СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F23G5/27 

Область техники

Группа изобретений относится к переработке твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме, в частности к термическому обезвреживанию опасных твердых и медицинских отходов (ТБО и МО), к технологиям переработки и уничтожения чрезвычайно токсичной летучей золы мусоросжигающих предприятий, содержащей адсорбированные диоксины, медицинских и биологических отходов, в том числе терапевтических препаратов с истекшим сроком годности и содержащих радионуклиды. Данная группа изобретений решает, в первую очередь, экологическую задачу и может найти применение в защите окружающей среды, медицине, сельском хозяйстве, в жилищно-коммунальном хозяйстве, в химической и химико-фармакологической промышленности.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен способ термической переработки супертоксичных веществ, в том числе медицинских, сущность которого заключается в термохимическом преобразовании обезвреживаемого вещества, включающем ряд последовательных стадий: высокотемпературное разложение (T=2000-3500°C), доокисление и химическое связывание элементов разложения, многозвенная система нейтрализации и улавливания конечных малотоксичных химических соединений. (Папуша А.И. Высокотемпературная технология уничтожения супертоксичных веществ // Конверсия в машиностроении, 1998, №1) Недостатком данного способа является невозможность использования несортированных отходов.

Наиболее близким к заявленному является способ переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме в реакционном объеме, имеющем несколько зон, в том числе камеру газификации, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда и плавильную камеру, с подачей отходов в верхнюю часть реакционного объема, последующим нагреванием отходов плазменными струями электродуговых плазмотронов (плазменных генераторов), использующих в качестве рабочего газа углекислый газ, воздух, аргон, водяной пар, водород или смеси этих газов, расположенных, по крайней мере, в одной из зон, с получением пирогаза и стеклоподобного шлакового компаунда, газоотводом пирогаза и сливом стеклоподобного шлакового компаунда из нижней части плавильной камеры (Патент RU 2406032, опубликован 10.12.2010).

Недостатком данного способа являются большие энергозатраты на осуществление процесса, которые, в основном, связаны с организацией теплообмена и структурой потока внутри плазменного реактора.

Из уровня техники известен промышленный модуль установки для термической переработки супертоксичных веществ, в том числе и медицинских, созданный на базе ракетного двигателя (Папуша А.И. Высокотемпературная технология уничтожения супертоксичных веществ. // Конверсия в машиностроении, 1998, №1), в котором реализуется термохимический метод преобразования обезвреживаемого вещества. Но, поскольку техническое воплощение данной установки осуществлено на принципах создания ракетной техники, то модулю в целом присущи такие недостатки как сложность и высокая себестоимость.

Наиболее близким к заявленной установке является высокотемпературный плазменный конвертор - ВТПК (реактор) для переработки твердых и жидких отходов производства и потребления, раскрытый в патенте RU 2406032, опубликованном 10.12.2010, который выполнен в виде шахтной печи с загрузочным устройством, плавильными камерами, газоотводом и сливным отверстием. Реактор включает последовательно расположенные в шахте (сверху вниз) камеру сушки твердых отходов с плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности плазменного реактора, камеру газификации твердых отходов с плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности плазменного реактора, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда с патрубками плазменных генераторов подачи нагретого рабочего газа в количестве от 2 до 6, равномерно расположенными по окружности реактора, причем в камере сушки в качестве рабочего газа может быть использован газ из группы, включающей углекислый газ, воздух, водяной пар, аргон, в камере газификации в качестве рабочего газа может быть использован газ из группы, включающей водяной пар, углекислый газ, водород, аргон, воздух, в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда в качестве рабочего газа может быть использован воздух или углекислый газ.

Недостатком данного реактора являются высокие потери тепловой энергии через стенки конвертера.

Раскрытие изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы изобретений, заключается в снижении энергозатрат на осуществление процесса плазменной переработки твердых и жидких отходов производства и потребления за счет снижения потерь тепловой энергии через стенки конвертера.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме в реакционном объеме, имеющем несколько зон, в том числе камеру газификации, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда и плавильную камеру, с подачей отходов в верхнюю часть реакционного объема, последующим нагреванием отходов плазменными струями электродуговых плазматронов, использующих рабочий газ, расположенных, по крайней мере, в одной из зон, с получением пирогаза и стеклоподобного шлакового компаунда, газоотводом пирогаза и сливом стеклоподобного шлакового компаунда из нижней части плавильной камеры, процесс в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда проводят таким образом, что плазменные струи, образуемые плазматронами, фокусируют с возможностью создания теплового ядра в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, с образованием слоя возгонной пыли, состоящей из минеральных частиц, и расположенной между камерой газификации и зоной формирования стеклоподобного шлакового компаунда, а исходные отходы направляют в область теплового ядра. При этом газоотвод пирогаза могут осуществлять сначала путем сужения потока газа с последующим его расширением до скорости осаждения возгонных пылевых микрочастиц, имеющих эффективный диаметр менее 100 мкм, а полученный пирогаз может находиться в зоне газификации не менее 2 с. Кроме того, после зоны газификации пирогаз может быть выдержан при температуре 2000-3000 K в плазмохимической зоне плазмотрона. В качестве рабочего газа может быть использован углекислый газ, воздух, аргон, водяной пар, водород, кислород или смеси этих газов. Слив стеклоподобного шлакового компаунда может проводиться периодически, с временными промежутками между сливами, не превышающими время охлаждения расплава до температуры затвердевания в отверстии слива, или непрерывно. В реакционный объем дополнительно может быть введен кислород, водяной пар, углекислый газ, воздух, аргон, водород или смеси этих газов. Расплавленный стеклоподобный шлаковый компаунд может быть непосредственно направлен на переработку. Кроме того, область (тепловое ядро), находящаяся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, имеет среднемассовую температуру не менее 1700 K.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в установке для переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме, представляющей собой высокотемпературный плазменный конвертер, выполненный в виде шахтной печи с загрузочным устройством, плавильными камерами, газоотводом и отверстием для слива стеклообразного шлака и включающий камеру сушки отходов, камеру газификации отходов и зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда, снабженных плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа, камера газификации выполнена в форме усеченного конуса, сужающегося в направлении зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, зона формирования стеклоподобного шлакового компаунда выполнена в форме усеченной сферы или конуса, сужающегося в направлении камеры газификации, а плазменные генераторы подачи нагретого рабочего газа расположены в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда таким образом, что их направляющие оси пересекаются в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда. При этом камера газификации дополнительно может быть снабжена вертикальным теплоизолированным газоходом с установленным в нем плазмотроном; загрузочное устройство может быть расположено в верхней части шахтной печи, и/или в средней части шахтной печи, и/или в нижней части шахтной печи и может быть снабжено автоматизированной системой управления и контроля, а также иметь шлюзовые дозаторы с откидными клапанами. Кроме того, установка может дополнительно содержать устройство для измерения уровня стеклоподобного шлакового компаунда, автоматизированное устройство установки/извлечения плазмотронов из высокотемпературного плазменного конвертера, автоматизированные устройства подключения/отключения электропитания, охлаждающей жидкости и подвода рабочего газа, теплообменный аппарат для быстрого охлаждения отбираемого из конвертера газа и может быть снабжена, по крайней мере, одним устройством жидкостного или газового охлаждения, снабженным устройством автоматизированного управления и контроля, и системой автоматизированного управления процессом переработки отходов. Отверстие для слива стеклоподобного шлакового компаунда может быть снабжено запорным устройством с автоматизированным или ручным приводом; плавильная камера может быть снабжена устройствами вертикального подъема и опускания и горизонтального перемещения, обеспечивающими возможность эксплуатационного ремонта, технического обслуживания и замены/восстановления теплозащитных покрытий, а высокотемпературный плазменный конвертер может быть снабжен вытяжным устройством, обеспечивающим безопасный слив стеклоподобного шлакового компаунда с отводом горячего воздуха и пирогаза из зоны слива и оснащенным автоматизированной системой управления и контроля.

Использование плазменных технологий открывает новые возможности для подхода к оптимальному управлению технологическими процессами, а также более простой их реализации с максимально возможной эффективностью. Задачей изобретения является разработка способа переработки твердых и жидких отходов производства и потребления, в том числе несортированных медицинских и биологических отходов, позволяющего регулировать время пребывания обрабатываемого сырья в высокотемпературной зоне потока и химический состав плазменного потока. Это позволит вести процесс с заранее заданными, требуемыми электрическими, тепловыми и технологическими рабочими параметрами, что приведет к повышению эффективности технологического процесса обработки твердых и жидких отходов производства и потребления. Кроме того, это должно привести к повышению качества переработки медицинских и биологических отходов и к снижению стоимости процесса утилизации отходов. Проведение процесса указанным способом позволит оптимизировать теплообмен и структуру потока внутри плазменного реактора.

Использование электродугового нагрева для получения плазмы со среднемассовыми температурами порядка 5000 K позволяет осуществлять высокотемпературное сжигание органической составляющей отходов и остекловывания неорганической составляющей отходов, даже без предварительной подшихтовки с использованием специальных легкоплавких добавок и получением остеклованных или керамических материалов, пригодных для длительного хранения в обычных почвах или для использования как наполнителя или как строительного материала.

Предпочтительно способ осуществляют следующим образом:

- газоотвод пирогаза осуществляют сначала путем сужения потока газа с последующим его расширением до скорости осаждения возгонных пылевых микрочастиц, имеющих эффективный диаметр менее 100 мкм,

- полученный пирогаз находится в зоне газификации не менее 2 c,

- после зоны газификации пирогаз выдерживают при температуре 2000-3000 K в плазмохимической зоне плазмотрона, использующего в качестве рабочего газа смесь диоксида углерода и паров воды,

- в качестве рабочего газа используют углекислый газ, воздух, аргон, водяной пар, водород, кислород или смеси этих газов,

- слив стеклоподобного шлакового компаунда проводят периодически с временными промежутками между сливами, не превышающими время охлаждения расплава до температуры затвердевания в отверстии слива,

- слив стеклоподобного шлакового компаунда осуществляют непрерывно,

- в реакционный объем дополнительно вводят кислород, водяной пар, углекислый газ, воздух, аргон, водород или смеси этих газов,

- расплавленный стеклоподобный шлаковый компаунд непосредственно направляют на переработку.

Указанный технический результат достигается также за счет использования установки для переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме, представляющей собой высокотемпературный плазменный конвертер, выполненный в виде шахтной печи с загрузочным устройством, плавильными камерами, газоотводом и отверстием для слива стеклообразного шлака и имеющий камеру сушки отходов, камеру газификации отходов и зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда, оснащенных плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа.

Камера газификации имеет форму усеченного конуса, сужающегося в направлении зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, зона формирования стеклоподобного шлакового компаунда имеет форму усеченной сферы или конуса, сужающегося в направлении камеры газификации, а плазменные генераторы подачи нагретого рабочего газа располагаются в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда таким образом, что их направляющие оси пересекаются в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда.

Предпочтительно:

- камера газификации дополнительно содержит вертикальный теплоизолированный газоход с установленным в нем плазмотроном,

- загрузочное устройство имеет шлюзовые дозаторы с овальными откидными клапанами,

- загрузочное устройство расположено в верхней части шахтной печи и/или в средней части шахтной печи и/или в нижней части шахтной печи и имеет автоматизированную систему управления и контроля,

- установка выполнена сборно-разборной, состоящей из отдельных секций,

- установка дополнительно содержит устройство для измерения уровня стеклоподобного шлакового компаунда,

- установка дополнительно содержит автоматизированное устройство установки/извлечения плазмотронов из высокотемпературного плазменного конвертера,

- установка дополнительно содержит автоматизированные устройства подключения/отключения электропитания, охлаждающей жидкости и подвода рабочего газа,

- отверстие для слива стеклоподобного шлакового компаунда оборудовано запорным устройством с автоматическим или ручным приводом,

- плавильная камера оснащена устройствами вертикального подъема и опускания и горизонтального перемещения, обеспечивающими возможность эксплуатационного ремонта, технического обслуживания и замены/восстановления теплозащитных покрытий,

- высокотемпературный плазменный конвертер снабжен вытяжным устройством, обеспечивающим безопасный слив стеклоподобного шлакового компаунда с отводом горячего воздуха и пирогаза из зоны слива и оснащенным автоматизированной системой управления и контроля,

- по крайней мере, одна из секций установки оснащена устройством жидкостного или газового охлаждения, снабженного устройством автоматического управления и контроля,

- установка содержит систему автоматизированного управления процессом переработки отходов.

Краткое описание чертежей

Заявленная группа изобретений поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена принципиальная схема осуществления способа;

на фиг.2 - схема установки.

Установка состоит из следующих основных элементов:

1 - охлаждаемая (водой) снаружи ванна расплава и загрузки отходов; система охлаждения снабжена устройством автоматизированного управления и контроля;

2 - патрубки-шиберы для герметичного выпуска расплава (изложницы для расплава снизу патрубков не показаны);

3 - пробки сливных отверстий ванны с гидроприводами с автоматизированным или ручным управлением;

4 - подовая подвижная рама с гидроприводом для перемещения, подъема и крепления ванны в сборе с другими частями ВТПК, а также для обеспечения возможности эксплуатационного ремонта, технического обслуживания и замены или восстановления теплозащитных покрытий;

5 - охлаждаемая (водой) снаружи плазменная зона пиролиза и плавления отходов как конический (квази-сферичный) свод над ванной расплава (зона формирования стеклоподобного шлакового компаунда); эта зона имеет форму усеченной сферы или конуса, сужающегося в направлении камеры газификации;

6 - плазмотроны (плазменные генераторы) как нагреватели указанной выше зоны и ванны (коммуникации воды, газа и электрической энергии для них не показаны); плазменные генераторы располагаются в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда таким образом, что их направляющие оси пересекаются в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда; установка или извлечение плазмотронов из ВТПК осуществляется в автоматизированном режиме;

7 - охлаждаемая (водой) снаружи горловина между плазменной зоной 4 и шахтой 8 для загрузки отходов и термической выдержки пирогаза (камера газификации), имеющая форму усеченного конуса, сужающегося в направлении зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда;

8 - указанная шахта как камера термической выдержки пирогаза;

9 - дополнительная камера-газоход (вертикальный теплоизолированный газоход с установленным в нем плазмотроном) для выхода и попутной паротермической обработки для повышения калорийности пирогаза;

10 - дополнительный плазмотрон для указанной выше камеры.

В верхней части шахты ВТПК расположены:

11 - бункерный (двухкамерный) шлюз-механизм загрузки; вариантами работы ВТПК предполагается расположение загрузочного устройства не только в верхней, но и в средней или нижней части шахтной печи;

12 - типовой откидной предохранительно-взрывной клапан;

13, 14 - дымовая вентиляционная труба с поворотной заслонкой для аварийного выброса и дожигания пирогаза сверху в случае отключения электрической энергии и остановки технологического процесса;

16, 17 и 18 - загрузочное устройство, оборудованное шлюзовыми дозаторами с овальными откидными клапанами.

Установка имеет систему автоматизированного управления процессом переработки отходов, в том числе автоматизированные устройства подключения или отключения электропитания, охлаждающей жидкости и подвода рабочего газа. Установка оснащена устройством для измерения уровня стеклоподобного шлакового компаунда и устройствами, обеспечивающими безопасный слив стеклоподобного шлакового компаунда с отводом горячего воздуха и пирогаза из зоны слива и оснащенной автоматизированной системой управления и контроля.

Футеровка ванны расплава диаметром 1700 мм и глубиной 350 мм выполнена методом армированной виброзаливки шамотобетоном повышенной огнеупорности не менее 1700°C с содержанием глинозема Al₂O₃ до 90% (смесь СКБТ по ТУ 14-8-381-89) в расчете на рабочую температуру футеровки не менее 1300°C. Влажность смеси при заливке должна быть 13-15% (т.н. полусухая набивка) по аналогии с подобной заливкой-набивкой пода дуговых сталеплавильных печей по ТУ 14-8-20-71. Армирование футеровки выполнено прутками 10 мм (ст. 12X18H10T) по технологии «под замок», при которой конец прутков имеет 2-3 гиба, которые жестко фиксируют его в цементированной заливке. Боковые стенки ванны выполнены охлаждаемыми (водой), а днище снизу под заливку теплоизолировано слоем засыпки 150 мм строительного вермикулита по ГОСТ 12865-67 без водяного охлаждения.

Футеровка конического свода над ванной также охлаждаемая (водой) и выполнена тем же методом виброзаливки, включая дополнительный слой асбестовой теплоизоляции 4-5 мм между стенкой и футеровкой для повышения рабочей температуры свода внутри до 1500°C.

Сливными отверстиями ванны (2 отв.) служат стандартные огнеупорные изделия - фасонный стакан Ду50 мм из шамота кл. А по ГОСТ 5500-64 для ковшей разлива стали, закладываемый и заливаемый при футеровке ванны. Отверстие перекрывается соответствующей фасонной пробкой из высокопрочной керамики (муллит-корунд и др.) по тому же ГОСТ, установленной на охлаждаемом (водой) штоке с регулируемым гидроприводом.

Футеровка рабочей зоны ВТПК (ванны расплава, конического свода и горловины шахты) производится методом армированной огнеупорной заливки, которую затем требуется традиционно обжечь, что производится плазмотронами в полном сборе и готовности ВТПК к работе путем регулируемого нагрева этой зоны до 850-900°C при скорости нагрева не более 100°C/час. Очевидно, что для этого требуются строго ограниченная мощность и число плазмотронов, определяемые расчетным путем и контролируемый по ходу такого нагрева.

По достижении указанной температуры мощность и число плазмотронов корректируются и регулируются так, чтобы дать термическую выдержку обжига не менее 2-х часов, после чего плазмотроны отключаются и футеровка сама по себе остывает до 400-500°C, что можно считать окончанием обжига и готовностью футеровки к работе.

Лучший вариант осуществления изобретений

Способ переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме и установка для его осуществления иллюстрируется нижеприведенным примером.

Пример. Процесс проводят на установке, описанной выше с производительностью по отходам 1600 кг/ч. В качестве рабочего газа плазматронов используют CO₂. Процесс проводят при максимальной удельной теплонапряженности рабочего плазменного объема ВТПК за счет квази-сферичной зоны пиролиза и плавления отходов при заданной производительности и фокусированном нагреве этой зоны несколькими плазмотронами, расположенными по окружности.

Процесс проводят при минимизации летучих смол пирогаза в свободном пространстве над загрузкой отходов в плазменной рабочей зоне ВТПК, где при температуре не менее 1500°C происходит термическое (пиролитическое) разложение смол с последующей утилизацией, тонкой очисткой и сорбционной переработкой пирогаза для получения из него CO₂ как исходного рабочего газа в плазмотронах. Для дополнительного разложения смол используют шахту загрузки отходов, как незаполненную свободную камеру для выхода и термической выдержки пирогаза не менее 2-х секунд при температуре не менее 1200°C.

Поскольку в сравнении с воздухом CO₂ является значительно более диссоциирующим и теплоемким газом, необходимо и целесообразно проводить процесс при сравнительно низкой среднемассовой расчетной температуре плазменной струи до 3000 K, достаточной для поддержания ионизации и устойчивой электрической дуги в плазмотронах при указанной выше температуре рабочей зоны ВТПК.

Процесс проводят с использованием в качестве исходного сырья (отходов) либо ТБО (табл. 1 и 2), либо смеси ТБО и медицинских отходов (МО) - табл. 3 и 4.

Горючий (элементный) и негорючий (морфологический) состав ТБО низкой влажности 20% с общим содержанием стекла и плавильной золы до 13%, из которых образуется пирогаз химического состава, полученного без воздуха на плазмообразующем газе CO₂, приведен в табл. 1, 2.

Таблица 1 Основной элементный горючий и морфологический состав ТБО Основной горючий элементный состав ТБО, % C 19.6   H 2.67   O 7.93   S 0.33 Основной морфологический состав ТБО, % H₂O 20.00   стекло 9.65   зола 3.15

Таблица 2 Выход, свойства и состав пирогаза в расчете на 1600 кг/ч ТБО   кг/ч нм³/ч % об. % мас. CO 581 464 26.42 35.14 H₂ 36 396 22.54 2.19 CH₄ 41 57 3.23 2.47 H₂O 414 539 30.68 25.07 CO₂ 570 294 16.7 34.49 O₂ - - - - N₂ 10 8 0.43 0.64 Σ 1652 1758 100.00 100.00 Плотность, кг/нм³ 0.94 Калорийность, ккал/нм³ 1795

Горючий элементный и негорючий морфологический состав ТБО-МО высокой влажности 42% с общим содержанием стекла и плавильной золы до 22%, из которых образуется плазменный CO₂-пирогаз химического состава, приведены в табл. 3, 4.

Таблица 3 Элементный горючий и морфологический состав смеси ТБО-МО Основной горючий элементный состав ТБО, % C 22,84   H 1,78   O 10,60   S 0,10

Основной морфологический состав ТБО, % H₂O 42,43   стекло 19,31   зола 2,68

Таблица 4 Выход и состав пирогаза в расчете на 1600 кг/ч смеси ТБО-МО   кг/ч нм³/ч % об. % мас. CO 621 497 28,47 41,83 H₂ 45 500 28,64 3,04 CH₄ 80 112 6,43 5,40 H₂O 353 440 25,18 23,78 CO₂ 381 194 11,10 25,67 O₂ 0 0 - - N₂ 4 3 0,19 0,28 Σ 1485 1746 100,00 100,00 Норм. плотность, кг/нм³ 0,96 Калорийность, ккал/нм³ 2208

Работа ВТПК осуществляется следующим образом.

Перед загрузкой отходов нагревают плазменную зону до рабочей температуры 1500°C, что определяется пирометрическими датчиками температуры и производится включенными на полную мощность 8-ю плазмотронами по 240 кВт каждый в течение расчетного времени до 12-ти часов (или 4-мя плазмотронами по 480 кВт), после чего загружают до 35 кг огнеупорной стекловаты (ROCKWOOL, до 1200°C), чтобы ее расплав слоем до 5 мм покрыл и химически укрепил днище ванны. По времени эта операция занимает до 30 минут и указанная температура и мощность плазмотронов в течение данного холостого времени регулируются автоматически и далее при загрузке отходов этот температурный режим сохраняется.

Загрузка отходов производится в виде предварительно измельченных и прессованных цилиндрических брикетов размером 50×100 мм плотностью до 500 кг/м³ и осуществляется шлюзовым механизмом загрузки циклами по 80 кг массы через каждые 3 минуты или по возможности с более частым циклом 1.5 минуты по 40 кг соответственно, что более технологично и близко к режиму идеальной постоянной загрузки. Мощность шлюзового механизма и объем приемного бункера загрузки до 0.5 м³ подобраны по указанному максимуму из расчета насыпной плотности брикетов отходов до 200 кг/м³. Подача отходов в бункер производится непрерывно, и скорость конвейера подачи отрегулирована на 1600 кг/ч независимо от указанных циклов.

Загрузка и эксплуатация ВТПК производятся в режиме свободной шахты так, чтобы не допустить фильтрацию горячего пирогаза (1500°C) через слой шахтной загрузки и тем самым исключить продолжение пиролиза и выделение летучих смол в слое. При этом свободное пространство и высота шахты обеспечивают 2-х секундную выдержку пирогаза при температуре не менее 1200°C, чтобы обеспечить окончательное термическое разложение смол. Отходы непосредственно поступают в зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда (в область теплового ядра, находящегося в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда), где при 1500°C под действием плазменных генераторов (плазмотронов) происходят все процессы плазменной переработки отходов - сушка, пиролиз и плавление зольно-минерального остатка.

Процесс проводят таким образом, что в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда плазменные струи, образуемые плазмотронами и имеющими температуру 3500-5000 K, фокусируют в одной области (тепловое ядро), находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда и имеющей температуру не менее 1700 K. При этом образуется слой возгонной пыли, состоящей из минеральных частиц, расположенной между камерой газификации и зоной формирования стеклоподобного шлакового компаунда.

Газоотвод пирогаза осуществляют сначала путем сужения потока газа с последующим его расширением до скорости осаждения возгонных пылевых микрочастиц, имеющих эффективный диаметр менее 100 мкм. При этом пирогаз находится в зоне газификации не менее 2 с, после чего его выдерживают при температуре 2000-3000 K в плазмохимической зоне плазмотрона, использующего в качестве рабочего газа смесь диоксида углерода и паров воды.

В качестве рабочего газа плазмотрона может быть использован углекислый газ, воздух, аргон, водяной пар, водород, кислород или смеси этих газов.

Выпуск расплава производится регулярными циклами по 52 кг через каждые 15 минут. Допустимое время перекрывания сливного отверстия диаметром 50 мм и длиной 150 мм составляет 23 сек. В течение этого времени допустимое остывание расплава составляет 100°C (от 1350°C в ванне до 1250°C в отверстии перед сливной пробкой). Возможно, что за 15 минут расплав может застынуть и потребуется пробивать (шуровать) отверстие перед каждым выпуском, для чего механизм сливной пробки дополнительно оборудован простым ручным пробойником диаметром до 30 мм.

Выпуск расплава производится не более чем через 7 часов работы по достижении верхнего допустимого уровня расплава в ванне, который задан на 0,05 м ниже самой ванны в плоскости ее герметичного крепления к своду. Выпуск расплава производится в количестве до 1.5 т до его нижнего допустимого уровня на 0,1 м выше пода самой ванны.

В указанном количестве выпуск производится в 28-30 изложниц, для смены которых сливное отверстие перекрывается на 15-20 сек, и шуровка отверстия перед выпуском расплава производится только один раз. При таком выпуске отверстие слива находится под уровнем расплава и перекрыто от встречного доступа воздуха. Очевидно, что остающийся в отверстии расплав застывает тем быстрее, чем длиннее цикл между выпусками. Поэтому шуровка затвердевшего (застеклованного) за 7 часов отверстия может быть затруднена. В этой связи как более целесообразный предлагается режим выпуска расплава с более коротким циклом и соответственно меньшим объемом выпуска, что определяется опытным путем.

Первичный выпуск расплава проводится следующим образом. Особенность первоначальной плавки состоит в том, что для заполнения ванны расплавом до заданного верхнего уровня неизбежно потребуется указанное выше расчетное время до 7 часов, причем расплав отходов поступит в сливное отверстие значительно раньше с минимальной температурой текучести и неизбежно застеклует отверстие, как указано выше. В этой связи первый выпуск следует производить с задержкой времени (без загрузки отходов) и перегревом расплава не менее чем до 1450°C, чтобы обеспечить прогрев сливного отверстия до 1200-1250°C. Текучесть расплава при дальнейших выпусках обеспечивается из указанных выше соображений.

Слив стеклоподобного шлакового компаунда проводят периодически с временными промежутками между сливами, не превышающими время охлаждения расплава до температуры затвердевания в отверстии слива. Более предпочтительным является температурный режим работы ВТПК, обеспечивающий непрерывный слив стеклоподобного шлакового компаунда.

Полученный расплавленный шлаковый компаунд может непосредственно направляться в переработку, например в процесс получения гранул для дальнейшего их использования при подшлихтовке.

Для более полного протекания процесса в реакционный объем ВТПК может быть дополнительно введен кислород, водяной пар, углекислый газ, воздух, аргон, водород или смеси этих газов.

Конструкция плазменного реактора с многоструйной камерой смешения и дополнительным тепло- и массонесущим узлом с форсунками позволяет увеличить высокоэнтальпийную зону переработки отходов, а также время пребывания сырья в высокотемпературной зоне реактора и варьировать состав высокотемпературной рабочей среды.

Газообразные продукты плазменной переработки сжигания твердых отходов после реактора проходят фильтрацию на фильтре и абсорбционную щелочную очистку в циклоне. Получаемые в результате отходящие газы не содержат никаких токсичных компонентов.

Данный способ и установка позволяют значительно снизить энергозатраты на осуществление процесса плазменной переработки твердых отходов за счет оптимизации теплообмена и структуры потока внутри плазменного реактора и за счет снижения потерь тепловой энергии через стенки конвертера.

Группа изобретений относится к переработке твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме. Техническим результатом является повышение эффективности газификации отходов за счет снижения содержания примесей в отводимом пирогазе. Способ переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме в реакционном объеме, имеющем несколько зон, в том числе камеру газификации, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда и плавильную камеру, с подачей отходов в верхнюю часть реакционного объема, последующим нагреванием отходов плазменными струями электродуговых плазматронов, использующих рабочий газ, расположенных, по крайней мере, в одной из зон, с получением пирогаза и стеклоподобного шлакового компаунда, газоотводом пирогаза и сливом стеклоподобного шлакового компаунда из нижней части плавильной камеры, отличающийся тем, что процесс в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда проводят таким образом, что плазменные струи, образуемые плазматронами, фокусируют с возможностью создания теплового ядра в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, с образованием слоя возгонной пыли, состоящей из минеральных частиц, и расположенной между камерой газификации и зоной формирования стеклоподобного шлакового компаунда, исходные отходы направляют в область теплового ядра, а газоотвод пирогаза осуществляют сначала путем сужения потока газа с последующим его расширением до скорости осаждения возгонных пылевых микрочастиц, имеющих эффективный диаметр менее 100 мкм. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме в реакционном объеме, имеющем несколько зон, в том числе камеру газификации, зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда и плавильную камеру, с подачей отходов в верхнюю часть реакционного объема, последующим нагреванием отходов плазменными струями электродуговых плазматронов, использующих рабочий газ, расположенных, по крайней мере, в одной из зон, с получением пирогаза и стеклоподобного шлакового компаунда, газоотводом пирогаза и сливом стеклоподобного шлакового компаунда из нижней части плавильной камеры, отличающийся тем, что процесс в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда проводят таким образом, что плазменные струи, образуемые плазматронами, фокусируют с возможностью создания теплового ядра в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, с образованием слоя возгонной пыли, состоящей из минеральных частиц, и расположенной между камерой газификации и зоной формирования стеклоподобного шлакового компаунда, исходные отходы направляют в область теплового ядра, а газоотвод пирогаза осуществляют сначала путем сужения потока газа с последующим его расширением до скорости осаждения возгонных пылевых микрочастиц, имеющих эффективный диаметр менее 100 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный пирогаз находится в зоне газификации не менее 2 с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после зоны газификации пирогаз выдерживают при температуре 2000-3000К в плазмохимической зоне плазмотрона.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют углекислый газ, воздух, аргон, водяной пар, водород, кислород или смеси этих газов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слив стеклоподобного шлакового компаунда проводят периодически с временными промежутками между сливами, не превышающими время охлаждения расплава до температуры затвердевания в отверстии слива.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слив стеклоподобного шлакового компаунда осуществляют непрерывно.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в реакционный объем дополнительно вводят кислород, водяной пар, углекислый газ, воздух, аргон, водород или смеси этих газов.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплавленный стеклоподобный шлаковый компаунд непосредственно направляют на переработку.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что область (тепловое ядро), находящаяся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, имеет среднемассовую температуру не менее 1700К.

10. Установка для переработки твердых и жидких отходов производства и потребления в термической плазме, представляющая собой высокотемпературный плазменный конвертер, выполненный в виде шахтной печи с загрузочным устройством, плавильными камерами, газоотводом и отверстием для слива стеклообразного шлака и включающий камеру сушки отходов, камеру газификации отходов и зону формирования стеклоподобного шлакового компаунда, снабженных плазменными генераторами подачи нагретого рабочего газа, отличающаяся тем, что камера газификации выполнена в форме усеченного конуса, сужающегося в направлении зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, зона формирования стеклоподобного шлакового компаунда выполнена в форме усеченной сферы или конуса, сужающегося в направлении камеры газификации, а плазменные генераторы подачи нагретого рабочего газа расположены в зоне формирования стеклоподобного шлакового компаунда таким образом, что их направляющие оси пересекаются в одной области, находящейся в центре зоны формирования стеклоподобного шлакового компаунда, при этом камера газификации дополнительно содержит вертикальный теплоизолированный газоход с установленным в нем плазмотроном.

11. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что загрузочное устройство имеет шлюзовые дозаторы с откидными клапанами.

12. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что загрузочное устройство расположено в верхней части шахтной печи, и/или в средней части шахтной печи, и/или в нижней части шахтной печи и снабжено автоматизированной системой управления и контроля.

13. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство для измерения уровня стеклоподобного шлакового компаунда.

14. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит автоматизированное устройство установки/извлечения плазмотронов из высокотемпературного плазменного конвертера.

15. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит автоматизированные устройства подключения/отключения электропитания, охлаждающей жидкости и подвода рабочего газа.

16. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что отверстие для слива стеклоподобного шлакового компаунда снабжено запорным устройством с автоматизированным или ручным приводом.

17. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что плавильная камера снабжена устройствами вертикального подъема и опускания и горизонтального перемещения, обеспечивающими возможность эксплуатационного ремонта, технического обслуживания и замены/восстановления теплозащитных покрытий.

18. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что высокотемпературный плазменный конвертер снабжен вытяжным устройством, обеспечивающим безопасный слив стеклоподобного шлакового компаунда, с отводом горячего воздуха и пирогаза из зоны слива и оснащенным автоматизированной системой управления и контроля.

19. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним устройством жидкостного или газового охлаждения, снабженным устройством автоматизированного управления и контроля.

20. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она снабжена системой автоматизированного управления процессом переработки отходов.

21. Установка по п. 10, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит теплообменный аппарат для быстрого охлаждения отбираемого из конвертера газа.