ПЛАЗМЕННО-РЕЗИСТИВНАЯ ШАХТНАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЁРДЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области электротермии, а именно, к устройствам плазменно-резистивного нагрева, и может быть использована для переработки твердых углеродсодержащих техногенных отходов (ТО), к которым относятся твердые бытовые отходы (ТБО), промышленные отходы, отходы сельского хозяйства.
Известна установка для утилизации техногенных отходов [А.с. СССР №1548601, 20.01.1988, F23G 5/027] на которой реализован способ пиролиза твердых бытовых отходов, включает в себя: устройство предварительной подготовки отходов, реактор, загрузочное устройство, газоочистителя, котла-утилизатора для выработки пара, приспособления для приема полукокса, камеру сжигания, компрессор и вентилятор, смеситель и систему газопроводов. Газовые горелки и форсунки устанавливаются по всему периметру камер рубашки реактора.
Недостаток установки заключается в сложности конструкции и неэкологичности, так как полученные продукты нуждаются в дальнейшей нейтрализации и переработке, что частично ведет к значительным нагрузкам на окружающую среду.
Кроме того, известна установка для утилизации техногенных отходов [патент РФ №2293918, 17.06.2005, F23G 5/00], на которой реализован способ термической переработки твердых бытовых отходов, которая является прототипом предлагаемой установки. Она включает в себя шахтную печь с загрузочным устройством, плазмотроны, установленные в нижней части шахтной печи, летки для выпуска шлака и расплава металла. Так же в нижней части шахтной печи расположен копильник с дополнительным плазмотроном, а выше копильника по внешнему периметру шахтной печи расположен газовый коллектор для отходящих газов. Загрузочное устройство сообщено с пресс-фильтром для обезвоживания отходов, с которым последовательно соединено устройство для сушки. В верхней части печи расположен трубопровод отвода пиролизного газа, который соединен с газоочистителем, устройством для удаления серы.
Однако недостатком прототипа является сложность конструкции установки, так как имеются дополнительные подготовительные устройства для удаление воды из твердых бытовых отходов, для объемного сжатия отходов, и неэкологичность, так как забор синтез-газа сверху шахты при температуре 200°С не обеспечивает экологичность отходящих газов, что требует дополнительных устройств по очистке газа.
Задачей полезной модели является создание простой и эффективной плазменно-резистивной шахтной электропечи для переработки твердых углеродсодержащих техногенных отходов, позволяющей существенно снизить нагрузку на плазмотрон.
Указанная задача решается путем реализации новой конструкции плазменно-резистивной шахтной электропечи.
В плазменно-резистивной шахтной электропечи для переработки твердых углеродсодержащих техногенных отходов, содержащей шахту, трубопровод для отвода синтез-газа, один или несколько плазмотронов, установленных в нижней части шахты электропечи и летка для выпуска шлака и расплава металла, согласно полезной модели шахта выполнена переменного поперечного сечения: в верхней части - квадратного, в средней части - конического, в верхней части шахты, установлены два графитовых электрода, в средней части шахты, где температура составляет не менее 1200°С, выполнен трубопровод для отвода синтез-газа.
Достижению технического результата способствуют следующие признаки полезной модели:
1. Форма верхней части шахты электропечи (зоны сушки), имеющая квадратное поперечное сечение, способствует равномерному распределению электрического тока и равномерному выделению удельной мощности в загрузке по всей зоне сушки.
2. Использование двух электродов для подсушивания поступающих отходов позволяет добиться увеличения КПД электропечи и существенного снижения нагрузки на плазмотрон, что в свою очередь способствует увеличению ресурса работы электродов плазмотрона, Причем, следует заметить, что при большем количестве электродов ток замыкается на соседние электроды и нет выделения удельной мощности в загрузке, а, следовательно, эффективность печи падает.
3. Отбор синтез-газа из средней части шахты электропечи, где происходит газификация отходов и температура составляет не менее 1200 С, обеспечивает экологичность.
При этом за счет исключения дополнительных устройств для подсушки отходов и для очистки газа достигают простоты конструкции электропечи.
На фиг. 1 представлена схема, предлагаемой шахтной плазменно-резистивной электропечи для переработки техногенных отходов. На фиг. 2 показано поперечное сечение верхней части электропечи. Где: 1 - шахта электропечи; 2 - загрузочное окно; 3 - графитовые электроды; 4 - трубопровод для отвода синтез-газа; 5 - плазмотрон(ы); 6 - летка для слива жидкого шлака и расплава; 7 - жидкий шлак и металл; 8 - синтез-газ; 9 - твердые углеродсодержащие техногенные отходы; 10 - отходящие газы. На схеме шахта электропечи 1 разбита на три части: I - верхняя часть (зона сушки), II - средняя часть (реакционная зона), III - нижняя часть (зона горения).
Предлагаемая плазменно-резистивная шахтная электропечь для переработки твердых углеродсодержащих техногенных отходов работает следующим образом.
В загрузочное окно 2 в верхнюю часть шахты печи подают неподготовленные твердые углеродсодержащие техногенные отходы 9 с заданной начальной температурой и удельным расходом, которые под действием силы тяжести движутся по шахте электропечи. Навстречу движущимся вниз отходам поднимается поток отходящих газов 10, нагретый в нижней части печи одним или несколькими плазмотронами. Отходы, перемещаясь по шахте, подвергаются последовательно сушке, пиролизу и газификации органической компоненты. Неорганическая часть техногенных отходов переходит в расплав. Поднимающийся газовый поток насыщается переходящей в газообразное состояние органической составляющей и водяным паром.
Таким образом, по мере движения углеродсодержащих техногенных отходов 9 по шахте электропечи они проходят последовательно три зоны: зону сушки (верхнюю часть I), где достигаются температуры от 20 до 300°С, реакционную зону электропечи (среднюю часть II) с температурами от 300 до 1300°С, зону горения (нижнюю часть III) с температурами от 1300°С до 1800°С.
Форма поперечного сечения шахты печи сделана переменного сечения. В зоне сушки оно квадратное, в реакционной зоне - коническое.
В зоне сушки по всей поверхности двух противоположных стен камеры печи установлены два графитовых электрода 3, обеспечивающие токоподвод к массе отходов. Через графитовые электроды пропускают переменный электрический ток промышленной частоты, осуществляя процесс сушки отходов непосредственно в шахте электропечи. Зона сушки имеет квадратное поперечное сечение, что выполнено с целью достижения максимально равномерного распределения электрического тока и равномерного выделения удельной мощности в загрузке по всей зоне сушки. При переработке отходы будут влажными только в пределах зоны сушки.
В реакционной зоне электропечи происходят процессы пиролиза и газификации отходов. В реакционную зону отходы попадают обезвоженными и сухими, с удельным электросопротивлением, в десятки раз превышающим его значение в начале зоны сушки, что способствует уменьшению выделения мощности в загрузке. Образовавшийся в реакционной зоне электропечи синтез-газ 8 отбирают из шахты электропечи при температуре не менее 1200°С по трубопроводу, что исключает появление экологически опасных составляющих в газе. Высоту расположения трубопровода для отбора синтез-газа из шахты печи выбирают на основе расчетных данных температур по высоте шахты. Синтез-газ отбирают дымососом и направляется в центральный-барботажный аппарат (на схеме не показано).
В зоне горения электропечи установлен плазмотрон 5 или несколько плазмотронов. В зависимости от производительности может быть до 6 плазмотронов. Процесс сгорания отходов осуществляют за счет энергии электрической дуги плазмотрона при температуре выше 4000°С. При такой температуре отходы расщепляются до электронов, ионов и радикалов. Степень разложения отходов достигает 99,9998%, а в отдельных случаях - 99,99995%. На дне шахты электропечи находится жидкий шлак и жидкий металл 7, слив которых осуществляют посредством летка 6. Металлическая компонента отходов частично выгорает, частично уносится с отходящими газами, частично окисляется и переходит в шлак, а крупные куски металла расплавляются или растворяются в объеме жидкого металла, скопившегося на поде рабочей шахты печи. Негорючая компонента отходов частично превращается в пыль и газ, которые уносятся потоком отходящих газов, а частично переходит в шлаковую ванну.
По литературным данным [Плазменные электротехнологические установки / B.C. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 602 с.] тепловой КПД шахтных плазменных электропечей с учетом тепловых потерь через футеровку и водоохлаждаемый корпус составляет около 90%. С учетом влажности ТО, составляющей от 20% до 60%, затраты на их сушку в печи составляют до 20% мощности плазменных нагревателей. При этом тепловой КПД плазмотрона составляет 80÷85%.
При вводе энергии резистивным нагревом КПД электропечи с учетом тепловых потерь через футеровку может достигать 80%, а при работе только от плазмотрона КПД будет не более 50%. Резистивный нагрев, как нагрев прямой, в рассматриваемой плазменно-резистивной печи обладает высокой эффективностью. Его КПД (без учета тепловых потерь через футеровку) близок к 100%. Тогда как нагрев зоны сушки газовым потоком косвенным методом от плазмотронов, мощность которых передается плазмообразующему газу с КПД ≈80%, будет проходить менее эффективно, чем при резистивном нагреве.
Ввод дополнительно резистивного нагрева снижает нагрузку на плазмотроны на 30-58%, при этом способствует дополнительному увеличению ресурса работы электродов плазмотронов.
Величина снижения нагрузки на плазмотроны зависит от производительности установки и мощности плазмотрона. При производительности установки 100 кг/час снижение нагрузки составляет 58%.
Для вычисления энергетических параметров плазменно-резистивной печи использовали программный комплекс конечно-элементного моделирования ANSYS. При проведении модельных расчетов было принято, что процессы тепломассообмена в условиях встречных потоков твердой и газообразной фаз являются стационарными, так как при организации непрерывного технологического процесса в шахте электропечи формируется установившийся газодинамический и тепловой режимы.
На фиг. 3 приведена расчетно-экспериментальная зависимость удельных энергозатрат на пиролиз 1 кг отходов от их влажности: 1 - расход плазмообразующего воздуха отсутствует; 2 - расход воздуха 0,15 г/с на 1 кг отходов в час; точки - эксперимент. Как видно из фиг. 3, при уменьшении влажности отходов с 50 до 30%, заметно снижаются удельные энергозатраты на их газификацию (почти в два раза - с 0,75 до 0,4 кВт·ч/кг).
Таким образом, при реализации комбинированного плазменно-резистивного нагрева шихты техногенных отходов обеспечивается значительное снижение удельных энергозатрат с использованием подвода тепла только от плазмотронов на переработку 1 кг техногенных отходов - менее 0,4 кВт·ч/кг.
В работе авторов [Плазменные электротехнологические установки / B.C. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 602 с.] рассмотрен конкретный пример влияния омического нагрева твердых бытовых отходов на энергетику газификатора. На фиг. 4 приведена полученная авторами указанной работы зависимость мощности плазмотронов, Р, от производительности печи, G: при влажности ТБО, %: 1 - 29, 2 - 45, 3 - 50, которая подтверждает, что ввод дополнительно резистивного нагрева снижает нагрузку на плазмотроны. Как видно из расчетно-экспериментальных данных, фиг. 4, при газификации органических отходов с влажностью 50% при производительности печи G=90 кг/час требуется мощность плазмотронов около 120 кВт. Уменьшение влажности отходов до 29% приводит к снижению мощность плазмотрона до 50 кВт. Поэтому ввод дополнительной мощности посредством резистивного нагрева Р=120-50=70 кВт в зоне сушки позволяет уменьшить мощность плазмотронов на 58% для заданной производительности электропечи. Уменьшение требуемой мощности плазмотронов позволяет заметно повысить ресурсные характеристики плазменного блока установки, переходя на плазмотроны с меньшими рабочими токами при увеличении сроком службы электродов.
Таким образом, организация резистивного нагрева влажных отходов в верхней части шахтной электропечи является аналогом предварительного технологического процесса подсушивания отходов перед загрузкой их в печь. При реализации комбинированного плазменно-резистивного нагрева твердых углеродсодержащих техногенных отходов заданной производительности печи по отходам и мощности плазмотронов обеспечивается существенное снижение нагрузки на плазмотроны, которое составляет 30% от мощности плазмотронов и более в зависимости от производительности установки и мощности плазмотронов, а также снижение удельных энергозатрат на газификацию органической составляющей смешанных отходов.