Способ термической переработки бытовых отходов и устройство для его осуществления

 

Использование: Изобретение относится к области переработки бытовых отходов и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации мусора. Сущность: термическая переработка бытовых отходов включает подготовку и загрузку в шахту при герметизации реакционного пространства печи. Нагрев последовательно в спутном потоке пламени топливных горелок , плазменных горелок и на поверхности расплава;; шлака в окислительной среде. Возможна также циркуляция образующихся газов в реакционном пространстве, после чего газообразные продукты Пропускают через образовавшийся расплав, уровень которого поддерживают регулированием, затем отходящие газы пропускают через зону электроискрового разряда. Отходящие газы поступают в систему газоочистки и на утилизацию . Часть из них после очистки возвращают в реакционную зону через плазменные и топливные горелки. Расплав шлака и металла выпускают из печи, причем перед выпуском шлака возможен его подогрев , 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕ СПУБЛИК (siis F 23 G 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ФМеа3аа

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1 (21) 4953477/33 (22) 24.06.91 (46) 23,08.93. Бюл. ¹ 31 (76) С.А. Панфилов, А.А. Симонов и С.В. Иляхин (56) Патент США ¹4508040,,кл. F 23 А 1/00, 1985. (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: Изобретение относится к области переработки бытовых отходов и может быть использовано в коммунальном . хозяйстве для утилизации мусора. Сущность: термическая переработка бытовых отходов включает подготовку и загрузку в шахту при герметизации реакционного проИзобретение относится к области переработки бытовых отходов и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации мусора, а также при переработке отходов фабрик и заводов в металлургической промышленности.

Целью изобретения является улучшение экологической чистоты процесса за счет полного термического разложения составляющих отходов, повышение эффективности утилизации отходов за счет получения ценных продуктов и увеличения скорасти их переработки расширение области применения эа счет возможности переработки нерассортирован н ых отходов.

На. фиг. 1 представлено устройство для термической переработки бытовых отходов, на фиг. 2 — разрез по А-А на фиг, 1; на фиг.

3 — продольный разрез устройства с одноканальной ванной- с несколькими перегородками, на фиг, 4 —. вид В на фиг. 1.

Я2 1836603 А 3 странства печи. Нагрев последовательно в спутном потоке пламени топливных горелок, плазменных горелок и на поверхности расплава шлака в окислительной среде.

Возможна также циркуляция образующихся газов в реакционном пространстве, после чего газообразные продукты йропускают через образовавшийся расплав, уровень которого поддерживают регулированием, затем отходящие газы пропускают через зону электроискрового разряда. Отходящие газы поступают в систему газоочистки и на утилизацию. Часть из них после очистки возвращают в реакционную зону через плазменные и топливные горелки. Расплав шлака и металла выпускают иэ печи, причем перед выпуском шлака возможен его подогрев, 4 ил.

Устройство включает приемный бункер

1, загрузочное устройство 2 для отходов 3 с воронками 4 на двух уровнях, снабженными ворошителями 5, размещенных в емкостинакопителе 6, шахту печи 7 с внутренней футеровкой 8, топливные горелки 9, плазменные горелки плазмотроны 10, ванну 11 со сводом 12 и перегородкой 13 между рабочим пространством шахты и ванной, окно

14 в перегородке, летку 15 для выпуска металла в подине ванны и сифонную летку 16 для выпуска расплава шлака, газоход 17 с встроенным в него электроразрядником 18; графитовый электрод (или дополнительная плазменная горелка) 19, установленный в ванне над расплавом шлака 20, и расплав металла 21.

В шахте 7 выполнены вертикальные каналы 22 во внутренней футеровке шахты, топливные горелки установленные на выходе вертикальных каналов 22, выполненных

1836603 во внутренней футеровке 8 и заканчиваю- щиеся соплом Лаваля 23, а выход расположен над расплавом шлака на высоте Н, плазменной горелки 10, установленные по примеру шахты 7.

Способ термической переработки бытовых отходов осуществляют следующим образом.. Бытовые отходы (или технический нерассортированный мусор) вначале подготавливают для загрузки в приемный бункер печи. Подготовка включает частичную сортировку (извлечение черных металлов, крупногабаритных предметов), сушку до 10% по влажности, измельчение и брикетирование (по необходимости). Затем частично рассортированный мусор загружают в приемный бункер 1, из которого после открывания верхней воронки 4 загрузочного устройства 2 отходы перетекают в емкость-накопитель 6.

После наполнения емкости-накопителя верхняя воронка 4 закрывает отверстие в приемном бункере 1, открывается нижняя воронка 4 и отходы под действием силы тяжести и ворошителя 5 непрерывно поступают в шахту 7 печи. Учитывая выполнение загрузочного устройства 2 герметиэированным, отходящие газы не попадают в атмосферу. Для предотвращения попадания отходящих газов, скапливающихся в верхней части печи, в атмосферу при переменном открывании верхней и нижней воронок

4 может быть предусмотрена продувка емкости накопителя 6, например, инертным газом (Nz) перед последующей загрузкой, Вначале отходы подвергаются нагреву в зоне действия топливных горелок 9, установленных в верхней части шахты 7, при температуре около 1500 С. Часть отходов (быстросгораемые — бумага, листья,.тонкие тряпки) сгорает и разлагается уже в верхней части шахты, а более плотные и крупные компоненты попадают в шахту 7 в зону действия плазменных горелок 10, установленных в надгорновой части, Температура плазменных струй достигает 2500 — 4500 С.

Окислительный потенциал газовой среды в редакционной зоне создается за.счет остаточной влажности отходов (5 — 10%) и дополнительной подачи в редакционную зону окислителя в виде кислорода. воздуха, паров воды, двуокиси углерода или их смесей и поддерживается на уровне, обеспечивающем окисление всего содержащего в отходах углерода до моноокиси с получением синтез-газа {C0+Hz), После этого часть отходов недоразложившихся в зоне действия плазменных струй попадает на поверхность расплава 20 с температурой до 1500"С, где происходит дораэложение на газовую составлякгщую (в основном органики) и плав45

50 плавления завершается.

Этому же способствует барботаж газа через слой расплава. Иэ ванны 11 расплав шлака 20 сливается по мере накопления через сифонный затвор 16, а отходящие газы. состоящие в основном из СО и Hz. попадают в подсводовое пространство ванны и проходят над поверхностью расплава с температурой до 1700 С, где дожигаются или доразлагаются сложные углеводороды, попавшие из реакционного пространства. Отходящие газы отводятся через газоход 17, вход в который в пространстве смещен относительно зоны барботажа для уменьшения брызгоуноса и, кроме, того находится на дальнем конце от места расположения шахление неорганических включений в расплав шлака, Плазмообразующим газом для всех плазменных горелок является печной газ, охлажденный и очищенный от пыли, возможно использование и других газов, Окислителем для связывания углерода лучше всего может быть свободный кислород, вводимый через топливные горелки или через

10 специальные патрубки под срез сопл плазменных горелок или через стенку шахты.

Для повышения производительности процесса энергия в реакционное устройство может вводиться не только с плазменными струями, но и через топливные горелки

9, в которых сжигается часть образовавшегося при термическом разложении органической части отходов синтез-газа. В качестве окислителей для них лучше исполь20 зовать кислород, но допускается и его замена на воздух или смесь воздуха с кислородом. Наличие газовых горелок позволяет более равномерно распределить температуру по реакционному пространству, которое герметизировано, и выделяющиеся в процессе разложения огранических компонентов и окисления .углерода газы скапливаются в шахте вместе с плазмообразующим газом и.создают в реакционной эо30 не избыточное давление. Поверхность расплава шлака 20 в шахте 7 отжимается и при наличии проема {окна 14) в перегородке

13 между рабочими пространствами 7 и ванны 11 часть расплава вытесняется в сосед35 нюю камеру (ванну 11) через окно 14 до его верхнего уровня. Газы из шахты 7 под создавшемся давлением барботируют через слой расплава шлака в ванну, где уровень расплава поддерживается выше, чем в шах40 те (или горновой части) за счет меньшего подпора давления. Перед проемом (окном

14) в перегородке 13 поток газов с непроработанными остатками исходного сырья тормозится, и процесс газификации и

1836603 ты 7, чтобы обеспечить длительный контакт отходящих газов с горячйм расплавом шлака. Высокие температуры над расплавом препятствуют прохождению обратных реакций разложения СО Hà COz и углерод, а также образованию оксидов азота. Отходящие газы дополнительно в газоходе 17 подвергаются воздействию электронов из электрораэрядника, установленного в газоходе, для окончательного разрушения слож.ных углеводородов, случайно прошедших или оставшихся после обработки в реакционном пространстве, в расплаве и над расплавом Ылака. Тем самым. достигается глубокая переработка отходов с образованием простых газообразных соединений (СО, Н2).

Йаличие разницы между уровнями расплавов в рабочем пространстве шахты 7 и ванне 11 обеспечивается выполнением уровня сливного порогосифонной летки для шлака 16 выше на 250-400 мм, чем верхний уровень окна 14 в перегородке 13 (илй в перегородке между шахтой и ванной). На° капливающийся металл 22 на подине ванны

1.1 удаляется через летку 15, а шлак — через летку 16, Предлагаемый способ основан на том, что перерабатываемые отходы сразу подвергают воздействию высоких температур . (минуя температуру пиролиза до 1000ОС

2000-4500 С),. что практически исключает образование и отгонку с отходящими газами смол и тяжелых углеводородов, осложняющих работу систем газоочистки и утилизацию теплоотходящих газов. Неорганические компоненты и Эола переходят в расплав, где происходит их разделение на металл и шлак, которые выпускаются раз. дельно и могут быть использованы в качестве металлургического полупродукта, а также в качестве строительного материала.

Процесс экологически чист и безотходен..

Последовательная переработка (или нагрев) отходов приводит к тому, что вначале сгорают или разлагаются легкоокисляемые

: компоненты в пламени топливных горелок (бумага, пищевые отходы). Это позволяет не расходовать для нагрева достаточно дорогую энергию плазмотронов. При нагреве в пламене топливных горелок идет вйделение остаточной влаги и если влажность мусора превышает 10 — дополнительной подачи окислителя не требуется, если меньше — окислитель подается через плазмотроны или топливные горелки. Испарение органики начинается при температуре 5501000 С, т.е. при той температуре (в среднем), которая достигается в верхней части печи. Затем в зоне действия плазменных струй с температурой 2500-4500 С происходит переход в газовую среду оставшейся части органических компонентов, Если в шахту загружаются отходы, имеющие срав5 нительно большие размеры (до 10-210 см по толщине), они проходят пламя топливных горелок, высокотемпературную зону плаэмотронов и дорабатываются на. поверхно.сти расплава, т.е. отходы подвергаются

10 трехкратному разложению при температу-: рах, исключающих образование или сохранение сложных углеводородных соединений при оптимальной подаче окислителя в реакционную зону, Уровень рас15,плава шлака поддерживают, с одной стороны, для обеспечения герметизации реакционного пространства устройством сливного уровня шлака в сифонной летке выше верхнего края окна в перегородке.

20 (Если несколько перегородок, то выше верхнего края окна в последней перегородке).

С другой стороны, ограничение уровня расплава шлака 20 свободным выходом плазменных струй объясняется тем, что в

25 плазменных струях идет разложение отходов при температуре 2500-4500 С, в то время как, если бы уровень расплава поднялся, переработка мусора осуществлялась бы при температуре расплава 1500-1600 С, что в

30 свою -очередь может вести к снижению эффективности работы устройства и возможному образованию сложных углеводородных соединений.

Для обеспечения экологической чисто35 ты отходящих газов при переработке отходов необходимо, чтобы сложные соединения не вышли из реакционного про- . странства илй рабочего пространства шахты беэ обработки в зоне высоких

40 температур, если уровень расплава будет. выше уровня установки плазмотронов, Увеличения производительности спосо ба можно достичь при дальнейшем повышении температуры, однако такая задача при

45 современных материалах, используемых для футеровки 8 шахты 7 и.горновой части, является трудновыполнимой. Не увеличивая температуры в реакционном пространстве шахты, скорость разложения отходов

50 можно увеличить эа счет принудительной циркуляции газов. Так, принуждая газы циркулировать внутри шахты, с одной стороны увеличивается температура в ее верхней части и.усредняется по всей высоте шахты, а

55 с другой стороны — газообразные продукты разложения отходов подвергаются много. кратному контакту с высокотемпературными знаками, что дополнительно повышает экологическую чистоту установки за счет длительной по времени обработки газов в

1836603 реакционном пространстве печи перед тем, кэк их пропускают через расплав шлака в ванну 11. Циркуляцию газов можно осуществить кэк за счет установки дымососов, выдерживающих высокие температуры, внутри шахты, так и в специально выполненных каналах 23 в футеровке шахты.

Отходящие газы иэ газохода 17 направляют на газоочистку и дальнейшую утилизацию, а часть заворачивают и используют в качестве рабочего газа плазмотронов 10 и топлива для горелок 9, . Утилизацию осуществляют сжиганием образовавшегося синтез-газа (СО и Н2) в котле-утилизаторе либо перерабатывают в химической промышленности, используя для получения различных полимеров.

Для предупреждения захолаживания расплава на дальнем от шахты участка ван"ны в ней на свод или боковой стенке можно монтировать дополнительный плазмотрон

19 или графитовые электроны (см. фиг, 4), Подогревом расплава обеспечивается беспрепятственный слив последнего иэ ванны.

При переработке отходов, содержащих большое количество труднопиролизуемых органических компонентов, для увеличения времени их пребывания в зоне высоких температур ванна 11 может быть выполнена двухканальной (фиг. 2). В этом случае проем в стенке шахты выполняется по всему сечению примыкающего канала, а на дальнем от шахты участке ванны 11 в придоннои части вертикальной перегородки 13, пристыкованной торцом к стенке ванны шахты и разделяющей ванны 11 на два кайала, имеется окно (или проем 14) для прохода расплава, и зона барботажа переносится за эту перегородку. Нагретый поток газа, имея. более высокую температуру. чем расплав, обрабатывает отходы не только в шахте, но и по всей длине примыкающего к ней канала.

Перегородка — отстойник 13 препятствует выносу с газом иэ печи непроработанных твердых оста1ков, поэтому при необходимости количество перегородок, перекрывающих поперечное, сечение каналов, может быть увеличено и быть более одной. Причем окна в перегородках могут быть выполнены в шахматном порядке относительно общей продольной оси канала для уменьшения взаимного влияния зон барботажа.

Уровень верхних краев окон в последующих перегородках повышается при этом на 50-150 мм по мере их удаления от шахты по ходу движения тока расплава при условии, что сливной порог сифонной летки 16 для шлака остается выше верхнего края окна ближайшей к летке перегородки нэ 100150 мм. Дополнительные плаэмотроны или

10 прохода расплава металла 21 из второго ка15 нала в первый. Могут быть предусмотрены летки в обоих каналах, но размещаются они

25 вом шлака 20, что и увеличивает коэффици50

45 графитовые электроды устанавливаются в случае выполнения ванны двухканальной, вблизи сифонной летки, При двухканальной ванне летка для выпуска металла может быть расположена в любом иэ каналов, но при условии беспрепятственного слива металла 21 из всей ванны. Наиболее приемлемый вариант — когда уровень подины к центру ванны с обоих торцов понижается и летка размещена в центре ванны 11 со стороны первого канала, а в середине продольной перегородки в приданной части имеется. отверстие 22 для во всех случаях ниже верхнего края окна 14 в перегородках 13, Летка 15 для слива расплава металла размещается в ванне 11 для того, чтобы обеспечить полное осаждение металла за счет увеличение времени плавления и расстояния от места выпуска и начала плавки, таким образом, чтобы дать осесть металлу на дно и не откачать его с расплаент извлечения металлов иэ отходов.

Металл по мере накопления периодически выпускается из печи. Легкие высокоактивные металлы. (А1з, Ti и др,), в процессе окисляются и переходят в шлак или частично образуют сплавы с более тяжелыми металлами и собираются в приданном слое, а затем удаляются вместе.с тяжелыми металлами.

Кроме того, в предлагаемом устройстве (фиг. 3) в футеровке 8 шахты 7 выполняются полые каналы 23, идущие из нижней части шахты над уровнем расплава шлака 20, на высоте Н, равной 0,2 — 0,3 м. Размещение входных отверстий каналов над расплавом шлака позволяет вовлекать в циркуляцию газы, образующие в реакционной зоне над поверхностью расплава, Входные отверстия каналов можно располагать по всему периметру шахты, несколько смещая их от эоны стыковки ванны 11 и шахты 7, чтобы в них не попадали непрореагировавшие остатки отходов, направляющиеся в окно перегородки 13 вместе с газовым потоком через расплав, B верхней части шахты каналы заканчиваются в месте установки топливных горелок 9 и количество выходов может соответствовать количеству установленных топливных горелок, так как горелки устанавливают на выходе каналов, выполненных в виде сопла Лаваля 24, Это позволяет системе канал-сопло-горелка работать как дымосос, т.в, газы из нижней части шахты засасываются и подаются вверх.

1836603

Тем самым обеспечивается многократное прохождение образующихся газов через зоны высоких температур, что способствует повышению глубины переработки отходов и, как следствие, увеличивается экологическая чистота отходов установки по утилизации бытовых отходов.

Для проверки работоспособности способа была произведена переработка мусора на лабораторном реакторе.

Пример. Для переработки использовались отходы общей массой 2 кг, состав

10 которых отражен в таблице.

Отходы непрерывно вводили шнековым питатепем в цилиндрический вертикальный 15 реактор, с установленным в нем плазмотроном мощностью 15 кВт, работающим на водороде, с предварительно наведенной ванной расплава из битого стекла. На выхо. де отходящих газов был установлен элект- 20 ргразрядник, работающий на напряжении

1200 В и токе 0.5 А. К реактору сбоку была пристыкована водоохлаждающая цилиндрическая камера с внутренней обмазкой огнеупорным глиноземом. Камера соеди- 25 нялась гидравлически с реактором отверстием, размещенным ниже уровня расплава в реакторе, В процессе работы температура расплава составила 1450-1530 С. На выходе из камеры отходящие газы анализирова- 30 лись хроматографическим методом.

Расход водорода на плазмотроне

4 м /ч. Окислитель (02) в процессе работы подавался через отдельный ввод на уровне плаэмотронов в обьеме 530 л/ч. Давление в 35 реакторе составило 0,15 атм.

После окончания опыта и вскрытия камеры твердого остатка на поверхности расплава не обнаружено. В реакторе на поверхности расплава масса твердеющего 40 остатка составила 47 г, Следов ацетилейа или других углеводородных соединений не обнаружено, На основании результатов анализа отходящих газов установлено, что газы состо- 45 яли иэ водорода, окиси углерода, двуокиси углерода, двуокиси серы в количестве: Hz

42%, СО 56.2%, COz 1,7%. 02 0,1, остальное азот.

Преимуществом предлагаемого изо- 50 бретения является экологическая чйстота .процесса эа счет последовательного нагрева отходов в зонах высоких температур и разрушения сложных углеводородных соединений до простых, высокая произво- 55 дительность переработки эа счет увеличения рабочей площади поверхности расплава путем пристыковывания к шахте ванны, а также широкая область применения, позволяющая перерабатывать отходы с различным содержанием различного вида пластмасс и металлов, т.е. нерассортированный мусор.

Формула изобретения

1. Способ термической переработки бытовых отходов в шахтной печи, включающий подготовку, загрузку в шахту, нагрев в плазменных струях в окислительной среде с последующим выпуском образующихся расплавов шлака и металла и газов с очисткой и утилизацией последних, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения эко логической чистоты процесса за счет термического разложения составляющих отходов, повышения эффективности их утилизации за счет получения ценных продуктов и увеличения скорости .переработки отходов, расширения области применения за счет обеспечения переработки отходов, расширения области применения за счет обеспечения переработки нерассортированных отходов. переработку ведут в герметизированном реакционном пространстве, а газы пропускают сначала через образовавшийся расплав.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что на отходящие газы после пропускания их через расплав воздействуют электроискровым разрядом.

3. Способ по пп. 1-2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что отходы предварительно нагревают в пламени топливных горелок.

4. Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что часть отходящих газов после очистки возвращают s реакционное пространство.

5. Способ по пп. 1-4, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что шлак перед выпуском подогревают.

6. Способ по пп. 1-5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в реакционной зоне осуществляют циркуляцию газов.

7. Устройство для термической переработки бытовых отходов, включающее шахту с загрузочным устройством в верхней части, плазменные горелки, установленные в надгорной зоне шахты по ее периметру, летку для выпуска шлака и гаэоход для отходящих газов,отличающееся тем,что,с целью улучшения экологической чистоты процесса за счет термического разложения составля-. ющих отходов, повышения эффективности утилизации отходов за счет получения ценных продуктов и увеличения скорости их переработки, расширения области применения за счет обеспечения переработки нерассортированных отходов, оно снабжено примыкающей к горну шахты подсводовой ванной с леткой для выпуска расплава металла, а герметизированные рабочие про1836603

12 странства:шахты и:-ванны-разделены, верти-. кальной перегородкой с окном в придонной части с образованием гидрозатвора, причем летка для выпуска шлака выполнена сифоиной и расположена на дальнем от шахты конце ванны с уровнем сливного порога выше окна перегородки, а.газоход установлен перед этой леткой.

8, Устройство по и. 7, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что ванна снабжена дополнительными вертикальными перегородкамй с окнами, верхний уровень которых в каждой перегородке. выше уровня в предыдущей, при этом окна расположены несоосно друг другу.

9. Устройство по пп. 7-8, о т л и ч а ющ е е с я тем, что в газоходе установлено злектроразрядное устройство, 10.,Устррйство,по, и, 7-.9,.„о,т л и ч а ю— щ е е: с я. тем,.что в ванне со сливным порогом сифонной летки установлен по крайней мере, один электропечной элект5 род или плазмотрон.

11, Устройство по пп, 7-10, о т л и ч а ющ е е с я тем, что по периметру шахты над плазмотронами расположены топливные го10 релки.

12. Устройство по пп, 7-11, о т л и ч à ющ е е с я тем. что в футерованных стенках . шахты выполнены вертикальные каналы-га15 заходы, вход в которые находится выше окна перегородки в шахте, а выход выполнен в форме сопла. Лаваля с установленной в нем топливной горелкой.

1836603

Составитель Л.Ахметова

Техред М.Моргентал .. Корректор С,Лисина. Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 3017 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5