Установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики с использованием нетрадиционных видов топлива - органических отходов промышленности и жизнедеятельности человека, например твердых бытовых отходов, отходов древесины, лигнина, пластмасс, целлюлозы, автопокрышек и др. Изобретение может быть применено в котельных и коммунально-бытовых предприятиях наряду с твердым традиционным топливом - углем. Задачей предлагаемого технического решения является повышение полноты сгорания твердых бытовых и других органических отходов с углем, обеспечивающее более высокую энергетическую эффективность процесса и его экологическую безопасность. Задача решается тем, что установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, включающая систему подачи отходов и угля, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля, дополнительно включает систему подачи угля и воздуха, смонтированные к пиролизной камере, представляющей собой горизонтальный канал таким образом, что обеспечивают факельное сжигание измельченного до порошка угля, а система подачи отходов смонтирована таким образом, что обеспечивает вбрасывание отходов в факел, механизм удаления шлака расположен в нижней части вертикальной циклонной камеры окислительного дожига пиролизного газа - смеси продуктов сгорания угля и термического распада отходов, снабженной системой подачи вторичного воздуха и сообщенной с последовательно расположенной камерой каталитического дожига, работающей по принципу беспламенной горелки, для полного окисления остаточных углеродов, и камерой осаждения золы для отделения тонкодисперсной минеральной части продуктов сгорания от газовой. 2 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики с использованием нетрадиционных видов топлива - органических отходов промышленности и жизнедеятельности человека, например твердых бытовых отходов, отходов древесины, лигнина, пластмасс, целлюлозы, автопокрышек и др. Изобретение может быть применено в котельных и коммунально-бытовых предприятиях наряду с твердым традиционным топливом - углем.

Проблема утилизации твердых бытовых и других органических отходов заключается в том, что достичь автогенного окисления, т.е. сгорания за счет внутренней энергии самих отходов без привлечения дополнительной энергии достаточно трудно из-за большой влажности и, как правило, большого содержания в них минеральных включений.

Поэтому в большинстве известных технических решений твердые бытовые и другие органические отходы сжигают, используя дополнительные источники энергии.

Известно устройство в способе термической переработки бытовых отходов (а.с. 1836603, F 23 G 5/00), включающее шахту с загрузочным устройством, плазменные горелки, летку для выпуска шлака, газоход для отходящих газов, дополнительно снабженное ванной для выпуска расплава металла, оборудованной вертикальными перегородками с окнами, а по периметру шахты над плазмотронами установлены горелки.

Недостатком известного устройства является необходимость использования для получения плазмы чистого водорода, а также применение токов высокого напряжения - 1200 В на электроразряднике, что делает устройство сложным по конструкции и небезопасным в эксплуатации, при этом очевидно, что технико-экономические показатели известного устройства низки, т.к. стоимость использованного для получения плазмы чистого водорода несопоставимо выше отпускной стоимости товарной тепловой энергии как результата функционирования устройства.

Известна установка в способе термической переработки органических отходов (а.с. 2140611, 6 F 23 G 5/08, 5/14, 7/00), выполненная в виде реактора, в котором осуществляется термическая переработка отходов за счет энергии сжигания горючего газа, полученного воздействием электрической дуги на топочный мазут.

Недостатком установки является применение дефицитного и достаточно дорогого топочного мазута, для использования которого необходимо иметь специальные хранилища с подогревом, а применение электрической дуги для газификации мазута требует организации высоконадежной аппаратуры, прежде всего с точки зрения техники безопасности. В реальных условиях современных котельных внедрить такое техническое решение практически невозможно.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является "Топка для сжигания твердых бытовых отходов с углем" по авт.св. №2125206, 6 F 23 G 5/00, содержащая систему подачи отходов и угля, колосниковые решетки, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля на слой отходов с течкой и заслонкой, предтопком с подачей угля под слой отходов, соединенным с питателем подачи угля на слой отходов с возможностью их работы и (или) последовательно посредством установленных в соответствующих точках заслонок, управляемых датчиком температуры, размещенным на выходе топки, и механизм удаления золы.

Недостатком прототипа является неполнота сгорания угля и отходов, характерная для любых тепловых устройств со слоевым сжиганием топлива, в результате которого, как показывает практика, со шлаком отходят от 15 до 30% несгоревшей органической субстанции топлива, в данном случае отходов и угля. В результате снижается энергетическая эффективность топки и увеличивается выброс вредных веществ.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение полноты сгорания твердых бытовых и других органических отходов с углем, обеспечивающее более высокую энергетическую эффективность процесса и его экологическую безопасность.

Задача решается тем, что установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, включающая систему подачи отходов и угля, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля, дополнительно включает систему подачи угля и воздуха, смонтированные к пиролизной камере, представляющей собой горизонтальный канал таким образом, что обеспечивают факельное сжигание измельченного до порошка угля, а система подачи отходов смонтирована таким образом, что обеспечивает вбрасывание отходов в факел, механизм удаления шлака расположен в нижней части вертикальной циклонной камеры окислительного дожига пиролизного газа - смеси продуктов сгорания угля и термического распада отходов, снабженной системой подачи вторичного воздуха и сообщенной с последовательно расположенной камерой каталитического дожига, работающей по принципу беспламенной горелки, для полного окисления остаточных углеродов, и камерой осаждения золы для отделения тонкодисперсной минеральной части продуктов сгорания от газовой

На фиг.1 изображен продольный разрез А-А установки.

На фиг.2 изображен разрез Б-Б в плане.

Установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем состоит из пиролизной камеры 1, циклонной камеры окислительного дожига 2, камеры каталитического дожига 3, камеры осаждения золы 4.

К пиролизной камере 1, представляющей горизонтальный канал, смонтирован воздуховод дутьевой машины 6 с бункером измельченного угля 7 и питателем угля 8. На пиролизной камере 1 смонтирован бункер отходов 9 и питатель отходов 10.

В циклонной камере окислительного дожига и представляющей вертикальный цилиндр выполнены фурма пиролизного газа 11 и фурма вторичного воздуха 12, через которую воздух подается дутьевой машиной 13. В нижней части циклонной камеры окислительного дожига 2 располагается гидравлический шлакосборник 14. Камера каталитического дожига 3 выполнена в виде вертикальных щелевых газоходов, стенки которых выложены из алюмосиликатных огнеупоров. Камера осаждения золы 4 имеет в нижней части сборник твердых дисперсных частиц и механизм удаления золы 5.

Работа установки сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем осуществляется в следующей последовательности.

Предварительно измельченные отходы подают в бункер 9. Измельченный уголь подают в бункер 7. Дутьевая машина 6 нагнетает воздух в пиролизную камеру 1. Из бункера 7, питателем 8 уголь попадает в воздушную струю, смешивается с воздухом и топливная смесь сгорает факелом 15 в пиролизной камере 1. Из бункера 9 питателем 10 отходы 16 вбрасываются в факел 15 и при движении газового потока через пиролизную камеру 1 подвергаются интенсивному термическому воздействию, в результате которого происходит пиролиз, т.е. распад органической субстанции на летучие продукты (включая испаренную воду отходов) и твердый остаток - смесь углерода и минерального шлака. Смесь продуктов сгорания угля и продуктов термического распада отходов - условно пиролизный газ - 17 тангенциально через фурму 11 вводится в циклонную камеру окислительного дожига 2, где смешивается с вторичным воздухом, поступающим от дутьевой машины 13 через фурму 12. В результате окислительного дожига образуются продукты сгорания 18, состоящие из азота, СО₂, Н₂О, SО_2, с незначительной примесью неокисленных углеводородов. Крупный шлак собирается в нижней части циклонной камеры окислительного дожига 2 и удаляется через гидравлический шлакосборник 14. Продукты сгорания 18 проходят камеру каталитического дожига 3, в которой происходит необратимое окисление остаточных углеводородов, включая полихлордибензодиоксины. Далее, проходя через камеру осаждения золы 4, в результате резкого падения скорости потока из продуктов сгорания выпадает зола 19, которая периодически выводится механизмом удаления золы 5. Из камеры осаждения золы 4 продукты сгорания направляются в теплообменный аппарат, например котел-утилизатор.

Примеры практического использования предлагаемого технического решения, построенные на основе экспериментальных работ

Пример 1

Имеется действующая котельная мощностью 50 Гкал тепловой энергии в час. Котельная работает на буром угле с теплотворной способностью 3740 ккал/кг и тратит в час 16 т угля.

Предполагается заменить 50% угля на твердые бытовые отходы со средней влажностью 40% и средней расчетной теплотворной способностью 2500 ккал/кг.

По условиям примера выходная мощность котельной 50 Гкал/ч должна сохраниться. Это условие выполняется при соотношении компонентов: отходы - 12 т/ч, уголь - 8 т/ч.

При пиролизе отходы распадаются: на летучие - 80,9%; углерод -15%; минеральный остаток - 4,1%.

Летучие состоят: смолы - 8,4%; вода - 64,3%; СО₂ - 7,5%;

СО - 5,9%; легкие углеводороды - 9%; прочие - 4,9%.

Для сжигания 1 кг бурого угля требуется 6,28 кг (5,2 м³) воздуха, при этом состав продуктов сгорания следующий: СО₂ - 20,5%; H₂O - 8,1%; SO₂ - 0,04%; О₂ - 4,1%; N₂ - 67,26%; зола - 0,1 кг.

Таким образом за 1 ч работы котельной должно быть подано в пиролизную камеру 1: воздух 8000 кг·6,28 кг = 50240 кг (42000 м³) от дутьевой машины 6, измельченный уголь 8 т из бункера 7 через питатель 8. В результате сгорания образуется факел 15 и 57440 кг газообразных и 800 кг зольных продуктов с температурой около 1100°С. За это же время в пиролизную камеру 1 непосредственно в факел 15 подают из бункера 9, питателем 10 отходы 12 т, которые в результате пиролиза распадутся на компоненты, указанные выше. Смесь продуктов сгорания угля и продуктов распада отходов общей массой 70240 кг состоит из условно-пиролизного газа 67148 кг и угольно-минерального остатка 3092 кг, в котором содержание чистого углерода 58,2%.

В составе условно-пиролизного газа горючими веществами являются: смолы, оксид углерода и легкие углеводороды, суммарно 3,35% от массы газа. В составе угольно-минерального остатка горючим является углерод.

Из пиролизной камеры 1 смесь газов и твердого остатка попадает через фурму 11 в циклонную камеру окислительного дожига 2, где смешивается с 43000 кг (35800 м³) воздуха, необходимого для выгорания компонентов пиролизного газа и углерода, подаваемого дутьевой машиной 13 через фурму 12.

В результате окислительного дожига образуется 111948 кг газообразных продуктов сгорания с температурой примерно 1050°С и 1292 кг золошлака.

Примерно половина массы золошлака (наиболее крупные частицы) оседает в циклонной камере окислительного дожига 2 и будет выведена гидравлическим шлакосборником 14. Другая половина тонкодисперсного шлака уйдет вместе с газовым потоком через камеру каталитического дожига 3 и выпадет в камере осаждения золы 4, откуда будет отобрана механизмом удаления золы 5.

В газообразной субстанции продуктов сгорания после окислительного дожига остаются несгоревшими до 5% легких углеводородов и до 10% углерода (сажи). Проходя через камеру каталитического дожига, продукты сгорания полностью освобождаются от несгоревших продуктов и, минуя камеру осаждения золы 4, попадают в теплообменный аппарат, где производят товарную тепловую энергию 50 Гкал/ч.

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения очевидны из простого расчета. Котельная с часовым расходом угля 16 т за год потребляет не менее 140000 т. При средней цене на уголь 200 руб/т стоимость приобретенного угля - 28 млн. руб. в год. Если половину угля заменить на отходы, то затраты на приобретение угля сократятся на половину, т.е. составят 14 млн. руб. в год. Однако, принимая на переработку отходы, предприятие получает с производителей отходов примерно 100 руб. за 1 т (в разных регионах РФ стоимость различная), поэтому, приняв на переработку 105000 т отходов, котельная получит 10,5 млн.руб. Если эти деньги затратить на приобретение угля, то фактические расходы котельной на приобретение 70000 т угля составят не 14 млн.руб., а 14-10,5=3,5 млн.руб. в год.

Таким образом, котельная мощностью 50 Гкал/ч, внедрившая предлагаемое техническое решение, будет экономить:

28 млн.руб. - 3,5 млн.руб. = 24,5 млн.руб. ежегодно.

Пример 2

Имеется действующая котельная мощностью 50 Гкал тепловой энергии в час. Котельная работает на буром угле (Q = 3740 ккал/кг) и тратит в час 16 т угля.

Предполагается заменить 50% угля на гидролизный лигнин - отход предприятий биохимической переработки древесины - с влажностью 65% и средней расчетной теплотворной способностью 1650 ккал/кг.

По условиям примера выходная мощность котельной 50 Гкал/ч должна сохраняться. Это условие выполняется при соотношении компонентов: лигнин - 19 т/ч, уголь - 8 т/ч.

При пиролизе лигнин распадается: на летучие - 80%; углерод - 20%; минеральный остаток практически близок к нулю. Летучие состоят: смолы - 3,1%; воды - 68,5%; СО₂ - 5,5%; СО - 2.8%; легкие углеводороды - 7,7%; прочие - 12,4%.

Расход воздуха для сжигания угля аналогичен примеру 1.

Таким образом, за 1 ч работы котельной в пиролизную камеру 1 подается 50240 кг (42000 м³) воздуха, 8 т угля и 19 т лигнина. Из пиролизной камеры 1 через фурму 11 в циклонную камеру окислительного дожига 2 поступает 72640 кг условно пиролизного газа и 4600 кг угольно-шлакового остатка.

Для дожига горючих летучих и углерода в камеру окислительного дожига 2 подается 62000 кг (51700 м³) воздуха. В результате окислительного дожига образуется 138440 кг газообразных продуктов сгорания с температурой примерно 950°С и 800 кг золошлака.

Далее продукты сгорания проходят аналогично примеру 1 камеру каталитического дожига 3, камеру осаждения золы 4 и попадают в теплообменник для производства товарной тепловой энергии -50 Гкал/ч.

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения, рассчитанные аналогично примеру 1, составят экономию средств по статье "приобретение топлива" - 30,6 млн.руб., т.е. на 2,6 млн.руб. больше, чем первоначальная стоимость угля. Это обстоятельство связано с тем, что количество лигнина и плата за его переработку в год составляет 16,6 млн.руб.

Формула изобретения

Установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, включающая систему подачи отходов и угля, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля, отличающаяся тем, что системы подачи угля и воздуха смонтированы к пиролизной камере, представляющей собой горизонтальный канал, таким образом, что обеспечивают факельное сжигание измельченного до порошка угля, а система подачи отходов смонтирована таким образом, что обеспечивает вбрасывание отходов в факел, механизм удаления шлака расположен в нижней части вертикальной циклонной камеры окислительного дожига пиролизного газа - смеси продуктов сгорания угля и термического распада отходов, снабженной системой подачи вторичного воздуха и сообщенной с последовательно расположенными камерой каталитического дожига, работающей по принципу беспламенной горелки, для полного окисления остаточных углеводородов, и камерой осаждения золы для отделения тонкодисперсной минеральной части продуктов сгорания от газовой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2