с плазменными нагревателями, систему очистки продуктов сгорания и удаления продуктов разложения, систему автоматизированного управления. Рабочая камера образована двумя последовательно размещенными плазменными нагревателями, составляющими, соответственно, реакционную камеру и камеру дожигания и образующими единый проточный канал цилиндрической формы, по оси которого сверху размещено загрузочное устройство, снабженное герметичным затвором и дозатором подачи отходов. Система очистки и удаления продуктов разложения выполнена в виде жидкостного эмульгирующего устройства вихревого типа, снабженного теплообменником, отстойником и дымососом. Система автоматизированного управления снабжена блоком отображения, контроля и управления параметрами плазменных нагревателей и системным блоком на базе ПЭВМ сбора, отображения, контроля и анализа режимных параметров, управления и аварийного останова.
В указанной установке невозможно создать высокотемпературный режим.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Способ плазмотермической переработки твердых отходов и устройство для его осуществления» [Патент РФ №2183794 от 24.08.1999, МПК F23G 5/00, F23G 5/16]. Устройство для плазмотермической переработки твердых отходов, содержащее узлы подачи воздуха и отходов в упаковках, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном и оснащенную леткой для вывода расплава, газоход, блоки дожигания и газоочистки, камеру газификации отходов с узлом подвода воздуха, расположенную последовательно с камерой термообработки и сообщенную с ней, причем под камеры газификации выполнен горизонтальным и расположен выше уровня расплава в камере термообработки не менее чем на h=0,5 м, расстояние по горизонтали от камеры газификации до точки привязки оси плазмотрона к расплаву больше или равно h. Длина камеры газификации превышает размер упаковки отходов более чем в 2 раза. В газоходе, соединяющем камеру газификации и блок дожигания, установлен смеситель отходящих газов камеры газификации и камеры термообработки.
К достоинствам устройства следует отнести возможность перерабатывать упакованные отходы, без предварительной их подготовки, например, дробления или сортировки, содержащие, в том числе маталлические примеси, без нарушения технологического процесса и без блока очистки отходящих газов от оксидов азота.
Недостатки указанного устройства:
1. Необходимость отслеживать интервал времени между загрузкой отходов. Интервал времени между загрузками отходов в 7 мин не обеспечивает экологическую безопасность. При уменьшении периода загрузки упаковок с отходами менее 2 мин печь не справляется с переработкой отходов. Уменьшение массы загрузки технически и экологически нецелесообразно.
2. Большие габаритные размеры, которые являются следствием:
- необходимости располагать под камеры газификации на высоте h не менее 0,5 м от уровня расплава в камере термообработки, поскольку при воздействии струи плазмы на шлак, а также за счет пузырьков газа, выделяющегося из него, возможно разбрызгивание расплава на высоту до 0,5 м, а при попадании значительного количества брызг расплавленного шлака на поверхность отходов в камере газификации возможно нарушение процесса газификации за счет блокирования доступа воздуха.
- необходимости выдерживать расстояние по горизонтали от камеры газификации до точки привязки оси плазмотрона к расплаву больше или равно h для обеспечения условий горения электрической дуги, а также для поддержания шлака в жидкотекучем состоянии.
Для обеспечения непрерывности процесса газификации и эффективного подавления оксидов азота длина камеры газификации должна превышать размер упаковки отходов более чем в 2 раза, что тоже сказывается на габаритных размерах установки.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания экологически безопасной электроплазменной установки для обезвреживания и утилизации техногенных и экологически и санитарно опасных медицинских, больничных, биологических и химических отходов жизни города различного состава и агрегатного состояния без предварительной их подготовки, с оптимизацией электротеплотехнических и газоочистных систем., имеющей небольшие габаритные размеры, что позволит использовать ее в медицинских учреждениях, преимущественно в больницах, поликлиниках, диспансерах, хосписах, медицинских НИИ и учебных заведениях, ветлечебницах, аптеках, оздоровительных и санитарно-профилактических учреждениях, судебно-медицинских и др. лабораториях, на станциях скорой помощи и переливания крови и т.д.
Поставленную задачу решают тем, что предлагаемый плазменный инцинератор содержит рабочую камеру с плазмотронным блоком, включающим два или более параллельно установленных подвижных плазмотрона, систему загрузки отходов, систему обезвреживания и очистки дымовых газов, включающую последовательно соединенные дожигатель, состоящий из трех и более последовательно соединенных секций, с горелкой, расположенной в первой секции, и дополнительным плазмотроном, квенчер с водогрейным котлом-утилизатором, газопромыватель, растворный насос, содорастворитель, солеотделитель, теплообменники для утилизации остатков теплоты дымовых газов, систему сбора шламов и золы, обеспечивающие системы, причем рабочая камера с плазмотронным блоком, система обезвреживания и очистки дымовых газов, система сбора шламов и золы расположены в одном корпусе.
На фиг.1 представлена блок-схема плазменного инцинератора. Основными системами плазменного инцинератора являются:
1. Система загрузки отходов, состоящая из следующих блоков:
- Система сбора и доставки медицинских или других опасных отходов.
- Склад-накопитель отходов в упаковках, поступающих из системы сбора и доставки. Медицинские или другие опасные и вредные отходы поступают на уничтожение только в компактированном виде.
- Транспортер подачи упаковок с отходами из склада к рабочей камере электропечи. Транспортер состоит из ленточного транспортера и заталкивателя-забрасывателя упаковок в рабочую камеру.
2. Высокотемпературная рабочая камера с плазмотронным блоком.
3. Система обезвреживания и очистки дымовых газов:
- Дожигатель газов и сажи.
- Газопромыватель уходящих дымовых газов.
- Растворный насос для обеспечения циркуляции промывочного раствора.
- Содорастворитель для скоростного растворения щелочей в контуре газопромывки.
- Солеотделитель для вымораживания солей NaCl и СаСl2 из промывочного раствора.
4. Система подачи дутья и удаления дыма:
- Подогреватель дутьевого воздуха.
- Дутьевой вентилятор.
- Дымовая труба.
- Дымосос.
5. Система сбора и удаления шламов и золы:
- Шламоотстойник.
- Бак-золоотстойник.
- Система гидрозолоудаления из золоуловителей.
- Система слива жидкого шлака из электропечи и его гашения в водяном баке-грануляторе.
- Система гидрозолоудаления из шлакогасителя.
- Система гидрозолоудаления из котла-утилизатора.
6. Обеспечивающие системы: электропитания, охлаждения, водоснабжения, газоснабжения сжатым воздухом и защитным газом (аргон):
- Пульт управления отдельными блоками и узлами инцинератора.
- Система контроля и управления.
- Система водяного охлаждения инцинератора.
- Водогрейный котел-утилизатор.
- Циркуляционный насос.
Не обозначены на блок-схеме, фиг.1, следующие системы: удаления шлаковых и металлических слитков; сбора, предварительной очистки и удаления сточных вод; снабжения технологическими материалами (сода и др.).
Система очистки и обезвреживания уходящих дымовых газов; система сбора и удаления шламов и золы; система подачи дутья и удаления дыма, а также обеспечивающие системы являются автономными и могут быть созданы (скомпонованы) на основе применения типового оборудования достаточной мощности.
На фиг.2 показана конструкция высокотемпературного блока плазменного инцинератора. Где: 1 - рабочая камера плазменного инцинератора, 2 - плазмотроны или газовые горелки, 3 - подвижный огнеупорный блок для установки плазмотронов, 4 - специальный огнеупорный кирпич с каналами для сброса жидкого шлака и расплавленного металла, 5 - передняя стенка рабочей камеры из огнеупорного кирпича, 6 - вертикальный канал шлаковода, 7 - подподовая опорная конструкция, 8 - канал для удаления расплавов, 9 - расплав шлака, 10 - жидкий металл, 11 - канал подачи электроэнергии к подовому электроду, 12 - стенка первого канала дожигателя, 13 - первый канал дожигателя, 14 - второй канал дожигателя, 15 - третий канал дожигателя, 16 - канал и торцевое отверстие для удаления смеси твердой крошки с водой, 17 - канал сброса водяных капель, потоков и струй из квенчера, 18 - пластинчатые теплообменники для утилизации остатков теплоты дымовых газов, 19 - теплообменник, 20 - квенчер, 21 - отверстие для входа распыляемой водяной струи, 22 - выходной дымоход к дымососу, 23 - канал аварийного отвода дымовых газов, 24 - аварийный канал вывода дымовых газов при взрыве в рабочей камере, 25 - выходное отверстие перепускного канала из второй секции дожигателя в третью, 26 - входное отверстие перепускного канала из второй секции дожигателя в третью, 27 - входное отверстие горелки дожигателя, 28 - выходное отверстие первой секции дожигателя, 29 - перекрытие рабочей камеры, 30 - окно для подачи упакованных отходов в рабочую камеру, 31 - термоизоляционное покрытие. Водогрейный котел-утилизатор, газопромыватель, растворный насос, содорастворитель, солеотделитель на фиг.2 не обозначены. Дожигатель может содержать дополнительный плазмотрон (на фигуре не обозначен).
Принцип работы полезной модели.
Процесс уничтожения отходов является непрерывным. Медицинские или другие опасные и вредные отходы поступают на уничтожение только в компактированном виде. Уничтожаемые отходы из склада к рабочей камере 1 инцинератора подают транспортером и забрасывают в рабочую камеру заталкивателем-забрасывателем через оконное отверстие 30.
Рабочая камера инцинератора ограничена стенками, кирпичной частью конструкции пода электропечи с каналом подачи электроэнергии к подовому электроду 11 и огнеупорным блоком 3 с подвижным пазмотроном или горелкой 2. Количество плазмотронов или горелок в рабочей камере может быть более одного. Инцинератор установлен на подподовой опорной конструкции 7. На дне ванны рабочей камеры находятся жидкий шлак 9 и жидкий металл 10. Вывод шлака осуществляют через вертикальный канал 6 шлаковода и канал 8 шлаковода.
Предусмотрен в конструкции огнеупорный специальный кирпич шлаковода 4 для простоты технологического обслуживания инцинератора.
В рабочей камере происходят процессы деструкции, обезвреживания и уничтожения отходов:
1. Пиролиз (испарение влаги и газификация углеводородов и углерода, содержащихся в отходах).
2. Сгорание углеводородов и углерода с образованием дымовых газов, направленно выходящих из рабочей камеры в дожигатель. Органическая составляющая отходов (в том числе - токсичные вещества) и сложные неорганические соединения в основном разлагаются перед сгоранием за счет действия высоких температур, потоков термической и ультрафиолетовой радиации от плазменных струй и воздействия активных компонент (ионов), появляющихся в пространстве рабочей камеры плазменной печи.
3. Расплавление и растворение металлических компонент с образованием жидкого металла на дне ванны. Металлическая компонента уничтожаемых отходов частично выгорает в рабочей камере, частично уносится с отходящими дымовыми газами в виде пыли и паров, частично окисляется и переходит в шлак, а крупные куски металлов большей частью тонут в шлаковой ванне и расплавляются или растворяются в объеме жидкого металла, скопившегося на дне (на поде) рабочей камеры печи.
4. Расплавление негорючих компонент (оксидов и др.) с образованием жидкого шлака над поверхностью жидкого металла. Негорючая компонента отходов частично превращается в пыль и газ, которые уносятся из рабочей камеры вместе с основным потоком отходящих газов, а частично переходит в шлаковую ванну. Жидкий шлак действует и как растворитель для нереагирующей части отходов, а поверхность жидкого шлака - как катализатор для некоторых химических реакций в рабочей камере.
Продуктами после уничтожения отходов является химически инертный плавленый шлак в небольшом количестве (1 кг на 200 кг отходов), который можно использовать для строительства, либо производят его захоронение.
Неравномерность в режим работы инцинератора вносят периодичность поступления упаковок на уничтожение и разнообразие состава отходов в упаковках. В результате в газах, образующихся при термическом уничтожении отходов, может находиться значительное количество вредных примесей: соединений углерода, азота, фосфора, хлора, серы и, вероятно, кальция, а также пепел, летучая зола и неорганическая пыль. Для снижения содержания вредных примесей в уходящих дымовых газах до уровня предельно-допустимых концентраций (ПДК) в составе плазменного инцинератора предусматривают систему очистки и обезвреживания дымовых газов с улавливанием летучей золы и с промывкой уходящих газов водно-щелочным раствором (NaOH+H2O или Са(ОН)2+Н2O).
Дымовые газы и сажа, образующиеся в рабочей камере поступают в систему обезвреживания и очистки, включающую дожигатель, квенчер, водогрейный котел-утилизатор, газопромыватель, растворный насос, содорастворитель, солеотделитель, золоуловитель.
Остатки пиролизных газов, а также горючие частицы в летучей золе и в пепле принудительно сжигают при температуре 1200°С в дожигателе. Дожигатель газов и сажи, включает три секции: первую опускную секцию 13, вторую подъемную секцию 14 и третью опускную секцию 15, соединенные отверстиями: выходное отверстие 28 первой секции, входное отверстие 26 и выходное отверстие 25 перепускного канала из второй подъемной в третью опускную секцию, и горелку, расположенную в первой секции, входное отверстие горелки дожигателя - 27. Дожигатель может включать более трех секций и содержать также дополнительный плазмотрон (на фигуре не обозначен).
На вход каждой секции газ подают по касательной, что обеспечивает закручивание потока. В дожигателе предусмотрены упорядоченная подача вторичного воздуха и отдельная горелка, работающая на высококалорийном горючем газе или дизтопливе. Может быть применен также плазмотрон. Такая конструкция дожигателя обеспечивает полное освобождение дымовых газов от горючих остатков.
Далее дымовые газы поступают в контур газопромывки. В камере скоростного охладителя (квенчера) 20 происходит резкое охлаждение газов путем разбрызгивания воды через трубу с отверстиями 21. Для эффективного использования тепла дымовых газов, выходящих из дожигателя, путем нагрева воды для теплоснабжения или горячего водоснабжения хозяйственных объектов (прачечной и т.п.), предусмотрен водогрейный котел-утилизатор. Водогрейный котел-утилизатор расположен внутри конструкции плазменного инцинератора, что позволяет уменьшить теплопотери, а также создать компактную установку, минимизировать капитальные затраты на ее изготовление. Химическую очистку и обезвреживание уходящих дымовых газов от пыли, золы, химнедожога, кислотных газов типа НСl, SO2 и др. осуществляют в газопромывателе, растворение щелочей - в содорастворителе, вымораживание солей NaCl и СаСl2 из промывочного раствора - в солеотделителе. В гидравлическом контуре газопромывки циркуляцию промывочного раствора, который готовят из щелочи (едкий натр, известь или каустическая сода) осуществляют посредством растворного насоса.
Очищенные газы проходят через пластинчатый теплообменник 18 и теплообменник 19, предназначенные для эффективного использования остатков тепла дымовых газов после котла-утилизатора с целью подачи горячего воздушного дутья в рабочую камеру или в дожигатель. Затем очищенные газы проходят в выходной дымоход 22 к дымососу.
Предусмотрено достаточно большое проходное сечение выходного дымохода, чтобы скорость проходящих газов была низкой для завершения реакций разложения и окисления (горения) и смогли осесть самые крупные частицы золы. Предусмотрена также система каналов 23, 24 аварийного отвода дымовых газов при взрыве в рабочей камере. Взрывной клапан находится вне установки. В конструкции дожигателя предусмотрено также наличие горячих стенок дымоходов и высококачественная теплоизоляция.
Зола с водяными потоками из квенчера попадает в канал 17 и далее - в канал 16.
Применение плазменной газификации позволяет значительно уменьшить объем газа, который подвергается очистке в очистных сооружениях (уменьшить объем самих очистных сооружений), плавить и остекловывать неорганическую часть отходов в самом реакторе (получать инертный шлак); исключить образование окислов благодаря восстановительной среде в реакторе, получить товарный синтез-газ, пригодный для использования в энергетике и в химических производствах (для конверсии углеводородов). Высокий уровень температур в реакционной зоне и эффективная газожидкостная закалка продуктов переработки обеспечивают требуемые экологические показатели технологического процесса, соответствующие мировым стандартам.
Плазменный инцинератор относится к изделиям единичного производства, собираемым на месте эксплуатации, так как в его составе имеется огнеупорная и теплозащитная кирпичная конструкция - футеровка электропечи.
Пример.
Подготовлено техническое задание на создание установки для уничтожения и утилизации опасных отходов по плазмотермической технологии для инновационного проекта ОАО «Кузбасский технопарк». Перечень основных параметров и размеров разрабатываемого плазменного инцинератора производительностью до 200 кг/ч:
1. Электрические параметры
1.1. Мощность входного трансформатора - 700 кВА;
1.2. Потребляемая мощность, не более - 600 кВт;
1.3. Напряжение питающей сети - 1 кВ, силовых цепей - 380 В, цепей управления и сигнализации - 220, 36 В;
1.4. Число фаз питающей сети - 3; силовых цепей - 3; цепей управления и сигнализации - 1;
1.5. Частота тока питающей сети - 50 Гц.
2. Тепловые параметры
2.1. Температура отходящих газов на выходе из рабочей камеры - не более 1500°С;
2.2. Температура дымовых газов в конце газохода дожигателя - не менее 1200°С;
2.3. Температура на поверхности жидкошлаковой ванны (°С) - не менее 1600°С.
3. Основные габариты
3.1. Масса - 12 т;
3.2. Габаритные размеры, без учета размещения силового электрооборудования, шкафов и пультов управления, дымоочистки и системы дымоудаления: длина - 10 м, ширина - 2,5 м, высота - 2,5 м, заглубление - 2 м;
3.3. Общая занимаемая площадь - не менее 150 кв.м;
3.4. Размеры рабочей камеры, ширина, длина, высота - не менее 1×1,2×1,8 м, глубина ванны - 0,5 м;
3.5. Размеры обрабатываемых упаковок,- не более 400×400×400 мм, масса - 30 кг;
3.6. Требуемые площади: для размещения - не менее 50 кв. м, для склада медицинских отходов - не менее 20 кв. м, высота помещения - не менее 5 м