УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ
WASTE DISPOSAL PLANT

Изобретение относится к оборудованию для утилизации промышленных и бытовых отходов, в том числе горючих низкокалорийных отходов.
Из патента РФ №2502017 на изобретение известен мусоросжигательный завод, состоящий из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, блока утилизации золы, который содержит плавильный реактор, футерованный изнутри; плазмотрон; бункер золы с механизмом ввода золы; систему слива расплава и грануляции шлака, источник электропитания, систему очистки дымовых газов, при этом плавильный реактор блока утилизации золы имеет металлический водоохлаждаемый кожух, блок утилизации золы содержит воздушный компрессор и водяной насос для охлаждения электродов плазмотрона и кожуха реактора, система очистки дымовых газов блока утилизации золы содержит дожигатель, вихревой скруббер (центробежно-барботажный аппарат) с щелочным раствором, рукавный фильтр для очистки от твердых примесей и приемник зольного остатка (вторичной золы).
Из патента РФ №2502018 на изобретение известна комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов, которая содержит 2 цеха: мусоросжигающий цех (МСЦ) и теплоцех, причем мусоросжигающий цех состоит из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, блока утилизации золы, который содержит футерованный изнутри плавильный реактор, плазмотрон, бункер золы с механизмом ввода золы, систему слива расплава и грануляции шлака, источник электропитания, систему очистки дымовых газов, при этом плавильный реактор блока утилизации золы имеет металлический водоохлаждаемый кожух, блок утилизации золы содержит воздушный компрессор и водяной насос для охлаждения электродов плазмотрона и кожуха плавильного реактора, система очистки дымовых газов блока утилизации золы содержит дожигатель, вихревой скруббер (центробежно-барботажный аппарат) с щелочным раствором, рукавный фильтр для очистки от твердых примесей и приемник зольного остатка (вторичной золы).
Недостатком известных технических решений является их сложность, обусловленная сложностью состава оборудования, а также осуществление процесса в две стадии с необходимостью использования системы высокотемпературного дожига шлака с использованием плазмотрона. Также недостатком известных решений является их неэкологичность, обусловленные возможностью восстановления сложных молекул опасных веществ за дымовой трубой после термического нагрева.
Техническое решение по патенту РФ №2502018 выбрано в качестве наиболее близкого аналога.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением - создание простой, высокопроизводительной установки, обеспечивающей экологичную утилизацию промышленных и бытовых отходов, снижение габаритных размеров установки, расширение арсенала средств для утилизации отходов.
Технический результат, достигаемый изобретением - повышение производительности и упрощение конструкции установки для утилизации отходов с одновременным обеспечением экологичности процесса утилизации, снижение габаритных размеров установки, расширение ее функциональных возможностей, обеспечение утилизации промышленных и бытовых отходов с надлежащим качеством.
согласно изобретению
3
3
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в установке для утилизации отходов, содержащей термореактор с колосником, камеру дожига, вихревую камеру, теплообменник, ресивер, последовательно жестко соединенные относительно друг друга,  термореактор, камера дожига, вихревая камера, теплообменник, ресивер жестко закреплены относительно жесткого каркаса, выход термореактора, выполненный в его подколосниковой зоне, сообщен со входом камеры дожига, выход которой сообщен со входом вихревой камеры, выход которой сообщен со входом теплообменника, выход теплообменника сообщен со входом ресивера, первый выход которого сообщен с подколосниковой зоной термореактора, второй выход ресивера сообщен с зоной кипящего слоя термореактора, расположенной над колосниковой решеткой, термореактор в верхней части выполнен с возможностью сообщения с устройством загрузки отходов, в подколосниковой зоне термореактора обеспечена деструкция сгорающих газов при температуре 1400±50°С и при давлении 0,02 - 0,08 МПа, габариты вихревой камеры заданы из соотношения V = (3-5) х Х, где V - объем вихревой камеры, м, Х - расход горячего газа через вихревую камеру, м/с, ресивер и камера дожига размещены между термореактором и вихревой камерой, установка снабжена дымососом пиролизных газов, сообщенным с одной стороны посредством коллектора пиролизных газов с надколосниковой зоной термореактора, а с другой стороны - с камерой дожига.
Ресивер и камера дожига размещены между термореактором и вихревой камерой друг над другом.
Установка снабжена скруббером, снабженным газоотводом для отвода газа в атмосферу, при этом теплообменник снабжен вторым выходом, который соединен со входом скруббера через дымосос дымовых газов.
Скруббер жестко закреплен относительно каркаса.
Термореактор, камера дожига, вихревая камера, теплообменник, и ресивер сообщены между собой посредством трубопроводов или отрезков трубопроводов.
Скруббер и теплообменник соединены между собой посредством трубопровода или отрезка трубопровода.
Ресивер выполнен с третьим выходом, сообщенным посредством воздуховода с внешним потребителем тепловой энергии.
Установка снабжена вентилятором, жестко закрепленным относительно каркаса и предназначенным для наружного охлаждения воздушного потока от термореактора до ресивера.
Вентилятор установлен над теплообменником.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемой установки для утилизации горючих отходов.
На фиг. 2 изображена заявляемая установка.
Позиции на фигурах:
1 - термореактор;
2 - камера (печь) дожига;
3 - вихревая камера (печь);
4 - теплообменник;
5 - скруббер;
6 - ресивер;
7 - первый выход ресивера;
8 - второй выход ресивера;
9 - третий выход ресивера;
10 - колосник;
11 - каркас;
12 - дымовая труба скруббера (газоотвод скруббера);
13 - подколосниковая зона термореактора;
14 - зона кипящего слоя реактора;
15 - вентилятор;
16 - дымосос дымовых газов;
17 - дымосос пиролизных газов;
18 - коллектор пиролизных газов.
Осуществление изобретения
3
3
Заявляемая установка для утилизации отходов содержит термореактор 1 с колосником 10, камеру (печь) 2 дожига, вихревую камеру (печь) 3, теплообменник 4, скруббер 5, ресивер 6, последовательно жестко соединенные относительно друг друга. Термореактор 1, камера (печь) 2 дожига, вихревая камера (печь) 3, теплообменник 4, скруббер 5 и ресивер 6 жестко закреплены относительно жесткого каркаса 11. Выход термореактора 1, выполненный в его подколосникоовой зоне, сообщен со входом камеры (печи) 2 дожига, выход которой сообщен со входом вихревой камеры (печи) 3, выход которой сообщен со входом теплообменника 4, первый выход которого соединен со входом скруббера 5 через дымосос 16 дымовых газов; скруббер 5 снабжен газоотводом (дымовой трубой) 12 для отвода газа в атмосферу; второй выход теплообменника 4 сообщен со входом ресивера 6, первый выход которого сообщен с подколосниковой зоной 13 термореактора 1, второй выход ресивера сообщен с зоной 14 кипящего слоя термореактора 1, расположенной над колосниковой решеткой 10, третий выход 10 ресивера 6 сообщен посредством воздуховода с внешним потребителем тепловой энергии. Термореактор 1 в верхней части выполнен с возможностью сообщения с устройством загрузки отходов (на фиг. не показан), в подколосниковой зоне 13 термореактора 1 обеспечена деструкция сгорающих газов при температуре 1400±50°С и при давлении 0,02-0,08 МПа, ресивер 6 и камера 2 дожига размещены между термореактором 1 и вихревой камерой 3, при этом ресивер 6 расположен над камерой 2 дожига. Термореактор 1, камера 2 дожига, вихревая камера 3, теплообменник 4, скруббер 5 и ресивер 6 сообщены между собой посредством трубопроводов или отрезков трубопроводов исходя из удобства их размещения на каркасе 11 и исходя из обеспечения минимально необходимого и достаточного расстояния между ними. Минимально необходимое и достаточное расстояние между конструктивными элементами установки определяется с учетом исключения наружного теплообмена между ними и возможности демонтажа каждого конструктивного элемента установки в процессе эксплуатации, например, для ремонта, замены оборудования. Габариты вихревой камеры заданы из соотношения V = (3-5) х Х, где V - объем вихревой камеры, м, Х - расход горячего газа через вихревую камеру, м/с. Такие габариты вихревой камеры 3 обусловлены тем, что в указанной камере должна быть обеспечена так называемая «закалка» (выдержка) горячих газов из термореактора 1. Для эффективной работы установки, указанная выдержка должна составлять 3 - 5 с с последующим резким охлаждением в теплообменнике за время не более 0,6 с. Такой диапазон выдержки будет обеспечен при соблюдении приведенного выше соотношения между объемом вихревой камеры 3 и расходом через нее горячих газов. Установка снабжена: вентилятором 15, предназначенным для наружного охлаждения воздушного потока от термореактора 1 до ресивера 6; дымососом 16 (газоотводом скруббера), который организует движение дымовых газов от термореактора 1 до дымовой трубы 12; дымососом 17 пиролизных газов 17 для прокачки пиролизных газов из верхней части термореактора 1 до камеры дожига 2 для этого дымос 17 пиролизных газов сообщен с одной стороны посредством коллектора пиролизных газов с надколосниковой зоной термореактора 1, а с другой стороны - с камерой дожига 2. Ресивер 6 выполнен с третьим выходом 9, сообщенным посредством воздуховода с внешним потребителем тепловой энергии. Вентилятор15 жестко закреплен относительно каркаса и установлен над теплообменником.
-200
Установка работает следующем образом. В верхнюю часть реактора 1 через загрузочное устройство, например, ленточный транспортер, поступают твердые бытовые и/или промышленные отходы, которые принимают без сортировки как из спецмашин, так и из грузового транспорта общего назначения. Крупногабаритные металлические включения отделяют из отходов на стадии приема. Затем отходы равномерно поступают в зону 14 кипящего слоя в области колосниковой решетки 10 термореактора 1 с температурой 900°С. Для обеспечения высокой эффективности обезвреживания процесс сжигания отходов осуществляют в две стадии. На первой стадии осуществляется термическая деструкция в термореакторе 1, а на второй стадии осуществляется дожиг дымовых газов в камере 2 дожига за счет поставки пиролизных газов из верхней части термореактора. Это повышает температуру дымовых газов до 1400°С. Далее производится термическая закалка: дымовые газы удерживаются не менее 3 секунд в вихревой камере 3 с температурой до 1400°С и резко охлаждаются в теплообменнике 4 за время не более 0,6 секунды. Таким образом организована «термическая закалка» дымовых газов. В результате сложные молекулы, разрушенные при термической деструкции, не восстанавливаются. Затем дымовые газы поступают в блок дымоочистки, например, скруббер 5. Процесс вытяжки дымовых газов осуществляется дымососом. Часть тепловой энергии из системы охлаждения агрегатов, например, реактора 1, камеры 2 дожига, теплообменника 4 поступает в ресивер 6, где осуществляется выравнивание газодинамических параметров. Далее, уже равномерный поток горячего воздуха с температурой до 800°С, поступает по газоходам (представляющим собой трубопроводы или отрезки трубопроводов) 7 и 8 на организацию процесса горения в реактор 1 в зону 14 кипящего слоя и в подколосниковую зону 13.
Подача горячего воздуха из системы охлаждения в термореактор 1 через ресивер 6 позволяет:
- значительно улучшить процесс горения (окислитель - нагретый воздух из системы охлаждения дымовых газов, горючее - отходы, нагретые световым излучением и конвективным теплообменом в верхней надколосниковой части реактора);
- произвести рекуперацию тепла, что, в свою очередь, повышает тепловой коэффициент полезного действия деструктора (заявляемой установки) как тепловой машины.
При этом подача горячего воздуха из ресивера 6 в надколосниковую зону 14 термореактора (зону кипящего слоя) и в подколосниковую зону 13 позволяет наиболее эффективно поддерживать процесс горения в термореакторе 1 в его полном объеме.
Часть горячего воздуха из системы охлаждения может поступать внешнему потребителю тепловой энергии через воздуховод 9. В качестве внешнего потребителя тепловой энергии может служить, например, котельная, система отопления производственных или жилых помещений, технологические тепловые потребители.
Скруббер предназначен для отвода дымовых газов, остывших после теплообменника 4 с температуры 1400°С до температур 90°С.
В ресивере 6 осуществляется сбор всех воздушных потоков из системы охлаждения оборудования: термореактора 1, теплообменника (экономайзера) 4, камеры 3 вихревой, камеры 2 дожига и непосредственно внешнего кожуха ресивера 6. Средняя температура воздушного потока от термореактора 1 до ресивера 6 может регулироваться расходом воздуха от вентилятора 15 и, как правило, колеблется от 600°С до 800°С.
Количество тепла Q, выделяемого в процессе работы заявляемой установки можно определить по формуле:
рг
г
2
1
рв
в
3
4
Q= с х m х (t-t)= с х m х (t-t),
где:
рг
с – удельная теплоемкость дымовых газов,
рв
с – удельная теплоемкость воздуха,
г
m – масса дымовых газов ( расход через дымосос 16);
в
m –масса воздуха (расход воздуха через вентилятор 15);
1
t – температура дымовых газов под колосниковой решеткой 10,
2
t – температура дымовых газов в дымовой трубе 12 (после охлаждения в теплообменнике 4);
3
t – температура воздуха на выходе из ресивера 6,
4
t – температура наружного воздуха (на входе в вентилятор 15).
Система охлаждения в заявляемой установки образована вихревой камерой 3, теплообменником 4, скруббером 5, ресивером 6.
3
1
Из данной формулы видно, что максимальная температура воздуха из системы охлаждения оборудования установки t по утилизации отходов незначительно меньше максимальной температуры дымовых газов t. Это позволяет значительно повысить тепловой коэффициент полезного действия (КПД) всей установки как тепловой машины. КПД может составлять до 90%.
В силу своей компактности, с учетом размещения всех конструктивных узлов установки на жестком каркасе, вся установка может быть размещена в стандартном транспортном контейнере. При этом, за счет использования внешнего кожуха (стенки контейнера), закрывающего снаружи тепловое оборудование установки снимается вопрос по обеспечению требований безопасной работы для обслуживающего персонала (от ожогов), т.к. температура на внешней поверхности оборудования и трубопроводов (газоходов, воздухопроводов) не превышает 30°С.
Благодаря равномерному распределению окислителя (воздуха из системы охлаждения через ресивер 6) и горючего (отходы) в кипящем слое 12 термореактора 1 организуется благоприятное стехиометрическое соотношение и условия для устойчивого процесса горения. Рекуперация тепловой энергии осуществляется путем частичного направления нагретого воздуха в термореактор 1 из ресивера 6 через выходы 7 и 8. Для организации горения с использованием системы автоматического управления важно иметь стабильный газ-окислитель (воздух). Наличие ресивера 6 позволяет выровнять тепловые газовоздушные потоки к равномерным выравненным параметрам по температуре, давлению, скорости истечения (расходу). Ресивер 6 позволяет использовать тепловую энергию для вспомогательных систем установки. Например, отбор воздуха для сушки коллекторов экономайзера от конденсата влаги и т.п.
Таким образом, за счет ресивера 6 и его соединения с зонами 13 и 14 термореактора 1 повышаются газодинамические свойства топлива (окислитель плюс горючее) за счет предварительного нагрева окислителя и горючего. Горючее (отходы) нагреваются в верхней надколосниковой части 14 термореактора 1 за счет конвективного теплообмена и светового излучения из зоны кипящего слоя.
Процесс горения организован в зоне кипящего слоя 14 и в камере 2 дожига. Ресивер 6 – исполнительный механизм, который непосредственно распределяет горячий воздух из системы охлаждения дымовых газов на организацию процесса горения в термореакторе 1: зону 14 кипящего слоя в районе колосниковой решетки 10, и дожиг дымовых газов в камере 2 дожига. При этом часть воздуха поступает к внешнему потребителю тепловой энергии или сброс тепла в атмосферу.
3
Технические параметры газодинамического тракта в процессе работы установки: температура под колосниковой решеткой 10 – 1400±50°С; температура дымовых газов в скруббере 5 – 80±10°С; давление по всему газодинамическому тракту (дымовых газов) составляет 800±100 Па; степень сжатия воздуха в воздуховоде из ресивера 6 составляет порядка 1,039; производительность рассматриваемой установки до 5 т/час по твердым коммунальным отходам; потребный расход воздуха для стехиометрического горения составляет 12896 м/час или 4,31 кг/сек, при этом выделяемое тепло с килограмма топлива равняется 9,318 МДж/кг; суммарная мощность установки при производительности 5 т/час, стехиометрическом соотношении при горении и удельной теплоте сгорания 9,318 МДж/кг равняется 12,94 МВт (46590 МДж в час).
Данные параметры свидетельствуют о высоком качестве заявляемой установки (деструктора) с точки зрения тепловой машины: высокий КПД (коэффициент полезного действия) – около 85% (и это при утилизации отходов, а не при сжигании углеводородного топлива типа природного газа), стехиометрическиое соотношение окислитель-горючее (для нашего случая 1:1,1). При этом заявляемая установка является компактной и простой в обслуживании тепловой машиной.
После выдержки (закалки) горячих газов в вихревой камере 3 и последующего их резкого охлаждения в теплообменнике 4, вещества, содержащиеся в горячих газах, переходят в атомарное состояние, т.е. не восстанавливаемое состояние. Поэтому периодический частичный сброс дымовых газов из скруббера 5 через воздуховод 12 не приводит к загрязнению окружающей среды. По этим же причинам не имеет место загрязнение окружающей среды на третьем выходе ресивера 6. К возможному потребителю тепловой энергии поступает безвредный горячий воздух. Все вещества в выходящих газах содержатся в атомарном, невосстанавливаемом состоянии, что является безопасным для окружающей среды. Интенсификация перемещения горячего воздуха в установке обеспечивается дымососами 16 и 17.
В таблице 1 приведены сведения о содержании твердых бытовых отходов в Москве и Московской области.
Таблица 1
Компоненты ТБО
% от массы
Углерод, C<sup>p</sup><sub>I</sub>
Водород, H<sup>p</sup><sub>I</sub>
Кислород, O<sup>p</sup><sub>I</sub>
Азот, N<sup>p</sup><sub>I</sub>
Сера,S<sup>p</sup><sub>I</sub>
Зола, Λ<sup>р</sup><sub>I</sub>
Влажность, W<sup>p</sup><sub>I</sub>
Пищевые отходы
32
3.84
0.576
2.56
0.304
0.048
1.44
23.04
Бумага и картон
27
7.479
0.999
7.101
0.0432
0.0378
4.05
6.75
Полимеры
8
4.408
0.608
1.4
0.072
0.024
0.848
0.64
Стекло
5
-
-
-
-
-
5
-
Чёрные металлы
3
-
-
-
-
-
3
-
Цветные металлы
0.5
-
-
-
-
-
0.5
-
Текстиль
5
2.02
0.245
1.16
0.17
0.005
0.4
1
Дерево
3
1.215
0.144
1.014
0.003
-
0.024
0.6
Кости
1
0.65
0.05
0.126
0.002
0.0067
0.116
0.05
Кожа и резина
3
1.95
0.15
0.378
0.006
0.0201
0.348
0.15
Камни и мелкий строительный мусор
0.5
-
-
-
-
-
0.5
-
Опасные отходы
0.5
-
-
-
-
-
0.5
-
Другие
8
3.76
0.424
2.216
0.008
0.016
0.936
0.64
Строительные отходы
3.5
-
-
-
-
-
3.5
-
Суммарные значения
100
25.322
3.196
15.955
0.608
0.158
21.162
32.87
Расчёт горения твёрдых бытовых отходов в реакторе осуществляется по источнику «Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от установок малой производительности по термической переработке твердых бытовых отходов и промотходов» (Москва, ООО «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – ВНИИГАЗ», 1999, УДК 502.55.(203).
3
В процессе утилизации приведенных отходов, состав которых приведен в таблице, тепловыделение на 1 кг топлива составляло 8,316-9,318 Мдж/кг. При этом расход воздуха составил 2,579 м/кг.
3
3
Производительность установки составила до 5 т/час, при этом потребный расход воздуха составил 12896 м/час, плотность воздуха при н.у. составил 1,2041 кг/м, массовый расход воздуха необходимый для полного сжигания топлива при стехиометрическом соотношении с альфа=1 составил 4,31 кг/сек.
На основе заявляемого изобретения была создана серийная модель установки утилизации отходов КМУО ЦКМ.90.00.00.000, технические характеристики которой приведены в таблице 2:
Таблица 2
<b>№</b>
<b>Наименование показателя</b>
<b>Значение показателя</b>
1
Режим работы
Постоянный,с периодическим обслуживанием
2
Степень уничтожения (переработки), %, не менее
99
3
Тепловая мощность, кВт/час, не менее
10 000
4
Габаритные размеры КМУО из 9 двадцатифутовых контейнеров, мм(ширина, длина, высота)
4800 х12000 х10200
5
Масса конструктивная, кг, не более
42 000
6
Параметры сети
номинальное напряжение, В
220/380
Частота, Гц
50-60
7
КПД, %, не ниже
65
8
Рабочее давление в реакторе, МПа(кгс/см<sup>2</sup>)
- номинальное
0,002(0,02)
- максимальное
0,005(0,05)
9
Время выхода на рабочий режим, минут, не более
60
10
Время непрерывной работы до капитального ремонта, час, не менее
40 000
11
Максимальная потребляемая мощность, кВт
130
12
Установленная мощность, кВт
90
13
Обслуживающий персонал, чел./смену
2
14
Максимальная температура дымовых газов), С°.
1300
15
Степень опасности перерабатываемых отходов
2-5 классовГОСТ 12.1.007
16
Виды отходов
Промышленные и бытовые отходы
17
Наибольшая допустимая влажность сырья, %
100
18
Требования к предварительной сортировке отходов
1. Удаление металлов и строительного мусора2. Создание однородной массы с использованием шредерной установки
19
Генерируемая электрическая энергия, кВт в час
От 500 до 1000
20
Передача тепловой энергии (теплоноситель вода: Т=115°С, Р= 5 Бар), МВт в час
До 8
Размещение всех узлов установки на жестком каркасе, который обладает габаритами, позволяющими разместить его в стандартном транспортном контейнере, позволяет быстро организовать утилизацию значительного количества отходов за счет обеспечения одновременной работы нескольких установок (модулей). Что существенно расширяет функциональные возможности заявляемой установки (за счет вариативности количества установок - модулей, требующихся для обеспечения утилизации отходов любого объема).
Упрощение конструкции и снижение габаритных размеров установки обеспечивается за счет снижения количества функциональных узлов по сравнению с наиболее близким аналогом, за счет компактного размещения ресивера и камеры дожига.
Повышение производительности обеспечено за счет обеспечения эффективного теплового баланса в установке путем подачи воздуха с выхода ресивера в надколосниковую и подколосниковую зоны терморектора. Повышение производительности по сравнению с наиболее близким аналогом составляет 8-12%.