УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ
WASTE DISPOSAL DEVICE

Изобретение относится к устройству утилизации промышленных (резина, нефтяной шлам, растворители, отходы полиграфии, полимерные отходы), бытовых (несортированный бытовой мусор), опасных (медицинские отходы, кислые гудроны, промышленная и бытовая электроника) и многих других промышленных отходов, которое перерабатывает такие отходы в промышленно применимый продукт - синтез-газ, основными сферами применения синтез-газа являются производство электрической и тепловой энергии, получение оксида углерода и водорода, синтез Фишера-Тропша и др.
Аналогом принципа работы заявляемого устройства является техническое решение по патенту RU 2697912, «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ИЗ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И КОМБИНИРОВАННЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР ОБРАЩЕННОГО ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», опубликовано: 21.08.2019 Бюл. №24. Группа изобретений относится к области горения и газификации и предназначена для получения силового генераторного газа для производства электрической и тепловой энергии.
Недостатком аналога является рассогласование волноводного тракта в связи с постоянным изменением характеристик поглощающего материала.
Аналогом заявляемого устройства также является устройство для переработки изношенных шин и/или резинотехнических изделий, патент RU 2361731, опубликовано: 20.07.2009 Бюл. №20. Устройство для переработки изношенных шин и/или резинотехнических изделий содержит по меньшей мере, одну камеру пиролиза, транспортер, СВЧ-излучатели и разгрузочное устройство, одну камеру пиролиза, каждая камера пиролиза выполнена в виде корпуса, состоящего из цилиндрической и конусной части, соединенной с газоотводной сильфонной трубой, сообщенной с трубой отвода газообразных продуктов, причем, по меньшей мере, по четыре СВЧ-излучателя установлено на середине высоты цилиндрической части каждой камеры пиролиза снаружи равномерно по окружности, а на конусной части каждой камеры пиролиза снаружи установлены диаметрально противоположно по две форсунки для подачи перегретого водяного пара, центральные продольные оси обеих форсунок каждой камеры пиролиза расположены под углом 90° к пересекающим их прямым линиям, лежащим диаметрально противоположно на внешней боковой конусной поверхности и проходящим через две точки, находящиеся на внешних окружностях верхнего и нижнего оснований конуса, при этом транспортерная лента выполнена из поперечных звеньев и снабжена микроволновыми затворами в виде сегментов, образующих два концентрично расположенных кольца.
Основными недостатками известного устройства является сложность герметизации рабочей камеры и сложность экранирования рабочей камеры, которая может приводить к утечкам СВЧ излучения.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ГАЗИФИКАТОР БИОМАССЫ С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ И СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ, патент RU 2588211, опубликовано 27.06.2016 Бюл. №18, изобретение относится к газификатору биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы и способу газификации биомассы и твердых отходов в синтез-газ высокого качества. Газификатор биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы содержит вертикально расположенный корпус печи, блок мониторинга и устройство генерации микроволновой плазмы, где корпус печи содержит впуск для материала и топлива, выпуск для синтез-газа, впуск для кислорода/пара и выпуск для шлака, где корпус печи содержит свободную зону в своей верхней части и зону неподвижного слоя в своей нижней части; выпуск для шлака находится в нижней части корпуса печи; блок мониторинга расположен вблизи выпуска для синтез-газа; и, по меньшей мере, одно устройство генерации микроволновой плазмы расположено на корпусе печи.
Недостатком ближайшего аналога является использование в конструкции плазмотрона, что снижает возможность регулировки технологического процесса и существенно влияет на стоимость устройства.
Техническим результатом является повышение эффективности утилизации органических, медицинских и других опасных промышленных отходов с получением высококачественного получаемого синтез-газа, не требующего дополнительных мер по его разделению и очистке при сохранении небольших массогабаритных характеристик устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для утилизации отходов, содержащем узел загрузки, реактор и, по меньшей мере, два блока СВЧ-излучателей, установленные по внешнему периметру реактора, согласно настоящему изобретению, между каждым блоком СВЧ-излучателей и реактором введен узел пароперегревателя с экранирующей рубашкой, выполненный с возможностью подачи в него пара, при этом узел пароперегревателя содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения.
А также тем, что теплоизолирующая рубашка узла пароперегревателя изготовлена из оксида алюминия.
А также тем, что устройство для утилизации отходов содержит четыре блока СВЧ-излучателей, которые установлены в одной плоскости на равном расстоянии друг от друга.
А также тем, что в качестве пористой керамики использован карбид кремния.
А также тем, что узел перегревателя выполнен из комбинации пористой и плотной керамики.
А также тем, что в качестве пористой керамики использован пористый карбид кремния, а в качестве плотной керамики - оксид алюминия.
Техническое решение поясняется фигурой 1, на которой изображена принципиальная схема заявляемого устройства.
На фигуре введены следующие обозначения:
1. узел загрузки;
2. реактор;
3. блок СВЧ-излучателей;
4. узел пароперегревателя;
5. блок управления;
6. холодильник;
7. источник пара;
8. сепаратор;
9. экранирующая рубашка;
10. паропровод для подвода пара;
11. паропровод для вывода синтез-газа;
12. сборник сухого остатка;
13. патрубок для отбора газа.
Устройство для утилизации отходов содержит узел загрузки 1, реактор 2 и, по меньшей мере, два блока 3 СВЧ-излучателей, установленных по внешнему периметру реактора 2, между каждым блоком 3 СВЧ-излучателей и телом реактора 2 дополнительно введен узел 4 пароперегревателя с теплоизолирующей рубашкой 9, выполненный с возможностью подачи в него пара посредством паропровода 10, при этом узел 4 пароперегревателя выполнен из пористой керамики с возможностью поглощения СВЧ-излучения. Сам узел 4 пароперегревателя помещен в экранирующую рубашку 9, которая может быть выполнена из оксида алюминия. Экранирующая рубашка обеспечивает теплоизоляцию узла перегревателя 4, а также функцию экранирования внешней среды от электро-магнитного излучения, поступающего в узел перегревателя 4 из блока 3 СВЧ-излучателя.
Под реактором 2 выполнен сборник сухого остатка 12 от отходов, которые не газифицировались и превратились в зольный остаток.
Каждый блок 3 СВЧ-излучателя представляет собой стандартный источник микроволнового излучения, применяемый для бесконтактного нагрева тел, основным элементом которого служат магнетроны. Для эффективной работы устройства достаточно двух блоков 3 СВЧ-излучателей. Также устройство может содержать большее количество блоков 3 СВЧ-излучателей, установленных радиально относительно реактора как на одном, так и на разных уровнях и расстояниях относительно друг друга (на фигуре не показано). Очевидно, что увеличение количества блоков 3 СВЧ-излучателей позволяет увеличивать интегральную мощность излучения, сократить время утилизации или увеличить количество утилизируемых отходов на единицу времени. Однако выбор количества блоков не влияет качественно на условия протекания процесса утилизации и на принципиальную работу заявляемого устройства. Количество блоков 3 СВЧ-излучателей может быть обусловлено, в том числе, площадью, имеющейся для размещения устройства для утилизации отходов, количеством отходов, от которого может зависеть и размер реактора 2, т.е. от целей и задач использования устройства (больницы, крупные предприятия и т.п., где различается требуемое количество отходов для утилизации).
Между телом реактора 2 и каждым блоком 3 СВЧ-излучателя введен узел 4 пароперегревателя. В качестве СВЧ-поглощающей керамики может быть использована пористая керамика на основе карбида кремния. При этом, для оптимизации температуры пара в узле пароперегревателя целесообразно применять комбинацию СВЧ-поглощающей и СВЧ-прозрачной керамики. В качестве СВЧ-прозрачной плотной керамики может быть использована керамика на основе оксида алюминия. Каждый узел 4 пароперегревателя выполнен с возможностью подвода к нему пара из генератора пара 7 по паропроводу 10.
Заявляемое устройство, т.е. его основные узлы и блоки могут управляться посредством единого блока 5 управления. Место установки блока 5 управления не имеет принципиального значения и специалисту из данной области техники понятно, что блок 5 управления может быть связан со всеми узлами и блоками как посредством проводных электрических соединений, так и посредством беспроводных соединений, где это возможно. Также в устройство могут быть введены необходимые контрольно-измерительные приборы - датчики температуры, датчики давления и газоанализаторы воздуха. Применение данных приборов очевидно, поэтому не является предметом изобретения. Все они регулируются посредством единого блока 5 управления, отвечающего за автоматизацию процесса.
Устройство работает следующим образом:
В узел 1 загрузки помещают утилизируемый материал, в узле 1 загрузки, при необходимости, он может быть измельчен, например, при помощи вращающегося шнека с переменным диаметром - шнекового измельчителя (на фигуре не показано, может быть выполнено стандартными средствами) и далее измельченные отходы поступают в реактор 2. Одновременно с подачей материала в реактор, происходит генерация пара в генераторе 7 и запуск блоков 3 СВЧ-излучателей. Насыщенный пар из генератора 7 по паропроводу 10 поступает в узел 4 пароперегревателя, который содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения. Одновременно направленное СВЧ-излучение от блоков 4 СВЧ-излучателей попадает внутрь узлов 4 пароперегревателя, в том числе на пористую керамику. При этом тело узла 4 пароперегревателя уже заполнено насыщенным паром, который проходит через поры керамики и стремится в рабочую зону реактора. В процессе прохождения насыщенного пара через пористую керамику, пористая керамика также поглощает СВЧ-излучение, за счет чего разогревается и за счет вторичного инфракрасного излучения от стенок пористой керамики, дополнительно перегревает насыщенный пар. Таким образом, пар разогревается до температур 1000-1150 градусов и поступает в реактор 2. Далее остаточное СВЧ-излучение, которое генерирует каждый блок 3 СВЧ-излучателя (остаточное излучение, которое не превратилось в тепловую энергию в пароперегревателе), дополнительно прогревает утилизируемый материал в реакторе. Рабочая температура в реакторе таким образом достигает 850-1050 градусов Цельсия. В результате действия пара высокой температуры происходит так называемый СВЧ-паровой термолиз утилизируемых отходов, обеспечивая разрушение органических и биологических материалов, токсичных соединений, патогенных микроорганизмов, в результате протекающих реакций окисления и гидратации происходит превращение органических соединений в синтез-газ и зольный остаток. Синтез-газ из реактора поступает в паропровод 11 для вывода синтез-газа, а зольный остаток отстаивается в сборнике сухого остатка 12.
Из паропровода 11 синтез-газ далее попадает в холодильник 6, откуда синтез-газ далее попадает в сепаратор 8 далее охлаждается и очищается для дальнейшего использования. При необходимости, синтез-газ может быть выведен через патрубок 13 для отбора газа и использоваться для дальнейшего производство электрической и тепловой энергии, получение оксида углерода и водорода, синтез Фишера-Тропша и др. Также синтез-газ поступает в генератор 7, обеспечивая его работу и, соответственно, работу устройства для утилизации, обеспечивая его автономность.
Таким образом устройство позволяет реализовать процесс СВЧ-термолиза, который обеспечивает чистую переработку сырья (отходов) без образования смол, диоксинов, аэрозолей с полным извлечением всего углерода из материала, переработанного в реакторе. Процесс СВЧ-парового термолиза утилизирует 100% обрабатываемых материалов.
Продуктом СВЧ-парового термолиза является высококалорийный «синтез-газ» (Н2+СО) и нейтральный твердый остаток (шлак).
Синтез-газ и шлак от СВЧ-парового термолиза отходов имеют коммерческую ценность. Газ может быть использован в качестве источника энергии в электрогенераторах типа Отто, либо быть использован как сырье для получения высокооктановых углеводородов по методу Фишера-Тропша.
Зольный остаток может быть использован как наполнитель в строительных смесях, асфальтах.
Заявляемое устройство не требует больших помещений, может быть размещено и интегрировано в существующие инфраструктуры городов и жилых массивов, может быть масштабировано под разные габариты, в зависимости от количества и необходимой скорости утилизации. Масштабирован как с точки зрения размеров, так и с точки зрения количества СВЧ-излучателей, как было сказано выше.
Стоимость монтажа модульной установки, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт дешевле любой современной системы утилизации бытовых пластиков.
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при использовании технологии СВЧ-парового термолиза количества токсичных выбросов в атмосферу и в виде твердого зольного остатка существенно ниже существующих стандартов России и Европы.
3
Проведенные лабораторные испытания показывают, что для переработки 1-го килограмма медицинских отходов (целлюлоза, пластик, биологические жидкости) потребуется 1 кВт электроэнергии для получения синтез газа в количестве 1,1-1,4 м из одного килограмма отходов. В процессе работы происходит следующая химическая реакция:
- целлюлозы:
- полиэтилена:
При сгорании синтез-газа выделяется тепло:
СО+1/2O2=CO2, ΔН=-67.63 ккал.
Н2+1/2O2=H2O, ΔН=-57.82 ккал.
с общей энергией Н=125.45 ккал. на один грамм - моль. Это соответствует 2800 ккал/м, что эквивалентно 3.2 кВт электроэнергии. То есть в результате пиролиза 1 кг. полимерных отходов образуется энергоноситель 3.59-4.56 кВт в пересчете на электроэнергию. При использовании образующегося в процессе переработки синтез - газа для питания установки СВЧ парового термолиза и с учетом КПД газового - электрогенератора Отто на уровне 29-36% обеспечивается положительный энергетический баланс, что позволяет питать СВЧ установку парового термолиза электроэнергий генерируемой выделяющимся синтез-газом.
Соответственно, для обеспечения производительности установки порядка 200 тонн отходов в год, потребуется установка мощностью 40 кВт.
Процесс СВЧ-нагрева и парового термолиза не чувствителен к влажности и составу отходов, что не требует их предварительной выдержки либо подготовки, а также сортировки. Отсутствие газообразных азота и кислорода воздуха в реакторе устраняет проблему образования оксидов азота. Обеспечивает высокое качество получаемого синтез-газа и не требует дополнительных мер по его разделению и очистке.
Использование СВЧ-парового термолиза приводит к высокой степени превращения опасных отходов (независимо от их состава) в целевой продукт синтез-газ. При температуре паровой конверсии более 900 градусов и дополнительному СВЧ нагреву, химические реакции превращения органических соединений в синтез-газ проходят с полной конверсией. Превращение углерода в синтез-газ зависит только от кинетики процесса.
Установка на основе СВЧ-паровой утилизации характеризуется высокой производительностью, малой массой и габаритами (в 4-6 раз по сравнению с лучшими аналогами). Данное оборудование может быть выполнено как в стационарном, так и в мобильном вариантах (на автомобильном, морском, и железнодорожном), что позволяет проводить утилизацию отходов (пластиков, органических отходов, упаковки) в местах их накопления: жилые массивы, больницы и пр.
Введение в конструкцию узлов пароперегревателя, в основе которого лежит пористая керамика с возможностью поглощения СВЧ-излучения, между каждым источником СВЧ-излучения и реактором позволяет существенно повысить рабочую температуру в реакторе и осуществить эффективную утилизацию отходов.
В качестве объекта для переработки с помощью СВЧ-нагрева могут быть предложены различные отходы, такие, как автомобильные покрышки, нефтешламы, ядохимикаты, электронные компоненты (материнские платы, пластиковые корпуса), отходы производства РТИ и многие другие опасные отходы.
Указанные выше достоинства и преимущества устройства утилизации отходов позволяют реализовать процесс СВЧ-парового термолиза и справиться с недостатками других известных процессов. Модульная система обеспечивает возможность монтажа установки в широком пределе генерируемой мощности 4 до 200 кВт с возможностью последующей модификации и модернизации. При этом получаемый в процессе СВЧ парового термолиза синтез-газ повторно используется для генератора пара в качестве источника энергии, обеспечивая автономность заявляемого устройства, что привлекательно с точки зрения отсутствия необходимости подключения установки к существующим электросетям.