close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6141

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6141
(13) C1
(19)
7
(51) F 23G 5/00
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ
ПУТЕМ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20010351
(22) 2001.04.13
(46) 2004.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Шиманович Владимир Демьянович (BY); Золотовский Анатолий
Иванович (BY); Смягликов Игорь Петрович (BY); Савченков Николай Абрамович (BY); Моссэ Альфред Львович (BY); Нефедов Анатолий Павлович (RU)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси" (BY)
BY 6141 C1
(57)
1. Устройство для уничтожения вредных веществ путем термического разложения,
содержащее размещенные в защитной камере дуговой генератор плазмы с раздельно установленными анодным и катодным блоками и узел сбора шлаков, а также узел подачи
вещества в плазму и узел последующей обработки отходящих газов, отличающееся тем,
что катодный блок представляет собой струйный плазмотрон, внешняя поверхность сопла
Фиг. 1
BY 6141 C1
которого выполнена конической, анодный блок выполнен в виде двух параллельных водоохлаждаемых металлических цилиндров с регулируемым зазором между боковыми поверхностями, при этом цилиндры установлены перпендикулярно вертикальному дуговому
столбу и выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в направлении своих осей и вращения вокруг них в противоположных направлениях, а
боковые поверхности цилиндров защищены набором плотно упакованных графитовых
колец, узел сбора шлаков представляет собой емкость, установленную под анодным блоком, а узел подачи вещества в плазму содержит загрузочный бункер, расположенный над
катодным блоком вне зоны высоких температур, соединенный с ним трубопроводами
бункер-дозатор в виде установленной коаксиально с катодным блоком воронки, выполненный с возможностью регулировки зазора между своей внутренней поверхностью и
внешней поверхностью катодного сопла, а также расположенный между катодным и
анодным блоками локализатор перерабатываемого вещества.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что локализатор перерабатываемого вещества выполнен в виде установленной на водоохлаждаемом экране коаксиально с вертикальным дуговым столбом воронки из теплостойкого материала.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что локализатор перерабатываемого вещества выполнен в виде двух электрически нейтральных параллельных цилиндров с регулируемым зазором между боковыми поверхностями, при этом цилиндры выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в направлении своих
осей и вращения вокруг них в противоположных направлениях, а оси цилиндров перпендикулярны осям цилиндров анодного блока и оси вертикального дугового столба.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что содержит генератор
ультразвуковых колебаний, соединенный с локализатором перерабатываемого вещества.
5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что содержит несколько катодных блоков, размещенных в защитной камере, и такое же число узлов подачи вещества
в плазму.
(56)
Моссэ А.Л. Электродуговые плазменные реакторы с трехструйными камерами смешения. Препринт № 19. Институт тепло- и массообмена Академии наук БССР. - Мн., 1990.
DE 2926006 A1, 1980.
EP 0290815 A1, 1988.
EP 0636839 A2, 1995.
EP 0595968 B1, 1997.
US 4439657 A, 1984.
US 3780675 A, 1973.
WO 89/11775 A1.
WO 93/05340 A1.
GB 1248595, 1968.
Изобретение относится к области высокотемпературной переработки материалов и может быть использовано для уничтожения вредных веществ, например пришедших в негодность гербицидов и пестицидов.
Большой класс гербицидов и пестицидов представляет собой порошковые материалы,
состоящие из частиц инертного наполнителя (часто - каолина), адсорбированного на их поверхности активного вещества и различных специальных добавок. Массовая доля наполнителя может составлять 10-90 %. При этом температура разрушения активного вещества значительно ниже температуры разрушения инертной части. Для нейтрализации таких ядохимикатов нет необходимости в полном их сжигании или их нагреве до высокой температуры.
2
BY 6141 C1
Наиболее распространенным способом переработки опасных органических отходов
является их сжигание. Низкие экологические показатели и ограниченность числа отходов,
состав которых приемлем при использовании таких промышленных тепловых агрегатов,
как асфальтовых и цементных печей, паровых котлов, циркуляционных печей с псевдоожиженным слоем, вращающихся обжиговых печей, приводит к поискам новых технологий. С конца 80-х годов интенсивно разрабатываются плазменные способы переработки
опасных отходов. В плазменных устройствах нагрев рабочей среды осуществляется до
температур в несколько тысяч градусов, что обеспечивает быструю и эффективную деструкцию сложных органических молекул. В сочетании с быстрой закалкой газообразных
продуктов это предотвращает образование опасных ароматических галогенсодержащих
углеводородов (Красовская Л.И., Моссэ А.Л., Плазмохимические процессы в трехструнных электродуговых реакторах. - Мн., 2000. - С. 196) [1].
Разработка плазменных реакторов для высокотемпературных технологических процессов требует изучения способов нагрева теплоносителя, его взаимодействия с обрабатываемым веществом и стенками реактора, и, конечно, нагрева перерабатываемого вещества. Плазмохимический реактор должен обеспечивать эффективное смешение сырья с
теплоносителем. Ввод частиц мелкодисперсного сырья в плазменный поток затруднен изза большой скорости и вязкости плазмы, а также собственного давления в плазменных образованиях. К настоящему времени наиболее значительные результаты по плазменной переработке материалов достигнуты при использовании многоструйных электродуговых реакторов. Они получили широкое распространение при изучении термической переработки
дисперсного фосфатного сырья в воздушной плазме, при плазмохимическом получении
оксидов металлов из диспергированных растворов солей, а также при плазменном обезвреживании опасных отходов.
Известно устройство для обработки материалов (Шиманович В.Д., Золотовский А.И. и
др. Установка для высокотемпературной обработки поверхности непроводящих материалов с прямолинейной образующей. Патенты-аналоги: патент Венгрии 179994, патент Японии 1095194, патент ФРГ DE 2926006 С2, патент Франции 7916449, патент США 4439657)
[2], содержащее катодный узел в виде струйного плазмотрона и анодный узел в виде двух
вращающихся и перемещающихся параллельных цилиндров. Это устройство для уничтожения вредных веществ не применялось.
Известно устройство (Cerqueura N., Megy S., Vandensteenddam C., Girold C. and Baronnet J.-M. Incineration of surrogate radioactive waste graphite slurry in a transferred arc plasma
furnace / Proceedings of 14th Int. Symposium on Plasma Chemistry. Prague, Czech Republic.
August 2-6, 1999. Vol. 5. P.2377-2382) [3] для уничтожения вредных веществ, например для
уничтожения радиоактивных отходов, содержащее дуговой генератор плазмы в виде двух
плазмотронов различной полярности, узел подачи в плазму вредных веществ, узел сбора
твердых отходов, помещенные в защитной камере, и узел обработки отходящих газов.
Недостатком устройства являются низкая производительность переработки ~1 кг/ч и
большие энергозатраты -200 кДж/г. При переработке гербицидов и пестицидов данное
устройство может обеспечить большую производительность с меньшими энергозатратами. Однако устройство не обеспечивает продолжительный рабочий цикл в связи с необходимостью периодической замены узла сбора твердых отходов. Недостатком является также высокий расход плазмообразующего и защитного газов.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство для уничтожения
вредных веществ путем термического разложения с применением дугового генератора
плазмы (Моссэ А.Л. Электродуговые плазменные реакторы с трехструйными камерами
смешения. Препринт № 19. Институт тепло- и массообмена Академии наук Белорусской
ССР. - Мн., 1990) [4]. Оно состоит из трех струйных дуговых плазмотронов общей мощностью 90 кВт, узла подачи перерабатываемого материала, камеры смешения, секций реактора, закалочного кольца и промежуточного бункера для сбора переработанных продуктов.
3
BY 6141 C1
Указанное устройство имеет низкую производительность и требует больших энергетических затрат. При подводимой суммарной мощности 90 кВт производительность переработки менее 5 кг/ч, а удельные энергозатраты на переработку сырья превышают 60
кДж/г. Кроме того, устройство работает при больших расходах плазмообразующего газа воздуха (~1200 л/мин), что приводит к повышенному образованию вторичных токсинов
(СО, NO, NO2 и т.д.), для нейтрализации которых должны приниматься дополнительные
меры.
Задачей заявляемого изобретения является создание высокоэффективного устройства
для уничтожения вредных веществ путем термического разложения, позволяющее повысить производительность переработки при существенном снижении удельных энергозатрат и уменьшении расхода используемых газов.
Поставленная задача решается заявляемым устройством, которое содержит размещенные в защитной камере дуговой генератор плазмы с раздельно установленными анодным
и катодным блоками и узел сбора шлаков, а также узел подачи вещества в плазму и узел
последующей обработки отходящих газов.
Согласно изобретению, катодный блок представляет собой струйный плазмотрон,
внешняя поверхность сопла которого выполнена конической, анодный блок выполнен в
виде двух параллельных водоохлаждаемых металлических цилиндров с регулируемым
зазором между боковыми поверхностями, при этом цилиндры установлены перпендикулярно вертикальному дуговому столбу и выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в направлении своих осей и вращения вокруг них в
противоположных направлениях, а боковые поверхности цилиндров защищены набором
плотно упакованных графитовых колец, узел сбора шлаков представляет собой емкость,
установленную под анодным блоком, а узел подачи вещества в плазму содержит загрузочный бункер, расположенный над катодным блоком вне зоны высоких температур, соединенный с ним трубопроводами бункер-дозатор в виде установленной коаксиально с
катодным блоком воронки, выполненной с возможностью регулировки зазора между своей внутренней поверхностью и внешней поверхностью катодного сопла, а также расположенный между катодным и анодным блоками локализатор перерабатываемого вещества.
Локализатор перерабатываемого вещества может быть выполнен в виде установленной на водоохлаждаемом экране коаксиально с вертикальным дуговым столбом воронки
из теплостойкого материала или в виде двух электрически нейтральных параллельных цилиндров с регулируемым зазором между боковыми поверхностями, при этом цилиндры
выполнены с возможностью совершения возвратно-поступательного перемещения в направлении своих осей и вращения вокруг них в противоположных направлениях, а оси
цилиндров перпендикулярны осям цилиндров анодного блока и оси вертикального дугового столба.
Для интенсификации процесса переработки устройство может содержать генератор
ультразвуковых колебаний, соединенный с локализатором перерабатываемого вещества.
Кроме того, для повышения производительности при переработке материалов устройство может содержать несколько катодных блоков, размещенных в защитной камере, и
такое же число узлов подачи вещества в плазму, иметь более чем один узел подачи вещества в плазму и такое же число катодных блоков, размещенных в одной защитной камере.
Анодный блок в таком устройстве является общим для всех катодных блоков.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид предлагаемого устройства при выполнении локализатора в виде воронки из теплостойкого материала.
На фиг. 2 показана схема расположения основных элементов устройства при выполнении локализатора в виде двух цилиндров.
Устройство для уничтожения вредных веществ путем термического разложения
(фиг. 1) содержит дуговой генератор плазмы с раздельно установленными катодным блоком 1 и анодным блоком в виде двух цилиндров 2 с зазором между боковыми поверхностями 1-15 мм, защитную камеру 3, узел подачи вещества в плазму сыпучих или жидких
4
BY 6141 C1
материалов, состоящий из загрузочного бункера 4, бункера-дозатора 5 и локализатора перерабатываемого материала в виде воронки из теплостойкого материала 6, установленной
на водоохлаждаемом экране 7 (далее - кольцевой локализатор), а также узел сбора шлаков
8 и узел последующей обработки отходящих газов 9. Катодный блок представляет собой
струйный плазмотрон со стержневым катодом 10 и соплом 11, которое служит вспомогательным электродом при поджиге дуги и одной из направляющих для транспортировки
перерабатываемого материала. Водоохлаждаемый экран 7 может соединяться с генератором ультразвуковых колебаний 16. Конструкция анодного блока не требует использования защитного газа, а катодный блок работает при малом расходе плазмообразующего газа (до 50 л/мин азота или аргона).
В другом варианте выполнения устройства (фиг. 2), преимущественно для переработки материалов с низкой температурой разложения, локализатор перерабатываемого материала 6 представляет собой два электрически нейтральных параллельных цилиндра, оси
которых перпендикулярны осям цилиндров анодного блока и оси вертикального дугового
столба, с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль своих осей и
вращения вокруг них в противоположных направлениях (далее - щелевой локализатор).
Зазор между боковыми поверхностями цилиндров регулируется в пределах 1-15 мм. Основным преимуществом щелевого локализатора является большой ресурс работы.
Устройство работает следующим образом.
В начальный момент времени загрузочный бункер 4 заполнен перерабатываемым материалом и закрыт затвором 12. После открытия затвора 12 приводом 13 перерабатываемый материал из загрузочного бункера 4 по трубопроводам 14 поступает в бункер-дозатор
5, отверстие которого заперто соплом 11.
Вертикальный дуговой столб (основная дуга) создается между катодом 10 и анодными
цилиндрами 2. Поджиг дуги производится плазменной струей, генерируемой катодным
блоком 1 после пробоя высоковольтным высокочастотным импульсом промежутка между
катодом 10 и соплом 11 (вспомогательная дуга). На стадии поджига катодный блок 1 работает как типичный струйный плазмотрон. После возникновения вертикального дугового
столба 17 между катодом 10 и анодными цилиндрами 2 электрический потенциал с сопла
11 снимается.
Для поджига дуги применяется специальный источник питания, состоящий из двух
источников с общим катодом для питания вспомогательной и основной дуги. Для поджига
дуги используется вспомогательный электрод, которым является стабилизирующее сопло
11. Импульс высокочастотного высоковольтного генератора, включаемого последовательно в катодную цепь, инициирует вспомогательную дугу между катодом 10 и соплом 11,
которая, в свою очередь, стимулирует пробой разрядного промежутка между катодом 10 и
анодными цилиндрами 2. Когда ток основной дуги становится значительным, источник
питания вспомогательной дуги отключается автоматически.
Используемый ток дуги составляет 100-700 А, длина дугового канала - 100-200 мм,
диаметр выходного отверстия и высота кольцевого локализатора - 10-40 и 20-50 мм, соответственно.
После возникновения вертикального дугового столба в течение 10-30 с в зависимости
от силы тока разряда происходит прогрев локализатора 6 и поверхностей анодных цилиндров 2. Затем привод 15 опускает бункер-дозатор 5 на некоторое расстояние, чтобы между
его внутренней поверхностью и внешней конической поверхностью сопла 11 образовался
зазор 0,1-5 мм, обеспечивающий требуемый расход материала от 1 до 200 кг/ч. Перерабатываемый материал кольцевым потоком транспортируется вдоль дугового столба 17 и
проходит через локализатор 6, основная функция которого состоит в приближении частиц
перерабатываемого материала к оси дугового столба и, тем самым, в увеличении интенсивности их нагрева. Дополнительный нагрев частиц происходит при контакте их с поверхностями анодных цилиндров.
5
BY 6141 C1
Вследствие высокой температуры частицы перерабатываемого материала выделяют
активные вещества в виде газообразных продуктов, которые затем разлагаются на более
простые компоненты. Окончательная нейтрализация отходящих газов происходит в узле
последующей обработки 9. Остаток частиц, являющийся наполнителем уничтожаемого
ядохимиката в виде расплавленной стеклообразной массы, накапливается в узле сбора шлаков 8. Стеклообразный материал, осаждаемый в процессе переработки на поверхностях
анодных цилиндров 2, сбрасывается в узел сбора шлаков 8 вследствие взаимодействии этих
поверхностей при встречном вращении цилиндров в направлении узла сбора шлаков 8.
Сущность изобретения иллюстрируется примерами конкретного выполнения, не ограничивающими объема изобретения.
Пример 1.
Уничтожение ядохимиката изофена (С14Н18О7N2) с помощью заявляемого устройства,
снабженного кольцевым локализатором.
Катодный блок 1 выполнен в виде закрепленного в водоохлаждаемом держателе
стержневого вольфрамового катода 10 диаметром 6 мм и коаксиального с ним водоохлаждаемого медного конусного сопла 11 с узлом подачи плазмообразующего газа (азота или
аргона).
Анодный блок 2 представляет собой два водоохлаждаемых медных цилиндра диаметром 54 мм и длиной 200 мм, боковая поверхность каждого из которых защищена тремя
графитовыми кольцами внешним диаметром 100 мм и длиной 66 мм. Линейная скорость
перемещения боковых поверхностей анодных цилиндров составляет ~1 м/с. Вращение
анодных цилиндров встречное в направлении узла сбора шлаков 8, представляющего собой прямоугольную емкость объемом 10 л. Анодный блок 2 закреплен на подвижной раме, которая с помощью кривошипно-шатунного механизма совершает возвратно-поступательное перемещение с амплитудой 110 мм и частотой 1 Гц.
Ядохимикат изофен представляет собой плохо сыпучий ультрадисперсный порошок.
Для улучшения сыпучести производится его предварительное перемешивание с кварцевым песком с размером частиц 100-200 мкм в пропорции один к одному по массе.
В качестве загрузочного бункера 4 используется коническая емкость объемом 5 л, которая непрерывно заполняется перерабатываемым материалом с помощью вспомогательных устройств и снабжена затвором 12, управляемым электроприводом возвратнопоступательного перемещения 13. Загрузочный бункер 4 тремя гибкими трубопроводами
14 внутренним диаметром 10 мм соединен с бункером-дозатором 5, представляющим собой конусообразную медную воронку с углом раскрытия 110° и выходным отверстием
диаметром 20 мм, которое запирается катодным соплом 11. Электроприводом возвратнопоступательного перемещения 15 устанавливается ширина кольцевой щели 3 мм, образующейся между внутренней поверхностью бункера-дозатора 5 и внешней конической
поверхностью сопла 11 и обеспечивающая расход перерабатываемого материала 50 кг/ч.
Локализатор перерабатываемого материала выполнен в виде графитовой воронки 6
высотой 25 мм и выходным отверстием 25 мм, установленной на водоохлаждаемом медном экране 7.
Режим дугового генератора плазмы: сила тока - 300 А, напряжение - 150 В, расход
азота - 30 л/мин.
Производительность устройства составляет 25 кг/ч, что соответствует удельным энергозатратам электроэнергии на переработку материала ~6 кДж/г.
Пример 2.
Уничтожение ядохимиката изофена с помощью заявляемого устройства, снабженного
щелевым локализатором.
Локализатор перерабатываемого материала 6 представляет собой два электрически
нейтральных параллельных медных цилиндра диаметром 28 мм и длиной 95 мм, боковая
6
BY 6141 C1
поверхность каждого из которых защищена двумя графитовыми кольцами внешним диаметром 50 мм и длиной 47 мм. Зазор между боковыми поверхностями цилиндров составляет 5 мм.
Остальные параметры устройства, как в примере 1.
Производительность устройства составляет 25 кг/ч, что соответствует удельным энергозатратам электроэнергии на переработку материала ~6 кДж/г.
Пример 3.
Получение стеклообразной массы из кварцевого песка.
Параметры установки, как в примере 1.
Температура частиц расплава более 1500 К.
Производительность устройства составляет 75 кг/ч, что соответствует удельным энергозатратам электроэнергии на переработку материала ~2 кДж/г.
Таким образом, при значительно большей производительности устройства удельные
энергозатраты и расход газа снижены более чем в десять раз, по сравнению с соответствующими показателями для известных устройств.
Источники информации:
1. Красовская Л.И., Моссэ А.Л. Плазмохимические процессы в трехструнных электродуговых реакторах. Мн., 2000. - 196 с.
2. Шиманович В.Д., Золотовский А.И. и др. Установка для высокотемпературной обработки поверхности непроводящих материалов с прямолинейной образующей, патент
Венгрии 179994, патент Японии 1095194, патент ФРГ DE 2926006 С2, патент Франции
7916449, патент США 4439657 (патенты-аналоги).
3. Cerqueura N., Megy S., Vandensteenddam C., Girold C. and Baronnet J.-M. Incineration
of surrogate radioactive waste graphite slurry in a transferred arc plasma furnace / Proceedings
of 14th Int. Symposium on Plasma Chemistry. Prague, Czech Republic. August 2-6, 1999. - Vol.
5. - P.2377-2382.
4. Моссэ А.Л. Электродуговые плазменные реакторы с трехструнными камерами
смешения. Препринт № 19. Институт тепло- и массообмена Академии наук Белорусской
ССР. - Мн., 1990 (прототип).
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
559 Кб
Теги
by6141, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа