Устройство для уничтожения вредных веществ путем термического разложения

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПУТЕМ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шиманович Владимир ДемьяновичЗолотовский Анатолий ИвановичСмягликов Игорь ПетровичСавченков Николай АбрамовичМоссэ Альфред ЛьвовичНефедов Анатолий Павлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт молекулярной и атомной физики Национальной академии наук Беларуси(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 6141 1 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., 1990.2926006 1, 1980.0290815 1, 1988.0636839 2, 1995.0595968 1, 1997.4439657 , 1984.3780675 , 1973.89/11775 1.93/05340 1.1248595, 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 6141 1 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 2926006 С 2, 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 ( .,.,.,..-./14 .. ,.2-6, 1999. . 5. .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 6141 1 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, , 2 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 6141 1 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 6141 1 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 (С 14 Н 18 О 72) 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 6141 1 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 2926006 С 2, патент Франции 7916449, патент США 4439657 (патенты-аналоги). 3..,.,.,..-./14 .. ,.2-6, 1999. - . 5. - .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). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.