БАРБОТАЖНАЯ ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2008 года по МПК F23G5/00 

Изобретение относится к конструкции преимущественно транспортабельных сборно-разборных барботажных плавильных печей для обезвреживания токсичных веществ, по меньшей мере, путем их пиролиза в минеральном расплаве и сжигания газообразных продуктов. Печи предназначены в основном для переработки в местах хранения таких концентрированных органических и/или элементоорганических химикалий, как:

гербициды, инсектициды, дефолианты и иные пестициды и им подобные ядохимикаты в случаях, когда срок их годности истек,

отработанные трансформаторные масла и иные промышленные отходы, содержащие токсичные ароматические преимущественно многоядерные соединения и т.д.,

отходы полимеров типа полиуретанов, поливинилхлорида, тефлона и т.п.

Естественно, что печи пригодны также для переработки иных твердых и пастообразных промышленных, медицинских и бытовых отходов, содержащих существенную (как правило, не менее 20% по массе) примесь углеродсодержащих веществ.

Уровень техники

Общеизвестно, что промышленное производство и потребление пестицидов систематически возрастает. По мере введения в хозяйственный оборот современных пестицидов с пониженной экологической опасностью на складах остаются высокотоксичные пестициды типа ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана), использование которых запрещено. Далее, нередки случаи, когда у потребителей остаются неиспользованные запасы пестицидов, которые подлежат уничтожению из-за превышения срока годности. И, наконец, заметная часть токсичных веществ вследствие аварий при транспортировке или неосторожного хранения попадает в почву в концентрированном виде.

Химический состав пестицидов и им подобных токсичных веществ весьма разнообразен. Соответственно их химическое обезвреживание с применением специфических реагентов экономически нецелесообразно. Мало того, продукты такого обезвреживания нередко требуют надежного захоронения.

Поэтому токсичные вещества обычно обезвреживают путем высокотемпературного пиролиза в расплаве подходящего инертного материала с последующим дожиганием газообразных продуктов пиролиза и остатков пироуглерода (FR 2170998, US 3946680, DE 2362691 В2, US 4280417, WO 95/14885 А1, GB 2256036 А, ЕР 0767342 А1, ЕР 0846917 А2, RU 2104445 и мн. др.).

Выбор типа и конкретной конструкции устройства для пиролиза зависит от массы токсичных веществ, которые подлежат обезвреживанию, и их локализации.

Так, для пиролиза отработанных шин с металлическим кордом, бытового мусора, находящегося на городских свалках, и отходов крупных предприятий органического синтеза целесообразно строить стационарные пиролизные установки с электропечами, как это предусмотрено, например, в RU 2135896, а предпочтительно - с более экономичными крупногабаритными шахтными барботажными тазовыми печами согласно RU 2036384.

Если же масса токсичных веществ или загрязненной ими почвы незначительна (в частности, составляет от нескольких тонн до нескольких десятков тонн), их целесообразно обезвреживать непосредственно на складах или в местах загрязнений.

Для этого нужны транспортабельные сборно-разборные пиролизные установки.

Один из вариантов такой установки известен из Сборника научных трудов XIII (ежегодной) международной научно-технической конференции «Экология и здоровье человека, охрана водного и воздушного бассейнов, утилизация отходов», которая состоялась 13-17 июня 2005 г. в Алуште, Украина. В тезисах доклада Четверикова В.В., Гринченко Н.Н., Олабина В.М. и Максимука А.Б. «Технология термического обезвреживания непригодных к использованию химических средств защиты растений» (см. указанный Сборник, т.2, с.798-801) описана барботажная газовая печь для обезвреживания токсичных веществ. Эта известная печь, которая наиболее близка к предлагаемой далее печи по технической сущности, имеет:

(1) замкнутый термостойкий корпус, полость которого разделена на сообщающиеся:

(1.1) плавильную камеру (именуемую в докладе «зона нагрева») и

(1.2) камеру («зону») пиролиза обезвреживаемых веществ в расплаве подходящего минерального или искусственного минералоподобного материала;

(2) по меньшей мере, одно средство («камеру») загрузки минеральной основы для формирования расплава и обезвреживаемых веществ в печь, смонтированное на крышке корпуса;

(3) по меньшей мере, одну погружную (обычно газокислородную) горелку, которая размещена в донной части плавильной камеры и служит источником тепла для приготовления указанного расплава и поддержания его текучести;

(4) по меньшей мере, одну горелку для дожигания газообразных продуктов пиролиза (пирогаза), которая подключена к окну для их вывода из камеры пиролиза (как правило, через, по меньшей мере, один аппарат для очистки пирогаза от негорючих токсичных примесей);

(5) летку, которая расположена в придонной части корпуса и служит для вывода расплава из печи (например, в гранулятор);

(6) канал для выпуска продуктов сгорания в атмосферу (обычно через, по меньшей мере, один аппарат для их окончательной очистки от негорючих токсичных примесей).

Описанная барботажная плавильная печь, которая может быть легко изготовлена в сборно-разборном варианте, в принципе обеспечивает:

приготовление инертного минерального расплава и заполнение этим расплавом обеих указанных камер печи до достижения заданного уровня;

по меньшей мере, периодическую подачу обезвреживаемого материала в печь и его пиролиз в высокотемпературном минеральном расплаве в условиях интенсивного перемешивания;

отбор пирогаза на последующую утилизацию (с предварительной очисткой, если она необходима, на дополнительном оборудовании);

практически полное выжигание остатков пироуглерода;

периодический слив избытка расплава, который может образовываться вследствие усвоения минеральных компонентов обезвреживаемого материала, и практически полный слив расплава при остановке печи.

Однако возможность циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза и разделения потоков пирогаза и продуктов его сгорания, которые должны быть удалены в атмосферу, лишь упомянуты в цитированном докладе без указания соответствующих средств. Этого явно недостаточно для эффективного регулирования массообменных процессов внутри работающей печи.

Сущность изобретения

В основу изобретения положена задача усовершенствованием взаимосвязи (и взаимодействия) между плавильной камерой и камерой пиролиза и расположения средств загрузки и выгрузки относительно корпуса создать такую барботажную плавильную печь, которая допускала бы более эффективное регулирование массообменных процессов в печном пространстве и соответственно облегчала настройку на переработку разных по химическому составу токсичных веществ.

Эта задача решена тем, что барботажная плавильная печь для обезвреживания токсичных веществ, имеющая:

замкнутый термостойкий корпус, полость которого разделена на сообщающиеся плавильную камеру и камеру пиролиза обезвреживаемых веществ в расплаве подходящего минерального или искусственного минералоподобного материала;

по меньшей мере, одно средство загрузки минеральной основы для формирования расплава и обезвреживаемых веществ в печь, смонтированное на крышке корпуса,

по меньшей мере, одну погружную газокислородную горелку, которая размещена в донной части плавильной камеры и служит источником тепла для приготовления и поддержания текучести указанного расплава,

по меньшей мере, одну горелку для дожигания газообразных продуктов пиролиза (пирогаза), которая подключена к окну для их вывода из камеры пиролиза,

летку, которая расположена в придонной части корпуса и служит для вывода расплава из печи, и

канал для выпуска продуктов сгорания в атмосферу,

согласно изобретению

оснащена практически вертикальной жаропрочной перегородкой, которая изготовлена из подходящего газонепроницаемого материала, жестко и герметично закреплена относительно верхней части корпуса и имеет нижнее окно и верхнее окно для циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза,

камера пиролиза оснащена дополнительной верхней леткой, которая расположена ниже нижней переливной кромки верхнего окна в вертикальной жаропрочной перегородке,

дно камеры пиролиза расположено ниже дна плавильной камеры, указанная летка для вывода расплава из печи расположена в придонной зоне камеры пиролиза,

средство загрузки минеральной основы для формирования расплава выполнено в виде люка в крышке плавильной камеры,

а для загрузки обезвреживаемых веществ предусмотрено отдельное средство, установленное в крышке камеры пиролиза.

В такой печи и при периодической, и при непрерывной загрузке обезвреживаемого вещества удается создать такие режимы циркуляции расплава, которые приемлемы для обезвреживания химикалий разной химической природы. Действительно при наличии вертикальной жаропрочной перегородки с двумя окнами нетрудно создать запас минерального расплава, зеркало которого в стационарном режиме будет ниже верхней переливной кромки верхнего окна. Соответственно каждая очередная порция обезвреживаемого вещества будет вначале входить в контакт только с верхним слоем минерального расплава, который перетекает через верхнее окно из плавильной камеры в камеру пиролиза и интенсивно разлагается с выделением пирогаза. Регулируя размеры порций или расход обезвреживаемого вещества, нетрудно обеспечить условия, при которых прорыв пирогаза через верхнее окно в перегородке будет практически исключен и в плавильную камеру вместе с циркулирующим расплавом сможет поступать только пироуглерод.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что верхнее окно для циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза оснащено подходящим регулятором расхода расплава. Это позволяет регулировать время обработки обезвреживаемого материала в печи с учетом его химического состава и особенностей пиролиза даже при непрерывной загрузке.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что указанный регулятор расхода расплава выполнен в виде поворотной или шиберной заслонки. Эта форма выполнения регулятора наиболее проста и надежна.

Третье дополнительное отличие состоит в том, что нижнее окно для циркуляции расплава имеет вид постоянно открытой щели между нижним торцом вертикальной жаропрочной перегородки и дном плавильной камеры. Это облегчает демонтаж перегородки и зачистку подины после каждой очередной остановки печи.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что в крышке камеры пиролиза установлена, по меньшей мере, одна горелка для разогрева стенок указанной камеры перед каждым очередным запуском печи. Это исключает формирование настылей на стенках камеры пиролиза и деформацию ее проходного сечения.

Пятое дополнительное отличие состоит в том, что указанное средство для загрузки обезвреживаемых веществ, которое установлено в крышке камеры пиролиза, состоит из бункера-накопителя, входного патрубка и шлюза. Эти средства достаточны для периодического питания печи обезвреживаемым веществом.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что указанное средство для загрузки обезвреживаемых веществ, которое установлено в крышке камеры пиролиза, состоит из бункера-накопителя, входного патрубка и секторного питателя. Эти средства достаточны для непрерывного питания печи обезвреживаемым веществом.

Специалисту понятно, что при выборе конкретных вариантов осуществления изобретения возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом и что описанные ниже предпочтительные примеры его воплощения никоим образом не ограничивают объем прав изобретателей.

Краткое описание чертежей

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы барботажной плавильной печи для обезвреживания токсичных веществ со ссылками на прилагаемый чертеж, где предложенная печь изображена в продольном разрезе вертикальной плоскостью.

Наилучшие варианты реализации изобретательского замысла

Барботажная плавильная печь согласно изобретению имеет замкнутый термостойкий корпус 1, полость которого разделена практически вертикальной жаропрочной перегородкой 2 на плавильную камеру 3 и камеру 4 пиролиза обезвреживаемых веществ в расплаве подходящего минерального или искусственного минералоподобного материала.

Корпус 1 имеет в плане, как правило, прямоугольную форму и может быть оснащен не показанной особо подходящей внешней теплоизоляцией и/или рубашкой водяного охлаждения. Принципы выбора таких средств хорошо известны специалистам по промышленным печам.

Желательно, чтобы, по меньшей мере, дно и стенки камеры 4 пиролиза футерованы сменной (в случаях капитального ремонта) кладкой 5 из огнеупорного материала типа шамота или динаса. Высота кладки 5 должна превышать максимально допустимый уровень расплава в работающей печи.

Вертикальная перегородка 2 изготовлена из газонепроницаемого материала (обычно из стали) в виде полого короба. Он имеет хорошо известные специалистам и потому не показанные особо:

снаружи - шипы или рифы для фиксации огнеупорной обмазки (перед пуском печи) или гарнисажа (в стационарном режиме работы печи) и

внутри - лабиринт для циркуляции хладагента (как правило, воды).

Перегородка 2 жестко и герметично закреплена относительно верхней части корпуса 1 и имеет два расположенных на разной высоте окна 6 и 7 для циркуляции расплава между плавильной камерой 3 и камерой 4 пиролиза.

Окно 6 расположено в нижней части перегородки 2, как правило, имеет вид щели между нижним торцом перегородки 2 и дном плавильной камеры 3 и постоянно открыто.

Окно 7 расположено в средней (по высоте) части перегородки 2 и оснащено подходящим регулятором расхода расплава, например, в виде поворотной (или шиберной) заслонки 8, которая конструктивно подобна перегородке 2.

Камера 4 пиролиза имеет две расположенные на разной высоте летки 9 и 10.

Верхняя летка 9 обычно расположена ниже нижней переливной кромки указанного окна 7 в перегородке 2 и предназначена для слива избытка расплава, который в стационарном режиме работы может формироваться в печи из минеральных примесей к обезвреживаемым веществам.

Нижняя летка 10 расположена в придонной зоне камеры 4 пиролиза и предназначена для слива отработанного минерального расплава перед остановкой печи на техническое обслуживание или ремонт или перед демонтажем печи для ее перевозки на другое место эксплуатации (в случаях исчерпания запаса обезвреживаемого вещества).

В средней части не обозначенной особо крышки камеры 4 пиролиза установлена, по меньшей мере, одна (обычно газокислородная) горелка 11 для разогрева огнеупорной кладки 5 перед каждым очередным запуском печи. На той же крышке смонтировано устройство для предпочтительно периодической (хотя возможно и непрерывной) подачи обезвреживаемого материала в камеру 4 пиролиза.

Обычно это устройство имеет вид бункера-накопителя 12, входного патрубка 13 и не показанного особо шлюза (или секторного питателя) с надлежащими уплотнениями.

Одна из стенок камеры 4 пиролиза имеет в верхней части, по меньшей мере, одно окно 14 для вывода газообразных продуктов пиролиза (пирогаза) на дожигание непосредственно или через не показанные здесь и не оговоренные особо средства доочистки от токсичных примесей (например, адсорбер, абсорбер, нейтрализатор и т.п.), которые могут быть выбраны специалистами из числа доступных на рынке.

Желательно, чтобы дно камеры 4 пиролиза было ниже дна плавильной камеры 3.

В средней части не обозначенной особо крышки плавильной камеры 3 имеется люк 15 для подачи твердой минеральной основы расплава в период каждого очередного запуска печи. В донную часть плавильной камеры 3 вмонтировано не менее одной (а предпочтительно не менее двух) погружных газовых горелок 16 для расплавления минеральной основы при запуске печи и поддержания текучести полученного расплава.

Плавильная камера 3 оснащена в верхней части преимущественно одной (обычно газокислородной) горелкой 17 для дожигания пирогаза, отводимого из камеры 4 пиролиза через окно 14.

Верхняя часть пространства плавильной камеры 3 сообщается с атмосферой через канал 18 для выпуска продуктов сгорания, получаемых при работе горелок 16 и 17. Специалисту понятно, что на выходе из этого канала 18 при необходимости может быть установлен по меньшей мере один подходящий аппарат для окончательной очистки продуктов сгорания от негорючих токсичных примесей.

В сборно-разборном варианте воплощения изобретения целесообразно, чтобы плавильная камера 3 и камера пиролиза 4 были разъемными и имели габариты, допустимые для автомобильных перевозок.

Токсичные вещества обезвреживают в описанной печи следующим образом.

При запуске печи:

включают горелку (или горелки) 11 и разогревают огнеупорную кладку 5 камеры 4 пиролиза до температуры не менее 1000°С (а предпочтительно не менее 1250°С),

включают погружные газовые горелки 16 в донной части плавильной камеры 3,

через люк 15 в крышке плавильной камеры 3, как правило, одномоментно заваливают минеральную основу (например, доменный шлак и тому подобные, как правило, искусственные минералоподобные силикатосодержащие материалы, способные образовывать текучие расплавы),

люк 15 герметично закрывают, чтобы исключить выброс брызг расплава из плавильной камеры 3,

плавят заваленный материал и заполняют полученным расплавом плавильную камеру 3 и камеру пиролиза 4 до уровня, незначительно превышающего нижнюю кромку верхнего окна 7 в перегородке 2, и

отключают горелку (или горелки) 11 в крышке камеры 4 пиролиза.

Полученный расплав, средняя температура в массе которого обычно составляет от 1250°С до 1350°С, под действием газлифта, создаваемого продуктами сгорания от работающих погружных газовых горелок 16, начинает циркулировать между плавильной камерой 3 и камерой 4 пиролиза через верхнее окно 7 и нижнее окно 6 в перегородке 2. Необходимую температуру и текучесть расплава поддерживают, регулируя работу погружных газовых горелок 16.

Если печь оснащена регулятором расхода расплава (в частности, в виде поворотной заслонки 8, которая установлена в проеме верхнего окна 7 в перегородке 2), то скорость циркуляции расплава устанавливают, изменяя положение заслонки 8.

В стационарном режиме работы печи происходят такие процессы.

Обезвреживаемое вещество периодически (или непрерывно) подают в камеру пиролиза 4 через бункер-накопитель 12, входной патрубок 13 и упомянутый выше шлюз (или секторный питатель).

Это вещество падает на поверхность высокотемпературного расплава, интенсивно нагревается до температуры, существенно превышающей температуру термической деструкции произвольных органических веществ, и разлагается с выделением пирогаза, появлением остаточного пироуглерода и в случае обезвреживания органоминеральных композиций - минерального остатка.

Пирогаз через окно 14 удаляют из камеры 4 пиролиза и непосредственно (или после предварительной очистки от токсичных негорючих примесей) подают на дожигание в горелку 17 в газовом пространстве плавильной камеры 3 с прямой утилизацией тепла на подавление образования настыли на входе в канал 18.

Пироуглерод и минеральный остаток усваиваются потоком циркулирующего минерального расплава и (по мере охлаждения и под напором «свежего» расплава, изливающегося из верхнего окна 7 в перегородке 2) увлекаются в придонную зону камеры 4 пиролиза. Далее обогащенный указанными продуктами пиролиза расплав через нижнее окно 6 в перегородке 2 перетекает в плавильную камеру 3, где сквозь него барботируют продукты сгорания от работающих погружных газовых горелок 16. При этом:

избыток окислителя, который обычно используют для сжигания газа в этих горелках 16, обеспечивает практически полное выжигание пироуглерода,

тепло, передаваемое расплаву барботирующими сквозь него продуктами сгорания, обеспечивает окончательное плавление и усвоение минерального остатка (с соответствующим увеличением объема и массы циркулирующего расплава), а

подогретый расплав в газлифтном режиме поднимается внутри плавильной камеры 3 выше уровня верхнего окна 7 в перегородке 2 и перетекает через это окно 7 в камеру 4 пиролиза.

Отработанные продукты сгорания, генерируемые погружными газовыми горелками 16 и горелкой 17, через канал 18 непосредственно (или через дополнительную очистную аппаратуру) выходят в атмосферу.

По мере накопления расплава его избыток может без остановки печи быть удален из камеры 4 пиролиза. Для этого предпочтительно использовать верхнюю летку 9, хотя не исключено и использование нижней летки 10 и даже обеих леток одновременно.

В случаях переработки металлосодержащих токсичных отходов расплавленная металлическая фаза обычно скапливается в придонной части камеры 4 пиролиза. Именно для таких случаев предпочтительны печи, у которых дно камеры 4 пиролиза ниже дна плавильной камеры 3.

При остановке печи:

прекращают подачу обезвреживаемого вещества в камеру 4 пиролиза,

перекрывают окно 14 вывода газообразных продуктов пиролиза,

открывают нижнюю летку 10 и постепенно сливают расплав из корпуса 1 (например, в гранулятор для получения искусственного щебня),

после прекращения выхода расплава из летки 10 прекращают подачу горючего газа в погружные газовые горелки 16 и продувают полость корпуса только окислителем или иным подходящим негорючим газом.

Остывшая печь готова к техническому обслуживанию, ремонту или разборке для перевозки на другое место эксплуатации.

Далее описанный процесс повторяется.

Промышленная применимость

Предложенная печь может быть легко изготовлена промышленным путем и в транспортабельном сборно-разборном варианте эффективно использована для обезвреживания локальных скоплений токсичных отходов.

Барботажная плавильная печь для обезвреживания токсичных веществ имеет термостойкий корпус с сообщающимися плавильной камерой и камерой пиролиза обезвреживаемых веществ в минеральном расплаве, средство загрузки минеральной основы расплава и обезвреживаемых веществ, по меньшей мере, одну погружную газокислородную горелку в донной части плавильной камеры, горелку для дожигания газообразных продуктов пиролиза, подключенную к окну в камере пиролиза, летку в придонной части корпуса и канал для выпуска продуктов сгорания в атмосферу. Печь оснащена такой вертикальной жаропрочной перегородкой из газонепроницаемого материала, которая жестко и герметично закреплена в верхней части корпуса и имеет нижнее и верхнее окна для циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза, указанная летка расположена в придонной зоне камеры пиролиза, средство загрузки минеральной основы для формирования расплава выполнено в виде люка в крышке плавильной камеры, а для загрузки обезвреживаемых веществ предусмотрено отдельное средство, установленное в крышке камеры пиролиза. Технический результат: повышение эффективности регулирования массообменных процессов при обезвреживании локальных скоплений токсичных отходов. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Барботажная плавильная печь для обезвреживания токсичных веществ, имеющая замкнутый термостойкий корпус, полость которого разделена на сообщающиеся плавильную камеру и камеру пиролиза обезвреживаемых веществ в расплаве подходящего минерального или искусственного минералоподобного материала, по меньшей мере, одно средство загрузки минеральной основы для формирования расплава и обезвреживаемых веществ в печь, смонтированное на крышке корпуса, по меньшей мере, одну погружную газокислородную горелку, которая размещена в донной части плавильной камеры и служит источником тепла для приготовления и поддержания текучести указанного расплава, по меньшей мере, одну горелку для дожигания газообразных продуктов пиролиза (пирогаза), которая подключена к окну для их вывода из камеры пиролиза, летку, которая расположена в придонной части корпуса и служит для вывода расплава из печи, и канал для выпуска продуктов сгорания в атмосферу, отличающаяся тем, что она оснащена практически вертикальной жаропрочной перегородкой, которая изготовлена из подходящего газонепроницаемого материала, жестко и герметично закреплена относительно верхней части корпуса и имеет нижнее окно и верхнее окно для циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза, камера пиролиза оснащена дополнительной верхней леткой, которая расположена ниже нижней переливной кромки верхнего окна в вертикальной жаропрочной перегородке, дно камеры пиролиза расположено ниже дна плавильной камеры, указанная летка для вывода расплава из печи расположена в придонной зоне камеры пиролиза, средство загрузки минеральной основы для формирования расплава выполнено в виде люка в крышке плавильной камеры, а для загрузки обезвреживаемых веществ предусмотрено отдельное средство, установленное в крышке камеры пиролиза.2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что верхнее окно для циркуляции расплава между плавильной камерой и камерой пиролиза оснащено подходящим регулятором расхода расплава.3. Печь по п.2, отличающаяся тем, что указанный регулятор расхода расплава выполнен в виде поворотной или шиберной заслонки.4. Печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нижнее окно для циркуляции расплава имеет вид постоянно открытой щели между нижним торцом вертикальной жаропрочной перегородки и дном плавильной камеры.5. Печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в крышке камеры пиролиза установлена, по меньшей мере, одна горелка для разогрева стенок указанной камеры перед каждым очередным запуском печи.6. Печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанное средство для загрузки обезвреживаемых веществ, которое установлено в крышке камеры пиролиза, состоит из бункера-накопителя, входного патрубка и шлюза.7. Печь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанное средство для загрузки обезвреживаемых веществ, которое установлено в крышке камеры пиролиза, состоит из бункера-накопителя, входного патрубка и секторного питателя.