СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННОГО ПИРОЛИЗА ЖИДКИХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК F23G5/00 

Изобретение относится к экологии, в частности, к способу и устройству для обезвреживания жидких отходов с помощью низкотемпературной плазмы. Оно может быть использовано в любой отрасли промышленности для уничтожения токсичных и вредных веществ.

Количество ядовитых и токсичных веществ в мире постоянно возрастает. Их влияние на окружающую среду и жизнедеятельность человека стало столь значительным и всеобъемлющим, что задача их уничтожения по актуальности вышла на одно из первых мест. Тем более, что ранее разработанные технологии и устройства для уничтожения и захоронения малоэффективны и не всегда гарантируют безопасность при их проведении.

Одним из известных способов уничтожения и захоронения вредных жидких веществ, например, полихлорированного дифенила является плазменное сжигание. Так, известен способ плазменного пиролитического разложения отходов, в котором с помощью плазменной дуги производят распыление и последующую ионизацию обрабатываемых отходов непосредственно в канале плазмотрона [1] Образовавшиеся в плазменном канале газы охлаждают уже в реакционной камере и нейтрализуют с помощью щелочной среды мокрого скрубера, а затем сжигают в обычном факеле.

Однако данный способ имеет недостатки, в котором в первую очередь следует отнести сложность поддержания стабильности плазменной дуги, низкую производительность и засорение продуктов пиролиза металлами, в том числе соединениями меди.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому по совокупности признаков является "Способ и устройство для плазменного пиролиза жидких отходов", в котором с целью эффективного разложения жидких отходов применен также пиролиз в плазменной дуге с добавлением дополнительной ступени по смешиванию жидких отходов с растворителем и их впрыскиванию в канал плазмотрона [2]
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится отсутствие в известном способе технологических примеров и режимных условий, обеспечивающих полное уничтожение вредных и токсичных веществ в обрабатываемых отходах. Вводимый вместе с отходами растворитель способствует более интенсивному образованию радикалов и атомарных газов, но существенно снижает производительность, так как жидкие отходы и растворитель обезвреживаются непосредственно в плазменном канале. При этом вопросы надежности и стойкости самой конструкции плазменного канала при ведении такого процесса пока не решены. К тому же засорение отходящих газов тяжелыми металлами в вышеуказанном способе существенно возрастает, в введение в процесс пиролиза атмосферного воздуха способствует еще и образованию токсичных соединений типа HCN, C₂N₂ и др.

Сущность изобретения заключается в следующем. Изобретение направлено на обеспечение в отходящих продуктах безопасных для жизнедеятельности человека концентраций вредных и токсичных веществ при соответствующей надежности процесса и его эффективности.

Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении изобретения, заключающегося в эффективном распаде вредных и токсичных веществ в процессе плазменного пиролиза и их полной нейтрализации после закалки и очистки, т.е. в достижении таких концентраций, которые безопасны для окружающей среды и человека и не улавливаются современными средствами контроля.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный способ плазменного пиролиза жидких отходов ведут с помощью парового плазмотрона при давлении в плазмореакционной зоне ниже атмосферного, достигаемого с помощью водокольцевого вакуумного насоса. При этом жидкие отходы вводят в плазмореакционную зону с помощью эжектора, в котором в качестве рабочего тела используют растворитель на основе предельных углеводородов, например, смесь пентана с гексаном. В то же время закалку и очистку получаемых реагентов ведут в центробежно-барботажном аппарате с двумя автономными рециркуляционными контурами, и в одном случае в качестве жидкого абсорбента используют слабый раствор кислоты, а в другом случае используют в качестве сорбента концентрированный раствор щелочи, например, гидроксида натрия. После закалки и очистки отходящие газы подвергают нейтрализации от остаточных следов (субмикронных частиц) вредных и токсичных веществ непосредственно в ванне водокольцевого вакуумного насоса, в котором в качестве рабочей жидкости используют дистиллированную воду. Затем эти газы сжигают при избытке кислорода или накапливают в реципиентах для дальнейшего коммерческого использования.

Технический результат достигается также тем, что устройство для осуществления вышеуказанного способа плазменного пиролиза жидких отходов включает плазмореактор, выполненный в виде полого вакуумно-плотного объема, узел ввода жидких отходов, который установлен в верхней части плазмореактора и герметично соединен с плазмореактором и плазмотроном. В узле ввода жидких отходов установлен эжектор, гидравлически связанный с баком растворителя и емкостью для жидких отходов. Внутри верхней части плазмореактора установлена полая обечайка, охлаждающий змеевик которой гидравлически соединен с парогенератором, соединенным в свою очередь с плазмотроном. В средней части объема плазмореактора установлена первая ступень центробежно-барботажного аппарата, гидравлически связанная с автономным рециркуляционным контуром. Следом за первой ступенью установлена вторая ступень центробежно-барботажного аппарата, гидравлически связанная с другим автономным рециркуляционным контуром. К нижней части объема плазмореактора через вакуумно-плотной металлический затвор подсоединен шламоприемник, а сам объем плазмореактора гидравлически связан через конденсатор с водокольцевым вакуумным насосом с рециркуляционным контуром. На выходном патрубке вакуумного насоса установлен осушитель, также гидравлически связанный с газовой горелкой, реципиентом для накопления газов и транспортным устройством. При этом газовая горелка установлена внутри дымовой трубы и гидравлически соединена с газодувкой. Для охлаждения плазмореактора, плазмотрона, конденсатора и рециркуляционных контуров предусмотрен внешний источник холода холодильная машина или любой другой заменяющий ее аппарат, например, насосная станция с автономной испарительной системой (градирня).

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, чем обуславливается причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах завяленного изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т. е. соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлена блок-схема способа плазменного пиролиза жидких отходов, на фиг. 2 вариант устройства для плазменного пиролиза жидких отходов по данному способу.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Процесс плазменного пиролиза проводят не в канале плазмотрона 1 (фиг.1), а в объеме плазмореактора 2, в который поток плазмы вводят через узел вода 3 жидких отходов. Вводимую плазму получают путем воздействия электрической дуги на пары воды, поступающие в канал парового плазмотрона из парогенератора 4. Температуру плазмы на срезе плазменного канала плазмотрона 1 поддерживают в интервале 2000-5000^oK с помощью источника тока 5 в зависимости от химического состава обрабатываемых отходов. При этом давление среды в плазмореакторе 2 поддерживают ниже атмосферного (200-300 мм рт. ст.), которое получают с помощью водокольцевого вакуумного насоса 6. Жидкие отходы из накопительной емкости самотеком или под небольшим избыточным давлением, достигаемым за счет наддува в накопительную емкость жидких отходов инертного газа, поступают в эжектор 7. Посредством эжектора 7, в котором в качестве рабочей жидкости используют нетоксичный растворитель на основе предельных углеводородов, жидкие отходы впрыскиваются через узел ввода 3 в реакционную зону плазмореактора 2. Вводимые жидкие отходы в реакционной зоне плазмореактора 2 под воздействием плазмы мгновенно распадаются на атомы и радикалы углеводородсодержащих соединений, которые после прохождения закалочной зоны и двух ступеней центробежно-барботажного аппарата 8, 10 вновь объединяются, образуя уже новые молекулы газа и твердые частицы: обычно монооксид углерода, водород, углеводороды с более низким молекулярным весом. Отсутствие в процессе пиролиза воздуха, а, следовательно, азота исключает образование таких вредных и токсичных веществ, как, например, HCN, C₂N₂ и др. Образующийся же в процессе разложения хлоросодержащих отходов хлор тут же в реакционной зоне плазмореактора 2 вступает в реакцию с атомарным водородом, образуя устойчивое соединение, например, хлористый водород. При прохождении центробежно-барботажного слоя 8, в котором в качестве абсорбента используют, например, слабый раствор соляной кислоты, хлористый водород растворяется. Для того, чтобы растворимость хлористого водорода не уменьшалась, концентрацию кислотного раствора с помощью рециркуляционного контура 9 поддерживают на постоянном уровне. При этом тяжелые металлы, в том числе медь и ее окислы, очень энергично взаимодействуют с раствором соляной кислоты, образуя соли (хлориды), сразу выпадающие в осадок. Очищенная от хлористого водорода и металлов смесь газов далее проходит через центробежно-барботажный слой 10, в котором в качестве жидкого абсорбента используют концентрированный раствор щелочи, постоянство концентрации которой обеспечивают с помощью рециркуляционного контура 11. При прохождении этого слоя кислота, присутствующая в газе, а также амфотерные и кислотные оксиды энергично взаимодействуют со щелочью, образуя простые и двойные соли металлов. Все соли выносятся жидкими абсорбентами с соответствующие отстойники рециркуляционных контуров или непосредственно осаждаются в шламоприемнике 12, из которого они окончательно выводятся из процесса. Оставшаяся смесь газов затем направляется в конденсатор 13 и далее в жидкую ванну водокольцевого вакуумного насоса 6. Там происходит дальнейшее улавливание всех оставшихся следов токсичных газов, включая коагуляцию субмикронных частиц углерода и других летучих веществ. Скоагулированные твердые частицы выносятся жидкостью в отстойник рециркуляционного контура 14, а оставшиеся газы после осушителя 15 направляются в накопительный реципиент 16 и далее отгружаются с помощью транспортного устройства 17 потребителю для дальнейшего коммерческого использования, либо сразу сжигаются при избытке кислорода с помощью газовой горелки 19 и воздуходувки 19 в дымовой трубе 20.

Устройство (фиг. 2) для плазменного пиролиза жидких отходов включает плазмореактор 21, который через узел ввода 22 жидких отходов соединен с паровым плазмотроном 23 с источником питания 24. Узел ввода гидравлически соединен с накопительной емкостью 25 жидких отходов и баком 26 растворителя. В верхней части плазмореактора установлена реакционная камера 27, гидравлически соединенная с парогенератором 28, который также гидравлически соединен с плазмотроном. Под реакционной камерой установлена первая ступень 29 центробежно-барботажного аппарата, которая гидравлически соединена с рециркуляционным контуром 30. Следом за первой ступенью внутри плазмореактора установлена вторая ступень 31 центробежно-барботажного аппарата, гидравлически соединенная с рециркуляционным контуром 32. В нижней части корпуса плазмореактора установлен шламоприемник 33, а сам плазмореактор гидравлически соединен через конденсатор 34 с водокольцевым вакуумным насосом 35 с рециркуляционным контуром 36. На выходе водокольцевого насоса установлен осушитель 37, который гидравлически соединен с устройством сжигания газа 38, реципиентом 39 и транспортным устройством 40. Устройство для сжигания установлено внутри дымовой трубы 41 и гидравлически соединено с воздуходувкой 42. При этом для регулирования и поддержания температуры в агрегатах устройства предусмотрена внешняя система охлаждения, например, холодильная машина 43, которая также гидравлически соединена с плазмотроном, плазмореактором, автономным рециркуляционными контурами и конденсатором (на чертеже показана условно). Холодильная машина может быть заменена внешним источником холода, например, входным и выходным водяными коллекторами, гидравлически соединенными с большим объемом воды или другим источником холода. Приборы контроля и поддержания необходимых параметров в устройстве на чертеже условно не показаны и в описании не приведены.

Работа устройства осуществляется следующим образом. После включения парогенератора 28 и получения необходимого количества пара, производится включение плазмотрона 23 и всех агрегатов устройства, исключая систему подачи жидких отходов в устройство ввода. После предварительного разогрева и выхода на исходные параметры начинается рабочий режим, т.е. жидкие отходы из накопительной емкости 26 поступают в узел ввода 22, где они, смешиваясь с растворителем попадают в реакционную зону плазмореактора 21. Под воздействием высокой температуры и вакуума все, поступившие в реакционную зону вещества распадаются и диссоциируют на отдельные молекулы. В своей основе процесс распада является пиролитическим, т.к. плазма, вытекающая из плазмотрона 23, включает не только отдельные молекулы и атомы, но и частично ионы и электроны. Все это способствует образованию большого количества неустойчивых радикалов, которые при встрече с жидким сорбентом первой ступени центробежно-барботажного аппарата рекомбинируют в новые нетоксичные молекулы, включая устойчивые соединения с металлами. После прохождения первой ступени 29 непрореагировавшие радикалы и атомарные газы поступают во вторую ступень 31 центробежно-барботажного аппарата, в которой в качестве жидкого абсорбента используется концентрированный раствор щелочи. Под воздействием этой среды оставшиеся непрореагировавшие газы, включая и вновь образованные, освобождаются от кислоты и рекомбинируют в устойчивые химические соединения. При этом твердые включения, в т.ч. и соли тяжелых металлов, под воздействием центробежного поля отделяются от газовой смеси и накапливаются в шламоприемнике 33. Далее полученный газовый поток поступает в конденсатор 34, расположенный на входном патрубке водокольцевого вакуумного насоса 35, где он частично конденсируется и стекает в ванну, а частично растворяется, в то время как оставшиеся газы, уже не содержащие токсичные и вредные элементы, накапливаются в реципиенте 39, из которого они могут посредством транспортного устройства 40 перемещаться на другое предприятие для коммерческого использования, или сразу сжигаются в газовой горелке 38 при избытке кислорода и с помощью газодувки 42 и дымовой трубы 41 рассеиваются в атмосфере. Процесс выхода на рабочий режим, как и весь технологический процесс, легко поддается контролю и регулированию. После окончания рабочего цикла осуществляется режим останова. Он предусматривает функционирование всех элементов устройства на нетоксичном растворителе до тех пор, пока все контролирующие приборы не покажут полное отсутствие токсичных и вредных веществ, как в самом устройстве, так и в продуктах, которые при этом процессе образуются.

Такой подход к процессу плазменного пиролиза жидких отходов позволяет полностью исключить попадание вредных и токсичных веществ в окружающую среду и делает сам процесс простым и надежным с эксплуатации.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно при уничтожении жидких отходов способом плазменного пиролиза;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеизложенных в заявке устройства и известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Изобретение относится к экологии, в частности, к способу и устройству для обезвреживания жидких отходов с помощью низкотемпературной плазмы. Оно может быть использовано в любой отрасли промышленности для уничтожения токсичных и вредных отходов. Способ уничтожения токсичных и вредных отходов осуществляется в специальном плазмореакторе с помощью парового плазмотрона при пониженном давлении среды, обеспечиваемом с помощью водокольцевого вакуумного насоса. При этом процесс закалки и очистки получаемых реагентов осуществляется в центробежно-барботажном аппарате с автономными рециркуляционными контурами для жидких абсорбентов, а нейтрализация остаточных следов субмикронных летучих частиц токсичных и вредных веществ производится в ванне дистиллированной воды. Полученные продукты накапливаются в реципиенте для их коммерческого использования или сжигаются в дымовой трубе при избытке кислорода. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ плазменного пиролиза жидких отходов, включающий подготовку, ввод в плазмореакционную зону, нагрев при помощи плазмотрона, закалку после плазмотермического воздействия, очистку и нейтрализацию остаточных следов субмикронных летучих частиц вредных и токсичных веществ, отличающийся тем, что процесс плазменного пиролиза ведут с помощью парового плазмотрона при давлении в реакционной зоне плазмореактора ниже атмосферного, которое обеспечивают при помощи водокольцевого вакуумного насоса, при этом жидкие отходы вводят в плазмореакционную зону при помощи эжектора, в котором в качестве рабочей жидкости используют растворитель на основе предельных углеводородов, а закалку получаемых реагентов и их очистку проводят путем пропускания поочередно через центробежно-барботажные слои слабого раствора кислоты и концентрированного раствора едкой щелочи, постоянство концентрации которых поддерживают при помощи автономных рециркуляционных контуров, а нейтрализацию остаточных следов токсичных веществ проводят непосредственно во вращающемся слое дистиллированной воды водокольцевого вакуумного насоса с предварительной конденсацией части паров на его входном и осушением на его выходном каналах. 2. Устройство для плазменного пиролиза жидких отходов, включающее плазмотрон, плазмореактор, узел ввода жидких отходов, узел закалки, узел очистки и нейтрализатор остаточных следов субмикронных летучих частиц токсичных и вредных веществ, отличающееся тем, что корпус плазмореактора выполнен в виде полого вакуумно-плотного цилиндра, в верхней части которого через узел ввода подсоединен плазмотрон, а к его нижней части через центробежно-барботажный аппарат подсоединен вакуумный насос, при этом узел ввода жидких отходов выполнен в виде эжектора, герметично соединенного с накопительной емкостью жидких отходов и баком растворителя, а центробежно-барботажный аппарат выполнен с двумя автономными рециркуляционными контурами для водных растворов кислоты и щелочи, в то время, как водокольцевой вакуумный насос соединен с автономным контуром дистиллированной воды и на его входном канале установлен конденсатор, а его выходном канале установлен осушитель. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутри плазмореактора установлен змеевик парогенератора, который закрыт со стороны плазмы полой обечайкой и соединен с паровым плазмотроном. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что охлаждающие каналы плазмотрона, плазмореактора, конденсатора, а также рециркуляционных контуров для растворов кислоты, едкой щелочи и дистиллированной воды соединены с внешним источником холода, например, абсорбционной холодильной машиной. 5. Устройство по пп. 2 4, отличающееся тем, что выхлоп водокольцевого вакуумного насоса соединен с накопительным реципиентом, транспортным средством и газовой горелкой для сжигания газа.