МОДУЛЬНАЯ АРХИТЕКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РЕАКТОРА ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к технике термической переработки отходов различного происхождения, а также к энергетике и энергопроизводящим технологическим системам, а именно, - к технологическим установкам плазмотермической газификации и пиролиза твердых бытовых и других органосодержащих (например, сельскохозяйственных) отходов и утилизации продуктов их переработки.
Термическая переработка отходов осуществляется в реакторе под воздействием создаваемой тем или иным образом высокой температуры, в результате чего происходит разрушение химических связей вещества отходов. В результате реакций с участием органических составляющих отходов вырабатывается синтетический (топливный) газ, а также минерализованный шлак который может быть использован для получения ценных вторичных продуктов. Энергосодержание и состав топливного газа, физико-химические свойства шлака определяются составом загружаемых в реактор отходов и вспомогательных реагентов, а также особенностями и параметрами режима термических процессов в реакторе.
Известны многочисленные описания установок для термической переработки отходов путем газификации, в том числе и с применением электроплазменного нагрева перерабатываемой массы отходов с получением горючего газа и шлака как возможного вторичного сырья для переработки в продукт коммерческого предназначения. Эти описания характеризуют, как правило, состав и конфигурацию конкретных установок, предназначенных для переработки отходов определенного происхождения и с конкретными параметрами технологического процесса по производительности и утилизационной направленности. В этих материалах обычно содержатся принципиальные технологические схемы с обозначением на них реактора с загрузочным устройством и сливом шлака. В ряде статей [например: И.В.Горячев и др. Шахтные печи для термической переработки ТБО. ТБО №6, 2012; В.Г.Гнеденко, И.В.Горячев. Плазмотермическая переработка бытовых отходов в России. «Твердые бытовые отходы», вып. №10 (64), 2011; И.В.Горячев. Плазмотермическая переработка бытовых отходов за рубежом. «Твердые бытовые отходы», вып. №11].
Некоторые патенты на технологические установки термической переработки отходов содержат описания систем автоматизированного управления загрузкой реактора (Патент на изобретение №2426031; Патент РФ на полезную модель №27679) и индикацией технологических параметров работы основного технологического оборудования для обеспечения ручного управления его работой с пульта управления оператора.
Известно описание принципов построения автоматизированной системы управления режимами газификации отходов в плазмотермическом реакторе [Горячев И.В. Оптимизация процесса плазмотермической газификации с целью повышения энергоэффективности переработки отходов. "Новости теплоснабжения" №10 (146)]. Однако, до настоящего времени ни одна из существующих установок плазмотермической переработки отходов не содержала реактора, снабженного такого рода системой.
Задачей полезной модели является диверсификация состава и конфигурации плазмотермических газификаторов по производительности, типу перерабатываемых отходов и утилизационному предназначению вторичных продуктов при обеспечении полного современного комплекта функциональных и обслуживающих систем на основе модульной комплектации плазмотермического реактора как важнейшего компонента технологического оборудования автоматизированных заводов по переработке отходов максимальной рентабельности.
Технический результат достигается тем, что технологической схемой и комплексом технологических модулей обеспечивается создание плазмотермических реакторов разной производительности, предназначению по типу перерабатываемых отходов и утилизационному предназначению вторичных продуктов при обеспечении полного современного набора функциональных и обслуживающих систем как важнейшего компонента технологического оборудования автоматизированных заводов по переработке отходов максимальной рентабельности.
Реализация целей полезно модели обеспечивается наличием следующих технологических модулей: (1) Модуля реакционной камеры; (2) Загрузочного модуля; (3) Модуля плазменного нагрева; (4) Модуля управления режимом газификации; (5) Модуля приготовления и подачи реагентов газификации; (6) Модуля кондиционирования газообразных продуктов газификации отходов; (7) Модуля кондиционирвания шлакового компаунда и приготовления полупродукта.
Конфигурация и состав системы оптимального автоматизированного управления работой реактора плазмотермической газификации отходов, соответствующие предлагаемой полезной модели, поясняется схемой, представленной на фиг.1.
(1). Модуль реакционной камеры сконструирован как цельнокорпусная или разъемно-составная вертикальная шахтная печь прямоточного или противоточного типа цилиндрической или конусообразной конфигурации нужного диаметра. с тепловой защитой внутреннего пространства за счет обмуровки внутренней поверхности корпуса жаростойким теплоизоляционным материалом, устройства рубашки водяного охлаждения или гарнисажного слоя. Модуль может быть с одноярусным или многоярусным вводом технологического тепла, получаемого с использованием плазмотронов и/или горелок разного типа. В корпусе шахтной печи предусматривается наличие технологических гнезд и посадочных мест для установки плазмотронов, горелок, фурм, штуцеров и индикаторов различного типа; с верхним или нижним отводом газообразных продуктов газификации. В подовой части шахты предусматривается устройство ванны для сбора шлакового расплава; в шлакосборнике предусматривается устройство для удаления шлака: сифонного или канального типа с системой автономного подогрева шлаковой ванны и сливных протоков посредством встроенных нагревателей любого типа (например, топливных горелок, омических или индукционных нагревателей). В верхней или в потолочной части шахты предусматривается установка средств контроля и защиты реактора от перегрузок при ударном повышении внутришахтного давления ("взрывного клапана" и газохода сброса аварийного выброса в атмосферу).
(2). Загрузочный модуль сконструирован как герметизированный от внешней среды вертикальный или наклонный мусоровод или несколько сведенных в один блок мусороводов для подачи сыпучих или измельченных материалов посредством транспортирующих механизмов любого типа (например, шнековых питателей, скребковых или цепных конвейеров) или под действием собственного веса контейнеризованных упаковок по полому мусороводу достаточного диаметра в приемный бункер. По командам от устройства дозированной подачи материал отходов, присадочный материал и/или упаковки поступают из приемного бункера в шахту реактора через герметизирующий шлюз, содержащий одну или несколько заслонок (шиберов), отделяющих пространство приемного бункера от внутреннего пространства реакционной камеры. Сыпучий и измельченный материал в приемном бункере подвергаются предварительной подпрессовке с помощью прессующего механизма поршневого типа для удаления избытка воздуха перед подачей в реакционную камеру; контенеризованные упаковки (обычно, - с опасным материалом), не подлежащие разрушению до их прохода в реакционную камеру, подаются через шлюзовое устройство без их предварительной подпрессовки. Все механизмы модуля загрузки имеют тепловую защиту от радиационного перегрева узлов загрузочного модуля со стороны горячих зон внутреннего пространства реакционной камеры в виде экранирующей тепловой (возможно, водоохлаждаемой) заслонки и, рубашки водяного охлаждения приемного бункера.
(3). Модуль плазменного нагрева содержит в своей структуре один или несколько трубчатых плазмотронов закрытого типа постоянного или переменного тока с устройствами поджига дуги. Плазмотроны могут быть сконструированы для подачи нагретой плазмы, образуемой с использованием воздуха или любого инертного газа и/или водяного пара, непосредственно во внутреннее пространство реакционной камеры или для подачи плазмы в смесительную камеру вне реактора с последующим вводом технологического газа в реакционное пространство через фурмы в стенках реактора. В состав модуля входит один или несколько управляемых источников тока для питания плазмотронов, трансформаторов, выпрямителей, а также компрессор с управляемым расходом и уровнем компремирования технологического газа до нужного давления. Замкнутая система оборотного водоснабжения дистиллированной водой' с агрегатом рассеяния тепла в окружающую атмосферу обеспечивает охлаждение плазмотронов.
(4) Модуль приготовления реагентов газификации сконструирован как совокупность дозатора подачи в приемный бункер загрузочного модуля вспомогательных реагентов, таких, например, как кокс, базальтовая крошка, стеклообразующие присадки и пр., и аппаратов приготовления реагентов, например, кислорода, водяного пара и пр.
(5) Модуль управления режимом газификации сконструирован как система автоматизированного управления технологическими параметрами работы Модуля плазменного нагрева и Модуля приготовления и подачи реагентов газификации с целью достижения максимальной энергетической способности топливного газа или его оптимального химического состава при минимально возможных энергетических затратах на процесс газификации; включающий технические средства непрерывного мониторирования расхода и калорийности выходящего из реакционной камеры топливного газа с использованием соответствующих аппаратов и соотнесение этих параметров с производительностью реактора по отходам, для чего в состав Загрузочного модуля включают определитель массы подаваемых в реактор порций отходов с регистрацией темпа подачи отходов в реактор (промежутков времени между, очередными подачам), например, с помощью определителя плотности материала в пределах фиксированного объема (например, с использованием гамма-радиационного плотномера), а также определитель влажности (например, нейтрон-радиационного влагомера); процессор, запрограммированный на последовательное зондирование зависимостей расхода и калорийности топливного газа от влияющих на них технологических параметров путем внесения малых возмущений в каждый из этих параметров с последующим определением оптимального сочетания значений составляющих технологических параметров, при которых достигается максимальная энергопроизводительность реактора по топливному газу при минимальных собственных энергозатратах на его получение; контроллер управления исполнительными органами (регуляторами электрических параметров и расхода технологического газа Модуля плазменного нагрева, регулирующими клапанами подачи пара и кислорода в реакционную камеру Модуля приготовления и подачи реагентов газификации).
(6) Модуль кондиционирования газообразных продуктов переработки отходов сконструирован как блок предварительной газоочистки, предназначенный для обеспечения качества топливного газа, необходимого для его использования в силовых энергогенерирующих агрегатах (например, в газотурбинных установках или в поршневых дизельгенераторах); содержит пылесепарирующий аппарат (циклон), скруббер-смолоотделитель или плазмогазоочистную камеру, расхолаживатель топливного газа или котел-утилизатор, предназначенный для получения технологического пара и обеспечивающий также охлаждение топливного газа до нужного уровня; может включать также вспомогательное оборудование.
(7) Модуль кондиционирования шлакового компаунда сконструирован как агрегат для приготовления полупродукта из шлакового компаунда для дальнейшего его передела в продукт различного назначения и применения, например, агрегат любого типа для гранулирования шлака с одновременным его отвердеванием и охлаждением или агрегат для получения полупродукта в форме минерального волокна или стекловаты. В состав модуля может также входить система оперативного анализа элементного состава высвобождаемого из "реактора шлака, показания от которой служат основанием для внесения корректив в состав подаваемых в реактор присадок, например минеральной крошки или кисло/основных реагентов.
Взаимодействие модулей в составе общего комплекса автоматизированного реактора плазмотермической переработки отходов осуществляется в соответствие с общим алгоритмом работы технологического комплекса, которым предусмотрены три режима его работы: (1) режим пуска реактора; (2) штатный рабочий режим переработки отходов; (3) режим выхода из работы и расхолаживания реактора.
Модульная система управления реактором работает в этих режимах следующим образом:
(1) В режиме пуска реактора предусматривается два периода работы модульной системы: (а) период разогрева реакционной камеры и (б) период начальной загрузки реактора перерабатываемым материалом. На время разогрева реакционной камеры Загрузочный модуль находится в стартовом положении; подачи отходов в реактор не происходит, шибера шлюзовой системы, включая тепловую заслонку, находятся в закрытом положении. По истечении установленного времени прогрева реактора или по сигналам от датчиков температуры, расположенных в толще футеровки по высоте реактора, Загрузочный модуль переводится в положение начальной загрузки, С целью обеспечения максимально быстрого наполнения реакционной камеры перерабатываемым материалом все элементы Загрузочного модуля - шибера, заслонки - переводятся в состояние "открыто", а конвейерные механизмы и питатели включаются на непрерывную подачу перерабатываемых материалов в загрузочный бункер и далее - в реакционную камеру. По достижении установленного предельного уровня заполнения шахты отходами по сигналам от индикаторов уровня горизонтальной ("на просвет") и/или вертикальной ("по отражению") ориентации Модуля реакционной камеры, установленных на корпусе верхней части швельшахты, механизмы Загрузочного модуля останавливаются и переводятся в положение "закрыто", означающее
переход работы технологического комплекса в штатном режиме переработки отходов.
(2) В штатном рабочем режиме переработки отходов задачей автоматизированной системы управления работой реактора является обеспечение стабильной непрерывной работы реактора в оптимальном режиме по параметрам плазмотермической газификации и кондиционирования продуктов переработки. В соответствие с этим предусматривается два последовательных периода работы модульной системы автоматизированного управления работой реактора: (а) период настройки параметров режима газификации на оптимальные показатели и (б) период поддержания штатных параметров процесса газификации отходов.
(а) Последовательность операций, обеспечивающих настройку параметров режима газификации на оптимальные показатели, состоит в следующем:
После пуска реактора с пульта управления оператора задается некоторый начальный режим работы системы плазменного нагрева по напряжению и току плазмотронов, а также расходу воздуха, пара и кислорода через плазмотроны или непосредственно в реакционную зону, при которых обеспечивается некоторая начальная производительность реактора по переработке отходов (т/ч).
3
3
Производительность реактора определяется на основании регистрации частоты подачи в шахту реактора фиксированных по объему порций отходов, масса которых вычисляется с учетом регистрируемой плотности подаваемого в реактор материала отходов; С помощью сенсоров расхода топливного газа и газового калориметра определяются текущий расход топливного газа (м/ч) и его калорийность (кВт-ч/м), и с помощью процессора вычисляется суммарная начальная удельная энергопроизводительность реактора по топливному газу (кВт-ч/на тонну отходов);
Далее производится запуск мастер-процессора для автоматизированного определения технологических параметров оптимального режима работы реактора. С этой целью процессор, действуя по заложенному в него алгоритму, вырабатывает команду на заранее установленное незначительное изменение одного из параметров режима работы системы плазменного нагрева; определяется новое значение энергопроизводительности реактора и вычисляется ее изменение относительно начального значения (т.е. частная производная энергопроизводительности реактора по данному параметру режима работы системы плазменного нагрева). Аналогичным образом последовательно определяются частные производные энергопроизводительности реактора по каждому из параметров режима работы системы плазменного нагрева, т.е. по напряжению и току плазмотронов, расходу технологического воздуха, пара и кислорода.
Процесс носит итерационный характер, причем, поскольку температура газификации в реакционном объеме реактора зависит от его энергонасыщения, на каждом шаге итерации отслеживается температура внутри реакционной зоны. Процесс прекращается, если температура достигает уровня, предельно допустимого по жаростойкости конструкционных материалов реактора.
(б) Дальнейшая работа реактора поддерживается на параметрах, обеспечивающих его максимальную энергетическую эффективность.
(3) В режиме выхода из работы и расхолаживания реактора работа модуля загрузки останавливается, исключая дальнейшее поступление отходов в реакционную камеру. Работа модуля плазменного нагрева с подачей в реактор горячего технологического газа должна продолжаться до полной выработки находящегося в реакторе материала отходов и полного освобождения плавильной ванны от, жидкого шлака. При этом, поскольку по мере выработки остатков материала отходов, находящихся в шахте реактора, интенсивность теплового воздействия на потолочную часть шахты со стороны нижележащих горячих зон камеры будет возрастать, тепловая заслонка, экранирующая механизмы модуля загрузки от радиационного нагрева снизу, должна быть закрыта, а система водяного охлаждения модуля загрузки продолжать работать. По достижении полного освобождения реактора от остатков отходов и шлака модуль теплового нагрева отключается, а дальнейшее выхолаживание газификатора будет происходить естественным путем при выключенных системах обеспечения его работы.