СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЛЕТУЧЕЙ ЗОНЫ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ СЖИГАНИИ ОТХОДОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК C04B18/10 B09B3/00 

Изобретение относится к способам обезвреживания летучей золы (золы уноса), образующейся при сжигании бытовых и промышленных отходов.

В современных установках, предназначенных для переработки бытовых и промышленных отходов, отдают предпочтение технологиям их сжигания с последующей очисткой образующихся при этом продуктов горения - отходящих газов - и отделением летучей золы (золы уноса) - мелких дымовых частиц, оседающих на фильтрах, размером до десятых долей миллиметра.

Образующиеся в процессе сжигания промышленных и бытовых отходов химические соединения (диоксины, фураны и др.), а также пары тяжелых металлов (главным образом, свинца, кадмия, цинка, меди, хрома) конденсируются на частицах летучей золы в экономайзерной части котлоагрегатов, где температура отходящих газов понижается. Согласно известным исследованиям [Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте / Н.И. Зубрев, М.В. Устинова. - Москва, 2015. - 391 с] на частицах летучей золы концентрируются до 78% кадмия, 43% свинца и 38% цинка, поступивших в печь с твердыми бытовыми отходами. Разработка способов и устройств, обеспечивающих снижение токсичности (обезвреживание) летучей золы, - важная и актуальная задача.

Один из наиболее эффективных способов снижения токсичности летучей золы в установках для сжигания промышленных и бытовых отходов - ее обезвреживание с помощью обработки высокотемпературным водяным паром, обеспечивающим газификацию и тепловую деструкцию токсичных химических соединений в отсутствие кислорода воздуха, а также превращение тяжелых металлов в безопасные оксиды и соли.

Предшествующий уровень техники

Известен способ переработки токсичных отходов, предложенный в патенте RU 2171150 C1, В09В 3/00 (2000.01); С04В 18/10 (2000.01); С04В 20/10 (2000.01), опубликованном 27.07.2001. Способ состоит в том, что золу, дробленый шлак, наполнители и портландцемент подвергают совместному помолу в присутствии добавок-нейтрализаторов в течение 5-25 мин, продукт помола структурируют путем агломерации в сферические гранулы, после чего скатыванием формируют на поверхности гранул оболочку-капсулу из цементно-кремнеземистого раствора. Способ обеспечивает практически полное обезвреживание отходов от сжигания токсичных бытовых отходов: содержание вредных веществ в продуктах переработки многократно ниже требуемого уровня ПДК и составляет 20 мг/л. Основные недостатки такого способа - фильтрация отходящих газов для сбора золы и использование добавок-нейтрализаторов. Это усложняет практическую реализацию способа и, как следствие, снижает экономическую эффективность технологии.

Известно устройство - камера сгорания для сжигания пиролизных газов мусоросжигательных заводов, предложенное в патенте RU 2249154 C1, F23G 7/06. Предложенное устройство содержит камеру смешения и расположенные на ее входе соосные активное и пассивное сопла, подключенные соответственно к источникам сжатого воздуха и отходящих газов, причем камера смешения выполнена в виде диффузора с углом раскрытия 10-18°, а соотношение диаметров активного Д_акт и пассивного Д_пас сопел составляет Д_акт/Д_пас=0,35-0,4. Основной недостаток устройства - незначительное время пребывания отходящих пиролизных газов, что не позволяет обеспечить полное обезвреживание золы, содержащейся в них.

Известен способ обезвреживания и утилизации летучих зол, образующихся при сжигании и газификации отходов, предложенный в патенте RU 2294904 С2, С04В 20/04 (2006.01); С04В 18/06 (2006.01), опубликованном 10.03.2007. Согласно способу, обезвреживание и утилизация летучей золы достигаются посредством ее перевода в гранулированную форму смешиванием 60-70 вес.% летучей золы, первого аддитива в виде 0-15 вес.% алюмосиликатного компонента, второго аддитива в виде 15-5 вес.% сухого или пастообразного органического топлива и третьего аддитива в виде 0-10 вес.% хлористых солей, добавлением к сухой смеси 10-20 вес.% воды с последующим формированием гранул, их сушкой и термообработкой в одну стадию путем нагрева до температуры ≥700°С в течение 10-30 мин, при этом в качестве алюмосиликатного компонента используют порошок, полученный из природной глины различной морфологии или порошок, полученный из отходов строительных материалов или их смеси, а в качестве хлористых солей - порошок или концентрированный раствор KСl, NaCl, MgCl₂, СаСl₂ или порошок или концентрированный раствор промышленных отходов, содержащих KСl, NaCl, MgCl₂, СаСl₂ или смесь таких порошков или растворов. Недостаток способа - технологическая сложность процесса, обусловленная совмещением гранулирования золы с внесением различных добавок.

Известен способ утилизации золы, предложенный в патенте RU 2294905 С2, С04В 20/04 (2006.01); С04В 20/10 (2006.01); С04В 18/06 (2006.01), опубликованном 10.03.2007. Способ характеризуется тем, что смешивают 40-60 вес.% золы, 10-20 вес.% компонента на основе оксида кремния состава SiO₂ - 50-75%, Al₂O₃ - 5-30%, Nа₂О - 5-20%, СаО - 1-10%, 20-40 вес.% кислотного компонента, из полученной смеси формируют гранулы, опудривают их дисперсным огнеупорным материалом, подсушивают и проводят термообработку гранул в две стадии: в течение 10-30 мин при температуре 400-600°С и в течение 1-20 мин при температуре 870-950°С. Недостаток способа заключается в том, что зола не обезвреживается, а захоранивается в виде капсулированных гранул, что не гарантирует экологическую безопасность технологии.

Известен способ утилизации золошлаковых отходов мусоросжигания, предложенный в патенте RU 2311236 С2, В09В 3/00 (2006.01); С04В 28/00 (2006.01); С04В 18/10 (2006.01), опубликованном 10.03.2007. Способ утилизации золошлаковых отходов мусоросжигания включает их сортировку и сепарацию от металлических включений и несгоревших фракций, перемешивание с цементом, добавками детоксиканта, модификатора бетона и воды и твердение получаемой бетонной массы. В смеситель подают (вес.%): цемент 20-25, золошлаковые отходы мусоросжигания 40-60, крупный заполнитель 0-30, добавку модификатора бетона 0,02-0,075, добавку-детоксикант 0-0,35 и воду - остальное. В течение 1-5 мин проводят перемешивание компонентов до получения однородной бетонной смеси. Недостаток способа заключается в том, что зола не обезвреживается, а захоранивается в виде бетонной смеси, что не гарантирует экологическую безопасность технологии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ утилизации твердых токсичных зольных отходов с фильтров мусоросжигательных заводов, предложенный в патенте RU 2483814 C1, В09В 3/00 (2006.01), опубликованном 10.06.2013. В способе-прототипе подачу твердых токсичных зольных отходов осуществляют в шнековый реактор, установленный внутри мусоросжигательной печи над колосниковыми решетками после зоны горения. Твердые токсичные зольные отходы перемещают в шнековом реакторе с одновременной подачей в шнековый реактор инертного газа под давлением, превышающим давление насыщения токсичных хлорсодержащих компонентов золы и препятствующим десорбции этих компонентов с поверхности частиц токсичных зольных отходов. При движении по шнековому реактору токсичные зольные отходы нагреваются тепловым потоком, поступающим из мусоросжигающей печи, до температуры, при которой происходит процесс дезоксидации с образованием твердых нетоксичных стабильных природных минералов, отправляемых на дальнейшую утилизацию. Предложенный способ-прототип осуществлен на устройстве-прототипе, описанном в диссертационной работе Косых В.А. на тему «Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов», Москва. 2012. Устройство-прототип представляет собой шнековый реактор, установленный в подовой части мусоросжигающей печи. Шнековый реактор оборудован атмосферными шлюзами, системами подачи золы и аргона, электродвигателем, а также системой сбора и очистки отходящего нагретого аргона для его повторного использования. Недостатки способа-прототипа и устройства-прототипа заключаются в необходимости использования дорогостоящего инертного газа (аргона) и его дополнительной очистки.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание такого способа обезвреживания и утилизации токсичной летучей золы, образующейся при сжигании мусора, при котором исключается предварительная фильтрация отходящих газов.

Задачей изобретения является создание устройства для осуществления способа обезвреживания и утилизации токсичной летучей золы, образующейся при сжигании мусора, при котором исключается предварительная фильтрация отходящих газов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми: - способом, включающим подачу токсичной летучей золы в реактор и удаления обезвреженной летучей золы, в котором токсичная летучая зола обезвреживается в среде сильно перегретого водяного пара в отсутствие кислорода, причем сильно перегретый водяной пар подается в реактор в виде импульсных сверхзвуковых струй таким образом, чтобы в реакторе формировались устойчивые высокотемпературные вихревые структуры, токсичная летучая зола подается в реактор непрерывно или порциями так, чтобы обеспечить максимально длительное пребывание летучей золы в этих вихревых структурах, интенсивные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, предотвращают агломерацию частиц летучей золы, обезвреженная летучая зола удаляется из реактора непрерывно или порциями, а в реакторе для предотвращения подсоса атмосферного воздуха поддерживается повышенное давление;

Токсичная летучая зола может подаваться в реактор вместе с отходящими газами или после ее предварительной сепарации;

- устройством, включающим реактор, системы подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной летучей золы и управления, в котором реактор снабжен импульсно-детонационным генератором сильно перегретого водяного пара и секцией подачи сильно перегретого водяного пара в реактор, причем секция подачи сильно перегретого водяного пара выполнена таким образом, чтобы обеспечить подачу не менее двух предпочтительно встречных импульсных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара в реактор и подачу токсичной летучей золы в реактор вместе с импульсными сверхзвуковыми струями сильно перегретого водяного пара, а также системами подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной токсичной летучей золы и охлаждения реактора.

Система подачи токсичной летучей золы может быть снабжена циклоном-сепаратором или любым другим известным устройством, обеспечивающим сепарацию токсичной летучей золы, поступающей в систему подачи токсичной летучей золы с отходящими газами.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема устройства, в котором реализован заявляемый способ (1 - реактор; 2 - импульсно-детонационный генератор сильно перегретого водяного пара; 3 - секция подачи сильно перегретого водяного пара; 4 - система подачи токсичной летучей золы; СПВП - струя сильно перегретого водяного пара; ТЛЗ - токсичная летучая зола; ВВЗ -высокотемпературная вихревая зона в реакторе; 5 - система удаления обезвреженной летучей золы).

На фиг. 2 приведена расчетная динамика температуры перегретого водяного пара в ближайшей окрестности набора пробных частиц токсичной летучей золы, циркулирующих в реакторе (точки соответствуют локальному мгновенному значению температуры пара на каждой пробной частице токсичной летучей золы, пики температуры соответствуют моментам подачи импульсных струй сильно перегретого водяного пара).

Вариант осуществления изобретения

На фиг. 1 приведена схема устройства, в котором реализован заявляемый способ. Устройство включает реактор (1), импульсно-детонационный генератор сильно перегретого водяного пара (2), секцию подачи сильно перегретого водяного пара (3), систему подачи токсичной летучей золы (4), систему удаления обезвреженной летучей золы (5), системы охлаждения реактора и управления (на фиг. не показана).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Токсичная летучая зола в виде мелких дымовых частиц размером до десятых долей миллиметра, содержащихся в отходящих газах мусоросжигающей печи, сначала отделяется от газов с помощью циклонов-сепараторов, а затем непрерывно или циклически подается при помощи системы подачи токсичной летучей золы (4) в секцию подачи сильно перегретого водяного пара (3). Импульсно-детонационный генератор сильно перегретого водяного пара (2), работающий, например, на принципе, изложенном в патенте RU 2686138 С1, Способ получения сильно перегретого пара и устройство детонационного парогенератора (варианты) F23G 3/00 (2018.08), опубликованном 24.04.2019, периодически генерирует сверхзвуковые струи сильно перегретого водяного пара, подаваемые через секцию подачи сильно перегретого водяного пара (3) в реактор (1). Температура сильно перегретого водяного пара превышает 2000°С (Фролов С.М., Сметанюк В.А., Шамшин И.О., Коваль, А.С., Фролов Ф.С., Набатников С.А. Циклическая детонация тройной газовой смеси "пропан-кислород-водяной пар" для получения сильно перегретого водяного пара. Доклады российской академии наук, 2020, т.490, с. 57-61). Массовый расход токсичной летучей золы, обеспечиваемый системой подачи токсичной летучей золы (4) и частота генерации сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара должны быть такими, чтобы обеспечить вынос поданной токсичной летучей золы в реактор за время между двумя последующими сверхзвуковыми струями сильно перегретого водяного пара. Токсичная летучая зола под действием сверхзвуковой струи сильно перегретого водяного пара поступает в реактор (1) и вовлекается в вихревое движение, формируемое в реакторе (1) в результате взаимодействия встречных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, поступающих из секции подачи сильно перегретого водяного пара (3). Вихревое движение в реакторе (1) обеспечивает формирование устойчивых высокотемпературных зон в центральной области реактора (1) вдали от стенок реактора (1), а температура стенок реактора (1) остается относительно низкой, но выше температуры конденсации водяного пара, что обеспечивается системой охлаждения реактора. Устойчивость высокотемпературных зон в центральной области реактора (1) поддерживается периодической подачей сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара. Частицы токсичной летучей золы, вовлеченные в вихревое движение, циркулируют в реакторе (1), периодически попадая в высокотемпературные зоны в центральной области реактора (1), где происходит их обезвреживание под действием сильно перегретого водяного пара в отсутствие кислорода: происходит газификация и термическая деструкция вещества летучей золы и адсорбированных в ней сложных органических соединений, включая хлор- и сера-содержащие соединения (диоксины, фураны и др.) на простейшие молекулы типа Н₂, СО и простейшие кислоты НСl, H₂S и др., и неорганических соединений на простейшие оксиды и соли. Периодические интенсивные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, предотвращают агломерацию частиц летучей золы, циркулирующих в реакторе (1). Цикл обезвреживания продолжается до момента заданного повышения давления в реакторе (1), например на 50%, когда при помощи системы удаления обезвреженной летучей золы (5) смесь водяного пара с продуктами газификации вещества летучей золы и адсорбированных в ней органических и неорганических соединений и сама обезвреженная летучая зола отбирается из реактора (1) для последующей конденсации водяного пара с получением конденсированных продуктов (кислот, оксидов и солей) и дальнейшей утилизации обезвреженной летучей золы.

Приводим пример трехмерного газодинамического расчета, демонстрирующего предлагаемые способ и устройство. В расчете рассматривался сферический непроточный реактор объемом 110 литров с двумя секциями подачи встречных импульсных струй сильно перегретого водяного пара (с температурой выше 2000 К). Токсичная летучая зола моделировалась набором пробных инертных сферических частиц диаметром 0,1 и 1 мм, расположенных в начальный момент времени в области выходного сечения одной из секций. Частота импульсных струй сильно перегретого водяного пара - 10 Гц, средний массовый расход пара - 10 г/с. Расчет по методу, описанному в статье Фролова С.М., Иванова B.C., Basara В., von Berg Е., Suffa М. Модель распределенных пробных частиц для расчета двухфазных струйных течений в двигателях внутреннего сгорания. В сб. «Горение и взрыв» / под общ. ред. С.М. Фролова. М.: Торус Пресс, 2012, вып.5, с. 159-166, показал (см. фиг. 2), что предлагаемые способ и устройство обеспечивают длительное пребывание частиц токсичной летучей золы в зонах с температурой газа 1800-2000 К (точки на фиг. 2 показывают эволюцию температуры газа в ближайшей окрестности всех частиц в реакторе в течение 11 циклов). Такие условия гарантируют полное обезвреживание токсичной летучей золы (см., например, диссертационную работу Косых В.А. на тему «Термическая детоксикация твердых отходов газоочистки с фильтров мусоросжигательных заводов», Москва. 2012).

Таким образом, предложены способ и устройство для его реализации, которые обеспечивают обезвреживание токсичной летучей золы, поступающей непосредственно с отходящими газами без их предварительной фильтрации.

Группа изобретений относится к способу обезвреживания летучей золы, образующейся при сжигании бытовых и промышленных отходов, и к устройству для его осуществления. Способ обезвреживания летучей золы, образующейся при сжигании отходов, включает подачу токсичной летучей золы в реактор, в котором токсичная летучая зола обезвреживается в среде сильно перегретого водяного пара в отсутствие кислорода, причем сильно перегретый водяной пар подают в реактор в виде импульсных сверхзвуковых струй таким образом, чтобы в реакторе формировались устойчивые высокотемпературные вихревые структуры, токсичную летучую золу подают в реактор непрерывно или порциями, чтобы обеспечить максимально длительное пребывание летучей золы в этих вихревых структурах, интенсивные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, предотвращают агломерацию частиц летучей золы, удаление обезвреженной летучей золы из реактора осуществляют непрерывно или порциями, при этом в реакторе для предотвращения подсоса атмосферного воздуха поддерживают повышенное давление. Устройство для осуществления указанного выше способа обезвреживания летучей золы включает реактор и систему управления, реактор снабжен импульсно-детонационным генератором и секцией подачи сильно перегретого водяного пара в реактор, причем секция подачи сильно перегретого водяного пара выполнена таким образом, чтобы обеспечить подачу не менее двух встречных импульсных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара в реактор и подачу токсичной летучей золы в реактор вместе с импульсными сверхзвуковыми струями сильно перегретого водяного пара, а также системами подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной летучей золы и охлаждения реактора. Технический результат – повышение эффективности способа обезвреживания токсичной летучей золы при исключении предварительной фильтрации отходящих газов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обезвреживания летучей золы, образующейся при сжигании отходов, включающий подачу токсичной летучей золы в реактор и удаления обезвреженной летучей золы, отличающийся тем, что токсичная летучая зола обезвреживается в среде сильно перегретого водяного пара в отсутствие кислорода, причем сильно перегретый водяной пар подается в реактор в виде импульсных сверхзвуковых струй таким образом, чтобы в реакторе формировались устойчивые высокотемпературные вихревые структуры, токсичная летучая зола подается в реактор непрерывно или порциями так, чтобы обеспечить максимально длительное пребывание летучей золы в этих вихревых структурах, интенсивные ударные волны, сопровождающие подачу сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара, предотвращают агломерацию частиц летучей золы, обезвреженная летучая зола удаляется из реактора непрерывно или порциями, а в реакторе для предотвращения подсоса атмосферного воздуха поддерживается повышенное давление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что токсичная летучая зола может подаваться в реактор вместе с отходящими газами или после ее предварительной сепарации.

3. Устройство для осуществления способа обезвреживания летучей золы, образующейся при сжигании отходов, включающее реактор, системы подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной летучей золы и управления, отличающееся тем, что реактор снабжен импульсно-детонационным генератором сильно перегретого водяного пара и секцией подачи сильно перегретого водяного пара в реактор, причем секция подачи сильно перегретого водяного пара выполнена таким образом, чтобы обеспечить подачу не менее двух предпочтительно встречных импульсных сверхзвуковых струй сильно перегретого водяного пара в реактор и подачу токсичной летучей золы в реактор вместе с импульсными сверхзвуковыми струями сильно перегретого водяного пара, а также системами подачи токсичной летучей золы, удаления обезвреженной летучей золы и охлаждения реактора.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система подачи токсичной летучей золы может быть снабжена циклоном-сепаратором или любым другим известным устройством, обеспечивающим сепарацию токсичной летучей золы, поступающей в систему подачи токсичной летучей золы с отходящими газами.