СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ СИЛЬНО ПЕРЕГРЕТЫМ ВОДЯНЫМ ПАРОМ
METHOD AND APPARATUS FOR THERMAL RECYCLING OF WASTE BY HIGHLY SUPERHEATED WATER VAPOUR

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам термической переработки газообразных, жидких и твердых отходов, включая токсичные отходы, такие как медицинские отходы, жидкие промышленные отходы, зола уноса и др.
Сравнительный анализ известных технологий термической переработки отходов (пиролиз и термическое разложение без доступа кислорода при температуре до 900°С; прямое сжигание при температуре до 1200°С; высокотемпературная плазменная газификация при температуре выше 2000-3000°С; высокотемпературная газификация с помощью сильно перегретого водяного пара при температуре выше 2200-2500°С) показывает, что по таким характеристикам, как глубина переработки отходов, содержание смол, фуранов и токсичной золы в продуктах переработки, чувствительность к влажности отходов и необходимость их предварительной сортировки, наиболее предпочтительны технологии высокотемпературной плазменной газификации и высокотемпературной переработки с помощью сильно перегретого водяного пара. В технологии высокотемпературной плазменной газификации в качестве газифицирующего агента выступает высокотемпературный воздух, а в технологии высокотемпературной переработки с помощью сильно перегретого водяного пара в качестве газифицирующего агента выступает высокотемпературный водяной пар. Обе указанные технологии не ограничены типами отходов, а номенклатура полезных продуктов переработки отходов у них практически одинакова: синтез-газ, жидкие кислоты, твердый или расплавленный шлак и тепло. Однако, по сравнению с технологией высокотемпературной плазменной газификации технология высокотемпературной переработки с помощью сильно перегретого водяного пара имеет важное преимущество, связанное с полным отсутствием вредных выбросов в окружающую среду, например, оксидов азота. При высокотемпературной переработке отходов с помощью сильно перегретого водяного пара из газообразных отходов (например, пиролизных или дымовых), а также жидких и твердых отходов можно получать только полезные продукты: горючий газ, состоящий из простейших молекул водорода и оксида углерода (топливный газ или синтез-газ); простейшие кислоты (соляная, сероводородная и др.) и твердый нетоксичный остаток, состоящий из простейших оксидов, солей металлов и неметаллов (для производства дорожных и строительных материалов) без какого-либо вредного воздействия на окружающую среду (без выбросов веществ, приводящих к загрязнению атмосферы, почвы и водоемов).
Для применения технологии высокотемпературной переработки с помощью сильно перегретого водяного пара необходимо иметь устройства, которые способны создавать такой сильно перегретый водяной пар, а также устройства, обеспечивающие условия для переработки отходов сильно перегретым водяным паром.
Устройства, способные непрерывно создавать сильно перегретый водяной пар, предложены, например, в патенте Фролова С.М., Сметанюка В.А., Авдеева К.А., Набатникова С.А. Способ получения сильно перегретого пара и устройство детонационного парогенератора (варианты). RU №2686138, опубликован 24.04.2019. Эти устройства представляют собой детонационные пароперегреватели, которые обеспечивают получение импульсных или непрерывных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара с температурой выше 2200-2300 К. Для получения сильно перегретого водяного пара используются процессы низкочастотного импульсно-детонационного или высокочастотного непрерывно-детонационного горения топливных смесей, сильно разбавленных низкотемпературным (100-150°С) водяным паром. При этом в топливных смесях в качестве окислителя может использоваться кислород, воздух, обогащенный кислородом, или атмосферный воздух. Вследствие того, что детонационное горение - это быстропротекающий процесс, даже использование атмосферного воздуха в качестве окислителя не приводит к значительному образованию высокотоксичных оксидов азота, как при обычном горении (см. статью Фролова С.М., Басевича В.Я., Аксенова В.С., Гусева П.А., Иванова В.С., Медведева С.Н., Сметанюка В.А., Авдеева К.А., Фролова Ф.С.. Образование оксидов азота в детонационных волнах. Химическая физика, 2011, том 30, N8, с. 55-57). Чтобы обеспечить эффективное охлаждение таких устройств в указанном патенте предложено погружать детонационные пароперегреватели в резервуар с проточной водой, а охлаждающую воду использовать в качестве питательной воды для производства низкотемпературного водяного пара, поступающего в пароперегреватели. Основной недостаток таких устройств - необходимость использования парогенераторов для производства низкотемпературного водяного пара, что требует дополнительных затрат на водоподготовку и получение питательной воды и снижает надежность устройства в целом вследствие усложнения конструкции и системы управления производственным процессом.
Устройство, обеспечивающее условия для переработки отходов сильно перегретым водяным паром, предложено, например, в работе Фролова С.М., Сметанюка В.А. и Сергеева С.С. Реактор для газификации отходов сильно перегретым водяным паром. Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах, 2020, том 495, с. 71-76. Это устройство представляет собой реактор сферической формы, в который с диаметрально противоположных сторон подаются импульсные низкочастотные сверхзвуковые встречные струи сильно перегретого водяного пара. При подаче таких встречных струй в реактор в нем формируются мощные вихревые зоны сильно перегретого водяного пара. Если вместе со струями в реактор подавать, например, измельченные отходы, то частицы отходов, многократно попадая в эти вихревые зоны, будут активно газифицироваться. Основной недостаток указанного устройства - применение импульсных низкочастотных сверхзвуковых встречных струй. При подаче импульсных струй сильно перегретого водяного пара в реакторе реализуется неустановившееся поле течения с кратковременным существованием мощных вихревых зон с последующими замедлением и перестройкой течения в промежутке между импульсами. Ввиду того, что скорость газификации отходов определяется интенсивностью межфазных взаимодействий, при таком неустановившемся течении эффективность газификации отходов снижается.
Таким образом, для создания эффективной технологии высокотемпературной переработки отходов с помощью сильно перегретого водяного пара необходимо упростить способ получения сильно перегретого водяного пара, исключив, например, производство низкотемпературного водяного пара в парогенераторах, а также обеспечить формирование в реакторе продолжительного установившегося поля течения с мощными вихревыми зонами, например, за счет непрерывной подачи встречных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара.
Предшествующий уровень техники
Известен способ плазменно-каталитической переработки твердых бытовых отходов, предложенный в патенте RU 2504443 С1, В09В 3/00 (2000.01), опубликованном 30.11.2012. Способ включает плазмохимический пиролиз гомогенизированной смеси, представляющей собой гомогенно диспергированную в сырье трехфазную систему, состоящую из высоко дисперсных частиц катализатора, метановодородной фракции, выделенной на стадии разделения продуктов пиролиза, и жидких продуктов пиролиза, закалку продуктов пиролиза, выделение технического углерода и твердых частиц отработанного катализатора фильтрованием и стадию разделения продуктов пиролиза с получением метановодородной фракции и жидких продуктов пиролиза и с рециклом части метановодородной фракции на стадию плазмохимического пиролиза. Основной недостаток данного способа - наличие вредных выбросов в окружающую среду, в частности, твердых продуктов пиролиза, которые, согласно изобретению, направляют на захоронение.
Известны способ термической переработки бытовых и промышленных отходов и устройство для его осуществления, предложенные в патенте RU 2616630 C1, F23G 5/027 (2006.01), F23G 5/40 (2006.01), F23G 7/06 (2006.01), опубликованном 17.03.2016. Согласно изобретению утилизированные бытовые и промышленные отходы направляют винтовым конвейером из бункера-накопителя в металлическую жаропрочную трубу корпуса мобильной пиролизной камеры, где винтовым конвейером перемещаются вдоль пиролизной камеры с разогревом и поддержанием температуры пиролиза в интервале 800-900°С. Разогрев отходов производят выхлопными газами дизеля, дополнительно подогреваемыми с помощью индукционной печи от температуры 300-400°С до температуры 1100°С и обогревающими пиролизную камеру с ее наружной стороны под защитным герметичным кожухом, откуда, отдав тепло, они поступают обезвреженными от вредных примесей в атмосферу. Электрический ток от электрогенератора дизеля поступает в индукционную печь и в электромоторы приводов винтовых конвейеров пиролизной камеры, загрузочного бункера, разгрузочного устройства и кавитационного насоса. Дымовые и горючие газы с влагой как продукты пиролиза, собирают газо-влагосборником в пиролизной камере и направляют через трубопровод в теплообменник с конденсатором, откуда получаемое низкооктано-цетановое горючее топливо отсасывают кавитационным насосом с физико-химической связанной влагой до 37% и направляют в камеры сгорания дизеля, снабженного воздухозаборником атмосферного воздуха и связанного трубопроводом горючих газов из кондиционера. Разгрузочное устройство пиролизной камеры снабжено датчиком давления от технического углерода как конечного продукта пиролиза, накапливаемого в конце пиролизной камеры, связанного с конечным выключателем электродвигателя привода разгрузочного винтового конвейера и поворотного механизма створок крышки разгрузочной камеры. Пиролиз происходит без выбросов вредных веществ, присутствующих в отходах перед их выжиганием без доступа кислорода при температурах 800-900°С. Основной недостаток способа и устройства - низкая температура утилизации отходов, что ведет, как известно, к образованию высокотоксичных веществ.
Известен патент №2683751 RU С1, C01J 3/00 (2006.01), опубликованный 01.04.2019, описывающий способ и устройство переработки угольной пыли с помощью сильно перегретого водяного пара с температурой выше 2000 К. Бескислородная газификация угольных частиц для их конверсии в топливный газ или синтез-газ осуществляется с помощью термомеханического воздействия на угольные частицы высокоскоростными струями сильно перегретого водяного пара. Такие струи получают с помощью импульсно-детонационного пароперегревателя, причем частота детонационных импульсов не превышает несколько десятков герц ввиду относительно медленного периодического заполнения камеры сгорания топливной смесью, разбавленной водяным паром. Последнее ограничивает производительность такого пароперегревателя.
Известен способ переработки токсичных отходов, предложенный в патенте RU 2171150 C1, В09В 3/00 (2000.01); С04В 18/10 (2000.01); С04В 20/10 (2000.01), опубликованном 27.07.2001. Способ состоит в том, что золу, дробленый шлак, наполнители и портландцемент подвергают совместному помолу в присутствии добавок-нейтрализаторов в течение 5-25 мин, продукт помола структурируют путем агломерации в сферические гранулы, после чего скатыванием формируют на поверхности гранул оболочку-капсулу из цементно-кремнеземистого раствора. Способ обеспечивает практически полное обезвреживание отходов от сжигания токсичных бытовых отходов: содержание вредных веществ в продуктах переработки многократно ниже требуемого уровня ПДК и составляет 20 мг/л. Основные недостатки такого способа - фильтрация отходящих газов для сбора золы и использование добавок-нейтрализаторов. Это усложняет практическую реализацию способа и, как следствие, снижает экономическую эффективность технологии.
Известно устройство и способ газификации угля, передоложенные в патенте WO 2019/226074 A1, C10J 3/00 (2006.01), C10J 3/48 (2006.01), опубликованном 28.11.2019. Способ включает подачу угольных частиц и перегретого водяного пара в зону газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, отвод продуктов газификации потребителю и удаление зольного остатка. При этом угольные частицы или частицы углесодержащего материала подаются в высокоскоростную струю ударно сжатого сильно перегретого водяного пара для аэродинамической фрагментации агломератов частиц и предварительной термохимической подготовки двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы», а образованная двухфазная струя подается тангенциально в вихревую зону газификации, где в условиях сильно закрученного потока происходит газификация угля и конверсия продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ. Далее полученный топливный газ или синтез-газ выводится из зоны газификации частично к потребителю и частично для получения высокоскоростной струи ударно сжатого сильно перегретого водяного пара, а зольный остаток в виде расплава поступает в систему удаления зольного остатка. Для запуска устройства используется пусковое (резервное) горючее, которое при выходе устройства на рабочий режим заменяется полученным топливным газом или синтез-газом. Технический результат заключается в обеспечении бескислородной газификации угля для его конверсии в топливный газ или синтез-газ. Способ реализован в устройстве, включающем систему подачи частиц угля и перегретого водяного пара в реактор для газификации угля и конверсии продуктов газификации, систему отвода топливного газа или синтез-газа потребителю и систему удаления зольного остатка, в котором система подачи сильно перегретого водяного пара выполнена в виде импульсно-детонационного пароперегревателя, присоединенного тангенциально к входному патрубку вихревого реактора, а система подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материала выполнена в виде дозирующего устройства, обеспечивающего подачу частиц в импульсно-детонационный пароперегреватель до входного патрубка вихревого реактора. Основной недостаток указанных способа и устройства - применение импульсных низкочастотных встречных струй, что приводит к реализации в реакторе неустановившегося поля течения с кратковременным существованием мощных вихревых зон с последующими замедлением и перестройкой течения в промежутке между импульсами и, как следствие, приводит к снижению эффективности газификации при таком неустановившемся течении.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ обезвреживания летучей золы, образующейся при сжигании отходов, и устройство для его осуществления, предложенные в патенте RU 2739241 C1, С04В 18/10 (2006.01), В09В 3/00 (2006.01), опубликованном 22.12.2020. Способ-прототип включает подачу в реактор токсичной летучей золы, представляющей собой мелкие частицы, образующиеся при сжигании бытовых и промышленных отходов, в котором токсичная летучая зола обезвреживается в среде сильно перегретого водяного пара в отсутствие кислорода, причем сильно перегретый водяной пар подают в реактор в виде импульсных сверхзвуковых струй таким образом, чтобы в реакторе формировались устойчивые высокотемпературные вихревые структуры, токсичную летучую золу подают в реактор непрерывно или порциями, чтобы обеспечить максимально длительное пребывание летучей золы в этих вихревых структурах, интенсивные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, предотвращают агломерацию частиц летучей золы, удаление обезвреженной летучей золы из реактора осуществляют непрерывно или порциями, при этом в реакторе для предотвращения подсоса атмосферного воздуха поддерживают повышенное давление. Недостаток способа-прототипа заключается в том, что применение импульсных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара приводит к формированию в реакторе устойчивых нестационарных вихревых зон, существующих лишь кратковременно, что приводит к снижению скорости термической переработки отходов. Устройство-прототип для осуществления способа-прототипа включает реактор и систему управления, реактор снабжен импульсно-детонационным генератором (детонационным пароперегревателем) и секцией подачи сильно перегретого водяного пара в реактор, причем секция подачи сильно перегретого водяного пара выполнена таким образом, чтобы обеспечить подачу не менее двух встречных импульсных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара в реактор и подачу токсичной летучей золы в реактор вместе с импульсными сверхзвуковыми струями сильно перегретого водяного пара, а также системами подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной летучей золы и охлаждения реактора. Недостатки устройства-прототипа - ограниченные производительность и ресурс вследствие импульсного режима работы, который предполагает применение клапанных систем, подверженных значительным циклическим термомеханическим нагрузкам.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа глубокой высокопроизводительной высокотемпературной переработки отходов с помощью сильно перегретого водяного пара с получением горючего газа, кислот и твердого нетоксичного остатка без какого-либо вредного воздействия на окружающую среду (без выбросов веществ, приводящих к загрязнению атмосферы, почвы и водоемов).
Задача изобретения - создание устройства для осуществления способа глубокой высокопроизводительной высокотемпературной переработки отходов с помощью сильно перегретого водяного пара с получением горючего газа, кислот и твердого нетоксичного остатка без какого-либо вредного воздействия на окружающую среду (без выбросов веществ, приводящих к загрязнению атмосферы, почвы и водоемов).
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом, включающим получение сильно перегретого водяного пара в детонационном пароперегревателе, подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара в реактор, сопровождаемую ударными волнами, с формированием в реакторе устойчивых высокотемпературных вихревых структур при поддержании повышенного давления для предотвращения подсоса атмосферного воздуха, подачу отходов в реактор непрерывно или порциями, переработку отходов в реакторе с помощью сильно перегретого водяного пара с предотвращением агломерации частиц отходов за счет воздействия ударными волнами, а также отвод продуктов переработки отходов из реактора непрерывно или порциями, в котором сильно перегретый водяной пар подается в реактор в виде непрерывных сверхзвуковых струй, так что в реакторе формируются устойчивые стационарные высокотемпературные вихревые структуры, причем непрерывные сверхзвуковые струи сильно перегретого водяного пара получаются благодаря комбинированному воздействию со стороны детонационных волн, непрерывно циркулирующих в детонационном пароперегревателе по смеси горючее-окислитель, и со стороны теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя, на струи низкотемпературного водяного пара и/или на жидкие струи и/или пристеночные пленки питательной воды, непрерывно подаваемые непосредственно в детонационный пароперегреватель, а именно: благодаря термомеханическому воздействию детонационных волн, заключающемуся в перегреве низкотемпературного водяного пара, а также в аэродинамическом дроблении жидких струй и пристеночных пленок на микрокапли питательной воды, испарении микрокапель питательной воды и перегреве образующегося водяного пара, и благодаря термическому воздействию теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя, заключающемуся в передаче тепла от теплонагруженных стенок к струям низкотемпературного водяного пара и/или к жидким струям и/или к пристеночным пленкам, причем непрерывное поступление питательной воды в детонационный пароперегреватель в виде струй низкотемпературного водяного пара и/или жидких струй и/или пристеночных пленок обеспечивает охлаждение теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя, при этом отходы подвергаются аэродинамической фрагментации под действием как непрерывных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, так и под действием ударных волн, присоединенных к детонационным волнам, непрерывно циркулирующим в детонационном пароперегревателе, причем продукты переработки отходов, отводимые из реактора, содержат горючий газ, используемый в качестве горючего в смеси горючее-окислитель и/или направляемый потребителю, а также жидкие кислоты и твердый нетоксичный остаток, направляемые потребителю, причем при дефиците горючего газа в качестве резервного горючего может быть использовано любое горючее, например, природный газ.
Непрерывное поступление питательной воды в детонационный пароперегреватель в виде струй низкотемпературного водяного пара и/или жидких струй и/или пристеночных пленок может быть организовано через пористые вставки и/или распределенные отверстия в теплонагруженных стенках.
Питательная вода, непрерывно поступающая в детонационный пароперегреватель в виде струй низкотемпературного водяного пара и/или жидких струй и/или пристеночных пленок, может быть предварительно подогрета за счет охлаждения теплонагруженных стенок реактора и детонационного пароперегревателя.
В качестве окислителя в смеси горючее-окислитель предпочтительно использовать кислород, воздух, обогащенный кислородом, или атмосферный воздух, причем состав смеси горючее-окислитель должен быть предпочтительно стехиометрическим.
Отходы, подаваемые в реактор, могут быть газообразными, например, пиролизными газами, и/или жидкими, и/или твердыми, причем газообразные отходы перед подачей в реактор могут быть компримированы, а твердые и жидкие отходы перед подачей в реактор могут быть предварительно фрагментированы
- устройством, включающим детонационный пароперегреватель, реактор, систему подачи отходов в реактор, систему удаления продуктов переработки отходов из реактора, систему управления и систему охлаждения реактора, в котором реактор оснащен двумя детонационными пароперегревателями с рубашками охлаждения, а также собственной рубашкой охлаждения, состоящей из двух отдельных секций, причем каждая из отдельных секций рубашки охлаждения реактора сообщается с рубашкой охлаждения только одного из детонационных пароперегревателей, а детонационные пароперегреватели присоединены к реактору соосно и диаметрально противоположно и оснащены индивидуальными системами подачи питательной воды, горючего и окислителя, причем система подачи питательной воды в детонационный пароперегреватель содержит пористые вставки и/или распределенные отверстия в стенках детонационного пароперегревателя, соединенные с каналами отбора питательной воды из системы охлаждения, а система удаления продуктов переработки отходов состоит из реактора, последовательно соединенного с охладителем-сепаратором частиц твердого нетоксичного остатка и/или конденсата, а также ресивера горючего газа, а система подачи горючего в детонационный пароперегреватель оснащена каналом подачи горючего в детонационный пароперегреватель с установленным в нем фильтром, соединенным с ресиверами резервного горючего и горючего газа соединительными каналами, а система охлаждения состоит из двух независимых контуров, причем каждый из контуров включает отдельную секцию рубашки охлаждения реактора и рубашку охлаждения детонационного пароперегревателя, коллектор рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя, соединенный с баком системы охлаждения через патрубок с клапаном, один трубопровод, соединяющий отдельную секцию рубашки охлаждения реактора с баком системы охлаждения, один трубопровод, соединяющий бак системы охлаждения с охладителем- сепаратором, один трубопровод, соединяющий охладитель-сепаратор с отдельной секцией рубашки охлаждения реактора, и один трубопровод, соединяющий коллектор рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя с баком системы охлаждения, а бак  системы охлаждения содержит водяной насос, датчик уровня воды, клапан подачи воды и датчик температуры воды.
Система управления содержит клапаны в патрубке системы охлаждения и в канале подачи воды в бак системы охлаждения, а также в каналах индивидуальных систем подачи питательной воды и окислителя, а также в соединительных каналах между каналом подачи горючего в детонационный пароперегреватель и ресиверами горючего газа и резервного горючего, позволяющие управлять подачей питательной воды, резервного горючего, окислителя и горючего газа в детонационный пароперегреватель, а также содержит датчик температуры стенки реактора, датчик температуры стенки детонационного пароперегревателя, датчик давления и выходной клапан ресивера горючего газа, а также переключатель режимов работы системы подачи отходов в реактор.
Система подачи отходов в реактор может быть оснащена устройствами для компримирования газообразных отходов, например, поршневым компрессором, и для фрагментации жидких отходов, например, форсунками, и/или для фрагментации твердых отходов, например, шредером, мельницей, экструдером.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема устройства, в котором реализован заявляемый способ: 1 - реактор, 2 - дозатор отходов, 3 - детонационный пароперегреватель, 4 - пористая вставка, 5 - канал подачи питательной воды к пористой вставке, 6 - канал отбора питательной воды, 7 - канал подачи горючего, 8 - канал подачи окислителя, 9 - отдельная секция рубашки охлаждения реактора, 10 - коллектор рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя, 11 - рубашка охлаждения детонационного пароперегревателя, 12 - патрубок, 13 - клапан, 14 - бак системы охлаждения, 15 - водяной насос, 16 - трубопровод системы охлаждения, 17 - датчик уровня воды, 18 - канал подачи воды в бак системы охлаждения с клапаном, 19 - датчик температуры охлаждающей воды, 20 - датчик температуры стенки детонационного пароперегревателя, 21 - канал подачи резервного горючего, 22 - клапан канала подачи питательной воды, 23 - клапан канала подачи окислителя, 24 - система подачи окислителя, 25 - фильтр, 26 - канал подачи горючего газа, 27 - клапан канала подачи горючего газа, 28 - клапан канала подачи резервного горючего, 29 - ресивер резервного горючего, 30 - клапан ресивера горючего газа, 31 - ресивер горючего газа, 32 - датчик температуры стенки реактора, 33 - датчик давления в ресивере горючего газа, 34 - переключатель режимов работы системы подачи отходов в реактор, 35 - охладитель-сепаратор, 36 - входной трубопровод, 37 - выходной трубопровод, ППО - продукты переработки отходов, ГГ - горючий газ, К - компрессор горючего газа, ТОК - твердый нетоксичный остаток и конденсат, Г - горючее, Ок - окислитель, РГ - резервное горючее, П - низкотемпературный водяной пар и пристеночные пленки.
На фиг. 2 приведен Вид А схемы устройства (см. фиг. 1), в котором реализован заявляемый способ.
Вариант осуществления изобретения
На фигурах 1 и 2 приведена схема заявляемого устройства. Основной узел устройства - реактор (1), оснащенный рубашкой охлаждения из двух отдельных секций, двумя дозаторами отходов (2) и двумя детонационными пароперегревателями (3), а также охладителем-сепаратором (35) твердого нетоксичного остатка и/или конденсата, последовательно соединенным с ресивером горючего газа (31), оснащенным клапаном ресивера (30) и соединительными каналами (26), связывающими ресивер горючего газа (31) с детонационными пароперегревателями (3). Каждый из двух детонационных пароперегревателей (3) включает индивидуальные системы подачи питательной воды, подачи горючего, подачи окислителя и охлаждения. Устройство также оснащено системой управления (на фиг. не показана).
Система подачи питательной воды в детонационный пароперегреватель (3) содержит пористую вставку, соединенную каналами подачи питательной воды (5) и отбора питательной воды (6) с коллектором рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя (10) и рубашкой охлаждения детонационного пароперегревателя (11).
Система подачи горючего в детонационный пароперегреватель сообщается через канал подачи горючего (7), оснащенный фильтром (25), через канал подачи резервного горючего (21) с ресивером резервного горючего (29), и через канал подачи горючего газа (26) с ресивером горючего газа (31). В канале (26) установлен компрессор горючего газа (К).
Система подачи окислителя (24) снабжена каналом подачи окислителя (8) в детонационный пароперегреватель (3).
Система управления (на фиг. не показана) содержит клапаны каналов подачи питательной воды (22), окислителя (23), резервного горючего (28) и горючего газа (27), позволяющие управлять подачей питательной воды, резервного горючего, окислителя и горючего газа в детонационный пароперегреватель (3), клапан (13) патрубка (12), соединяющего бак. системы охлаждения (14) с коллектором рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя (10), а также содержит датчик температуры стенки реактора (32), датчик температуры стенки детонационного пароперегревателя (20), датчик давления в ресивере горючего газа (33), а также переключатель режимов работы системы подачи отходов в реактор (34).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Предлагаемое устройство работает на трех основных режимах: «Пуск и прогрев», «Переработка отходов», «Охлаждение». Управление работой установки на всех режимах осуществляется системой управления (на фиг. не показана).
В режиме «Пуск и прогрев» осуществляется пуск устройства и его выход на стационарный режим работы по температуре охлаждающей воды в баке (14). При этом отходы в реактор (1) не подаются, а все клапаны системы управления находятся в закрытом положении. В этом режиме выполняется следующая последовательность операций:
A. Запуск системы охлаждения и системы подачи питательной воды: открывается клапан (13) патрубка (12) и включается водяной насос (15), при этом охлаждающая вода из бака системы охлаждения (14) поступает по трубопроводам (16) в отдельную секцию рубашки охлаждения реактора (9) и в рубашку охлаждения детонационного пароперегревателя (10), а по трубопроводу (36) охлаждающая вода поступает в охладитель-сепаратор (35), а затем по трубопроводу (37) - в отдельную секцию рубашки охлаждения реактора (9) и далее - в рубашку охлаждения детонационного пароперегревателя (11), а затем через коллектор рубашки охлаждения детонационного пароперегревателя (10) и патрубок (12) возвращается в бак системы охлаждения (14). При этом клапан канала подачи питательной воды (22) открыт так, чтобы главным образом обеспечить охлаждение теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя (3) питательной водой, поступающей через пористую вставку (4).
Б. Запуск систем подачи горючего и окислителя (24): одновременно открываются клапаны каналов подачи резервного горючего (28) и окислителя (23), после чего резервное горючее (природный газ) и окислитель (кислород) поступают в детонационный пароперегреватель (3), где смешиваются с образованием стехиометрической смеси горючее-окислитель.
B. Инициирование детонации и прогрев устройства до установления температуры в баке системы охлаждения (14): инициирование и дальнейшее протекание непрерывно-детонационного горения смеси горючее-окислитель в детонационном пароперегревателе (3) осуществляется в соответствии с принципом, изложенным в патенте WO 2014/129920 А1, Устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, F23R 7/00, опубликованном 28.08.2014 (авторы Фролов С.М., Фролов Ф.С), а непрерывные сверхзвуковые струи продуктов детонации (состоящие в основном из диоксида углерода и водяного пара) направляются в реактор (1), а затем последовательно в охладитель-сепаратор (35) с конденсацией водяного пара и удалением конденсата и далее в ресивер горючего газа (31).
Г. Получение непрерывной сверхзвуковой струи сильно перегретого водяного пара и прогрев установки: клапан канала подачи питательной воды (22) открывается так, чтобы одновременно обеспечить охлаждение теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя (3) питательной водой, поступающей через пористую вставку (4) в виде низкотемпературного водяного пара и пристеночных пленок, и получение струй низкотемпературного водяного пара и пристеночных жидких пленок питательной воды, непрерывно подаваемых непосредственно в детонационный пароперегреватель (3). При этом сильно перегретый водяной пар в детонационном пароперегревателе (3) получается благодаря комбинированному воздействию со стороны детонационных волн, непрерывно циркулирующих в детонационном пароперегревателе (3) по смеси горючее-окислитель, и со стороны теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя (3), на струи низкотемпературного водяного пара и пристеночные пленки питательной воды, непрерывно подаваемые непосредственно в детонационный пароперегреватель (3), а именно: благодаря термомеханическому воздействию детонационных волн, заключающемуся в перегреве низкотемпературного водяного пара, а также в аэродинамическом дроблении пристеночных пленок на микрокапли питательной воды, испарении микрокапель питательной воды и перегреве образующегося водяного пара, и благодаря термическому воздействию теплонагруженных стенок детонационного пароперегревателя (3), заключающемуся в передаче тепла от теплонагруженных стенок к струям низкотемпературного водяного пара и пристеночным пленкам. Непрерывная сверхзвуковая струя сильно перегретого водяного пара с незначительным содержанием диоксида углерода из детонационного пароперегревателя (3) поступает в реактор (1), а затем последовательно в охладитель-сепаратор (35) с конденсацией водяного пара и удалением конденсата и далее в ресивер горючего газа (31).
Работа на режиме «Пуск и прогрев» продолжается пока не будет достигнуто пороговое значение температуры стенок детонационного пароперегревателя (3) и стенки реактора (1). Пороговое значение температуры задается системой управления. Температуры стенок детонационного пароперегревателя (3) и стенки реактора (1) измеряются датчиками температуры (20) и (32) соответственно. Объем ресивера горючего газа (31) выбирается таким, чтобы за время работы устройства в режиме «Пуск и прогрев» в ресивере горючего газа достигалось относительно небольшое избыточное давление продуктов детонации, состоящих в основном из диоксида углерода.
В режиме «Переработка отходов» система управления запускает дозатор (2) с помощью переключателя режимов работы системы подачи отходов в реактор (34). После этого в реактор (1) начинают подаваться отходы. Переработка отходов в реакторе (1) происходит в соответствии с принципом, изложенным в статье С.М. Фролова, В.А. Сметанюка, С.С. Сергеева. Реактор для газификации отходов сильно перегретым водяным паром. Доклады российской академии наук. Химия, науки о материалах, 2020, том 495, с. 71-76. Продукты переработки отходов, вообще говоря, представляющие собой смесь газов, включающую горючий газ, пары низкокипящих жидкостей (например, простейших кислот) и твердый нетоксичный остаток, направляются в охладитель-сепаратор, где происходит отделение газов от твердого нетоксичного остатка и конденсата низкокипящих жидкостей. Твердый нетоксичный остаток и конденсат удаляются из охладителя-сепаратора (35) и направляются потребителю, например, для разделения конденсата на товарные кислоты любым известным способом и для утилизации твердого нетоксичного остатка, например, для нужд строительной и дорожно-строительной отраслей. Горючий газ направляется в ресивер горючего газа (31). Когда в ресивере горючего газа (31) будет достигнуто пороговое значение давления, задаваемое системой управления, устройство переводится на питание горючим газом. Для этого запускается компрессор горючего газа (К), открывается управляемый клапан подачи горючего газа (27), а подача резервного горючего из ресивера резервного горючего (29) отключается клапаном (28). Горючий газ через канал подачи горючего газа (26), фильтр (25) и канал подачи горючего (7) поступает в детонационный пароперегреватель (3). Часть горючего газа из ресивера горючего газа (31) через управляемый клапан ресивера горючего газа (30) может направляться потребителю для производства тепла, электричества и химических продуктов, например, метанола, аммиака, водорода и др.
В этом режиме работы система управления выполняет следующие функции:
а) регулирует подачу отходов в реактор (1) дозатором отходов (2) и объемный расход горючего газа, направляемого потребителю через управляемый клапан ресивера горючего газа (30), в зависимости от допустимых пределов давления в ресивере горючего газа (31); давление в ресивере горючего газа (31) измеряется датчиком давления (33);
б) поддерживает уровень воды в баке системы охлаждения (14), измеряемый датчиком уровня воды (17), восстанавливая его до номинального при достижении порогового значения уровня воды; уровень воды в баке системы охлаждения (14) обеспечивается подачей воды через клапан подачи воды (18);
в) поддерживает температуру стенки детонационного пароперегревателя (3) и стенки ректора (1), измеряемую датчиками температуры (20) и (32) соответственно, изменяя скорость циркуляции охлаждающей воды в рубашке охлаждения детонационного пароперегревателя (11) и в отдельной секции рубашки охлаждения реактора (9) при помощи клапана (13), установленного в патрубке (12).
В режим «Охлаждение» устройство переключается по команде системы управления, если при его работе достигаются критические значения следующих параметров рабочего процесса:
- минимальный уровень воды в баке системы охлаждения (14);
- максимальная температура воды в баке системы охлаждения (14);
- максимальная температура стенки детонационного пароперегревателя (3);
- максимальная температура стенки реактора (1);
- максимальное давление в ресивере горючего газа (31).
При переходе устройства в режим работы «Охлаждение» выполняются следующие операции: сначала прекращается подача отходов в реактор (1) дозатором отходов (2), а потом закрываются клапаны подачи окислителя (23) и горючего газа (27) и отключается компрессор горючего газа (К).
После снижения значений параметров рабочего процесса до пороговых значений работа устройства возобновляется с режима «Пуск и прогрев».
Приводим пример трехмерного газодинамического расчета, демонстрирующего предлагаемые способ и устройство в части получения непрерывной струи сильно перегретого водяного пара в детонационном пароперегревателе (см. фиг. 1, поз. 3), работающем в режиме непрерывно-детонационного сжигания тройной горючей смеси - «природный газ-кислород-низкотемпературный водяной пар» стехиометрического состава с содержанием водяного пара не менее 50% по объему. Расчетная схема детонационного пароперегревателя (3) соответствовала схеме, представленной на фиг. 1. Внешний диаметр детонационного пароперегревателя 400 мм, длина - 300 мм, высота кольцевого зазора между стенками детонационного пароперегревателя (3) - 20 мм. Предварительно подготовленная тройная смесь подавалась через распределенные отверстия в стенке детонационного пароперегревателя (3). Подробное описание физико-математической модели и численного метода расчета приведено в статье Дубровский А.В., Иванов В.С., Зангиев А.Э., Фролов С.М. Трехмерное численное моделирование характеристик прямоточной воздушно-реактивной силовой установки с непрерывно-детонационной камерой сгорания в условиях сверхзвукового полета. Химическая физика, 2016, том 35, №6, с. 49-63. Расчеты показали, что предлагаемые способ и устройство обеспечивают формирование непрерывной струи сильно перегретого водяного пара (объемное содержание не менее 80%) с температурой не менее 2400 К в результате сжигания в непрерывно-детонационной волне тройной смеси «природный газ-кислород-низкотемпературный водяной пар». Такие струи, направленные в сферический реактор, гарантируют полную переработку отходов (см., например, С.М. Фролов, В.А. Сметанюк, С.С. Сергеев. Реактор для газификации отходов сильно перегретым водяным паром. Доклады российской академии наук. Химия, науки о материалах, 2020, том 495, с. 71-76).
Таким образом, передоложенные способ и устройство обеспечивают условия для глубокой высокопроизводительной высокотемпературной переработки отходов с помощью сильно перегретого водяного пара с получением горючего газа, кислот и твердого нетоксичного остатка без какого-либо вредного воздействия на окружающую среду (без выбросов веществ, приводящих к загрязнению атмосферы, почвы и водоемов).