Устройство для утилизации отходов

Изобретение относится к устройству утилизации промышленных, бытовых, опасных и многих других промышленных отходов, которое перерабатывает такие отходы в промышленно применимый продукт - синтез-газ, основными сферами применения синтез-газа являются производство электрической и тепловой энергии, получение оксида углерода и водорода, синтез Фишера-Тропша. Техническим результатом является повышение эффективности утилизации органических, медицинских и других опасных промышленных отходов с получением высококачественного получаемого синтез-газа, не требующего дополнительных мер по его разделению и очистке при сохранении небольших массогабаритных характеристик устройства. Технический результат достигается тем, что устройство для утилизации отходов содержит узел загрузки, реактор и по меньшей мере два блока СВЧ-излучателей, установленных по внешнему периметру реактора, между каждым блоком СВЧ-излучателей и реактором введен узел пароперегревателя с экранирующей рубашкой, выполненный с возможностью подачи в него пара, при этом узел пароперегревателя содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройству утилизации промышленных (резина, нефтяной шлам, растворители, отходы полиграфии, полимерные отходы), бытовых (несортированный бытовой мусор), опасных (медицинские отходы, кислые гудроны, промышленная и бытовая электроника) и многих других промышленных отходов, которое перерабатывает такие отходы в промышленно применимый продукт - синтез-газ, основными сферами применения синтез-газа являются производство электрической и тепловой энергии, получение оксида углерода и водорода, синтез Фишера-Тропша и др.

Аналогом принципа работы заявляемого устройства является техническое решение по патенту RU 2697912, «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА ИЗ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И КОМБИНИРОВАННЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР ОБРАЩЕННОГО ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», опубликовано: 21.08.2019 Бюл. №24. Группа изобретений относится к области горения и газификации и предназначена для получения силового генераторного газа для производства электрической и тепловой энергии.

Недостатком аналога является рассогласование волноводного тракта в связи с постоянным изменением характеристик поглощающего материала.

Аналогом заявляемого устройства также является устройство для переработки изношенных шин и/или резинотехнических изделий, патент RU 2361731, опубликовано: 20.07.2009 Бюл. №20. Устройство для переработки изношенных шин и/или резинотехнических изделий содержит по меньшей мере, одну камеру пиролиза, транспортер, СВЧ-излучатели и разгрузочное устройство, одну камеру пиролиза, каждая камера пиролиза выполнена в виде корпуса, состоящего из цилиндрической и конусной части, соединенной с газоотводной сильфонной трубой, сообщенной с трубой отвода газообразных продуктов, причем, по меньшей мере, по четыре СВЧ-излучателя установлено на середине высоты цилиндрической части каждой камеры пиролиза снаружи равномерно по окружности, а на конусной части каждой камеры пиролиза снаружи установлены диаметрально противоположно по две форсунки для подачи перегретого водяного пара, центральные продольные оси обеих форсунок каждой камеры пиролиза расположены под углом 90° к пересекающим их прямым линиям, лежащим диаметрально противоположно на внешней боковой конусной поверхности и проходящим через две точки, находящиеся на внешних окружностях верхнего и нижнего оснований конуса, при этом транспортерная лента выполнена из поперечных звеньев и снабжена микроволновыми затворами в виде сегментов, образующих два концентрично расположенных кольца.

Основными недостатками известного устройства является сложность герметизации рабочей камеры и сложность экранирования рабочей камеры, которая может приводить к утечкам СВЧ излучения.

Ближайшим аналогом заявляемого устройства является МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ГАЗИФИКАТОР БИОМАССЫ С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ И СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ, патент RU 2588211, опубликовано 27.06.2016 Бюл. №18, изобретение относится к газификатору биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы и способу газификации биомассы и твердых отходов в синтез-газ высокого качества. Газификатор биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы содержит вертикально расположенный корпус печи, блок мониторинга и устройство генерации микроволновой плазмы, где корпус печи содержит впуск для материала и топлива, выпуск для синтез-газа, впуск для кислорода/пара и выпуск для шлака, где корпус печи содержит свободную зону в своей верхней части и зону неподвижного слоя в своей нижней части; выпуск для шлака находится в нижней части корпуса печи; блок мониторинга расположен вблизи выпуска для синтез-газа; и, по меньшей мере, одно устройство генерации микроволновой плазмы расположено на корпусе печи.

Недостатком ближайшего аналога является использование в конструкции плазмотрона, что снижает возможность регулировки технологического процесса и существенно влияет на стоимость устройства.

Техническим результатом является повышение эффективности утилизации органических, медицинских и других опасных промышленных отходов с получением высококачественного получаемого синтез-газа, не требующего дополнительных мер по его разделению и очистке при сохранении небольших массогабаритных характеристик устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для утилизации отходов, содержащем узел загрузки, реактор и, по меньшей мере, два блока СВЧ-излучателей, установленные по внешнему периметру реактора, согласно настоящему изобретению, между каждым блоком СВЧ-излучателей и реактором введен узел пароперегревателя с экранирующей рубашкой, выполненный с возможностью подачи в него пара, при этом узел пароперегревателя содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения.

А также тем, что теплоизолирующая рубашка узла пароперегревателя изготовлена из оксида алюминия.

А также тем, что устройство для утилизации отходов содержит четыре блока СВЧ-излучателей, которые установлены в одной плоскости на равном расстоянии друг от друга.

А также тем, что в качестве пористой керамики использован карбид кремния.

А также тем, что узел перегревателя выполнен из комбинации пористой и плотной керамики.

А также тем, что в качестве пористой керамики использован пористый карбид кремния, а в качестве плотной керамики - оксид алюминия.

Техническое решение поясняется фигурой 1, на которой изображена принципиальная схема заявляемого устройства.

На фигуре введены следующие обозначения:

1. узел загрузки;

2. реактор;

3. блок СВЧ-излучателей;

4. узел пароперегревателя;

5. блок управления;

6. холодильник;

7. источник пара;

8. сепаратор;

9. экранирующая рубашка;

10. паропровод для подвода пара;

11. паропровод для вывода синтез-газа;

12. сборник сухого остатка;

13. патрубок для отбора газа.

Устройство для утилизации отходов содержит узел загрузки 1, реактор 2 и, по меньшей мере, два блока 3 СВЧ-излучателей, установленных по внешнему периметру реактора 2, между каждым блоком 3 СВЧ-излучателей и телом реактора 2 дополнительно введен узел 4 пароперегревателя с теплоизолирующей рубашкой 9, выполненный с возможностью подачи в него пара посредством паропровода 10, при этом узел 4 пароперегревателя выполнен из пористой керамики с возможностью поглощения СВЧ-излучения. Сам узел 4 пароперегревателя помещен в экранирующую рубашку 9, которая может быть выполнена из оксида алюминия. Экранирующая рубашка обеспечивает теплоизоляцию узла перегревателя 4, а также функцию экранирования внешней среды от электро-магнитного излучения, поступающего в узел перегревателя 4 из блока 3 СВЧ-излучателя.

Под реактором 2 выполнен сборник сухого остатка 12 от отходов, которые не газифицировались и превратились в зольный остаток.

Каждый блок 3 СВЧ-излучателя представляет собой стандартный источник микроволнового излучения, применяемый для бесконтактного нагрева тел, основным элементом которого служат магнетроны. Для эффективной работы устройства достаточно двух блоков 3 СВЧ-излучателей. Также устройство может содержать большее количество блоков 3 СВЧ-излучателей, установленных радиально относительно реактора как на одном, так и на разных уровнях и расстояниях относительно друг друга (на фигуре не показано). Очевидно, что увеличение количества блоков 3 СВЧ-излучателей позволяет увеличивать интегральную мощность излучения, сократить время утилизации или увеличить количество утилизируемых отходов на единицу времени. Однако выбор количества блоков не влияет качественно на условия протекания процесса утилизации и на принципиальную работу заявляемого устройства. Количество блоков 3 СВЧ-излучателей может быть обусловлено, в том числе, площадью, имеющейся для размещения устройства для утилизации отходов, количеством отходов, от которого может зависеть и размер реактора 2, т.е. от целей и задач использования устройства (больницы, крупные предприятия и т.п., где различается требуемое количество отходов для утилизации).

Между телом реактора 2 и каждым блоком 3 СВЧ-излучателя введен узел 4 пароперегревателя. В качестве СВЧ-поглощающей керамики может быть использована пористая керамика на основе карбида кремния. При этом, для оптимизации температуры пара в узле пароперегревателя целесообразно применять комбинацию СВЧ-поглощающей и СВЧ-прозрачной керамики. В качестве СВЧ-прозрачной плотной керамики может быть использована керамика на основе оксида алюминия. Каждый узел 4 пароперегревателя выполнен с возможностью подвода к нему пара из генератора пара 7 по паропроводу 10.

Заявляемое устройство, т.е. его основные узлы и блоки могут управляться посредством единого блока 5 управления. Место установки блока 5 управления не имеет принципиального значения и специалисту из данной области техники понятно, что блок 5 управления может быть связан со всеми узлами и блоками как посредством проводных электрических соединений, так и посредством беспроводных соединений, где это возможно. Также в устройство могут быть введены необходимые контрольно-измерительные приборы - датчики температуры, датчики давления и газоанализаторы воздуха. Применение данных приборов очевидно, поэтому не является предметом изобретения. Все они регулируются посредством единого блока 5 управления, отвечающего за автоматизацию процесса.

Устройство работает следующим образом:

В узел 1 загрузки помещают утилизируемый материал, в узле 1 загрузки, при необходимости, он может быть измельчен, например, при помощи вращающегося шнека с переменным диаметром - шнекового измельчителя (на фигуре не показано, может быть выполнено стандартными средствами) и далее измельченные отходы поступают в реактор 2. Одновременно с подачей материала в реактор, происходит генерация пара в генераторе 7 и запуск блоков 3 СВЧ-излучателей. Насыщенный пар из генератора 7 по паропроводу 10 поступает в узел 4 пароперегревателя, который содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения. Одновременно направленное СВЧ-излучение от блоков 4 СВЧ-излучателей попадает внутрь узлов 4 пароперегревателя, в том числе на пористую керамику. При этом тело узла 4 пароперегревателя уже заполнено насыщенным паром, который проходит через поры керамики и стремится в рабочую зону реактора. В процессе прохождения насыщенного пара через пористую керамику, пористая керамика также поглощает СВЧ-излучение, за счет чего разогревается и за счет вторичного инфракрасного излучения от стенок пористой керамики, дополнительно перегревает насыщенный пар. Таким образом, пар разогревается до температур 1000-1150 градусов и поступает в реактор 2. Далее остаточное СВЧ-излучение, которое генерирует каждый блок 3 СВЧ-излучателя (остаточное излучение, которое не превратилось в тепловую энергию в пароперегревателе), дополнительно прогревает утилизируемый материал в реакторе. Рабочая температура в реакторе таким образом достигает 850-1050 градусов Цельсия. В результате действия пара высокой температуры происходит так называемый СВЧ-паровой термолиз утилизируемых отходов, обеспечивая разрушение органических и биологических материалов, токсичных соединений, патогенных микроорганизмов, в результате протекающих реакций окисления и гидратации происходит превращение органических соединений в синтез-газ и зольный остаток. Синтез-газ из реактора поступает в паропровод 11 для вывода синтез-газа, а зольный остаток отстаивается в сборнике сухого остатка 12.

Из паропровода 11 синтез-газ далее попадает в холодильник 6, откуда синтез-газ далее попадает в сепаратор 8 далее охлаждается и очищается для дальнейшего использования. При необходимости, синтез-газ может быть выведен через патрубок 13 для отбора газа и использоваться для дальнейшего производство электрической и тепловой энергии, получение оксида углерода и водорода, синтез Фишера-Тропша и др. Также синтез-газ поступает в генератор 7, обеспечивая его работу и, соответственно, работу устройства для утилизации, обеспечивая его автономность.

Таким образом устройство позволяет реализовать процесс СВЧ-термолиза, который обеспечивает чистую переработку сырья (отходов) без образования смол, диоксинов, аэрозолей с полным извлечением всего углерода из материала, переработанного в реакторе. Процесс СВЧ-парового термолиза утилизирует 100% обрабатываемых материалов.

Продуктом СВЧ-парового термолиза является высококалорийный «синтез-газ» (Н2+СО) и нейтральный твердый остаток (шлак).

Синтез-газ и шлак от СВЧ-парового термолиза отходов имеют коммерческую ценность. Газ может быть использован в качестве источника энергии в электрогенераторах типа Отто, либо быть использован как сырье для получения высокооктановых углеводородов по методу Фишера-Тропша.

Зольный остаток может быть использован как наполнитель в строительных смесях, асфальтах.

Заявляемое устройство не требует больших помещений, может быть размещено и интегрировано в существующие инфраструктуры городов и жилых массивов, может быть масштабировано под разные габариты, в зависимости от количества и необходимой скорости утилизации. Масштабирован как с точки зрения размеров, так и с точки зрения количества СВЧ-излучателей, как было сказано выше.

Стоимость монтажа модульной установки, эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт дешевле любой современной системы утилизации бытовых пластиков.

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при использовании технологии СВЧ-парового термолиза количества токсичных выбросов в атмосферу и в виде твердого зольного остатка существенно ниже существующих стандартов России и Европы.

Проведенные лабораторные испытания показывают, что для переработки 1-го килограмма медицинских отходов (целлюлоза, пластик, биологические жидкости) потребуется 1 кВт электроэнергии для получения синтез газа в количестве 1,1-1,4 м³ из одного килограмма отходов. В процессе работы происходит следующая химическая реакция:

- целлюлозы:

- полиэтилена:

При сгорании синтез-газа выделяется тепло:

СО+1/2O2=CO2, ΔН=-67.63 ккал.

Н2+1/2O2=H2O, ΔН=-57.82 ккал.

с общей энергией Н=125.45 ккал. на один грамм - моль. Это соответствует 2800 ккал/м, что эквивалентно 3.2 кВт электроэнергии. То есть в результате пиролиза 1 кг. полимерных отходов образуется энергоноситель 3.59-4.56 кВт в пересчете на электроэнергию. При использовании образующегося в процессе переработки синтез - газа для питания установки СВЧ парового термолиза и с учетом КПД газового - электрогенератора Отто на уровне 29-36% обеспечивается положительный энергетический баланс, что позволяет питать СВЧ установку парового термолиза электроэнергий генерируемой выделяющимся синтез-газом.

Соответственно, для обеспечения производительности установки порядка 200 тонн отходов в год, потребуется установка мощностью 40 кВт.

Процесс СВЧ-нагрева и парового термолиза не чувствителен к влажности и составу отходов, что не требует их предварительной выдержки либо подготовки, а также сортировки. Отсутствие газообразных азота и кислорода воздуха в реакторе устраняет проблему образования оксидов азота. Обеспечивает высокое качество получаемого синтез-газа и не требует дополнительных мер по его разделению и очистке.

Использование СВЧ-парового термолиза приводит к высокой степени превращения опасных отходов (независимо от их состава) в целевой продукт синтез-газ. При температуре паровой конверсии более 900 градусов и дополнительному СВЧ нагреву, химические реакции превращения органических соединений в синтез-газ проходят с полной конверсией. Превращение углерода в синтез-газ зависит только от кинетики процесса.

Установка на основе СВЧ-паровой утилизации характеризуется высокой производительностью, малой массой и габаритами (в 4-6 раз по сравнению с лучшими аналогами). Данное оборудование может быть выполнено как в стационарном, так и в мобильном вариантах (на автомобильном, морском, и железнодорожном), что позволяет проводить утилизацию отходов (пластиков, органических отходов, упаковки) в местах их накопления: жилые массивы, больницы и пр.

Введение в конструкцию узлов пароперегревателя, в основе которого лежит пористая керамика с возможностью поглощения СВЧ-излучения, между каждым источником СВЧ-излучения и реактором позволяет существенно повысить рабочую температуру в реакторе и осуществить эффективную утилизацию отходов.

В качестве объекта для переработки с помощью СВЧ-нагрева могут быть предложены различные отходы, такие, как автомобильные покрышки, нефтешламы, ядохимикаты, электронные компоненты (материнские платы, пластиковые корпуса), отходы производства РТИ и многие другие опасные отходы.

Указанные выше достоинства и преимущества устройства утилизации отходов позволяют реализовать процесс СВЧ-парового термолиза и справиться с недостатками других известных процессов. Модульная система обеспечивает возможность монтажа установки в широком пределе генерируемой мощности 4 до 200 кВт с возможностью последующей модификации и модернизации. При этом получаемый в процессе СВЧ парового термолиза синтез-газ повторно используется для генератора пара в качестве источника энергии, обеспечивая автономность заявляемого устройства, что привлекательно с точки зрения отсутствия необходимости подключения установки к существующим электросетям.

1. Устройство для утилизации отходов, содержащее узел загрузки, реактор и по меньшей мере два блока СВЧ-излучателей, установленных по внешнему периметру реактора, отличающееся тем, что между каждым блоком СВЧ-излучателей и реактором введен узел пароперегревателя с экранирующей рубашкой, выполненный с возможностью подачи в него пара, при этом узел пароперегревателя содержит пористую керамику с возможностью поглощения СВЧ-излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что теплоизолирующая рубашка узла пароперегревателя изготовлена из оксида алюминия.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство для утилизации отходов содержит четыре блока СВЧ-излучателей, которые установлены в одной плоскости на равном расстоянии друг от друга.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве пористой керамики использован карбид кремния.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел перегревателя выполнен из комбинации пористой и плотной керамики.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в качестве пористой керамики использован пористый карбид кремния, а в качестве плотной керамики - оксид алюминия.