СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И МУСОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO BURN SOLID DOMESTIC WASTES AND GARBAGE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технологиям сжигания твердых бытовых отходов и может быть использовано во всех отраслях, в том числе и на железнодорожном транспорте.
Известен способ сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, принудительно подаваемой в камеру сгорания с последующей термической обработкой и очисткой отходящих газов, включающий загрузку отходов, поджигание отходов и подачу топливовоздушной смеси в зону горения [патент США №4306506, опубл. 1981. 12.22, Rotter Franz].
Недостатком способа является неполное сгорание отходов и горючих компонентов из-за низкой интенсивности горения, и трудности очистки отходящих газов.
Известны устройства для реализации огневой обработки отходов и мусора [Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. «Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. - М.: Химия, 1990 г.].
Недостатком данных устройств является низкая эффективность сжигания, очистки и обезвреживания от токсичных компонентов, находящихся в отходящих газах.
Известен способ сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, принудительной подачи топливовоздушной смеси в зону горения, пламя и топливовоздушную смесь обрабатывают сильным электрическим полем с напряженностью не ниже 3 кВ/см, причем напряженность электрического поля регулируют либо механическим путем подъема - опускания центрального электрода над пламенем, либо электрическим путем от полупроводникового преобразователя напряжения и частоты, регулируют ток электронной эмиссии в пламя сжигаемых отходов путем изменения площади эмиссионного игольчатого электрода и частоту колебаний электрического поля из условия наилучшего качества экологической очистки отходящих газов, вращают топливовоздушную смесь и/или пламя в поперечной плоскости фронту пламени механическим способом путем вращения подвижной форсунки, либо электрическим (электромагнитным) способом путем вращения пламени вращающимся электрическим (электромагнитным) полем, причем частоту вращения пламени выбирают из условия наилучшего качества экологической очистки отходящих газов [патент РФ RU 2117870, F23G 5/00, опубл. 20.08.1998, БИ №23, автор Дудышев В.Д. «Способ сжигания отходов и мусора и устройство для его осуществления»].
Недостатком данного способа является низкая экологическая эффективность, сложность регулирования электрическим полем, воздействующим на пламя.
Известно устройство для сжигания твердых бытовых отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, включающее цилиндрический корпус с камерой сгорания, с устройством загрузки отходов с засыпным бункером и шнеком, трубопроводом отвода отходящих газов, разгрузочным бункером, устройством подачи и распыления топливовоздушной смеси с трубопроводом и горелкой, источником сильного электрического поля с диапазоном регулирования напряженности от 1 кВ/см до 30 кВ/см, по частоте от 0 Гц до 30 кГц, двумя высоковольтными электродами, подачей топливовоздушной смеси и нейтрализующей жидкости (водощелочной эмульсии) в зону горения и системой автоматического регулирования параметров горения в функции степени экологической очистки и датчики токсичности отходящих газов (дымности, сажи, окиси углерода, окиси азота, окиси серы и другие), регуляторы параметров электрического поля (напряженность, частота), причем выходы датчиков через блоки сравнения присоединены к системе управления источником электрического поля (высоковольтному преобразователю напряжения), регулятор напряженности электрического поля в виде устройства механического вертикального перемещения центрального электрода относительно пламени, дачник ионизации с ручной передачей и исполнительным механизмом, включающий электродвигатель и электрический коммутатор и устройство с системой пространственно-сдвинутых электродов в поперечной плоскости пламени по его внешнему периметру со сдвигом на 120°, присоединенной к трехфазному преобразователю напряжения и частоты, причем на вход управления частотой данного преобразователя присоединен выход датчика токсичности отходящих газов [патент РФ RU 2117870, F23G 5/00, опубл. 20.08.1998. БИ №23, автор Дудышев В.Д. «Способ сжигания отходов и мусора и устройство для его осуществления»].
Недостатком данного технического решения является сложность управления напряженностью электрического поля, низкая эксплуатационная надежность работы высоковольтного электрода (венец) в зоне пламени при высокой температуре.
Данный способ сжигания твердых бытовых отходов и мусора и устройство для его реализации выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение степени очистки продуктов сгорания и снижение энергоемкости, а также повышение надежности и упрощения устройства его реализации.
Технический результат достигается тем, что в способе сжигания твердых бытовых отходов и мусора, заключающемся в принудительной подаче в топку котла твердых бытовых отходов и мусора, в их огневой обработке во вращающемся пламени топливовоздушной смеси воздействующим на них электрическим полем, электрическое поле образуют двумя взаимонакладывающимися электрическими полями, сначала воздействуют высоковольтным напряжением отрицательной полярности (25÷50) кВ, окисляя токсичные отходящие газы электронным потоком при силе тока не менее (50÷100) мкА, а затем воздействуют на продукты сгорания низкочастотным переменным электрическим полем в диапазоне частот (50÷1000) Гц с напряжением (200÷1000) В, а продукты сгорания нейтрализуют до образования твердой их фазы и ее отделяют.
Процесс сжигания твердых бытовых отходов до полноты дожигания продуктов сгорания, наложение двух взаимонакладывающихся электрических полей и вращение продуктов сгорания в этих полях позволяют обеспечить высокую степень очистки продуктов сгорания.
Технический результат достигается также тем, что устройство для сжигания твердых бытовых отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, содержащее цилиндрический корпус с камерой сжигания, блок загрузки отходов, трубопровод отвода отходящих газов, разгрузочный блок, блок подачи и распыления топливовоздушной смеси с трубопроводом, источник электрического поля, блок автоматического регулирования параметров горения и регуляторы параметров электрического поля, согласно изобретению снабжено цилиндрической камерой дожига, корпус которой выполнен из диэлектрического материала, в верхней его части установлен фильтр, а внутри корпуса размещены по высоте не менее двух пар электродов, первая пара электродов выполнена в виде диафрагмы, которая имеет не менее 8-ми овальных отверстий и отверстие в центре, через которое проходит центральный электрод и его концы жестко закреплены, а вторая пара электродов выполнена в форме мальтийского креста, во впадинах которого размещены керамические изоляторы, внутри которых установлены игольчатые высоковольтные электроды, при этом электроды диафрагм и мальтийских крестов закреплены к корпусу и разделены между собой кольцевыми изоляторами, причем первая пара электродов - диафрагм подключена к источнику низкочастотного переменного электрического поля, а у второй пары - игольчатые высоковольтные электроды подключены соответственно к первому и второму выходам высоковольтного источника отрицательной полярности, а третий его выход подключен к центральному электроду, при этом выходы источников охвачены обратной связью, в цепи которой установлены датчики тока, их выходы соединены с входами усилителей - компараторов, их выходы соединены с соответствующими входами источников питания.
Способ и устройство его реализации поясняется чертежами, где:
фиг.1 - устройство для сжигания твердых бытовых отходов и мусора;
фиг.2 - камера электроогневого дожига отходящих газов;
фиг.3 - керамический изолятор с игольчатым электродом;
фиг.4 - образования зон дожига продуктов сгорания.
Устройство сжигания твердых бытовых отходов и мусора содержит котел 1 и взаимосвязанные контуры циркуляции теплоносителя, нагревательные трубы 2, переходящий и возвратный трубопроводы отопления 3 и 4, расширительный бак 5, водонагреватель 6, калорифер 7, циркуляционный насос 8, трубу - перемычку 9, камеру электроогневого дожига 10, корпус 11, дымовую трубу 12, пару электродов в виде диафрагмы 13, 14, источник низкочастотного переменного электрического поля 15, пару электродов в виде мальтийского креста 16, 17, высоковольтный источник отрицательной полярности 18, центральный электрод 19, керамические изоляторы 20, игольчатые электроды 21, кольцевые изоляторы 22, фильтр 23, усилитель-компаратор 24, 29, датчики тока 25, 26, 27, 28, зоны дожига: первая зона - 30; вторая зона - 31; третья зона - 32; четвертая зона - 33; пятая зона - 34.
Способ сжигания брикетов из твердых бытовых отходов и мусора и устройство аналогичны процессу сжигания угля и других материалов в топке котла 1. В нижней части котла 1 теплоноситель (вода) нагревается от сгорания твердого топлива или электронагревательных элементов, в результате происходит естественное перемещение вверх теплых слоев теплоносителя в расширительный бак 5, служащий для сбора и сохранения излишков воды, образующейся при увеличении объема в результате нагревания. Нагретая вода котла 1, перемещаясь по трубам водонагревателя 6, отдает свое тепло воде, поступающей в корпус водонагревателя из системы водоснабжения и используемой для нужд. Расширительный бак 5 питает также нагретой водой калорифер 7, служащий для подогрева в зимнее время свежего воздуха. Расширительный бак 5 соединен с подающими нагревательными трубами отопления 2, переходящими в возвратные трубопроводы отопления 3 и 4. Для усиления циркуляции воды в системе отопления имеется циркуляционный насос 8.
Камера электроогневого дожига 10 установлена на дымовой трубе 12. Корпус 11 выполнен из диэлектрического материала, в верхней его части установлен фильтр 23, а внутри корпуса размещены по высоте не менее двух пар электродов, первая пара электродов выполнена в виде диафрагмы 13, 14, имеющей не менее 8-ми овальных отверстий и отверстием в центре, через который проходит центральный электрод 19, концы которого закреплены, а вторая пара электродов 16, 17 выполнена в форме мальтийского креста и в его впадинах размещены керамические изоляторы 20, внутри которых установлены высоковольтные игольчатые электроды 21, при этом электроды закреплены к корпусу и разделены между собой кольцевыми изоляторами 22, причем первая пара диафрагм - электродов подключена к источнику 15 низкочастотного переменного электрического поля, а высоковольтные игольчатые электроды 21 второй пары электродов «мальтийский крест» подключены соответственно к первому и второму выходам высоковольтного источника 18 отрицательной полярности, а третий выход высоковольтного источника подключен к центральному электроду 19. Датчики тока 25 и 26 включены в виде обратной связи, выходы которых соединены с входами усилителя-компаратора 24, а его выход соединен с входом источника 18. Датчики тока 27 и 28 включены в виде обратной связи, выходы которых соединены с входами усилителя-компаратора 29, а его выход соединен с входом источника 15. На фиг.2 не показана установка и способ крепления керамических изоляторов 20 в впадинах мальтийского креста 16 и 17 и подключение игольчатых электродов 21 к первому и второму выходам высоковольтного источника 18. Подключение одного игольчатого электрода условно показано в виде точки для упрощения и наглядности (фиг.2).
-
Процесс дожигания путем окисления показан на фиг.4 и осуществляется в первой зоне 30 и второй зоне 31 следующим образом. Сильное электрическое поле отрицательной полярности образуется между острием игольчатых электродов 21 и центральным электродом 19, при этом с острия электрода 21 стекают электроны. При соударении электронов с молекулами продуктов сгорания и кислорода, содержащегося в продуктах сгорания из-за неполноты сгорания. При этом молекулы кислорода превращаются в отрицательно заряженные аэроионы кислорода O, . Экспериментально измеренный ток пропорционален суммарному электрическому заряду, протекающему во времени:
e
где N - концентрация электронов;
j
N - отрицательно заряженные аэроионы кислорода
определяют из этого соотношения (1), степень их влияния на процесс дожигания путем окисления оценивается стандартными методами. Атомы и молекулы кислорода обладают сродством к электрону и способны образовывать устойчивые отрицательно заряженные аэроионы. Прилипание электронов к атомам и молекулам происходит под действием электрического поля. Механизмы прилипания аналогичны механизмам рекомбинации: в тройных столкновениях типа  и диссоциативным путем протекающим в продуктах сгорания по схеме .
Рождение электронов и их плотность определяется по величине измеренного тока, протекающего в цепи при истечении электронов с острия игольчатого электрода 21. Численное значение электронов определяется из формулы:
I, t, e - ток, время, заряд электрона, определяющие процессы дожига путем окисления. Оптимальными режимами электрического поля являются U(-)=не более (25÷50) кВ при токе I(-)=50÷100 мкА.
Воздействие на процессы дожигания путем окисления и величину электрического напряжения можно определить из другого физического представления
где Т - температура 700 К;
U - напряжение;
-23
κ - постоянная Больцмана 1,38·10 Дж/K;
е - заряд электрона.
Величина напряжения для создания электрического разряда на острие электрода 21 определяется из соотношения (3): U=30÷50 кВ при токе не более I=100 мкА.
Экспериментальные данные влияние электрического поля на процесс дожигания продуктов сгорания представлены в таблице.
Влияние электрического поля на процесс дожигания
Режим дожигания
Количество продуктов сгорания, усл. ед.
С (сажа)
СО
U<sub>1</sub>=1 кB
0,3
0,5
U<sub>2</sub>=5 кВ
0,05
0,3
U<sub>3</sub>=25 кВ
0,016
0,08
Результаты содержания продуктов сгорания показывают, что с увеличением напряжения отрицательной полярности и тока от 13 мкА до 25 мкА уменьшается содержание сажи, СО.
В процессе сжигания (влияние электрического поля на процесс дожигания бытовых отходов в виде брикетов) могут образоваться токсичные компоненты как газообразные диоксины, так и пылевидные в результате неполного сгорания в топке котла 1. В камере электроогневого дожига 10 (фиг.2) диоксины уничтожаются в третьей зоне, где физические процессы протекают следующим образом. Обезвреживание диоксинов достигается при прохождении продуктов сгорания через низкочастотное (50÷1000) Гц электрическое поле, образованное между электродами 13 и 14 при работе источника питания 15.
При малой мощности сжигания в топке котла 1, например не более 10 кг/час, повышение экологической безопасности достигается за счет организации дожигания в зонах двух взаимонакладывающихся электрических полей, при этом повышается глубина дальнейшего обезвреживания в зонах 33 и 34 (поз.33 и 34) (сильного электростатического поля отрицательной полярности, приложенного между игольчатыми высоковольтными электродами 21 и центральным электродом 19, которые подключены к высоковольтному источнику питания 18). Отрицательно заряженные электроны, стекающие с острия электродов 21, являются сильным катализатором (окислителем) низкочастотного электрического поля (50÷1000) Гц.
Продукты сгорания удаляются в устройстве через тканевый фильтр 23, дымовую трубу 12. В процессе работы камеры электроогневого дожига 10 возможно осаждение сажы на керамических изоляторах 20 и кольцевых изоляторах 22 электродами 21 и 13, 14, влияющее на потерю изоляционной способности и сопротивления изоляции, что приводит к падению напряжения на электродах, к понижению эффективности обезвреживания продуктов сгорания и надежности работы источников питания 15 и 18. В случае потери изоляции растет ток, что приводит к увеличению мощности потребления энергии блоками 15 и 18. Датчики 25 и 26 измеряют ток потребления. Усилитель-компаратор 24, настроенный на предельно допустимый уровень по току, выдает команду на выключение выходного напряжения с выхода источника 18. Датчики 27 и 28 измеряют ток потребления. Усилитель-компаратор 29, настроенный на предельно допустимый уровень по току, выдает команду на выключение выходного напряжения источника 15. Внутри источников 15 и 18 встроены быстродействующие выключатели, которые отключают источники питания.
Затем дымовые газы удаляются через фильтр 23 и вытяжную трубу 12.
Предложенный способ и устройство обеспечивают повышение экологической безопасности процесса сжигания твердых бытовых отходов за счет полноты дожигания продуктов сгорания, повышение надежности работы камеры дожига. Рациональное расположение электродов, вращение продуктов сгорания в двух взаимонакладывающихся электрических полях, существенно повышает степень очистки отходящих газов, упрощает конструкцию и обеспечивает полноту очистки до 80-95%.