способ сжигания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ

Формула изобретения

1. Способ сжигания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ, которую порционно загружают из бункера в газопроницаемую камеру сгорания, сформированную смонтированными с периферийным кольцевым зазором в основании, наклоненными к оси наружной и внутренней стенками, сообщающимися с системой ориентированной подачи подогретого воздуха в избытке в камеру сгорания через зазоры в наружной стенке и зазоры между пластинами, образующими внутреннюю стенку, а газообразные продукты горения из камеры сгорания выводят встречно по зазорам в наружной стенке в свободный объем коаксиального рекуператора, где окисляют дополнительно подаваемым воздухом, после чего удаляют посредством вытяжной вентиляции, нагревая воздух в теплообменнике типа труба в трубе, причем золу и твердый негорючий компонент непрерывно выводят из камеры сгорания через периферийный кольцевой зазор, отличающийся тем, что воздух в камеру сгорания подают через обе газопроницаемые стенки, через которые встречно выводят газообразные продукты горения, в том числе в конусный объем, образованный внутренней стенкой, который сообщается с коаксиальным рекуператором.

2. Способ сжигания топливной смеси по п. 1, отличающийся тем, что предварительно в топливную смесь вводят, распределяя в объеме, деревянные опилки и/или древесные кусковые отходы в соотношении не менее 5: 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии уничтожения промышленных и бытовых отходов сжиганием, преимущественно, к сжиганию почвы, загрязненной нефтепродуктами и может быть использовано при ликвидации аварий на магистральных продукторопроводах, для утилизации технологических осадков в мазуто- и нефтехранилищах.

Из патентной литературы известен способ переработки отходов, содержащих углеводороды, по которому в реактор (камеру сгорания) загружают твердые отходы и подают кислородсодержащий газ с недостатком, проводят реакцию горения с образованием газообразных продуктов горения и твердого остатка - пиролиз. Окисляющий воздух подают через горячий твердых остаток сжигания, нагревая его до температуры 400^oС, а газообразные продукты пиролиза пропускают через загружаемые отходы, подсушивая их. Газообразные продукты горения сжигают в свободном объеме камеры сгорания при избытке окисляющего воздуха, достаточном для полного окисления углеводородов и горючих газов. Твердые остатки из камеры сгорания периодически выгружают. (См. например, патент России 2116570, F 23 G 7/00, 7/05, 1998 г. ).

Описанный способ характеризуется аппаратурной сложностью и энергоемкостью процесса, имеет узкоцелевое использование для сжигания металлсодержащих отходов, преимущественно автомобильных шин, которые в камере сгорания расплавляют.

Более простым, экономичным и функционально надежным является способ по патенту РФ 2133409, F 23 G 5/24, 1999 г. сжигания древесных отходов в камере сгорания, по которому газообразные продукты горения отделяют от твердой фазы и дожигают во второй камере, имеющей перфорированную общую стенку с воздухораспределителем.

Окисляющий воздух подвергают рекуперативному нагреву вторичным теплом. Дисперсный материал в бункере загрузки ворошат устройством для предотвращения сводообразования, осуществляя бесперебойную его подачу в камеру сгорания.

Для розжига опилок в начале процесса в камере сгорания предусмотрено специальное устройство с форсункой. Из второй камеры дожигания газообразные продукты горения удаляют дымососом, чем обеспечивается подача атмосферного воздуха. Золу собирают в приемник под решеткой камеры сгорания.

Этот способ неэффективен по производительности при сжигании топливной смеси, содержащей в основной массе негорючий компонент, почву, песок и т. п.

Уровень техники сжигания топливной кусковой смеси из твердых материалов и конденсированных веществ характеризует способ, описанный в свидетельстве РФ на полезную модель 12458, F 23 B 1/34, 1999 г. , который по числу совпадающих признаков и технической сущности выбран в качестве наиболее близкого аналога заявленному техническому решению.

Известный способ содержит порционную загрузку топливной смеси в бункер, из которого она самопроизвольно постепенно перемещается в сопряженную камеру сгорания, сформированную наклоненной наружной стенкой и центральным коническим воздухораспределителем. Обе формообразующие стенки камеры сгорания выполнены перфорированными, делая ее газопроницаемой, и укреплены вниз с кольцевым зазором между собой.

К стенкам камеры сгорания подают окисляющий воздух, к внутренней стенке через дисковый решетчатый воздухораспределитель, смонтированный в цилиндре, частично по высоте охватывающем у основания камеру сгорания. Объем охватывающего цилиндра представляет собой коллектор для распределения окисляющего воздуха через перфорации наружной стенки, с внешней стороны камеры сгорания.

Воздух в камеру сгорания подают в избытке, превышающем потребное количество для реакции окисления продуктов топливной смеси при ее сжигании. Газообразные продукты горения из камеры сгорания выводят через перфорации наружной стенки в свободный объем корпуса устройства, вторую камеру сжигания, куда дополнительно подают воздух, предварительно нагретый в рекуперативном теплообменнике типа труба в трубе, сформированном патрубками подачи воздуха и отвода газообразных продуктов горения. Эти газопотоки организовывают через перфорации наружной стенки встречно с помощью вытяжного вентилятора, смонтированного в отводящем патрубке, причем патрубок подачи воздуха сообщается с атмосферой.

Золу и твердый негорючий компонент, автоматически просыпающиеся через кольцевой зазор основания камеры сгорания, собирают в бункер и периодически удаляют по мере его заполнения.

Известный способ обеспечивает раздельное сжигание продуктов пиролиза топливной смеси внутри объемов устройства и окисление летучих горючих до конечных продуктов, которые выводят непосредственно в атмосферу. Твердый негорючий остаток в результате сжигания топливной смеси по этому способу представляет собой чистый минеральный продукт, экологически невредный, который может быть использован в хозяйственном обороте. Отводимые газообразные продукты горения могут применяться в качестве теплоносителя и утилизоваться.

Однако известному способу присущ недостаток, определяемый его аппаратурной реализацией, а именно низкая производительность.

Исходя из того, что нижняя часть камеры сгорания помещена внутри кольцевого коллектора, изолирующего от патрубка отвода, а центральней конусный объем занят дисковым воздухораспределителем, вывод газообразных продуктов горения возможен только в верхней части наружной стенки камеры сгорания. Это ухудшает газодинамику процесса, ограничивает рост рабочей температуры, и как следствие, приводит к неполному сгоранию топливной смеси и образованию коксового остатка, затрудняющего автоматическую самопроизвольную выгрузку, снижает производительность работ, требует увеличения габаритов реакционной зоны камеры сгорания и устройства в целом, то есть дополнительных капитальных затрат и производственных помещений.

Свободное, произвольное распределение окисляющего воздуха из объема коллектора и центрального дискового распределителя через перфорации стенок камеры сгорания не обеспечивает необходимого газоприхода для подъема температуры сжигания в камере до заданной и требуемого градиента температуры по высоте камеры сгорания.

Технический результат от реализации заявленного изобретения заключается в расширении технологических возможностей способа и его функциональных возможностей.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе сжигания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ, которую порционно загружают из бункера в газопроницаемую камеру сгорания, сформированную, смонтированными с периферийными кольцевым зазором в основании, наклоненными к оси наружной и внутренней стенками, сообщающимися с системой ориентированной подачи подогретого воздуха в избытке в камеру сгорания через зазоры в наружной стенке и зазоры между пластинами, образующими внутреннюю стенку, а газообразные продукты горения из камеры сгорания выводят встречно по зазорам в наружной стенке в свободный объем коаксиального рекуператора, где окисляют дополнительно подаваемым воздухом, после чего удаляют посредством вытяжной вентиляции, нагревая воздух в теплообменнике типа труба в трубе, причем золу и твердый негорючий компонент непрерывно выводят из камеры сгорания через периферийный кольцевой зазор, согласно изобретению воздух в камеру сгорания подают через обе газопроницаемые стенки, через которые встречно выводят газообразные продукты горения, в том числе в конусный объем, образованный внутренней стенкой, который сообщается с коаксиальным рекуператором, при этом в топливную смесь предварительно вводят, распределяя в объеме, деревянные опилки и/или древесные отходы в соотношении не менее 5: 1.

Отличительные признаки обеспечили необходимую газодинамику в устройстве для сжигания топливной смеси и камере сгорания, что позволило использовать способ для качественного сжигания до конечных продуктов различных кусковых топливных смесей, содержащих горючие и негорючие составляющие, включающих конденсированные вещества.

Принудительная, ориентированная подача подогретого окисляющего воздуха дифференцированно по реакционным зонам камеры сгорания встречно через обе ее стенки позволяет повысить динамику горения и полноту сгорания топливной смеси из твердых материалов и конденсированных веществ.

Вывод газообразных продуктов горения из камеры сгорания в обе стороны от газопроницаемых стенок камеры сгорания и использование свободного конусного объема, образованного внутренней стенкой для полного экспрессивного сжигания летучих, повышает эффективность и производительность способа.

Оптимизированное соотношение нефтешламов и связующего горючего (опилок) в топливной смеси обеспечивает образование кускового горючего материала, приспособленного для сжигания по предложенному способу, реализованному в известной камере сгорания, с автоматическим самопроизвольным перемещением массы кускового топлива вдоль реакционных зон, скольжением по конической поверхности внутренней стенки. При этом обеспечивается оптимальный газодинамический режим, необходимые газопроницаемость сжигаемого топлива и фильтрация встречных газопотоков.

Оптимизированное содержание древесных опилок, горючего связующего определено формированием требуемой дисперсности топливной смеси и обеспечивает необходимую ее газопроницаемость.

Включение в состав сжигаемой топливной смеси большего массового количества древесных опилок обеспечит заданный режим горения, не меняя технологии по существу, обеспечивая уничтожение отходов деревозаготовки и переработки (коры, щепы, опилок), производительно, эффективно, с соблюдением требований экологии.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества как эффекта суммы, неприсущего признакам в разобщенности, а не суммы их эффектов.

Заявленное техническое решение обладает изобретательским уровнем, потому что для специалиста теплотехники и термодинамики оно явным образом не следует из уровня техники, сравнение с выявленными аналогами которого позволяет сделать вывод о том, что способ сжигания кусковой топливной смеси является новым, и его возможно практически использовать в существующем оборудовании, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Предложенный способ содержит следующую совокупность технологических операций:

- предварительно перед сжиганием топливную смесь готовят смешиванием нефтешламов с древесными кусковыми отходами и/или деревянными опилками в заданном массовом соотношении структурных компонентов,

- разогревают камеру сгорания,

- проводят порционную загрузку кусковой смеси в бункер,

- автоматически перемещают топливную смесь из бункера загрузки в камеру сгорания по коническому ее центральному выступу,

- ориентированно подают предварительно подогретый в рекуперативном теплообменнике типа труба в трубе окисляющий воздух через обе перфорированные стенки камеры сгорания,

- окисляющий воздух в устройство подают в избытке, в камеру сгорания и в свободный объем коаксиального рекуператора для сгорания летучих,

- газообразные продукты пиролиза отделяют от твердой фазы топливной смеси, которая сгорает в газопроницаемой камере,

- через обе перфорированные стенки камеры сгорания выводят газообразные продукты горения в свободный объем корпуса, где их принудительно перемешивают с окисляющим воздухом, дожигая до конечных продуктов окисления,

- газообразные продукты горения выводят в конусный свободный объем, образованный внутренней стенкой, который сообщается с коаксиальным рекуператором,

- газообразные продукты горения топливной смеси выводят из камеры сгорания через перфорации обеих стенок, встречно потокам окисляющего воздуха,

- газообразные продукты горения из второй камеры сгорания выводят через вытяжной патрубок отвода, связанный с вентилятором,

- зону и твердый негорючий компонент, минеральный остаток (песок), непрерывно выводят из камеры сгорания через периферийный кольцевой зазор в основании камеры сгорания, между наклоненными к оси стенками.

Заявляемый способ реализуется в усовершенствованном устройстве.

Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где схематично изображены:

на фиг. 1 - общий вид устройства:

на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

В корпусе 1 устройства для сжигания топливной смеси твердых материалов и конденсированных веществ (фиг. 1) размещена камера 2 сгорания, которая сформирована двумя наклоненными к оси (коаксиальными коническими) наружной стенкой 3 и внутренней стенкой 4, смонтированными с периферийным кольцевым зазором 5 в основании. Наружная стенка 3 образована набором колец 6 с убывающими диаметрами кверху, установленных с частичным перекрытием и зазорами 7. Внутренняя стенка 4 камеры 2 ограничена сверху коническим наружным профилем центрального распределителя топливной смеси 8.

Внутренняя стенка 4 выполнена из набора дисковых пластин 9 разного диаметра по убывающей снизу вверх, собранных через равные зазоры 10, образуя наружную коническую перфорированную поверхность, общую с камерой 2 сгорания, с углом естественного откоса для кускового топлива. Дисковые пластины 9 имеют осевые отверстия, которые в сборе образуют свободный объем 11 коаксиального рекуператора, где в центре установлен патрубок 12 подачи окисляющего воздуха, оснащенный трубчатыми воздуховодами 13 и выходными отверстиями 14.

Выходы трубок воздуховодов 13 помещены в зазорах 10 между пластинами 9 на разной высоте, наглухо закрытых обечайками 15 от свободного объема 11 для обеспечения заданного распределения (фиг. 2) подаваемого по центральному патрубку 12 воздуха. При этом часть зазоров 10 не сообщается с воздуховодами 13, а коммутируют камеру 2 сгорания и свободные объемы 11 и 16, сообщающиеся между собой и выполняющие функции второй камеры сгорания для летучих горючих, газообразных продуктов пиролиза из камеры 2 сгорания. В продольном сечении внутренняя стенка 4 (фиг. 1) представляет собой многоканальную решетку.

На периферии корпуса 1 выполнена рубашка 17, которая имеет входные отверстия 18 коммуникации с атмосферой и сообщающаяся с открытым торцем патрубка 12, закрепленного в днище 19 корпуса 1, там же расположена секторная шиберная заслонка 20, а для сбора золы и минерального остатка после сжигания топливной смеси в камере 2 сгорания под заслонкой 20 установлен съемный бункер 21.

В верхней части рубашка 17 (фиг. 1 и 2) связана каналами 22 через отверстия 23 со свободным объемом 16 коаксиального рекуператора и с трубчатыми воздуховодами 24, которые смонтированы в радиальных зазорах 7 частично совмещенных по высоте соседних колец 6 наружной стенки 3 камеры 2 таким образом, что сохраняется сообщение свободного объема 16 с камерой 2 сгорания.

Свободный объем 16 коаксиального рекуператора сверху закрыт монтажной плитой 25, а снизу ограничен несущим кольцом 26 под стойки 27 внутренней стенки 4 и трубчатого сепаратора 28.

Цилиндрическая обечайка 29 свободного объема 16 коаксиального рекуператора между плитой 25 и кольцом 26 вписана в отводящий патрубок 30 квадратной формы и тем самым связывает его объем под кольцом 26 посредством угловых каналов 31 (фиг. 2) с объемом патрубка 30 над монтажной плитой 25.

Наружная стенка 3 камеры 2 совмещена с бункером 32 загрузки, вокруг которого смонтирован отводящий патрубок 30 с периферийным ресивером 33, снабженным патрубком 34 вытяжки, сообщающимся с вентилятором (не показан).

Работает устройство следующим образом. При включенном вытяжном вентиляторе патрубка 30 в камере 2 разжигают легко воспламеним кусковое топливо, например деревянную щепу, бумагу, картон, которыми заполняют объем камеры 2 сгорания. Затем камеру 2 сгорания заполняют опилками, при сгорании которых камера 2 разогревается до рабочей температуры, когда становится возможным сжигать твердые материалы и конденсированные вещества.

Материалы, содержащие нефтепродукты, предварительно смешивают с опилками, древесными отходами, например, осадки нефтехранилищ (в соотношении, мас. %: нефть - 10, песок - 70 и опилки - 20), формируя кусковое топливо.

Кусковое топливо загружается в бункер 32, из которого под действием гравитационных сил оно самопроизвольно заполняет камеру 2 сгорания, перемещаясь по конической поверхности внутренней стенки 4, и при этом воспламеняется и сгорает.

Посредством вытяжной вентиляции в отводящем патрубке 30 внутри устройства создается разряжение, засасывающее атмосферный воздух через отверстия 18 в кольцевую рубашку 17, по которой окисляющий воздух поступает в каналы 22 и в центральный патрубок 12. Из каналов 22 окисляющий воздух распределяется по воздуховодам 24 и далее поступает в камеру 2 сгорания через ее наружную стенку 3.

Из центрального патрубка 12 окисляющий воздух поступает к внутренней стенке 4 по ее воздуховодам 13 локально, между пластинами 9 в зазоры 10, откуда ориентированно подается в камеру 2 сгорания с противной стороны, через стенку 4.

Таким образом, патрубки подвода окисляющего воздуха посредством патрубка 12, каналов 22 и воздуховодов 13 и 24 закреплены непосредственно на обеих стенках 3, 4 камеры 2 сгорания.

Камеры 2 спрофилирована с уменьшением поперечного сечения книзу для снижения толщины прослойки топлива, где необходимы повышенная температура и скорость горения без коксообразования. Для полноты сгорания топливной смеси окисляющий воздух подается с избытком относительно потребного количества для реакции окисления.

Газообразные продукты пиролиза из камеры 2 удаляются через зазоры 7 между кольцами 6 наружной стенки 3 в свободный объем 16 коаксиального рекуператора и через зазоры 10 внутренней стенки 4 в свободный объем 11 коаксиального рекуператора. Газообразные продукты пиролиза активно перемешиваются с избытком окисляющего воздуха в камере 2 сгорания, зазорах 7 наружной стенки 3 и в зазорах 10 конической внутренней стенки 4, а также поперечными струями воздуха непосредственно из отверстий 23 в свободном объеме 16 коаксиального рекуператора и из отверстий 14 центрального патрубка 12 в свободном объеме 11 коаксиального рекуператора, что обеспечивает полноту их сгорания.

Газообразные продукты горения из объемов 16 и 11, смешиваясь между собой и окончательно догорая (доокисляя возможные остатки не полностью сгоревших частиц), поступают через сепаратор 28 в отводящий патрубок 30. Далее газообразные продукты горения перемещаются по угловым каналам 31 корпуса 1 вверх и через ресивер 33 выводятся в вытяжной патрубок 34. При этом возможные пылевидные остатки сгоревших частиц оседают в сепараторе 27 на шиберную заслонку 20, таким образом из устройства в атмосферу непосредственно выходят экологически чистые газообразные продукты горения.

Учитывая, что все газоводы устройства выполнены по схеме рекуперативного теплообменника типа труба в трубе, то отводимые газообразные продукты нагревают частью своего тепла встречные потоки окисляющего воздуха до температуры порядка 400^oС, что обеспечивает повышение рабочей температуры в камере 2 сгорания, автономно, без внешних источников энергии, и, следовательно, производительности сжигания топливной смеси.

В кольцевом ресивере 33 газообразные продукты горения расширяются и затормаживаются, нагревая бункер 32 загрузки и подсушивая конвективным теплом топливную смесь в нем. При этом испаряемая влага удаляется через его открытый торец, что способствует повышению эффективности горения в камере 2 без потерь на предварительный нагрев топливной смеси.

Слой топливной смеси в бункере 32 загрузки создает большое гидравлическое сопротивление для газов в камере 3 сгорания и может быть выполнен открытым.

По мере сгорания топливной смеси она оседает в камере 2, а минеральные негорючие остатки в виде чистого песка просыпаются, увлекаемые газовыми потоками в кольцевой зазор 5 между стенками 3 и 4, освобождая ее объем под грузом оседающей массы топливной смеси.

Газообразные продукты горения, выводимые по патрубку 30 вверх, отделяются от минеральных остатков в трубчатом сепараторе 28, которые собираются на шиберной заслонке 20 и накапливаются в устройстве. Периодически, выдвигая наружу сектора заслонки 20, минеральные остатки (золу и песок) пересыпают в бункер 21 до заполнения, после чего бункер 21 извлекают из корпуса 1, освобождают и возвращают на место.

По мере выгорания топливной смеси в камере 2 сгорания и оседания ее в бункере 32 до заданного уровня, который автоматически или визуально контролируется, порция топливной смеси добавляется в бункер 32.

Предложенное техническое решение позволило перераспределить газовую смесь для полного динамического сжигания в свободном объеме корпуса 1, вне камеры 2 сгорания с кусковым топливом.

Предложенное техническое решение обеспечивает эффективное полное сжигание топливной кусковой смеси, включающей минеральные негорючие вещества.

Способ универсален по сжигаемым топливным смесям и по режимам горения, которые принудительно регулируются варьированием расхода и места подачи окисляющего воздуха, имеет автоматическую самопроизвольную выгрузку чистого твердого минерального остатка из камеры сгорания, раздельно от газообразных продуктов горения, окисляемых внутри корпуса до конечных продуктов, выводимых непосредственно в атмосферу.

Заявленное изобретение предназначено для утилизации маслоотходов металлургии и машиностроения, ликвидации разливов сырой нефти, смешанной с минеральными частицами почвы, для переработки иных нефтешламов, например отстоев в нефтехранилищах.

Предложенный новый способ сжигания кусковой топливной смеси характеризуется функциональной надежностью, полнотой сжигания компонентов топливной смеси до конечных экологически невредных продуктов окисления, разделяемых фракционно, удобен для утилизации, экономически и технологически прост в реализации.