Устройство для снижения выбросов угарного газа и оксида азота при утилизации ТБО методом сжигания
DEVICE FOR REDUCING EMISSIONS OF CARBON MONOXIDE AND NITROGEN OXIDE WHEN UTILIZING SOLID WASTE BY INCINERATION

Изобретение относится к области переработки твердых бытовых отходов (ТБО) методом сжигания
Одним из компонентов ТБО являются изделия из полимерных материалов, которые при горении выделяют опасные для окружающей среды вещества [Мазурин И. М., Понуровская В. В., Колотухин С. П. Экологический тупик от сжигания мусора и возможные пути его преодоления //Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. – 2018. – Т. 16. – №. 3-4.].
Известен способ [патент на изобретение RU 2694268. Способ интенсификации и управления пламенем. МПК F23C 99/00. Заявка № 2018104632 от 06.02.2018, опубл. 11.07.2019 в бюл. № 20], позволяющий использовать однородное электрическое поле, создаваемое двумя кольцевыми электродами, как катализатор горения для снижения выбросов CO и NO, однако он разработан применительно для горения газовых смесей. К недостаткам данного способа можно отнести следующее:
выбранная конфигурация электродов создает однородное электрическое поле, напряженность которого очень сильно зависит от расстояния между электродами при заданной разности потенциалов. Заявленное эффективное значение напряженности влияния в 100 кВ/м предполагает при расстоянии между кольцевыми электродами один метр подачу разности потенциалов в 100 кВ. Данный факт указывает на необходимость дорогостоящего оборудования и высокие требования к безопасности работы.
Конфигурация электродов кольцо-кольцо не позволяет создавать электрическое поле в зоне расплава при горении полимера. При этом именно интегральное наложение электростатического поля на область горения полимеров, согласно исследованиям, приводит к значительному повышению температуры горения [Решетников С. М., Позолотин А. П., Зырянов И. А. Горение полимеров в электростатическом поле //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика СП Королёва (национального исследовательского университета). – 2013. – №. 3-1 (41)], полноты сгорания до 15% [Зырянов И. А. и др. Возможность снижения токсичности газообразных выбросов энергетических установок воздействием электростатического поля на зону горения органического топлива //Теоретическая и прикладная экология. – 2019. – №. 1. – С. 88-93].
Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении температуры в камере сжигания, вследствие которой изменяется состав продуктов термического разложения и увеличивается полнота сгорания.
Технический результат достигается тем, что устройство для снижения выбросов угарного газа (CО) и оксида азота (NO) при утилизации ТБО методом сжигания в электростатическом поле включает в себя два электрода, помещаемые в зону горения, при этом один электрод представляет собой изолированную керамическими вставками колосниковую решетку для сжигания ТБО, а другой электрод выполнен в виде стержня, изготовленного из жаропрочной стали, и помещен в керамический изолятор. При этом между электродами подается постоянная разность потенциалов до 3 кВ, которая способствует увеличению температуры сжигания и изменению процессов термического разложения ТБО.
Устройство работает следующим образом.
В камеру сжигания котельной установки любого типа, осуществляющей горение ТБО на колосниковой решетке для снижения выбросов СO и NO помещается система электродов (см. Фигура). Электрод 1 выполнен из жаропрочной стали (возможно применение марок 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и пр.) и помещен в керамический изолятор 2. Электрод 3 представляет собой колосниковую решетку, изолированную от корпуса котла керамическими вставками 4 (примеры материалов для изолятора 2 и вставок 4: МКС-72, КС-95 и пр.), на которую помещаются элементы ТБО для сжигания 5. На электроды подается постоянное напряжение до 3 кВ от источника 6, при помощи высоковольтных проводов 7. Электрод 1 соединен с отрицательным полюсом источника, электрод 3 - с положительным полюсом. Данная система отличается от изложенной в патенте RU 2694268 тем, что позволяет создавать электростатическое поле на всех участках горения полимера, оказывает существенное влияние на рост температуры горения (до 150 К) и процессы термического разложения, которые при разных темпах нагрева полимера дают разные продукты распада [Решетников С. М., Решетников И. С. Анатомия горения //Москва, НГСС. – 2014. – №. 247c. ISBN. – С. 987] и не требует использования высокого (100 кВ) напряжения.
Принцип работы изобретения заключается в следующем: между электродом 1 и 3 создается электростатическое поле, напряженность которого максимальна у электрода 1 и однородна у электрода 3. В пламени полимеров существуют избыточные заряды (положительные и отрицательные) [Решетников С.М. Особенности горения полимеров в электростатическом поле [Текст] / С.М Решетников., И.А Зырянов., А.П Позолотин // Известия ЮФУ. Технические науки, Таганрог, 2013. - №8. С.30-36]. Со стороны электрического поля на заряженные частицы действует сила Кулона (F=qE), которая приводит к их движению, в результате чего изменяется форма пламени и повышается температура горения продуктов пиролиза к-фазы. Повышение температуры приводит к росту теплового потока в к-фазу, в результате чего происходит изменения в составе продуктов газификации. Описанные выше процессы приводят к снижению выбросов СO, см. Таблицу 1 (результаты получены на модельной установке, имитирующей условия сжигания, описанные выше).
Таблица 1. Зависимости суммарных концентраций выбросов CO/NO за время горения, отнесенных к массе сгоревшего топлива , от разности потенциалов между электродами
сжигаемый образец\разность потенциалов
0 кВ
3 кВ
полистирол (выбросы CO)
3980
3680
полипропилен (выбросы CO)
2960
870
СКД-2 (выбросы CO)
2420
1670
СКД-2 (выбросы NO)
250
95