Результат интеллектуальной деятельности: Устройство переработки углеродсодержащих отходов с использованием индукционного нагрева

Изобретение относится к устройствам экологически чистой и безопасной утилизации твердых бытовых отходов с использованием технологии индукционного нагрева, и может быть применено для переработки органосодержащих отходов природного и искусственного происхождения с получением продуктов, имеющих прикладное значение, в том числе водорода и гидридов металлов и неметаллов, используемые как для промышленных, так и для бытовых нужд.

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов для построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения с сопутствующим решением все более актуальной задачи утилизации твердых городских (бытовых) отходов.

Известные технологии (схемы) газификации /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г.360 с.с илл.; Биомасса как источник энергии. Под ред. С.Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985; Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос.науч.-тех. изд-во машиностр.лит., М., 1955; Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г./ различаются по месту подвода воздуха и отбора горючего топливного газа в газификаторах и разделяются на технологии и, соответственно, реакторы-газификаторы прямого, обратного (обращенного) и горизонтального процесса.

Из уровня техники известно устройство газификации топливной биомассы (RU 2631812 кл. C10J 3/00, C10J 3/16, 2017 г), в виде твердого измельченного биотоплива в плотном слое, установленный под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° цилиндрический реактор, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси, включающее загрузочное и разгрузочное устройство, устройство подачи газифицирующего агента - воздуха в нижнюю часть реактора, привод вращения реактора, уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении, датчики температуры в реакторе. Для осуществления газификации реактор оснащен поясом пароводяной завесы, встроенным в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры. Пояс пароводяной завесы включает кольцевой резервуар для воды, подающейся извне под давлением через обратный клапан, и соединенные с ним через напорно-переливные клапаны испарительные полости, образующие ячеистую сотовую структуру на внутренней стенке рабочей камеры. Рабочая камера выполнена перфорированной, либо имеет пористую структуру по длине активной зоны окисления/восстановления реактора для обеспечения прохождения пара из испарительных полостей в пристеночную область рабочей камеры реактора. В разгрузочное устройство введен регулировочный блок, корпус которого выполнен в виде усеченного конуса или усеченной пирамиды и оснащен резервуаром для воды и сквозным центральным осевым каналом для воздушного дутья, соединенный с отверстиями для инжекции пара из резервуара. Резервуар регулировочного блока имеет входной трубопровод для восполнения расхода воды извне.

Недостатком известного устройства является сложность его конструкции из-за необходимости приведения во вращение реактора. Кроме того, устройство требует предварительной подготовки биомассы для ее газификации, в том числе сушку и измельчение, что усложняет сам процесс переработки топливной биомассы. Для работы устройства требуется подача в реактор газифицирующегося агента - атмосферного воздуха, что приводит к горению и соответствующим газовым эмиссиям (диоксины, фураны). Следовательно. устройство является не экологичным. Требуется качественная система очистки и консервации вредных исходящих газов.

Известно устройство термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород, включающее обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода газообразных продуктов конверсии в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями. Устройство содержит участок приготовления гранулированной биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором. Внутри газоплотного шлюзового затвора расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления или горячего водоснабжения. Обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450÷600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950÷1000°С. Устройство содержит один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть (RU 97727, кл. C10B 53/02, F23G 5/00, 2010 г).

Однако сложность осуществления процесса теплообмена биомассы снижает термодинамическую эффективность металлогидридного теплового процесса в каждом цикле сорбции/десорбции в металлогидридах, а, следовательно, снижает как выход гидридных соединений, так и выход водорода.

Проблемой, на которую направлено изобретение, является разработка конструкции устройства переработки углеродсодержащих бытовых отходив, без их предварительной подготовки за счет использования индукционного нагрева биомассы

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса утилизации твердых и жидких бытовых отходов с одновременным повышением выхода водорода и гидридов металлов и не металлов.

Поставленная проблема и заявленный технический результат достигаются за счет того, что в устройстве переработки углеродсодержащих отходов с использованием индукционного нагрева, согласно изобретению, корпус реактора состоит из двух части, верхняя из которых является съемным газораспределительным устройством, а в донной нижней части реактора установлен заземленный индуктор из электропроводного материала для создания температурного поля, в центре которого смонтирован стержневой металлический резонатор. Верхняя часть индуктора выполнена конусообразной с образованными в ней тангенциальными отверстиями, для обеспечения кругового движения потоку воздушной смеси, поступающему по нагнетательному газовому каналу, связывающему нижнюю часть индуктора с нагнетателем атмосферного воздуха. В стенках газораспределительного устройства и нижней части корпуса реактора смонтированы патрубки заборного воздуховода, связанные с дымососом. В верхней части съемного газораспределительного устройства смонтирован циклон для очистки водорода от пылевидных частиц, снабженный патрубком вывода очищенного водорода и каналом со шлюзовым затвором для подачи выделенных пылевидных частиц обратно в реактор, и нагнетатель жидкой фракции углеродсодержащих отходов в виде турбины. Газораспределительное устройство также снабжено бункером загрузки твердых углеродсодержащих отходов.

Верхнюю часть реактора целесообразно выполнять из нержавеющей стали.

Выполнение нижней части корпуса реактора из электроизоляционного бетона, заглубленной в землю актуально использовать для стационарных устройств большого объема, т.к. это экономит использование дорогостоящего металла, а также обеспечивает электрическую безопасность.

Для малых мобильных комплексов утилизации отходов нижнюю часть реактора целесообразно выполнять из нержавеющей стали.

Наличие в центре индуктора стержневого металлического резонатора позволяет на электропроводящим стержне концентрировать электрический поток частиц, создаваемый трибоэлектрическим эффектом, и энергию в одном месте.

Выполнение верхней части индуктора конусообразной с образованными в ней тангенциальными отверстиями, для создания кругового движения потоку воздушной смеси, поступающему по нагнетательному газовому каналу, связывающему нижнюю часть индуктора с нагнетателем атмосферного воздуха, наиболее эффективно обеспечивает условия для индукционного нагрева индуктора под действием разрядов статического электричества между пылевидными частицами, образованными в результате химических реакций внутри реактора и кругового газовоздушного потока, поступающего через патрубок заборного воздуха и тангенциальные отверстия конусообразной части индуктора.

Наличие в нижней части корпуса реактора патрубка заборного воздуховода, связанного с дымососом создает постоянный круговой поток газов, при котором из нижней части реактора газ выходит с помощью дымососа, а в нижнюю части индуктора нагнетается новая порция газовоздушной смеси, инициируя образование статического электричества для разогрева индуктора.

Расположение в верхней части газораспределительного устройства циклона позволяет проведение очистки водорода от пылевидных частиц, а также вернуть пылевидные частицы обратно в реактор обеспечивая благоприятные условия для создания статического электричества на металлическом стержневом резонаторе для повышения температуры внутри реактора и ускорения процесса образования водорода и гидридных соединений.

Наличие в боковых стенках газораспределительного устройства и корпуса реактора патрубков заборного воздуховода, связанных с дымососом, позволяет удалять попутный газ из реактора, что повышает ускорение кругового движения воздуха внутри реактора для эффективности проведения процесса разложения углеродсодержащих отходов.

Установка в верхней части газораспределительного устройства нагнетателя в виде турбины для жидкой фракции углеродсодержащих отходов, позволяет жидкие фракции углеродсодержащих отходов подавать в распыленном виде. В качестве жидкой фракции может быть использована загрязненная вода или фекальные стоки.

Устройство переработки углеродсодержащих отходов с использованием индукционного нагрева, представлено на чертеже.

На чертеже позициями обозначено:

1 - съемное газораспределительное устройство;

2 - нижняя часть реактора из электроизоляционного бетона;

3 - земля;

4 - индуктор из электропроводного материала;

5 - стержневой резонатор, в виде металлического стержня:

6 - конусообразная часть индуктора;

7 - тангенциальные отверстия в конусообразной части индуктора;

8 - нагнетательный газовый канал;

9 - нагнетатель атмосферного воздуха;

10 - верхний патрубок попутного газа;

11 - заборный воздуховод;

12 - нижний патрубок заборного воздуховода;

13 - дымосос;

14 - циклон;

15 - патрубок вывода очищенного водорода;

16 - канал для подачи выделенных пылевидных частиц обратно в реактор; 17 - шлюзовой затвор;

18 - нагнетатель в виде турбины;

19 - бункером загрузки твердых углеродсодержащих отходов;

20 - твердые бытовые отходы;

21 - гидридные соединения металлов и не металлов;

22 - верхний слой гидридов;

23 - трубопровод, связывающий устройство газораспределения 1 с циклоном 14

Устройство переработки углеродсодержащих отходов с использованием индукционного нагрева, в стационарном варианте, работает следующим образом.

Углеродсодержащие отходы, такие как: угольный отсев, отходы лесопереработки, отходы бумажной, текстильной, химической промышленности, твердые бытовые и твердые промышленные отходы, при снятом газораспределительном устройстве 1 самосвалом выгружают в бункер 19 загрузки твердых углеродсодержащих отходов, заполняя нижнюю часть реактора 2, выполненного из электроизоляционного бетона и заглубленного в землю 3, под верхний уровень, после чего поджигают сырье в нижней части реактора 2 с помощью устройства поджога (на фиг. не показано). Твердые бытовые отходы 20 циклично попадают в предварительно выведенный в дежурный режим в нижнюю часть реактор 2, затем включают рабочий режим. При включении нагнетателя 9 по круговому замкнутому потоку, через нагнетательный газовый канал 8, тангенциальные отверстия 7, расположенные в индукторе 4, заборный воздуховод 11 начнет циркулировать воздух, насыщенный пылью обеспечивая воспламенение сырья.

В процессе движения пылевоздушной смеси по круговому замкнутому потоку частицы пыли наэлектризовываются. Попадая в зону расположения индуктора 4 между наэлектризованными частицами и индуктором 4 возникают электрические коронные разряды с температурой внутри разрядов более 3000°С, появляющихся за счет разницы потенциалов. При этом индуктор 4, под действием статического электричества накопленного на частицах пыли, подвергается индукционному нагреву, в результате чего его температура повышается и может достигать 800 °С. Твердые бытовые отходы 20, соприкасающееся с нагретым индуктором 4 под действием парогазового скоростного напора начинают разрушаться на более мелкие фрагменты, что приводит к увеличению количества разрядов статического электричества. Влага, находящаяся в сырье в виде мельчайших капель, вовлекается в скоростной парогазовый поток и, попадая в электрический разряд статического электричества, разрушается на кислород и водород. При движении водорода по нагретому зольному остатку одна его часть взаимодействует с металлами, находящихся в зольном остатке, полученном при разложении солей, входящих в состав углеродосодержащего сырья, образуя гидридные соединения металлов и не металлов 21 с температурой до 800°С.

По мере переработки первой партии загруженных твердых бытовых отходов 20, пылевидный зольный осадок, многократно подверженный высокотемпературному нагреву разрядами статического электричества и последующему частичному охлаждению в среде водорода, превращается в гидридные соединения металлов и не металлов 21 и накапливается в нижней части реактора 2. После превращения всего объема первоначально загруженных твердых бытовых отходов 20 в водород и гидридные соединения металлов и не металлов 21, вновь заполняют нижнюю часть реактор 2 твердыми бытовыми отходами 20 и процесс многократно повторяется до того момента, когда нижняя часть реактора 2 будет заполнен гидридными соединениями металлов и не металлов 21 до верхнего среза нижней части реактора 2. При этом температура гидридных соединений металлов и не металлов 21, находящихся в зоне расположения индуктора 4 поддерживается до 800°С, а в верхнем слое 22 гидридных соединений металлов и не металлов уменьшается до 80 °С. На этом процесс накопления гидридных соединений металлов и не металлов 21 заканчивается, а нижнюю часть реактора 2 закрывают съемным газораспределительным устройством 1, которое обеспечивает в дальнейшем аккумулирование водорода, его очистку от попутных газов, а также пыли и подачу водорода потребителю.

За счет работы нагнетателя 9 атмосферного воздуха создающего круговой газовый поток обеспечивается продолжение процесса сорбции/абсорбции вследствие чего выделенная часть водорода в свободном состоянии как самый легкий газ поднимается вверх и по трубопроводу 23 с циклоном 14, где очищаясь от пыли, подается по патрубку 15 вывода очищенного водорода потребителю. При этом часть водорода совместно с попутными газами, вовлекается в парогазовый поток через верхний патрубок 10 попутного газа и начинает движение по круговому замкнутому потоку, возвращаясь в активную зону возникновения разрядов статического электричества индуктора 4. Кроме того в этот период при работе нагнетателя 9 через заборный воздуховод 11 обеспечивается поступление в активную зону индуктора 4 некоторого количества влажного атмосферного воздуха. Влага, кислород, находящийся в воздухе, попутные газы, попадая в активную зону индуктора 4 обеспечивают непрерывность протекания замкнутого процесса сорбции/абсорбции и поддержание рабочих температур во всем объеме гидридных соединений металлов и не металлов 21. При этом накопленные гидридные соединения металлов и не металлов 21 приобретают свойства летучих материалов с объемным весом менее 1 кг/литр в связи с чем под действие динамического замкнутого парогазового потока они находятся в состоянии «кипящего слоя» в котором хаотично создаются и исчезают участки с различными температурами в пределах от 50°С, до 800°С. Регулирование степенью аккумулирование водорода в гидридных соединений металлов и не металлов 21 обеспечивается величиной скоростного динамического потока создаваемого, нагнетателем 9. Выделенная из циклона 14 пыль, представляющая самую активную часть гидридных соединений металлов и не металлов 21 возвращается с помощью шлюзового затвора 17 по каналу 16 в нижнюю часть реактора 2 и накапливается сверху загруженного ранее твердых бытовых отходов 20. Для получения аккумулирования и подачи водорода потребителю в заданных объемах в нагнетатель 18 в виде турбины подаются в распыленном виде жидкая фракция углеродсодержащих отходов промышленные или фекальные воды с примесями донных отложений, которые, перемешиваются в круговом газовом потоке. В процессе движения по круговому замкнутому потоку распыленные частицы донных отложений наэлектризовываются и, попадая в зону расположения индуктора 4, возникают электрические разряды между ним. При этом индуктор 4, под действием статического электричества накопленного на частицах пыли, подвергается дополнительному индукционному нагреву, в результате чего его температура повышается и может превышать 1000°С. Смесь частиц донных отложений и капельная вода соприкасаются с нагретым до высоких температур индуктором 4 и большим объемом порошкообразных гидридных соединений металлов и не металлов 21 с температурой от 800°С в нижнем слое и 80 °С в верхнем слое, находящихся в состоянии кипящего слоя, разрушаются на молекулярном уровне на кислород, водород и углерод. Часть водорода обеспечивает абсорбцию части гидридных соединений металлов и не металлов 21, а часть водорода как самый легкий газ поднимается вверх и по трубопроводу 23 поступает в циклон 14, где очищаясь от пыли и подается по патрубку 15 потребителю.

Регулирование объема производимого водорода обеспечивается регулированием количества подаваемых в замкнутый контур через нагнетатель 18 жидкой фракции углеродсодержащих отходов в распыленном виде в воздушный контур.

Очевидно, что специалист в данной области должен понимать, что различные средства и шаги, описанные выше, могут быть реализованы с помощью общепринятых устройств и могут быть интегрированы в одно устройство. Поэтому, настоящее изобретение не ограничивается какой-либо конкретной комбинацией. Приведенный выше пример работы устройства являются предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, и не ограничивают настоящее изобретение в пределах его формулы. Для специалистов в данной области техники настоящее изобретение может содержать различные изменения и вариации. Любые изменения, эквивалентные замены, улучшения и т.д. в соответствии с духом и принципом настоящего изобретения должны полностью подпадать под объем правовой охраны настоящего изобретения.