УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СОСТОЯЩЕГО ИЗ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ СЫРЬЯ
APPARATUS FOR PROCESSING RAW MATERIAL CONSISTING OF CARBON-CONTAINING SOLID MATERIALS

Изобретение относится к средствам переработки и уничтожения твердых бытовых и промышленных отходов, в которых содержатся фрагменты с углеродсодержащими веществами.
Известно устройство для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья [1], содержащее выполненную в корпусе топку, устройство для загрузки сырья, устройство поджига сырья с горелками, устройство нижнего дутья с образованием вихревого движения потока дутья посредством дугообразных лопастей.
Вследствие недостаточности устройств для перемешивания сырья переработка сырья обеспечивается не в полной мере.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья [2], содержащее выполненную в корпусе топку, устройство для загрузки сырья с бункером, устройство для перемешивания сырья с дугообразными лопастями, устройство для подачи воздуха в верхнюю часть топки, шнековый механизм для удаления шлаков с каналом продвижения шлаков, устройство поджига сырья с горелками, устройство нижнего дутья с образованием вихревого движения потока дутья.
Так как лопасти для перемешивания сырья неподвижны, то не исключается налипание на них частиц сырья, что затрудняет прохождение воздуха в топку по магистрали устройства нижнего дутья. В результате снижается эффективность процесса переработки сырья.
Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности переработки сырья, уменьшении требований к размерам фракций сырья и составу сырья и повышении надежности устройства для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья.
Данный технический результат достигается в устройстве для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья, содержащем выполненную в корпусе топку, устройство для загрузки сырья с бункером, устройство для перемешивания сырья с дугообразными лопастями, устройство для подачи воздуха в верхнюю часть топки, шнековый механизм для удаления шлаков с каналом продвижения шлаков, устройство поджига сырья с горелками, устройство нижнего дутья с образованием вихревого движения потока дутья, тем, что устройство для подачи воздуха в верхнюю часть топки выполнено с входом потока воздуха в топку в тангенциальном направлении, в устройстве для загрузки сырья выполнен имеющий канал продвижения сырья шнековый механизм с образованием поступательного движения сырья в горизонтальном направлении, устройство для загрузки сырья сориентировано так, что направление входа сырья в топку перпендикулярно направлению потока воздуха, устройство для перемешивания сырья совмещено со шнековым механизмом в устройстве для загрузки сырья и выполнено путем установки на витках шнекового механизма по крайней мере одной лопасти на одном витке, в шнековом механизме для удаления шлаков на витках шнекового механизма установлены лопасти по крайней мере по одной лопасти на одном витке, лопасти в шнековом механизме устройства для загрузки сырья и шнековом механизме для удаления шлаков установлены на их витках так, что дугообразные поверхности каждой лопасти концентричны с внешней окружностью витков шнекового механизма, устройство нижнего дутья выполнено в виде каналов, которые расположены на боковой стенке топки по идущей вверх винтовой линии, выходное отверстие каждого канала выполнено с образованием потока воздуха в тангенциальном направлении, горелки устройства поджига сырья установлены в корпусе так, что последующая горелка расположена выше предыдущей горелки и отстоит от нее на угловом расстоянии в 90°, причем первый из каналов устройства нижнего дутья выполнен длиной в четверть оборота винтовой линии, а каждый последующий канал образован длиной, дополняющей предыдущий канал на четверть одного оборота винтовой линии расположения каналов на боковой стенке топки.
В одном частном случае в устройстве для загрузки сырья образован дугообразный выступ, расположенный на внутренней поверхности канала продвижения сырья в шнековом механизме концентрично с лопастью на витке.
В другом частном случае в шнековом механизме устройства для загрузки сырья на имеющем лопасть витке шнекового механизма установлена вторая лопасть, расположенная диаметрально противоположно по отношению к первой лопасти на стороне витка, противоположной стороне, на которой расположена первая лопасть, на внутренней поверхности канала продвижения сырья образован второй дугообразный выступ, расположенный диаметрально противоположно по отношению к первому выступу со стороны второй лопасти.
В еще одном частном случае в шнековом механизме устройства для удаления шлаков на имеющем лопасть витке шнекового механизма установлена вторая лопасть, расположенная диаметрально противоположно по отношению к первой лопасти на стороне витка, противоположной стороне, на которой расположена первая лопасть.
Устройство для подачи воздуха в верхнюю часть топки выполнено с входом потока воздуха в топку в тангенциальном направлении, в устройстве для загрузки сырья выполнен имеющий канал продвижения сырья шнековый механизм с образованием поступательного движения сырья в горизонтальном направлении, устройство для загрузки сырья сориентировано так, что направление входа сырья в топку перпендикулярно направлению потока воздуха, устройство нижнего дутья выполнено в виде каналов, которые расположены на боковой стенке топки по идущей вверх винтовой линии, выходное отверстие каждого канала выполнено с образованием потока воздуха в тангенциальном направлении, горелки устройства поджига сырья установлены в корпусе так, что последующая горелка расположена выше предыдущей горелки и отстоит от нее на угловом расстоянии в 90°, обеспечивается повышение эффективности процесса переработки сырья, так как поступающее в топку сырье вовлекается во вращательное движение потоком воздуха сразу после его входа в топку, вовлекается во вращательное движение во всем объеме топки за счет потока нижнего дутья из расположенных по боковой стенке топки каналов, вихревое движение сырья приводит к его разделению на более мелкие части, поджиг более мелких частей осуществляется более эффективно, что способствует интенсивному горению сырья во всем объеме топки при одновременном поджиге в нескольких очагах.
Так как устройство для перемешивания сырья совмещено со шнековым механизмом в устройстве для загрузки сырья и выполнено путем установки на витках шнекового механизма лопастей, то при проходе сырья по каналу продвижения сырья не образуется уплотненная порция сырья, и при входе сырья в топку нет затруднений для разделения сырья на более мелкие части потоком воздуха в верхней части топки и потоком нижнего дутья. Таким образом достигается повышение эффективности процесса переработки сырья.
Путем установки на витках шнекового механизма в устройстве для загрузки сырья выступов на внутренней поверхности канала продвижения сырья в шнековом механизме концентрично с лопастями на витках обеспечивается уменьшение требований к размерам фракций сырья и составу сырья, так как с помощью лопастей и выступов происходит размельчение сырья на более мелкие части и исключается намотка волокнистых материалов на шнек в промежутках между его витками. Одновременно повышается надежность устройства для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья вследствие устранения в шнековом механизме затора сырья, способного вызвать поломку шнекового механизма.
В результате установки в шнековом механизме для удаления шлаков на витках шнекового механизма лопастей устраняется возможность спекания шлаков, что приводит к повышению надежности устройства для переработки сырья вследствие устранения в шнековом механизме затора шлака, который может вызвать поломку шнекового механизма для удаления шлаков.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1 устройства для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья, на фиг.3 - разрез по Б-Б устройства для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья фиг.1, на фиг.4 - вид шнекового механизма в устройстве для загрузки сырья, на фиг.5 - разрез по В-В шнекового механизма фиг.4, на фиг.6 - разрез по Г-Г шнекового механизма фиг.4, на фиг.7 - вид шнекового механизма для удаления шлаков.
Устройство для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья (фиг.1) содержит кожух 1, выполненный из жаропрочного бетона корпус 2, крышку 3, расположенную в корпусе 2 вдоль его вертикальной оси 4-4 топку 5, шнековый механизм 6 и бункер 7 в устройстве для загрузки сырья, шнековый механизм 8 для удаления шлаков, выполненный из жаропрочной стали рассекатель 9. Шнековый механизм 6 и шнековый механизм 8 имеют двигатели привода, не показанные на фиг.1. Между боковой стенкой 10 топки 5 и рассекателем 9 образован зазор 11. В нижней части корпуса расположены выходящий из топки 5 трубопровод 12 отходящих газов и трубопровод 13 для выхода шлака, который соединен с каналом 14 продвижения шлаков в шнековом механизме 8 для удаления шлаков. Трубопровод 15 для вывода шлаков соединен с каналом 14 продвижения шлаков. Идущий от нагнетателя воздуха трубопровод 16 устройства для подачи воздуха установлен в корпусе 2 с входом в верхнюю часть топки 5. Устройство нижнего дутья содержит соединенные с нагнетателем воздуха и входящие с низа топки 5 первый канал 17, второй канал 18, третий канал 19 и четвертый канал 20. Первый 17, второй 18, третий 19 и четвертый 20 каналы расположены на боковой стенке 10 топки 5 и идут вверх по винтовой линии. Первый канал 17 имеет длину, равную длине четверти витка винтовой линии расположения каналов по боковой стенке 10. Второй канал 18 выполнен длиной в половину витка винтовой линии, то есть его длина больше длины первого канала 17 на четверть витка. Третий канал 19 имеет длину в три четверти витка винтовой линии, длина четвертого канала 20 равна длине витка винтовой линии. При таком расположении каналов и выполнении их длин поток воздуха из выходных отверстий каналов распределен по окружности боковой стенки 10 и выходит в тангенциальном направлении относительно боковой стенки 10 из каждого канала. Первая горелка 21 расположена в корпусе 2 с выходом ее сопла в нижнюю часть топки 5. Вторая горелка 22 расположена выше первой горелки 21, следующая горелка находится выше второй горелки, последняя горелка 23 расположена выше предыдущей горелки.
Трубопровод 16 устройства для подачи воздуха (фиг.2) входит в корпус 2 так, что выходящий из него поток воздуха ориентирован в тангенциальном направлении относительно боковой стенки 10 топки 5. Первая горелка 21, вторая горелка 22, последняя горелка 23 и предшествующая ей горелка 24 находятся друг от друга на угловом расстоянии 90°, считая по окружности боковой стенки 10.
В устройстве для загрузки сырья (фиг.3) к бункеру 7 подсоединен трубопровод 25, входящий в канал 26 продвижения сырья шнекового механизма 6. Ось канала 26 продвижения сырья расположена горизонтально. Шнековый механизм 6 сориентирован так, что поступательное направление входа сырья в топку перпендикулярно направлению потока воздуха, выходящего из трубопровода 16.
(k-1)
k
(k-1)
(i-1)
k
i
(j-1)
j
(i-1)
i
Шнековый механизм 6 устройства для загрузки сырья (фиг.4) содержит витки 27', 27", 27"'… 27, 27. На витке 27' расположена лопасть 28', на витке 27" - лопасть 28", на витке 27"' - лопасть 28"'. Далее на витке 27 выполнена лопасть 28, на витке 27 - лопасть 28. На внутренней поверхности канала 26 продвижения сырья образованы выступы 29',29",29"'…29,29, расположенные концентрично с лопастями 28', 28", 28"'… 28, 28.
(i-1)
i
(j-1)
j
Лопасть 28' (фиг.5) на витке 27' имеет дугообразную форму, также имеет дугообразную форму выступ 29'. Форму, аналогичную форме лопасти 28', имеют лопасти 28", 28"'… 28, 28. С такой же формой, что и выступ 29', выполнены выступы 29", 29"'…29, 29.
(k-1)
k
(k-1)
k
На витке 27" (фиг.6) в частном случае выполнения шнекового механизма 6 выполнена дугообразная лопасть 30, расположенная диаметрально противоположно по отношению к лопасти 28" на стороне витка, противоположной стороне, на которой расположена лопасть 28". На внутренней поверхности канала 26 продвижения сырья образован дугообразный выступ 31, расположенный диаметрально противоположно по отношению к выступу 29"со стороны витка 27", на которой расположена лопасть 30. Подобным же образом образованы лопасти на витках 27"'… 27,27 и выступы на внутренней поверхности канала 26 продвижения сырья со сторон витков 27"'… 27,27, где образованы лопасти.
(k-1)
k
(i-1)
i
(k-1)
k
(k-1)
i
(k-1)
k
(i-1)
i
В шнековом механизме 8 (фиг.7) на витках 32', 32", 32"'… 32, 32 образованы дугообразные лопасти 33', 33", 33"'… 33, 33. Аналогично тому, как выполнена лопасть 30 в шнековом механизме 6 устройства для загрузки сырья, в шнековом механизме 8 устройства для удаления шлаков на витках 32", 32"'… 321, 32 шнекового механизма 8 могут быть установлены вторые дугообразные лопасти, расположенные диаметрально противоположно по отношению к лопастям 33", 33"'… 33, 33 на сторонах витков 32", 32"'… 32,32, противоположных сторонам, на которых расположены лопасти 33", 33"'… 33, 33.
(i-1)
i
(i-1)
i
Лопасти 28',28", 28"'… 28, 28, 33', 33", 33"'… 33, 33 и все другие лопасти типа лопасти 30 могут быть прикреплены к соответствующим виткам шнековых механизмов посредством сварки, например лазерной.
(i-1)
i
(i-1)
i
Каждая из лопастей 28',28", 28"'… 28, 28, 33', 33", 33"'… 33, 33 и всех других лопастей типа лопасти 30 может быть расположена на разной высоте по высоте витка.
(i-1)
i
(k-2)
(k-1)
k
(i-1)
(i-1)
j
Устройство для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья работает следующим образом. Сырье из бункера 7 по трубопроводу 25 подается в шнековый механизм 6. При поступательном перемещении сырья по каналу 26 продвижения сырья оно посредством лопастей 28', 28", 28"'… 28, 28 перемешивается в пространстве между витками 27', 27", 27"'… 27, 27, 27 шнекового механизма 6, вследствие чего сырье разрыхляется, предотвращая образование между витками уплотнений сырья, чреватых остановкой шнекового механизма 6. Намотка на лопасти содержащихся в сырье волокнистых материалов предотвращается тем, что лопасти 28', 28", 28"'... 28, 28i очищаются, попадая в пространство между ними и выступами 29', 29", 29"'… 29, 29. Разрыхленное сырье входит в топку 5 и попадает перпендикулярно к струе потока воздуха, входящего в топку 5 в тангенциальном направлении по трубопроводу 16. Поток воздуха выдувает мелкие части из разрыхленных порций сырья и приводит их и другие части сырья во вращательное движение в топке 5 относительно оси 4-4. Потоками воздуха, выходящими в тангенциальном направлении из каналов 17, 18, 19, 20, создается вращательное движение относительно оси 4-4 всего содержимого топки 5.
Посредством горелок 21,22,23 и 24 производится поджиг находящихся в сырье горючих материалов по всему объему топки 5. Одновременно с воспламенением горючих материалов возникают местные очаги горения всего состава сырья. Происходит это потому, что при образовавшемся интенсивном вихревом движении всего содержимого топки 5 в результате трения между хаотически перемещающимися относительно друг друга частями сырья частицы сырья приобретают электрические заряды. Тогда между разноименными зарядами частиц сырья возникают локальные искровые разряды, в результате которых в области локального искрового разряда происходит мгновенное повышение температуры до нескольких тысяч градусов, что приводит к разрушению находящихся в области локальных искровых разрядов частей сырья на более мелкие части. Ввиду многочисленности непрерывно происходящих локальных искровых разрядов процесс разрушения сырья охватывает весь объем полости топки 5. При разрушении частей сырья на более мелкие части увеличивается количество заряженных частиц сырья, увеличивается количество локальных искровых разрядов, происходит еще большее дробление сырья, приводящее его к разрушению вплоть до молекулярного уровня. Многочисленность локальных искровых разрядов и умножение очагов повышенной температуры с одновременным горением горючих материалов вызывает повышение температуры в топке 5. Так как процесс образования электрических зарядов у частиц сырья, возникновения локальных искровых разрядов происходит лавинообразно с одновременным горением горючих материалов, то температура во всем объеме топки 5 повышается почти мгновенно. Так как горение осуществляется по поверхности частиц, а в топке 5 образуется множество мельчайших частиц сырья, то в топке 5 возникает большое множество очагов горения на значительной суммарной площади поверхности горения. В результате при наличии высокой температуры в топке 5 и образовании многочисленных очагов горения в топке 5 происходит практически полное сгорание углеродсодержащих веществ, а также плавление негорючих материалов. При этом также сгорают попадающие на рассекатель 9 углеродсодержащие вещества из состава сырья вследствие высокой температуры на поверхности рассекателя 9. Высокая температура рассекателя 9 объясняется тем, что при каждом длящемся кратковременно локальном разряде между взаимодействующими частицами сырья протекает ток разряда, генерирующийся импульс электромагнитного излучения, и значительная многочисленность происходящих локальных разрядов вызывает высокочастотное электромагнитное излучение, которое генерирует в выполненном из металлического материала рассекателе 9 вихревые токи, приводящие к его разогреву.
Таким образом устройство для переработки состоящего из твердых углеродсодержащих материалов сырья обеспечивает полную переработку сырья с образованием негорючих твердых остатков.
Образовавшиеся в процессе горения газообразные продукты вызывают повышение давления в топке 5, вследствие чего газообразные продукты поступают в низ топки 5, через зазор 11 выводятся из топки 5, и далее по трубопроводу 12 проходят в устройство очистки.
(i-1)
i
(k-1)
k
Шлаки в виде твердых негорючих остатков, содержащих расплавы металлов и стекла, через зазор 11 выпадают в низ топки 5, откуда по трубопроводу 13 попадают в канал 14 продвижения шлаков шнекового механизма 8 для удаления шлаков. Лопасти 33', 33", 33'"… 33, 33 перемешивают находящиеся между витками 32', 32", 32"'… 32, 32 части шлака, не давая им слепиться и затвердеть до состояния, способного привести к остановке шнекового механизма 8 для удаления шлаков и к его разрушению. В результате поступательного перемещения шлаков по каналу 14 продвижения шлаков они по трубопроводу 15 попадают в контейнер сбора шлаков.
Источники информации
1. Европейский патент ЕР 0855005, МКИ F23G 5/46; F23G 5/027; F22B 31/04. Method and installation for processing waste. 1998.
2. Патент США №7802528, НКИ 110/229, МКИ F23G 5/12. Pyrolysis apparatus. 2010.