Изобретение относится к технологиям сжигания промышленных и бытовых отходов с целью их переработки и обезвреживания.
Известны химические, механические, биологические, биохимические и другие способы обезвреживания отходов и мусора [1].
Их недостатки состоят в сложности, значительной материалоемкости и стоимости, при относительно неглубокой степени очистки. Поэтому для обезвреживания наиболее токсичных отходов применяют термические способы, в особенности огневые способы [1, гл. 1].
Наиболее близкое техническое решение к предлагаемому изобретению содержится в патенте США N 4306506 [2].
Известен способ сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, принудительно подаваемой в камеру сгорания с последующей термической обработкой и очисткой отходящих газов, включающий загрузку отходов в перфорированную чашу, поджигание отходов и подачу топливовоздушной смеси в зону горения [2].
Недостатки способа-прототипа состоят в неполном сгорании отходов и горючих компонент отходящих газов из-за низкой интенсивности горения, в трудности очистки отходящих газов.
Известны устройства для осуществления химических, механических, биологических, биохимических, термических способов обезвреживания отходов и мусора [1, гл. 2]. Их недостатки состоят в низкой эффективности, дороговизне и сложности из-за несовершенства известных технологий.
Наиболее близким техническим решением является устройство для сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, включающее цилиндрический корпус с камерой сжигания, с перфорированной чашей, устройством загрузки отходов с засыпным бункером и шнеком, трубопроводом отвода отходящих газов, разгрузочным бункером, устройством подачи и распыления топливовоздушной смеси с трубопроводом и горелкой.
Цель предложенного способа состоит в устранении недостатков прототипа [2], а именно в улучшении качества экологической очистки отходящих газов при одновременном упрощении его реализации.
Предложен новый способ сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, принудительно подаваемой в камеру сгорания с последующей термической обработкой и очисткой отходящих газов, включающий загрузку отходов в перфорированную чашу, поджигание отходов топливовоздушной смеси в зону горения, отличающийся от прототипа тем, что пламя и топливовоздушную смесь обрабатывают сильным электрическим полем с напряженностью не ниже 3 кВ/см, а частоту колебаний электрического поля выбирают из условия наилучшего качества экологической очистки отходящих газов, а параметры электрического поля регулируют либо механическим путем (подъем-опускание центрального электрода над пламенем), либо электрическим путем (от полупроводникового преобразователя напряжения и частоты). Развитие изобретения состоит также в регулировании тока электронной эмиссии в пламя сжигаемых отходов путем изменения площади игольчатой поверхности торца центрального электрода, а также во вращении пламени и топливовоздушной смеси вращающимся механическим устройством, либо вращающимся электрическим (электромагнитным) полем, в поперечной плоскости к оси факела пламени.
Предложено устройство для сжигания отходов и мусора путем огневой обработки в пламени топливовоздушной смеси, включающее цилиндрический корпус с камерой сжигания, с перфорированной чашей, устройством загрузки отходов с засыпным бункером и шнеком, трубопроводом отвода отходящих газов, разгрузочным бункером, устройством подачи и распыления топливовоздушной смеси с трубопроводом и горелкой, отличающееся от прототипа [2] тем, что дополнено регулируемым по частоте и напряженности источником сильного электрического поля с диапазоном регулирования по напряженности от 1 кВ/см до 30 кВ/см, по частоте: от 0 Гц до 30 кГц, двумя высоковольтными электродами, один из которых размещен коаксиально с цилиндрическим корпусом камеры сжигания и электроизолирован от нее, а другой присоединен к чаше сжигаемых отходов, причем второй электрод размещен подвижно над чашей и выше пламени на 1-2 см, дополнен игольчатым кольцом и имеет сквозное отверстие для подачи топливовоздушной смеси и нейтрализующей жидкости, например, водощелочной эмульсии в зону горения, причем игольчатый венец снабжен подвижными тангенциальными форсунками типа Сегнетова колеса, а полость форсунок сообщается с полостью центрального электрода посредством щелевых отверстий.
Развитие изобретения состоит в том, что устройство снабжено системой автоматического регулирования параметров горения в функции степени экологической очистки отходящих газов. Данная система содержит датчики токсичности отходящих газов (дымность, сажа, окись углевода, окись азота, окись серы и другие), регуляторы параметров электрического поля (напряженность, частота), причем выходы датчиков присоединены через блоки сравнения и регуляторы к системе управления источником электрического поля (высоковольтному преобразователю напряжения). Одним из вариантов регулятора напряженности электрического поля предлагается устройство механического вертикального перемещения центрального электрода относительно пламени, содержащее датчик ионизации (светимости пламени), реечную передачу и исполнительный механизм, включающий электродвигатель и электрический коммутатор, например, бесконтактный пускатель, на вхож которого присоединен через релейный элемент датчик ионизации.
Развитие изобретения-устройства состоит в дополнении его системой пространственно-сдвинутых электродов в поперечной плоскости пламени по его внешнему периметру (трех электродов с пространственным сдвигом 120o), а также в дополнении его трехфазным регулируемым по амплитуде и частоте преобразователем напряжения с электрическим присоединением выходов преобразователя напряжения к упомянутым электродам.
Предлагаемый способ сжигания отходов и мусора может быть реализован и другими устройствами, которые здесь не обсуждаются. Рассмотрим на конкретном примере реализацию предложенного способа (фиг. 1). Устройство для сжигания отходов и мусора электроогневым способом содержит цилиндрический корпус камеры сгорания 1 с конической крышкой 2, на которой жестко закреплен трубопровод отвода отходящих газов 3, в нижней части камеры сгорания размещена подвижно перфорированная чаша 4 для сжигания отходов, устройство дополнено центральным изолированным от корпуса камеры электродом 5, подвижным по вертикали и снабженным игольчатой поверхностью 6, с венцом 7 в нижней его части и форсунками 8, верхняя часть полого электрода 5 закреплена через электроизолятор на платформе 10, которая посредством электроизоляторов 9 соединена с направляющими подвижными зубчатыми рейками 11, соединенным через ведущую шестерню 12 с асинхронным двигателем 1, подключенным через реверсивный магнитный пускатель 14 к сети переменного тока, подвижные зубчатые рейки 11 по крайней мере две, закреплены через изоляционные направляющие рейки 15 на вытяжной трубе 3, весь механизм вертикального перемещения электрода 5 поддерживается упорами 16, жестко закрепленными на внешнем корпусе камеры сгорания 1, устройство оснащено бункером 17 и шнеком 18 для приема и подачи измельченных отходов через направляющий рукав (патрубок) 19 в перфорированную чашу 4, имеющую дырчатый подвижный поддон 20 для непрерывного удаления из чаши отходов горения (шлаков, золы), устройство содержит также воздуховод 21 со сквознымии отверстиями в выступах камеры 1 чаши сгорания 4 для поддува воздуха.
Подача части несгоревших отходящих газов в качестве топлива (T) осуществляется через топливопровод 22, основного топлива - через топливопровод 23 в коллектор 24, присоединенный через регулируемый клапан (дроссель) 25 к смесителю-эмульгатору 26 топлива (T), воды (H2O) и воздуха (B) подаваемых в него по независимым трубопроводам с регулируемым давлением (остальные трубопроводы на фиг. 1 не пронумерованы).
Устройство содержит также клеммы 27 для подключения высокого напряжения к центральному изолированному электроду 5 и к камере 1, которые присоединены высоковольтными проводами через реверсный переключатель полярности 28 на ключах К1-К4 и общий выключатель Ко присоединены к выходу первого высоковольтного преобразователя напряжения 29 на вход которого через систему управления 30 и логический функциональный преобразователь 31 присоединены выходы датчика тока 32, являющегося косвенным датчиком высоты пламени, датчика состава отходящих очищенных газов (CO, NO и другие) 33, датчика дымности сажи 34, датчика температуры пламени 35, устройство дополнено вторым идентичным высоковольтным преобразователем напряжения 36 с системой управления 37, причем выходы высокого напряжения блока 36 присоединены к поперечным пластинчатым электродам 38, изолированным от корпуса камеры 1 изоляторами 9 и имеющими подвижность в вертикальной и горизонтальной плоскостях относительно фронта пламени, устройство дополнено электромагнитным вибратором 39, состоящим из соленоидов, размещенных во взаимно-перпендикулярных плоскостях (на фиг. 1 не показаны) и двух подвижных тяг (штанг) 40, соединенных с поддоном 20 и перфорированной чашей 4 жестко, причем последние снабжены пружинами (рессорами) 41 для снижения динамических нагрузок при их принудительной вибрации блоком 39, устройство снабжено выгребным бункером 42 с отходящей нижней крышкой и датчиком уровня шлаков (на фиг. 1 не показаны), также колесами 43 для систематического отвода выгребного бункера 42 из камеры сгорания 1 и удаления шлаков.
На фиг. 1 также показаны: топливо-воздушная-водяная аэрозоль 44 в электростатическом поле над зоной пламени 46, отходы и мусор 45 по всей технологической цепочке, шлаки и зола 47, неочищенные газы 48 в камере сгорания, отходящие газы 49 в вытяжной трубе 3 и очищенные отходящие газы 50, выпускаемые в атмосферу, устройство снабжено также контуром заземления 51.
Дополнительное развитие изобретения (фиг. 3, 4) состоит в выполнении второго высоковольтного преобразователя 36 трехфазным, выходы которого присоединены к трем, изолированным от корпуса камеры поперечным электродам 38 с их пространственным сдвигом на 120o, либо к трехфазной статорной обмотке 55, размещенной на магнитопроводе 54 в камере 1.
Устройство, реализующее предложенный способ сжигания отходов и мусора, работает следующим образом: вначале засыпают в загрузочный бункер 17 измельченные отходы 45, которые затем шнеком 18 проталкиваются с регулируемой интенсивностью по направляющему патрубку 19 в чашу сжигания 4, размещенную в камере сгорания 1, затем их смачивают топливной аэрозолью 44 через форсунку 8 (фиг. 2), подавая топливо Т через топливопровод 23 через электромагнитный клапан 25 и смеситель 26 в полую трубу в центральном электроде 5, причем смеситель 26 надежно электроизолируют от данного электрода, например, посредством металлокерамического покрытия (на чертеже не показаны), затем поджигают смоченные отходы 45, либо саму смесь 44, например, электроискровым способом и устройством (на фиг. 1 не показаны), после чего распыляют топливо-воздушную- водяную аэрозоль 44 в зону пламени 46 до достижения рабочего режима (5 мин), причем распыл аэрозоли 44 осуществляют в электростатическом поле разноименных потенциалов между венцом 7 электрода 5, например, "-" и "+" потенциалом на перфорированной чаше 4, для этого тумблером Ко и реверсивным переключателем 28 подают высокое напряжение на клеммы 27 перфорированной чаши 4 и электрода 5, одновременно подают сжатый воздух (В) через воздуховод 21 снизу в зону горения пламени 46, после этого измеряют высоту пламени 46, например, путем измерения датчиками температуры 35, ионизации (не показаны), либо по датчику тока 32, включенным в цепь высоковольтного преобразователя напряжения 29 (косвенный датчик ионизации), после чего анализируют ситуацию логическим функциональным блоком 31, посредством которого формируют управляющее воздействие (команду) на подъем - опускание центрального электрода 5 путем включения асинхронного электродвигателя 13 от реверсивного пускателя 14 с соответствующим порядком чередования фаз, в результате зубчатую рейку 11 вместе с платформой 10 и центральным электродом 5 перемещают по вертикали на расстояние, при котором межэлектродное расстояние между иглами венца 7 и перфорированной чашей 4 превысят на 3-5 см высоту пламени 46, после этого электродвигатель 13 отключают от сети, и регулируют по системе управления 30 блока 29 частоту (f) и скважность ( α ) высоковольтных импульсов с выхода блока 29 для стабилизации относительной напряженности упомянутого продольного электрического поля, наложенного на пламя 46 на уровне не ниже 3-4 кВ/см. При выходе венца 7 из пламени 46 ток нагрузки с блока 29 снижается, поскольку пламя обладает повышенной электропроводностью по сравнению с отходящими газами 48, т. е. сигнал с выхода датчика тока 32 снижается (отрицательная производная по току), что "отслеживается" логическим блоком 31 для формирования команд на подъем - опускание электрода 5.
При расширении горизонтальной площади пламени 46 в перфорированной чаше 4 увеличивают ток эмиссии электронов с игл 6 венца 7 путем раскрытия его дополнительных лопастей с иглами 6 (на чертеже не показаны). Далее анализируются температура пламени 35 и состав отходящих газов 33, 34. В случае повышения процентного состава токсичной окиси углерода вследствие резкого повышения интенсивности горения пламени 46 в продольном электрическом поле осуществляют следующие дополнительные операции:
подают через электромагнитный клапан воду в полый канал электрода 5 и электрически ее распыляют форсункой 8 в зону горения над перфорированной чашей 4, одновременно прекращают сокращать до минимума подачу топлива (Т) и воздуха В в зону горения пламени 46 до установления требуемой нормы окиси углерода (косвенно - по снижению температуры пламени), после чего процесс сжигания отходов продолжают;
подают высоковольтные электрические потенциалы от второго высоковольтного преобразователя напряжения 36 на дополнительные поперечные электроды 38 и регулируют расстояние между ними и напряженность и частоту поперечного электрического поля (постоянного, переменного) для изменения высоты и интенсивности горения пламени 46 и его стабилизации, причем управляющее воздействие формируют посредством упомянутого логического блока 31 с воздействием на скважность и частоту высоковольтных импульсов напряжения по цепи системы управления 37.
Частым случаем поперечного электрополя может быть вращающееся электрическое поле, которое наиболее эффективно вращает и стабилизирует пламя 46. Для его реализации необходим, например, трехфазный выход блока 36 и пространственный сдвиг поперечных электродов 38 на 120 эл.град. по периметру внутренней расточки цилиндрической камеры сгорания 1. Скорость вращения пламени в горизонтальной плоскости изменяют частотой выходного напряжения блока 36.
Далее, согласно предложенному способу, в устройстве осуществляют следующие операции:
снижают дымность (сажистость) отходящих газов 49 путем их электрофильтрования в вытяжной трубе в поперечном электрополе 5 ("-") и "+" заряженными внутренними стенками камеры 1 и вытяжной трубы 3 с электроосаждением сажи и пыли на их внутренних стенках с последующим термическим дожигом их теплом отходящих газов;
контроль за качеством очистки отходящих газов от сажи осуществляют посредством датчика 34.
В случае необходимости изменяют расстояние венца 7 относительно перфорированной чаши 4, напряженности продольного и поперечного полей от блоков 29, 36, расход топлива и воздуха по командам от логического блока 31 до достижения требуемой нормы сажи в очищенных отходящих газах 50.
Дополнительное развитие способа состоит во введении операции эффективного удаления шлака и золы из перфорированной чаши 3 и поддона 20 в выгребной бункер 42 путем их принудительной вибрации в горизонтально-вертикальном направлениях, например поочередно посредством электромагнитного вибратора 39 с двумя штоками 40 и пружинами 41. В результате отходы 45 лучше перемешиваются, усредняются по чаше 4, а зола и шлаки 47 интенсивно поступают в бункер 42, что в конечном счете приводит к интенсификации огневой переработки отходов.
Для облегчения выгрузки бункер 42 снабжен колесами 43, степень загрузки бункера 42 контролируется, например, емкостными датчиками уровня.
Дополнительное развитие изобретения (фиг. 2) состоит во вращении пламени 46 в горизонтальной плоскости путем реактивного вращения венца 7 на подшипниковом узле 5 от струи топливно-водяной аэрозоли 44, выходящей через наклонно-тангенциальные отверстия 53 и форсунку 8 с регулируемым углом наклона к пламени, венец 7 выполнен полым, причем полость венца 7 сообщается с полостью электрода 5, например, посредством щелевых отверстий 56.
В результате резко возрастает турбулентность и интенсивность горения вращающегося пламени 46, а устройство приобретает все дополнительные преимущества циклонных реакторов для сжигания отходов (повышение производительности, снижение расхода топлива и воздуха).
Скорость вращения венца 7 определится давлением смеси. Аналогичный эффект циклонного сжигания отходов можно получить путем вращения пламени 46 путем вращения электрического (электромагнитного) поля в зазоре между пространственно сдвинутыми на 120 эл. град. тремя электродами 38 (фиг. 3, 4), изолированными от корпуса камеры 1 изоляторами 9 и присоединенными к трехфазному высоковольтному выходу второго преобразователя 37 и пламенем 46; регулирование скорости вращения поля, а следовательно, и пламени, осуществляется изменением частоты высокого напряжения от системы управления 37.
Достоинство данного способа вращения пламени по сравнению с механическим, описанным выше, состоит в независимом регулировании скорости вращения пламени от напора топливовоздушной смеси. В случае использования для вращения пламени электромагнитного поля можно использовать расточку статора 54 со статорной обмоткой 55 трехфазного асинхронного двигателя соответствующего диаметра (фиг. 4), размещенную на внутреннем диаметре цилиндра камеры сгорания 1. Естественно, необходимо принудительное водяное или воздушное охлаждение обмоток от перегрева, либо непроводящий тепловой экран.
Дополнительное развитие изобретения состоит в операции подачи части горючих отходящих газов 48 из камеры сгорания 1 на повторный дожиг негорючих отходов путем эмульгирования с топливом в смесителе 26 с последующим впрыском через форсунку 8 в зону горения пламени 46, а также использование биогаза вместо топлива, причем биогаз получают из тех же отходов и мусора 45 путем предварительной сортировки органических отходов и мусора с последующим их биологическим и химическим разложением с использованием тепла отходящих газов, и последующей подачей биогаза через форсунку 8 в зону горения, причем для получения и подачи сжатого воздуха для поддува пламени также осуществляют с использованием энергии биогаза, например, посредством дизель-компресорной установки (на чертеже не показана). Электроэнергию для питания высоковольтных преобразователей 29, 36 получают также путем преобразования тепловой энергии биогаза в дизель-генераторе (на чертеже не показаны).
Таким образом, использование тепловой и химической энергии биогаза, полученного из тех же отходов, и энергии горючих отходящих газов, позволяет получить экологически чистую, энергетически незатратную технологию огневой обработки отходов и мусора. В случае необходимости, например при внештатных ситуациях, экстренного тушения пламени поперечным постоянным электрополем от блока 36 с относительной напряженностью не менее 5-10 кВ/см. После тушения пламени электрополе отключают (а.с. СССР N 1621234, 1988. "Способ тушения пламени", автор - Дудышев В.Д.).
Развитие изобретения состоит во вращении пламени посредством вращающегося электрического (электромагнитного) поля, созданного в зоне между пространственно сдвинутыми поперечными электродами (индуктивными обмотками), что приводит к существенному повышению интенсивности горения пламени вследствие лучшего перемешивания горящих частиц с воздухом и увеличения времени несгоревших частиц во вращающемся пламени.
В случае применения электромагнитного поля индуктивные обмотки вместе с магнитопроводом статора трехфазного асинхронного двигателя размещают внутри камеры сгорания и теплоизолируют их от пламени тепловым экраном, например полым цилиндром из кварцевого стекла (на чертеже не показаны).
В результате осуществления предложенного способа и устройства дожигания отходов и мусора достигаются положительные полезные эффекты:
1) возрастают интенсивность и глубина дожига отходов, мусора и отходящих газов благодаря каталитическому воздействию продольного электрического поля на пламя;
2) возрастает светимость и температура пламени, резко снижается сажевая компонента в отходящих газах даже при сгорании шин, при том же расходе топлива и воздуха. Следовательно, сжигание происходит экологически чище (в десятки раз);
3) снижается расход топлива и воздуха благодаря использованию продольного электрополя в качестве катализатора дожига пламени горения;
4) дополнительное использование поперечного электрополя с воздействием на пламя позволяет более тонко регулировать процесс горения и минимизировать состав токсичных газов без их химической обработки. В частном случае экстренное тушение пламени осуществляется также поперечным электрополем, что повышает быстродействие защиты и снижает расходы на тушение;
5) использование электростатического распыления топлива (топливовоздушной эмульсии) в продольном электрполе позволяет резко снизить расход топлива (на 30-40%), поскольку распыление смеси электрополем происходит практически до молекулярного уровня, т.е. электроотдача от сгорания такой аэрозоли - максимальна;
6) конструктивное совмещение электрополевого катализатора горения пламени, электрофильтра очистки отходящих газов и электростатической тангенциальной форсунки распыления топливоводяной смеси значительно упрощает конструкцию, подогрев топливоводяной смеси в полости вертикального электрода теплом отходящих газов повышает октановость топлива и способствует интенсификации его горения;
7) экологические показатели по токсичности отходящих газов и производительность новой технологии сжигания отходов и мусора на 40-80% лучше, чем у аналогов при том же энергопотреблении;
8) благодаря эффективному воздействию сильного продольного электрополя на пламя увеличивается значительно степень выгорания твердых остатков в отходах, что резко сокращает количество золы и шлаков в остатках несгоревших отходов, в результате сокращаются производственные простои камеры сгорания при разгрузке выгребного бункера, в шлаке и золе снижается содержание вредных веществ (тяжелых металлов);
9) вращение пламени вращающимся электрическим (электромагнитным) полем дополнительно повышает интенсивность и полноту дожига горящих отходов в пламени, вследствие улучшения перемешивания их с воздухом. Изменением скорости вращения пламени можно регулировать интенсивность его горения, в результате устройство становится циклонным реактором;
10) реализация предложенной операции использование биогаза из тех же отходов, мусора, а также химической энергии горючих отходящих газов позволит резко сократить расход требуемых топлива, воздуха, электроэнергии и создать, по существу замкнутый цикл переработки отходов (биоогневой) без внешних затрат топлива и электроэнергии;
11) вследствие предложенного способа вращения пламени электрическим (электромагнитным) полем, возрастает интенсивность горения пламени отходов при минимальном расходе подаваемого воздуха, что позволяет повысить производительность сжигания отходов при одновременном снижении азота в отходящих газах;
12) предложенные способ и устройство универсальны, могут найти применение при сжигании любых видов отходов и мусора и превышают по своим показателям циклонные реакторы, поскольку более экономичны и экологически чище.
Изобретение относится к устройству огневой обработки отходов и мусора с целью их сжигания, Способ сжигания отходов и мусора происходит путем обработки пламени при их сгорании сильным продольным электрическим полем с напряженностью не ниже 3 кВ/см. Благодаря повышению интенсивности горения пламени в сильных электрических полях сжигание отходов и мусора происходит значительно быстрее и экологически чище (в несколько раз), практически снижается до нуля сажевая компонента в отходящих газах. Резко снижаются размеры устройств для сжигания отходов, мусора и отходящих газов. Устройство для осуществления нового способа сжигания мусора и отходов отличается от аналогов введением в конструкцию регулируемого по высоте изолированного от корпуса камеры сгорания центрального электрода с игольчатым венцом на конце, добавлением высоковольтного регулируемого преобразователя напряжения, присоединенного к упомянутому центральному электроду (по выходу) и к поддону для отходов, датчиками измерения длины пламени, датчиком состава отходящих газов, подключенных через логическое функциональное устройство на вход системы управления высоковольтным преобразователем напряжения и на вход управления устройством подъема вертикального электрода. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
| Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П | |||
| Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов | |||
| - М.: Химия, 1990 | |||
| US, патент, 4306506, F 23 G 5/00, 1981. |
