Реактор для термической переработки отходов
Полезная модель относится к устройствам для обезвреживания отходов различного происхождения. Техническим результатом является повышение надежности и увеличение ресурса работы, повышение эффективной конверсии органических компонентов отходов, обеспечение захвата радионуклидов и гомогенизации шлакового расплава. Технический результат достигается тем, что система подвода окислителя выполнена двухъярусной, верхний ярус ввода окислительной смеси содержит плазменный генератор, систему подачи воздуха, ввод вторичного воздуха, смесительную камеру, водоохлаждаемую панель и дутьевые фурмы верхнего яруса. Нижний ярус ввода высокотемпературной окислительной смеси содержит плазменный генератор, ввода вторичного воздуха, смесительную камеру, в верхней части шахты под узлом загрузки расположен газоход для отвода газа на дожигание, охлаждение и очистку. 1 с.п.ф. 1 илл.
Полезная модель относится к устройствам для обезвреживания отходов различного происхождения, включая твердые бытовые отходы, токсичные отходы лечебных, транспортных, торговых и других предприятий и учреждений городской структуры, а также радиоактивные отходы среднего и низкого уровня активности и боевые отравляющие вещества.
Известно устройство для переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, включающее печь, имеющую шахту, снабженную в верхней своей части узлом загрузки и газоотводным патрубком, устройством для подвода окислителя, расположенным в средней части шахты, и плазменными генераторами, размещенными в нижней части шахты, которая сообщается с горизонтальной камерой гомогенизации шлака, имеющей вертикально установленный плазменный генератор.
Недостатками устройства являются ненадежность его работы, пониженная производительность и ресурс работоспособности. Патент Российской Федерации №1810991, МПК: G21F 9/32, 1993 г.
Известен реактор для термической переработки радиоактивных и токсичных отходов, содержащий шахтную печь, со шлюзовым узлом загрузки, шахтой, устройством для подвода окислителя, плазменными генераторами шахты, сливным устройством, и выходом газов в систему газоочистки, систему охлаждения; шахта содержит устройство для подвода окислителя и сжатого воздуха, плазменные генераторы шахты установлены в горизонтальной плоскости в боковых стенках шахты; система включает также камеру гомогенизации со сливным устройством, и аппараты газоочистки. Патент Российской Федерации №2107347, МПК: G21F 9/32, 1998 г. Прототип.
В прототипе предусмотрена установка одного плазмотрона для обогрева ванны расплава путем прямого воздействия на ее поверхность струи горячего воздуха, что приводит к неравномерному нагреву.
Техническим результатом полезной модели является устранение образования зон чрезмерного теплового напряжения футеровки реактора, повышение надежности и увеличение ресурса работы, обеспечение газопроницаемости столба отходов, повышение эффективной конверсии органических компонентов отходов, обеспечение захвата радионуклидов и гомогенизации шлакового расплава.
Технический результат достигается тем, что в реакторе для термической переработки отходов, содержащем шахтную печь, со шлюзовым узлом загрузки, для термической переработки отходов, содержащий шахтную печь со шлюзовым узлом загрузки, систему подвода рабочего газа с плазменными генераторами, смесительными камерами и фурмами подачи рабочего газа в реактор, камеру для расплава со сливным устройством и систему газоочистки, отличающийся тем, что система подвода окислителя выполнена двухъярусной, верхний ярус ввода окислительной смеси содержит плазменный генератор, систему подачи воздуха, ввод вторичного воздуха, смесительную камеру, водоохлаждаемую панель и дутьевые фурмы верхнего яруса, барботажную плавильную камеру с сифоном для вывода шлакового расплава, нижний ярус ввода высокотемпературной окислительной смеси содержит плазменный генератор, узел ввода вторичного воздуха, смесительную камеру, снабженную водоохлаждаемыми панелями, в верхней части шахты под узлом загрузки расположен газоход для отвода газа на дожигание, охлаждение и очистку.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично изображен реактор, где: 1 - узел загрузки отходов; 2 - шахта реактора; 3.1-3.7 - элементы верхнего яруса ввода рабочего газа (горячего воздуха); 3.1 - плазменный генератор; 3.2 - подача электроэнергии; 3.3 - подача воздуха и 3.4 - ввод вторичного воздуха; 3.5 - смесительная камера; 3.6 - водоохлаждаемая панель; 3.7 - дутьевые фурмы верхнего яруса; 4 - барботажная плавильная камера; 4.1 - сифон для вывода шлакового
расплава; 4.2 - индуктор или омический нагреватель обогрева сифона; 4.3 - сливная летка с запорным стопором; 5.1-5.7 - элементы нижнего яруса ввода горячего воздуха; 5.1 - плазменный генератор; 5.2 - подача электроэнергии; 5.3 - подача воздуха; 5.4 - ввод вторичного воздуха; 5.5 - смесительная камера; 5.6 - водоохлаждаемая панель; 5.7 - дутьевые фурмы нижнего яруса; 6 - газоход для отвода синтез-газа на дожигание, охлаждение и очистку.
Узел загрузки 1, расположенный в верхней части реактора, снабжен системой шлюзовых шиберов и тепловой водоохлаждаемой заслонкой, исключающей возможность перегрева конструктивных элементов потолочной части реактора и шиберов в процессе пуска реактора, пока шахта 2 не окажется заполненной подаваемыми в реактор отходами.
Перед началом проведения процесса переработки отходов в барботажную плавильную камеру 4 через узел загрузки 1 засыпают предварительно подготовленный шлаковый материал в форме кусков. Стопор перекрывает отверстие сливной летки 4.3. Затем включают в работу плазменный генератор 3.1 и горячий воздух с температурой, превышающей температуру плавления шлака, подают в барботажную плавильную камеру 4, обеспечивая плавление шлака и заполнение ванны барботажной камеры жидким шлаком до уровня слива в сифоне 4.1. По заполнении барботажной плавильной камеры 4 жидким шлаком включают обогреватель 4.2 сливного лотка сифона 4.1.
С помощью внешнего вентилятора или дымососа (на чертеже не показаны) в шахте создают разрежение примерно 200 Па. Затем включают плазменный генератор 3.1 верхнего яруса и через узел загрузки 1 подают отходы в шахту 2 до заполнения ее объема до уровня, несколько ниже уровня газохода 6. После выхода реактора на стационарный режим подачу отходов в верхнюю часть шахты осуществляют по мере выработки находящегося в ней материала. В процессе термической переработки отходы под действием силы тяжести продвигаются вниз навстречу потоку отходящих газов, удаляемых из шахты через газоход 6 на дожигание и очистку.
В верхней части шахты 2 свободная влага из отходов испаряется под воздействием горячих газовых продуктов пиролиза и газификации, поступающих из нижней зоны шахты. Подсушенные твердые отходы поступают в среднюю зону шахты 2, где при температуре 400-800°С происходит их термическое химическое разложение под воздействием газообразных продуктов, поступающих из нижних отделов шахты 2.
Фурмы 3.7 равномерно расположенные по окружности корпуса шахты 2 повышают степень газификации отходов. Этому способствует и расширяющаяся к низу конусность шахты.
При переработке радиоактивных отходов радионуклиды и аэрозоли, содержащиеся в газообразных продуктах окисления, поднимающихся из нижней части шахты 2, поглощаются слоем перерабатываемых отходов за счет поверхностной молекулярной адсорбции и хемосорбции на окислах кремния, алюминия и коксовом остатке, и в химически связанном виде вновь поступают в нижние слои шахты 2.
Коксовый остаток смеси, поступая к основанию шахты 2, сгорает при взаимодействии с горячим воздухом, поступающим через фурмы 3.7. Коксовый остаток смешивается с восходящим от шлакового расплава горячим воздухом, проходящим через него от дутьевых фурм нижнего яруса 5.7. Регулируя расход и температуру подаваемого в нижнюю часть шахты 2 воздуха, в слое отходов нижней зоны шахты 2 поддерживают температуру ниже температуры оплавления зольного остатка - 1000°С, препятствуя ошлаковыванию зольного остатка в зоне реактора выше уровня ввода подогретого воздуха через фурмы 3.7, сохраняя тем самым газопроницаемость столба отходов и обеспечивая непрерывное поступление негорючего компонента отходов на поверхность расплава, находящегося в барботажной плавильной камере 4. Зольный остаток, в жидкой ванне барботажной плавильной камеры 4, перемешивается с жидким шлаком несколькими дутьевыми фурмами 5.7 нижнего яруса и нагревается до температуры 1400-1500°С до его полного расплавления.
Радионуклиды, улетучивающиеся с поверхности расплава при плавлении зольного остатка, вступают в реакцию минералообразования при твердофазных превращениях с образованием тугоплавких соединений в нагретом слое зольного остатка, непрерывно поступающего из зоны газификации. В результате таких взаимодействий радионуклидов в отходящих из реактора газах снижают количество выносимых радионуклидов, а основное их количество попадает в шлаковый расплав. По мере поступления зольных остатков в барботажную ванну плавильной камеры 4, их смешения с расплавленным шлаком и плавлением, происходит вытеснение расплава через сифон 4.1 в сливной лоток и далее в гранулятор.
Для остановки реактора прекращают подачу отходов в шахту 2. Все устройства функционируют до полной выработки материала отходов в шахте. После этого отключают плазменные генераторы 3.1 верхнего яруса, генераторы 5.1 переводят в режим подачи горячего воздуха с температурой, превышающей температуру плавления шлака. Для предотвращения возможного перегрева верхней части реактора через фурмы верхнего яруса 3.7 подают холодный воздух. Далее стопор сливной летки 4.3 открывают и освобождают ванны от жидкого шлака.
Процессы пиролиза и газификации органической части отходов и плавления неорганической части отходов разделены в пространстве: превращение органики в топливный газ идет в процессе встречного движения загружаемых сверху отходов и горячего воздуха от плазменных генераторов верхнего яруса 3.1, подаваемого через сопла 3.7 в футеровке реактора. Температура воздуха несколько ниже (1150-1200°С) температуры плавления неорганических компонентов; а плавление неорганических компонентов отходов происходит в объеме жидкой шлаковой ванны барботажной плавильной камеры 4, в которую через дутьевые фурмы 5.7 нижнего яруса, расположенные ниже уровня шлака в ванне, подают под
давлением горячий воздух с температурой 1700-1750°С от плазменных генераторов 5.1.
Плазменные генераторы 3.1 верхнего и нижнего яруса 5.1 установлены в футерованных смесительных камерах, снабженных для жароустойчивости панелями водяного охлаждения, из которых горячий воздух вводят в соответствующие зоны реактора. Камеры снабжены дополнительными соплами для ввода холодного или предварительно подогретого воздуха с учетом необходимости обеспечения указанной выше температуры подаваемого в реактор факела рабочего газа (теплоносителя) за счет смешивания этого холодного (подогретого) воздуха с горячим воздухом. Смесительные камеры обеспечивают формирование потока рабочего газа, подаваемого в реактор.
Барботажная плавильная камера 4, округлая по форме, футерована изнутри и снабжена сифоном 4.1, через который избыток жидкого шлака выводят в сливной лоток, снабженный индукционным или омическим нагревателем 4.2 для предотвращения застывания в нем шлака. Подаваемый через фурмы в барботажной плавильной камере 4 горячий воздух обеспечивает продвижение расплава в направлении выпускного отверстия сифона 4.1. Фурмы, как верхнего яруса 3.7, так и нижнего яруса 5.7 в плавильной барботажной камере 4 подают теплоноситель от смесительных камер 3.5 и 5.5 сквозь футеровку шахтной части реактора и барботажной плавильной камеры 4, при этом формируют, поток рабочего газа. В низшей точке барботажной плавильной камеры 4 расположена сливная летка 4.3 для освобождения камеры от шлака при остановке реактора.
Летка 4.3 снабжена стопором, который в режиме работы реактора перекрывает ее. Для облегчения продвижения столба отходов в футерованной изнутри шахте, она выполнена круглой в сечении и имеет конусность 3-5° с расширением в сторону барботажной плавильной камеры 4. Образуемый топливный газ выводят через газоход 6 в верхней части реактора.
Реактор для термической переработки отходов, содержащий шахтную печь со шлюзовым узлом загрузки, систему подвода рабочего газа с плазменными генераторами, смесительными камерами и фурмами подачи рабочего газа в реактор, камеру для расплава со сливным устройством и систему газоочистки, отличающийся тем, что система подвода окислителя выполнена двухъярусной, верхний ярус ввода окислительной смеси содержит плазменный генератор, систему подачи воздуха, ввод вторичного воздуха, смесительную камеру, водоохлаждаемую панель и дутьевые фурмы верхнего яруса, равномерно расположенные по периметру шахтной печи, барботажную плавильную камеру с сифоном для вывода шлакового расплава, в нижней точке барботажной плавильной камеры расположена сливная летка с запорным стопором, нижний ярус ввода высокотемпературной окислительной смеси содержит плазменный генератор, узел ввода вторичного воздуха, смесительную камеру, снабженную водоохлаждаемыми панелями, в верхней части шахты под узлом загрузки расположен газоход для отвода газа на дожигание, охлаждение и очистку.
