УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к переработке отходов и может быть использована для утилизации бытовых, сельскохозяйственных и промышленных углерод-водородсодержащих отходов с получением в процессе переработки синтез-газа.
Известно устройство для переработки бытового мусора и/или отходов органических материалов, содержащее реактор, снабженный приемной емкостью, выполненной в виде герметичных внешнего цилиндра и внутреннего цилиндра, в котором содержится шнек с переменным шагом, имеющий стальной полый вал, соединенный с приводом, причем полый вал выполнен с входным и выходным патрубками ввода/вывода горячих газов (теплоносителя), между внешним и внутренним цилиндрами расположена спиралевидная направляющая, на внешнем цилиндре установлена группа патрубков ввода горячих газов (теплоносителя) и патрубок отвода горячих газов (теплоносителя), узел выгрузки твердого продукта, выполненным в виде газоплотных шиберов, а приемная емкость снабжена шнеком с приводом (Инновационный патент Республики Казахстан №28008 А4, опубл. 25.12.2013).
К недостаткам известного устройства следует отнести его невысокие технологические возможности, обусловленные тем, что при высокотемпературной - свыше 600°С - обработке отходов жесткость металлического шнека (особенно - с полым валом) существенно снизится, следствием чего явится изменение геометрических и иных эксплуатационных параметров вплоть до полной потери работоспособности.
2
2
2
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является устройство для переработки отходов, содержащее объединенные в технологическую цепочку загрузочный бункер, пиролизную и выходную камеры, последняя из которых оснащена плазмотроном для обработки пиролизного газа, источник НO и средства нагрева НO и подвода горячего пара к зоне действия плазмотрона, обеспечивающего обработку (финальную) газовой смеси для разложения высокомолекулярных соединений с подводом водяного пара, позволяющего регулировать качественный состав газовой смеси по соотношению Н и СО, причем пиролизная камера выполнена в виде корпуса с размещенным в нем средством подачи отходов вдоль корпуса и с камерой подвода горячих газов к части корпуса со стороны выходной камеры (Патент РФ №2569667 С1, опубл. 27.11.2015).
Для прототипа характерны:
- удобная регулировка производительности;
- повышение продолжительности времени нахождения углеводородных материалов в зоне газификации (пиролиза);
- высокая производительность;
- возможность возврата тепла в цикл (рекуперация) путем установки теплообменников;
- одновременное использование разных по влажности и морфологическому составу перерабатываемых углеводородных материалов;
- высокая надежность;
- простота конструкции.
К недостаткам прототипа следует отнести относительно низкую эффективность, обусловленную недостаточно высоким теплообменом между подводимыми горячими газами и отходами в корпусе, особенно на выходе отходов из корпуса в выходную камеру.
Задачей полезной модели является улучшение теплообмена.
Технический результат - повышение эффективности работы устройства для переработки отходов.
2
2
2
2
2
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для переработки отходов, содержащее объединенные в технологическую цепочку загрузочный бункер, пиролизную и выходную камеры, последняя из которых оснащена плазмотроном для обработки пиролизного газа, источник НO и средства нагрева НO и подвода горячего пара к зоне действия плазмотрона, причем пиролизная камера выполнена в виде корпуса с размещенным в нем средством подачи отходов вдоль корпуса и с камерой подвода горячих газов к части корпуса со стороны выходной камеры, снабжено размещенным в корпусе перед выходной камерой паровым соплом с входом и выходом пара и установленным в камере подвода горячих газов теплообменником с входом НO и выходом пара, при этом выход парового сопла обращен внутрь корпуса, а вход парового сопла соединен с выходом теплообменника, при этом вход теплообменника соединен с источником НO или со средством подвода горячего пара к зоне действия плазмотрона или вход теплообменника соединен с источником НO, а выход теплообменника соединен со средством подвода горячего пара к зоне действия плазмотрона.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
- на Фиг. 1 представлена схема заявленного устройства для переработки отходов в соответствии с 1 и 2 пунктами формулы полезной модели;
- на Фиг. 2 представлена схема заявленного устройства для переработки отходов в соответствии с 1, 3 и 4 пунктами формулы полезной модели.
Устройство для переработки отходов в промышленном исполнении включает следующие основные компоненты:
1 - бункер подачи измельченных материалов (отходов);
2 - шнек (или иное средство подачи отходов вдоль корпуса);
3 - регулируемый привод (для изменения производительности устройства);
4 - горелка для получения необходимого количества тепла для газификации (пиролиза);
5 - камера подвода горячих газов к корпусу (шнека);
6 - теплообменник (корпуса) с оребрением для увеличения теплопередачи от газов к перерабатываемому материалу;
7 - линия отвода конденсата от первой ступени нагрева материала;
8 - линия подвода пара к нагревателю материала первой ступени, к воздухоподогревателю и к паровой форсунке;
9 - теплообменник для охлаждения получаемой газовой смеси;
2
10 - подвод конденсата к теплообменнику (источник НO);
11 - выходная камера;
12 - плазматрон обработки газовой смеси;
13 - плазмотрон для остекловывания шлака;
14 - летка (отверстие выхода шлака);
15 - ванна;
16 - механический фильтр очистки газовой смеси;
17 - компрессор транспортировки газовой смеси;
18 - линия транспортировки газовой смеси к потребителю;
19 - воздухоподогреватель;
20 - подвод холодного воздуха;
21 - дутьевой вентилятор;
22 - воздуховод;
23 - теплообменник нагрева паром воздуха;
24 - линия горячего конденсата с теплообменника;
2
25 - сетевой подогреватель (средство нагрева НO);
2
26 - линия подвода сетевой воды к подогревателю (источник НO);
27 - сетевой насос;
2
28 - выход нагретой сетевой воды (источник НO);
29 - дымовая труба;
30 - выход дымовых газов в атмосферу;
31 - подвод топлива к горелке;
32 - отвод в свечу;
33 - паровое сопло форсунки (средство подвода горячего пара к зоне действия плазмотрона);
34 - линия отвода получаемой газовой смеси;
35 - устройство механического удаления шлака (транспортер);
36 - газоанализатор;
37 - теплообменник;
38 - выход теплообменника;
39 - вход теплообменника;
40 - паровое сопло;
41 - выход парового сопла;
42 - вход парового сопла;
43 - корпус (шнека).
2
Заявленное устройство представляет собой реактор или газификатор. Шнек оборудуется регулируемым приводом по производительности. На поверхности корпуса и в камере выхода газовой смеси устанавливаются устройства измерения температуры. Для обеспечения стабильности состава газовой смеси вводится автоматическое регулирование производительности устройства путем регулирования объема подачи материалов в зависимости от температуры в зоне выхода газовой смеси из устройства и температуры корпуса. Мощность источника тепла (горелки) регулируется в зависимости от производительности (оборотов) устройства подачи материалов. Мощность плазмотронов для обработки газовой смеси (исключения примесей высокомолекулярных соединений) и плавления шлака, для перевода его в остеклованную форму, регулируется в зависимости от качественного состава газовой смеси (от доли водорода Н) и производительности (оборотов) устройства подачи материалов. Шлак минеральной части материалов в жидком (расплавленном) виде через отверстие снизу выходной части устройства попадает в шлаковую ванну, заполненную водой и оборудованную устройством удаления шлака.
2
Применяемые источники подвода тепла - горелки, сжигающие часть получаемой газовой смеси, имеют устройство регулирования мощности, устанавливаются в нижней части камеры с подводом тепла к оребренному корпусу. Их количество и общая мощность определяются производительностью устройства. Для регулирования соотношения Н и СО в газовой смеси в верхнюю выходную часть устройства вводится через сопло форсунки водяной пар перед плазмотроном обработки газовой смеси. Его количество регулируется в зависимости от показателей качества газовой смеси на выходе из устройства. Это обеспечивает гарантированный стабильный состав газовой смеси.
2
Устройство для производства газовой смеси из углеводородных материалов имеет шнек, транспортирующий обрабатываемый материал внутри корпуса. Подвод тепла к материалу производится по мере его продвижения к выходной части корпуса с наибольшей температурой на выходе, в выходной камере устройства устанавливается плазмотрон, обеспечивающий обработку (финальную) газовой смеси для разложения высокомолекулярных соединений с подводом водяного пара, позволяющего регулировать качественный состав газовой смеси по соотношению Н и СО, что позволяет использовать в устройстве различные по влажности и морфологическому составу углеводородные материалы, в устройстве также используется принцип рекуперации тепла, за счет возврата тепла при охлаждении газовой смеси для подогрева материала, подаваемого на газификацию и воздуха перед горелками.
Режим газификации определяется прямой зависимостью - для газификации одного килограмма материала требуется фиксированное количество тепла. Газификация происходит при Т=700-800°С. Режим газификации осуществляется регулированием производительности дозатора материала и мощностью нагревателя (горелки) для обеспечения температуры в выходной точке корпуса газификатора, равной Т=700-800°С. Мощность плазмотронов при подаче материала в количестве В=2,5 т/ч следующая:
- для обработки газовой смеси - 150 кВт (с регулировкой от 50 до 150 кВт);
- для остекловывания шлака - 250 кВт (с регулировкой от 100 до 250 кВт).
Количество необходимого тепла определяется количеством материала, подаваемого на газификацию. Количество материала регулируется оборотами привода шнека. Контрольным показателем является температура выходящей из корпуса газовой смеси (700-800°С), замеряемой термопарой в верхней части корпуса перед выходной камерой. Ввод водяного пара через сопло форсунки осуществляется в струю плазмы плазмотрона обработки газовой смеси. Сопло форсунки устанавливается перед плазмотроном со стороны выхода струи плазмы.
2
В отличие от прототипа, устройство снабжено размещенным в корпусе 43 перед выходной камерой 11 паровым соплом 40 с выходом 41 и входом 42 пара и установленным в камере 5 подвода горячих газов теплообменником 37 с входом 39 НO (в зависимости от нижеописанных подключений в жидком или газообразном, холодном или нагретом виде) и выходом 38 пара, при этом выход 42 парового сопла 40 обращен внутрь корпуса 43, а вход 42 парового сопла 40 соединен с выходом 38 теплообменника. При этом подвод уже нагретого пара к входу 39 теплообменника 37 может быть осуществлен, в зависимости от проектных характеристик устройства и/или компоновочной целесообразности проводки водо-газо- магистралей, от линии 8 подвода пара к нагревателю материала первой ступени, к воздухоподогревателю и к паровой форсунке (Фиг. 1) или от подвода 10 конденсата к теплообменнику или от линии 26 подвода сетевой воды к подогревателю или от выхода 28 нагретой сетевой воды с возможной заменой существующего (сплошная линия) участка подвода пара к паровой форсунке 33 линии 8 на новый участок (пунктирная линия) подвода пара к паровой форсунке 33 от выхода 38 пара теплообменника 37 (Фиг. 2). Такое решение ускоряет (за счет теплообменных свойств пара) нагрев до требуемой температуры вещества (отходов) на выходе из корпуса 43 в выходную камеру 11, сохраняя расход пара на приемлемом уровне, что способствует повышению эффективности работы устройства в целом. Вариативность вышеописанных подключений, в дополнение к заявленному техническому результату, расширяет технологические (компоновочные) возможности устройства.
Устройство для переработки отходов работает следующим образом.
В бункер подачи материалов 1 загружается необходимый объем материалов для обработки, включается на минимальную производительность привод 3 (выбор режима), для заполнения материалом корпуса 43, затем привод 3 отключается, включаются плазмотроны 12 и 13, дутьевой вентилятор 21, горелка 4, устройство механического удаления шлака из ванны 35, теплообменники 6, 23 и 25. Начинается прогрев выходной камеры устройства и поданного материала внутри корпуса шнека 2, при этом выделяется газовая смесь (неочищенная). При температуре 80°С газовой смеси перед теплообменником 9 подается конденсат 10 на теплообменник 9. Включается на среднюю производительность привод шнека 3 (выбор режима) и регулированием мощности горелки 4 путем подачи топлива к горелке 31 устанавливается режим газификации поданного материала. Температура газовой смеси в выходной камере 11 устройства увеличивается до 650°С, получаемая газовая смесь через линию отвода получаемой газовой смеси 34 отводится в свечу 32 и сжигается. При этом подается вода в теплообменник 37 по одному из вышеописанных подключений и, по достижении паром температуры порядка 550°С включается подвод в корпус 43 горячего пара через сопло 40. При увеличении температуры газовой смеси до 800°С в выходной камере 11 установка выводится на рабочий режим. Включается компрессор 17 для подачи газовой смеси потребителю для дальнейшего использования и прекращается подача газовой смеси на свечу 32.
2
2
Далее, как и в прототипе, выделившаяся газовая смесь проходит через механический фильтр очистки газовой смеси 16 и в очищенном виде через компрессор 17 подается потребителю 18. Для увеличения доли Н в газовой смеси через сопло паровой форсунки 33 перед плазмотроном обработки газовой смеси 12 вводится водяной пар от линии 8. При этом, часть требуемого пара - источника (под действием плазмотрона 12) Н для газовой смеси - поступает через сопло 40. Качество получаемой газовой смеси проверяется с помощью газоанализатора 36. При работе теплообменника 6 образовавшийся конденсат удаляется через линию отвода конденсата от первой ступени нагрева материала 7. Производительность плазмотрона для остекловывания шлака 13 регулируется в зависимости от морфологии и влажности используемого материала, добиваясь, чтобы через отверстие выхода шлака 14 в ванну приемки шлака 15 попадал гранулированный остеклованный шлак. Подвод холодного воздуха 20 в воздухоподогреватель 19 осуществляется с помощью дутьевого вентилятора 21, нагретый уходящими из устройства дымовыми газами воздух через воздуховод 22 поступает в теплообменник нагрева паром воздуха 23, при этом из теплообменника 23 по линии 24 горячий конденсат поступает к нагревателю первой ступени корпуса 43. Поступающая с помощью сетевого насоса 27 сетевая вода 26 в сетевом подогревателе 25 подогревается уходящими из устройства горячими дымовыми газами, после чего нагретая сетевая вода через выход 28 направляется потребителю. Охлажденные в сетевом подогревателе 25 дымовые газы поступают в дымовую трубу 29, откуда рассеиваются в атмосфере через выход 30.
Шлак после шнека падает на нижнюю часть выходной камеры. Температура шлака после шнека составляет 700-800°С. Плавление шлака происходит при температуре 1250-1350°С. Для нагрева до этой температуры применяется плазмотрон 13 для остекловывания с направлением струи плазмы на верхний слой упавшего шлака. Верхняя часть шлака начинает плавиться и стекать в остеклованном виде через летку 14 (отверстие) в водяной объем шлаковой ванны 15 с последующим удалением транспортером 35 из ванны.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - улучшение теплообмена - решена, а заявленный технический результат - повышение эффективности работы устройства для переработки отходов - достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к переработке отходов и может быть использована для утилизации бытовых, сельскохозяйственных и промышленных углерод-водородсодержащих отходов с получением в процессе переработки синтез-газа;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.