RU2804078C1 - Установка для переработки твёрдых бытовых отходов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам и устройствам для переработки твердых бытовых отходов. Установка для переработки твердых бытовых отходов содержит вертикально ориентированный расположенный в грунте стальной корпус, выполненный с возможностью размещения заряда в его центре, загрузочное окно в его верхней части. Корпус установки в центральной части выполнен цилиндрическим, трапецеидально сужающимся к его торцам, с возможностью вывода через нижний открытый торец корпуса в приямок под корпусом расплава металлов, образующихся при переработке твердых бытовых отходов. В боковой стенке приямка выполнено окно выпуска расплава, снабженное затвором. Внутри в боковых стенках корпуса смонтированы форсунки для сжигания кокса, между которыми смонтированы элементы активной защиты от взрывной волны, возникающей при взрыве заряда. В верхнем торце корпуса установки кроме загрузочного окна выполнено приборно-зарядное окно и окно для вывода газов, а в нижнем торце корпуса у приямка для расплава металла выполнено окно выгрузки кокса. Загрузочное, приборно-зарядное окна и окна для вывода газов и выгрузки кокса снабжены защитными крышками. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания технологичной многоразовой установки для переработки твердых бытовых отходов со сниженной материалоемкостью. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для переработки твердых бытовых отходов [B09B 3/00, B09B 5/00, F23G 5/00, F23G 5/24].

Из уровня техники известен СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ [RU 2156406 C1, опубл.: 20.09.2000], включающий отделение неуглеродсодержащей фракции и последующее их газифицирование в подземном газогенераторе, отличающийся тем, что перед вводом в подземный газогенератор, углеродсодержащую фракцию отходов подвергают пиролизу при температуре 500 - 600°C, при этом газообразные продукты пиролиза смешивают с газообразными продуктами процесса газификации, а оставшуюся твердую фракцию и (или) продукты очистки газообразных продуктов пиролиза вводят в подземный газогенератор, причем для осуществления процесса пиролиза утилизируют тепло отводимых газов-продуктов газификации и (или) продуктов их сгорания.

Также известен СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ [RU 2230093 C1, опубл.: 10.06.2004], включающий сортировку, дробление, прессование, пиролиз твердых бытовых отходов , отличающийся тем, что после прессования твердые бытовые отходы смешивают с вязкотекучими отходами коксохимического производства в соотношении 1:1, полученную смесь подают в угольную шихту в количестве 0,8-1,0% от массы шихты, а пиролиз проводят путем коксования шихты c получением металлургического кокса.

Недостатком аналогов является необходимость предварительной сортировки твердых бытовых отходов, смешивания с другими компонентами, низкая эффективность их сгорания, обусловленная недостаточностью температуры для полного разложения вредных веществ, сложность утилизации продуктов пиролиза и малая производительность.

Наиболее близким по технической сущности является КОТЕЛ ВЗРЫВНОГО СГОРАНИЯ [Л.И.Шибаршов, Н.П.Волошин, А.С.Ганеев, Г.А.Иванов, Ф.П.Крупин, С.Ю.Кузьминых, Б.В.Литвинов, А.И.Свалухин. Взрывная дейтериевая энергетика. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 8 (40), 2006], представляющий собой подземную полость, облицованную стальной оболочкой и заполненную инертным газом, стальная оболочка выполнена для герметизации и компенсации удара по бетонному слою между полостью и грунтом, стальная оболочка защищена завесой из фонтанов жидкого натрия от нейтронов и прямого действия излучения огненного шара, образующегося при взрыве. Энергия взрыва уходит на нагрев натрия, в дальнейшем играющего теплоносителя первого контура. Квазистатическое давление внутри камеры после взрыва составляет несколько десятков атмосфер и по мере испарения натрия спадает примерно до 1 атм. Температура натрия перед взрывом около 500°С, после взрыва – 550°С. После взрыва он циркулирует в первом контуре системы теплообмена АЭС, охлаждаясь до проведения следующего взрыва. Функционирование котла взрывного сгорания обеспечивается шлюзами для опускания очередного энергозаряда в полость, устройства постоянной и периодической очистки натрия, каналы поступления натрия, каналы вывода натрия и очистки дна камеры от твердых остатков.

Основной технической проблемой является значительные массогабаритные показатели корпуса котла, выполнение стальной оболочки и бетонного слоя большой толщиной, необходимость использования до десяток тысяч тонн жидкого натрия в качестве теплоносителя первого контура, сложность расчета ядерного заряда, ошибки в которых могут привести к выходу котла из строя. Кроме того, конструкция котла прототипа не предполагает технологических элементов для выгрузки продуктов, образовавшихся после переработки твердых бытовых отходов, что снижает его срок службы.

Задача изобретения состоит в устранении недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности создания технологичной многоразовой установки для переработки твердых бытовых отходов со сниженной материалоемкостью.

Указанный технический результат достигается за счет того, что установка для переработки твердых бытовых отходов, содержащая вертикально ориентированный расположенный в грунте стальной корпус, загрузочное окно в его верхней части, заряд, помещенный в центр корпуса, отличающийся тем, что корпус установки выполнен в его центральной части цилиндрическим, трапецеидально сужающийся к его торцам с возможностью вывода через нижний открытый торец корпуса в приямок под корпусом расплава металлов, образующихся при переработке твердых бытовых отходов, при этом в боковой стенке приямка выполнено окно выпуска расплава, снабженное затвором, внутри в боковых стенках корпуса смонтированы форсунки для сжигания кокса между которыми смонтированы элементы активной защиты от взрывной волны, возникающей при взрыве заряда, помещенного в центре корпуса установки, в верхнем торце корпуса установки кроме загрузочного окна выполнено приборно-зарядное окно и окно для вывода газов, а в нижнем торце корпуса у приямка для расплава металла выполнено окно выгрузки кокса, загрузочное, приборно-зарядное окна и окна для вывода газов и выгрузки кокса снабжены защитными крышками.

В частности, внутренний радиус корпуса установки выполнен половиной длины его цилиндрической части.

В частности, элементы взрывной защиты выполнены направленными в центр корпуса установки в виде пустотелых элементов, снабженных зарядами взрывчатого вещества.

В частности, установка размещена в грунте с открытым сверху для доступа верхним торцом корпуса с приборно-зарядным окном.

В частности, поверх приборно-зарядного окна смонтирован приборно-зарядный павильон, предназначенный для размещения оборудования управления элементами установки.

В частности, через окно для вывода газов к установке подключен дымосос для откачки воздуха, паров воды и летучих фракций с возможностью повышения эффективности разложения органических природных соединений.

В частности, количество заряда взрывчатого вещества P_ВВ определяют как отношение количества тепла Q_пир, требуемого для пиролиза твердых бытовых отходов исходя из массы m загружаемых твердых бытовых отходов внутрь установки, их удельной теплоемкости Q_уд.тбо и температуры пиролиза Т_пир твердых бытовых отходов к теплоте взрыва взрывчатого вещества Q_V по формуле:

На фигуре схематично показана установка для переработки твердых бытовых отходов, на которой обозначено: 1 – корпус, 2 – приямок для расплава металлов, 3 – окно выпуска расплава, 4 – затвор, 5 – форсунки, 6 – элементы активной защиты, 7 – приборно-зарядное окно, 8 – загрузочное окно, 9 – окно для вывода газов, 10 – окно для выгрузки кокса, 11 – защитные крышки, 12 – приборно-зарядный павильон, 13 – заряд.

Осуществление изобретения.

Установка для переработки твёрдых бытовых отходов содержит вертикально ориентированный стальной корпус 1, выполненный в его центральной части цилиндрическим, трапецеидально сужающийся к его торцам. В преимущественном варианте внутренний радиус корпуса установки примерно равен половине длины цилиндрической части. Нижний торец корпуса 1 выполнен открытым к которому смонтирован цилиндрический приямок для расплава металлов 2, в боковой стенке которого выполнено окно выпуска расплава 3, снабженное затвором 4.

В боковых стенках корпуса 1 внутри смонтированы форсунки 5 для сжигания кокса. Между форсунками 5 на боковых стенках внутри установки смонтированы элементы активной защиты 6 от взрывной (ударной) волны. Упомянутые элементы 6 выполнены направленными в центр корпуса 1 установки в виде коробчатых, трубчатых или иной формой пустотелых элементов, снабженных зарядами взрывчатого вещества.

В верхнем торце корпуса 1 установки по центру выполнено приборно-зарядное окно 7, загрузочное окно 8 и окно для вывода газов 9, а в нижнем торце корпуса 1 у приямка для расплава металла 2 выполнено окно выгрузки кокса 10.

Окна 7-10 снабжены защитными крышками 11.

Установку для переработки твердых бытовых отходов размещают в грунте, оставляя снаружи верхний торец корпуса 1 установки с приборно-зарядным окном 7. Поверх приборно-зарядного окна 7 смонтирован приборно-зарядный павильон 12, предназначенный для размещения оборудования управления элементами установки.

Переработку твердых бытовых отходов с помощью установки для переработки твердых бытовых отходов осуществляют следующим образом.

Твердые бытовые отходы через загрузочное окно 8 загружают внутрь корпуса 1 установки, снабженный зарядом 13, размещаемым в центральной части корпуса 1 установки на тросе через приборно-зарядное окно 7, при этом обеспечивают нагрев отходов внутри установки примерно до 300-500 °С, при котором происходит выпаривание массы твердых бытовых отходов. Данное условие необходимо для исключения взрывного высвобождения воды (влаги), присутствующей в отходах в момент взрыва. При температуре от 300 °С происходит активное испарение влаги и ее выход из котла при загрузке. Верхний порог температуры в 500 °С обусловлен исключением самовозгорания отдельных видов отходов, является условным и зависит от состава твердых бытовых отходов и температуры их самовозгорания которую нельзя превышать при загрузке отходов в установку.

Крышка 11 окна выгрузки кокса 10 и затвор 4 окна выпуска расплава 3 установки при загрузке твердых бытовых отходов закрыты.

При нагреве твердых бытовых отходов осуществляют откачка воздуха, образовавшихся от нагрева паров воды и летучих фракций с помощью дымососа (на фигурах не показан), подключенного через окно для вывода газов 9 с возможностью повышения эффективности разложения органических природных соединений. Откачиваемые воздух и пары подают в топливный тракт действующей тепловой схемы. Откачка производят до достижения нижней границы нормативного разрежения на всасывающем патрубке дымососа.

Количество заряда 13 взрывчатого вещества P_ВВ определяют как отношение количества тепла Q_пир, требуемого для пиролиза твердых бытовых отходов исходя из массы m загружаемых твердых бытовых отходов внутрь установки, их удельной теплоемкости Q_уд.тбо и температуры пиролиза Т_пир твердых бытовых отходов к теплоте взрыва взрывчатого вещества Q_V по формуле:

Например, для массы твердых бытовых отходов весом m = 25000 тонн, удельной теплоемкостью Q_УД.ТБО = 2000 Дж/кг⋅град и температуры пиролиза Т_ПИР = 3000 °С количество тепла, необходимое для пиролиза твердых бытовых отходов будет равно:

Q_ПИР =2000⋅25 000 000⋅3000 = 150 000 000 МДж.

Для уничтожения такого количества твердых бытовых отходов наиболее предпочтителен термоядерный заряд 13, состоящий из оболочки (конструктивная часть), инициатора (²³³U) для зажигания термоядерного заряда и термоядерного заряда (²Н). Теплота взрыва дейтерия (²Н) составляет Q_V = 630 ГДж/г. С учетом этого, для образования рассчитанного количества тепла Q_ПИР для пиролиза указанной в примере массы твердых бытовых отходов необходимо примерно 200 грамм дейтерия (²Н).

При уничтожении небольшого количества твердых бытовых отходов в качестве заряда 13 используют взрывчатое вещество, например, тротил или другое, наиболее оптимальной, исходя из объема установки, массы твердых бытовых отходов и габаритных размеров заряда 13, теплотой взрыва.

Например, требуется уничтожить 10 тонн твердых бытовых отходов, удельной теплоемкостью Q_УД.ТБО = 2000 Дж/(кг⋅град) и при температуре пиролиза Т_ПИР = 3000 °С.

Q_ПИР =2000⋅10000⋅3000 = 60 МДж.

Для уничтожения такого количества твердых бытовых отходов наиболее предпочтителен тротиловый заряд. Теплота взрыва тротила составляет Q_V =5,54 МДж/кг. С учетом этого, для образования рассчитанного количества тепла Q_ПИР для пиролиза указанной в примере массы твердых бытовых отходов необходим примерно 10 килограмм тротила.

После загрузки отходов закрывают крышки 11 загрузочного окна 8, приборно-зарядного окна 7 и окна для вывода газов 9 установки. Подрывают дистанционно ядерный заряд 13. В момент взрыва заряда 13 выделяется мощное излучение и возникает ударная волна. Твердые бытовые отходы под действием излучения пиролизуются и отбрасываются к боковым стенкам корпуса 1 установки, превращаясь в защитный поверхностный слой. В момент взрыва заряда 13 активируют заряды элементов активной защиты 6, образованная ударная волна при взрыве которых разрушает и тормозит ударную волну, образованную взрывом заряда 13, что в свою очередь позволяет уменьшить размеры взрывной камеры и толщину стенок корпуса 1 установки. Кроме того, в установке, заполненной отходами, воздействие защитных зарядов способствует разрыхлению пиролизуемой массы и предотвращает ее спекание. Для усиления эффекта движение взрывов элементов активной защиты 6 направляют под углом от стенок корпуса 1, создавая тем самым вихревое движения ударных волн.

Расчетная температура пиролиза составляет около 3000 ^оС. При этой температуре происходит распад сложных соединений, расплавление или испарение всех компонентов кроме углерода. Углерод осаждается на боковых стенках корпуса 1 установки в виде кокса зольностью 0,2%-0,8%, а черные, цветные и редкоземельные металлы стекут в нижнюю часть установки в приямок для расплава металлов 2, откуда через окно выпуска расплава 3 после открытия затвора 4 будут направлены на сепарацию металлургическими методами. Тем же путем выводят расплав минеральных веществ. При разложении углеводородов выделяется водород и оксид углерода, которые отводят сразу или используют при кислородном сжигании углерода (кокса) по следующей схеме. После снижения температуры в объеме установки до температуры воспламенения кокса 500-600 ^оС включают подачу воздуха в нижнюю зону котла, где происходит выгорание кокса. Кокс могут использовать также в металлургической промышленности. Продукты горения в виде двуокиси углерода и незначительного количества золы-уноса направляют через окно для вывода газов 9 в парогенератор или водонагреватель для выработки пара или горячей воды. В результате происходит полная очистка установки и начинают подготовку к следующему циклу переработки твердых бытовых отходов.

Кроме того, предложенным способом возможна утилизация подводных лодок, в особенности атомных, проблема которых не решена в настоящее время. В настоящее время утилизация подводных лодок происходит следующим образом:

в процессе разделки из корпуса удаляют неметаллические материалы (пластик, резина, дерево и т. п.), с наружной поверхности – резиновое покрытие и отправляют на захоронение на полигон;

металлические конструкции разрезают и отправляют на металлолом;

реакторный отсек вырезают и направляют на хранение в специальном контейнере. Современные АПЛ состоят из двух корпусов: наружного – легкого и внутреннего – прочного. Прочный корпус выполнен из высокопрочной стали и имеет следующие размеры: толщина стенки – 50-70 мм и более, диаметр – 18 м и более, длина – 70 м и более. Для усиления жесткости имеются внутренние и наружные шпангоуты с шагом 600-1200 мм.

Технический результат - обеспечение возможности создания технологичной многоразовой установки для переработки твердых бытовых отходов со сниженной материалоемкостью достигается за счет того, что корпус 1 установки снабжен приямком для расплава металлов 2 с окном выпуска расплава 3 в его боковой стенке, снабженным затвором 4, приборно-зарядным окном 7, загрузочным окном 8, окном для вывода газов 9, окном выгрузки кокса 10, которые снабжены защитными крышками 11, что позволяет многократно загружать в установку твердые бытовые отходы и устанавливать заряд 13 и полностью выгружать продукты, образованные в результате подрыва заряда. Также заявленный технический результат достигается за счет того, что в боковых стенках внутри корпуса смонтированы форсунки 5 для сжигания кокса, и направленные элементы активной защиты 6 от взрывной (ударной) волны, снижающие взрывную нагрузку на боковые стенки корпуса 1.

Автором изобретения предлагается использовать корпуса утилизируемых АПЛ в качестве установки для переработки твердых бытовых отходов с применением как обычных взрывчатых веществ, так и ядерных зарядов. Для усиления корпуса котла предлагается выполнить внутреннюю и наружную облицовку тюбингами из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) по аналогии с ж/д тоннелями и метро. Эти элементы технологичны в производстве, монтаже, транспортабельны. Остальные элементы конструкции - в соответствии с описанной выше конструкцией установки. В этом варианте значительно снижается материалоемкость корпуса 1 установки для переработки твердых бытовых отходов.

Автором изобретения был разработана с помощью прикладного программного инструмента установка для переработки твердых бытовых отходов с моделированием процессов переработки. Получено, что для уничтожения 50 000 куб.м. твердых бытовых отходов объемной плотностью 0,5 тонн/куб.м, удельной теплоемкостью 2000 Дж/кг⋅°С при температуре пиролиза 3000 °С потребуется изготовление установки с объемом камеры сжигания 60 000 куб.м., толщиной стальной стенки не менее 0,5 м., при этом вес установки не менее 30 000 тонн. В прототипе же не рассматривается изготовление котлов небольших размеров для уничтожения такого же объема твердых бытовых отходов. Размеры котла КВС-25 прототипа составляет около 130 м в диаметре и около 250 м в высоте. Кроме того, для переработки твердых бытовых отходов требуется большое количество (десятки тыс. тонн) жидкого натрия в качестве теплоносителя первого контура, а также защитной стенки для корпуса, образуемой путем разбрызгивания в объеме котла.

Claims (8)

1. Установка для переработки твердых бытовых отходов, содержащая вертикально ориентированный расположенный в грунте стальной корпус, выполненный с возможностью размещения заряда в его центре, загрузочное окно в его верхней части, отличающаяся тем, что корпус установки в центральной части выполнен цилиндрическим, трапецеидально сужающимся к его торцам, с возможностью вывода через нижний открытый торец корпуса в приямок под корпусом расплава металлов, образующихся при переработке твердых бытовых отходов, при этом в боковой стенке приямка выполнено окно выпуска расплава, снабженное затвором, внутри в боковых стенках корпуса смонтированы форсунки для сжигания кокса, между которыми смонтированы элементы активной защиты от взрывной волны, возникающей при взрыве заряда, в верхнем торце корпуса установки кроме загрузочного окна выполнено приборно-зарядное окно и окно для вывода газов, а в нижнем торце корпуса у приямка для расплава металла выполнено окно выгрузки кокса, загрузочное, приборно-зарядное окна и окна для вывода газов и выгрузки кокса снабжены защитными крышками.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний радиус корпуса установки выполнен половиной длины его цилиндрической части.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что элементы взрывной защиты выполнены в виде направленных в центр корпуса установки пустотелых элементов, снабженных зарядами взрывчатого вещества.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка размещена в грунте с открытым сверху для доступа верхним торцом корпуса с приборно-зарядным окном.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поверх приборно-зарядного окна смонтирован приборно-зарядный павильон, предназначенный для размещения оборудования управления элементами установки.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что через окно для вывода газов к установке подключен дымосос для откачки воздуха, паров воды и летучих фракций с возможностью повышения эффективности разложения органических природных соединений.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что количество заряда взрывчатого вещества P_ВВ определяют как отношение количества тепла Q_пир, требуемого для пиролиза твердых бытовых отходов исходя из массы m загружаемых твердых бытовых отходов внутрь установки, их удельной теплоемкости Q_уд.тбо и температуры пиролиза Т_пир твердых бытовых отходов к теплоте взрыва взрывчатого вещества Q_V по формуле