Устройство для уничтожения вредных веществ

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ(71) Заявитель Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси(72) Авторы Шиманович Владимир Демьянович Золотовский Анатолий Иванович Смягликов Игорь Петрович Панковец Сергей Михайлович Моссе Альфред ЛьвовичНефедов Анатолий Павлович(73) Патентообладатель Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси(57) 1. Устройство для уничтожения вредных веществ, в частности пестицидов и гербицидов, содержащее размещенные в защитной камере дуговой генератор плазмы с раздельно установленными анодом и катодным блоком в виде струйного плазмотрона, узел подачи в плазму вредных веществ и узел сбора твердых отходов, а также узел последующей обработки отходящих газов, отличающееся тем, что анод выполнен в виде вращающегося водоохлаждаемого металлического цилиндра, боковая поверхность которого защищена набором плотно упакованных графитовых колец, установленного параллельно рабочей поверхности узла сбора твердых отходов, расстояние от которой до боковой поверхности анода не превышает диаметр токопроводящего канала дуги, катодный блок снабжен колебательным механизмом для возвратно-поступательного перемещения привязки дуги к аноду вдоль его оси, узел сбора твердых отходов выполнен в виде емкости и центрального патрубка, в котором установлен с возможностью поступательного перемещения в высокотемпературную зону стержень из спрессованной стеклообразующей шихты, а ось катодного блока расположена под острым углом к торцевой поверхности стержня. 5406 1 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно установлен, по крайней мере, один узел для сбора твердых отходов и такое же количество катодных блоков с единым колебательным механизмом, анод для которых выполнен общим. 3. Устройство по пп. 1 или 2, отличающееся тем, что анод снабжен скребком для удаления твердых отходов, осаждающихся на его боковой поверхности. Изобретение относится к области высокотемпературной переработки материалов и может быть использовано для уничтожения вредных веществ, например гербицидов и пестицидов. Большой класс гербицидов и пестицидов представляют 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. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство ., ., ., ..-/14 .. ,.2-6,1999. . 5. - .2377-2382. 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 (60 л/мин). Задачей заявляемого изобретения является создание высокоэффективного устройства для уничтожения вредных веществ путем отделения низкотемпературных активных веществ от наполнителя и консервации твердого остатка в стеклообразной массе. Заявляемое устройство содержит размещенные в защитной камере дуговой генератор плазмы с раздельно установленными анодом и катодным блоком в виде струйного плазмотрона, узел подачи в плазму вредных веществ и узел сбора твердых отходов, а также узел последующей обработки отходящих газов. 2 5406 1 Согласно изобретению, анод выполнен в виде вращающегося водоохлаждаемого металлического цилиндра, боковая поверхность которого защищена набором плотно упакованных графитовых колец, установленного параллельно рабочей поверхности узла сбора твердых отходов, расстояние от которой до боковой поверхности анода не превышает диаметр токопроводящего канала дуги, катодный блок снабжен колебательным механизмом для возвратно-поступательного перемещения привязки дуги к аноду вдоль его оси,узел сбора твердых отходов выполнен в виде емкости и центрального патрубка, в котором установлен с возможностью поступательного перемещения в высокотемпературную зону стержень из спрессованной стеклообразующей шихты, а узел катодного блока расположен под острым углом к торцевой поверхности стержня. Конструкция анода не требует использования защитного газа, а катодный блок работает при малом расходе плазмообразующего газа (до 10 л/мин азота или аргона). Использование поступательной подачи стержня из спрессованной стеклообразующей шихты в рабочую зону обеспечивает непрерывность технологического процесса. Для повышения производительности уничтожения вредных веществ может быть дополнительно установлен, по крайней мере, один узел сбора твердых отходов и такое же количество катодных блоков с единым колебательным механизмом, анод для которых выполнен общим. Кроме того, анод может быть снабжен скребком для удаления твердых отходов, осаждающихся на его боковой поверхности. На фиг. 1 схематично представлен общий вид предлагаемого устройства по п. 1 на фиг. 2 - проекция устройства фиг. 1, взятая в сечении А-А на фиг. 3 - зависимость структуры разряда от скорости вращения анода, где фиг. 3 а, фиг. 3 б и фиг. 3 в соответствуют линейным скоростям перемещения боковой поверхности анода 0.5, 0.5-4 и 4 м/с на фиг. 4 - общий вид устройства по п. 2 на фиг. 5 - общий вид устройства по п. 3. Устройство для уничтожения вредных веществ содержит дуговой генератор плазмы с раздельно установленными анодом 1 и катодным блоком 2, защитную камеру 3, узел подачи в плазму вредных веществ (порошок, суспензии и т.д.) 4, узел сбора твердых отходов 5,узел последующей обработки отходящих газов 6 и колебательный механизм 7. Катодный блок представляет собой струйный плазмотрон с катодом 8 и соплом 9. Узел сбора твердых отходов 5 состоит из емкости 10 с центральным патрубком 11 для подачи стержня из спрессованной стеклообразующей шихты 12. Устройство работает следующим образом. Основной электрический разряд осуществляется между катодом 8 и анодом 1. Поджиг разряда производится плазменной струей,генерируемой катодным блоком 2 после пробоя высоковольтным высокочастотным импульсом промежутка между катодом 8 и соплом 9. На стадии поджига катодный блок 2 работает как типичный струйный плазмотрон. После возникновения основного разряда между катодом 8 и анодом 1 электрический потенциал с сопла 9 снимается. Дуговой канал нагревает торец стержня 12, и на его поверхности создается тонкий слой расплава. Образование расплава по всей поверхности торца стержня достигается возвратно-поступательным перемещением канала дуги в плоскости торца с помощью колебательного механизма 7 катодного блока 2. Вредные вещества направляются в рабочую зону устройства узлом подачи 4. Частицы перерабатываемых ядохимикатов при прохождении через плазму нагреваются и частично выделяют низкотемпературные активные вещества, которые под действием высокой температуры разлагаются на более простые компоненты. Полное их удаление из перерабатываемых частиц происходит после попадания в расплав, температура которого значительно превышает температуру разложения вредных активных веществ. Частицы наполнителя консервируются в расплавленной стеклообразной массе, не претерпевая термического разложения. Поток дуговой плазмы сдувает с поверхности стержня 12 расплав стеклообразующей шихты с внедренными в него частицами наполнителя. Затвердевающие капли расплава 3 5406 1 под действием силы тяжести попадают в специальную емкость 10. Механический привод обеспечивает поступательную подачу стержня 12 в рабочую зону и таким образом обеспечивает непрерывность технологического процесса. Эффективность нагрева торца стержня 12 из спрессованной шихты зависит от угла ориентации к ней оси катодного блока и линейной скорости перемещения боковой поверхности анода. Экспериментально было установлено, что оптимальным является угол наклона катодного блока 5-40 . Если 5, то передача тепла от дуги к поверхности не эффективна. Если 40, то сильный динамический напор дуги приводит к неупорядоченному разбрызгиванию расплава. Также экспериментально было установлено, что наиболее стабильный режим работы устройства реализуется при линейной скорости перемещения боковой поверхности анода 0.5-4 м/с (фиг. 3 б). При скорости перемещения 0.5 м/с (фиг. 3 а) тепловой поток, подводимый к стержню, в значительной степени уменьшается вследствие малой площади контакта между дуговым столбом и поверхностью стержня. При скорости 4 м/с (фиг. 3 в) заметно увеличивается длина дугового шнура, что приводит к возрастанию напряжения на дуге и, как следствие, к возрастанию потребляемой мощности. На фиг. 4 схематично изображено устройство с общим анодом 1 для более чем одного узла сбора твердых отходов 5 и такого же количества катодных блоков 2 с единым колебательным механизмом 13, размещенных в одной защитной камере 3. Энергозатраты в данном устройстве будут значительно снижены за счет уменьшения тепловых потерь вследствие теплопроводности к стенкам защитной камеры. Значительно сокращаются также затраты на конструкцию установки. Производительность устройства повышается пропорционально количеству используемых катодных блоков. Например, при одновременной работе 5 катодных узлов такая установка при подводимой электрической мощности 100 кВт позволит перерабатывать не менее 90 кг вредных веществ в час. На фиг. 5 схематично представлено устройство, в котором анод 1 снабжен скребком 14 для удаления осаждающихся на его поверхности твердых отходов переработки вредных веществ. Пример реализации устройства. Разработано и изготовлено устройство для уничтожения вредных веществ, например,гербицидов и пестицидов. Анод 1 представляет собой водоохлаждаемый медный цилиндр диаметром 90 мм и длиной 240 мм, боковая поверхность которого защищена тремя графитовыми кольцами внешним диаметром 140 мм и длиной 80 мм. Линейная скорость перемещения боковой поверхности анода изменяется в пределах 0.1-10 м/с. Напротив боковой поверхности анода 1 расположен катодный блок 2, выполненный в виде центрального стержневого катода 8, охватывающего его корпуса и медного сопла 9 с узлом подачи плазмообразующего газа (азота или аргона). Катодный блок 2 соединен с механизмом изменения угла наклона оси катода к торцевой поверхности стержня 12, выполненным в виде шарнира со стопором положения оси. Колебательный механизм 7 обеспечивает возвратнопоступательное качание катодного блока 2 и, следовательно, перемещение привязки дуги вдоль боковой поверхности анода 1 с частотой 1-10 Гц и амплитудой колебаний 0-100 мм. Колебательный механизм 7 выполнен в виде стержня с зубчатым сектором, который под действием рейки, движущейся возвратно-поступательно, качается, обеспечивая заданную амплитуду перемещения пятна привязки дуги вдоль боковой поверхности анода 1. Узел сбора твердых отходов 5 состоит из емкости для сбора отходов 10, центрального графитового патрубка 11 диаметром 100 мм для подачи стержня 12 из спрессованной стеклообразующей шихты и винтового механизма для поступательного перемещения шихты с заданной скоростью (0.04-10 мм/с), достаточной для получения слоя расплава толщиной 0.1-2 мм. 4 5406 1 В качестве узла подачи в плазму вредных веществ 4 используется стандартный порошковый дозатор с регулируемым расходом 0.1-10 г/с. Дуговой генератор плазмы работает в следующих режимах рабочий ток-200-400 А, напряжение-130-200 В, расход азота 5 л/мин. Производительность предлагаемого устройства при вкладываемой мощности 20 кВт не ниже 18 кг/ч, удельные энергозатраты на переработку материала не более 4 кДж/г. Эти показатели более чем в пять раз превышают соответствующие показатели известных устройств. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.