способ сжигания отходов в псевдоожиженном слое и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сжигания отходов в псевдоожиженном слое, заключающийся в организации рециркуляции твердого теплоносителя, смешении отходов с рециркулятом, подсушки и сжигании последних в псевдоожиженном слое, отличающийся тем, что коэффициент рециркуляции К определяют из величины необходимой подсушки по формуле

где К - коэффициент рециркуляции, К=G_p/G _т;

G_т - подача отходов на сжигание, кг/ч;

G_p - подача рециркулята на смешение с отходами, кг/ч;

r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, кДж/кг;

W₁ и W₂ - исходная и конечная влажность отходов, %;

T₁ и Т₂ - исходная температура рециркулята и конечная температура смеси рециркулята и отходов, °С;

С - теплоемкость рециркулята, кДж/(кг °С),

а температуру псевдоожиженного слоя дополнительно регулируют подачей паров сушки в надслоевую полость.

2. Способ сжигания отходов согласно п.1, отличающийся тем, что подсушку отходов проводят, по крайней мере, до удаления свободной влаги.

3. Устройство для сжигания отходов в псевдоожиженном слое, содержащем камеру сгорания с псевдоожиженным слоем, надслоевую полость, камеру сушки, конденсатор, паропровод, систему рециркуляции твердого теплоносителя, отличающееся тем, что камера сушки подключена паропроводом к надслоевой полости с возможностью регулируемой подачи в нее паров от сушки отходов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сжиганию растительных отходов в псевдоожиженном слое преимущественно для получения газа-теплоносителя и может быть использовано в сельском хозяйстве при сушке зерна, а также в энергетике.

Известен способ сжигания топлива в котлах с охлаждением циркулирующих частиц в теплообменнике, установленном вне топки (схема Лурги). Согласно этому способу в устройстве на газораспределительной решетке поддерживают стационарный псевдоожиженный слой топлива и инерта с температурой 820...870°С, что обеспечивает благоприятные условия работы с точки зрения экологии (подавление образования сернистых и азотистых окислов) и надежности (отсутствие шлакования решетки и теплообменных поверхностей устройства) [1].

Однако он эффективен для котлов и малоэффективен для топок, вырабатывающих газ-теплоноситель, так как не допускает размещение в стационарном псевдоожиженном слое теплообменных поверхностей с газом-теплоносителем, а регулирование температуры топочных газов на входе теплообменника осуществляют вторичным и третичным дутьем, разбавлением до приемлемой температуры, что снижает эффективность способа.

Известно также устройство для осуществления известного способа [1], содержащее топку, циклон, конвективный газоход, пароперегреватели, воздухоподогреватель и другие рабочие органы. Это устройство может использоваться для сжигания отходов, но в агрегате с котлами, кроме того, оно малоэффективно для оснащения объектов сельского хозяйства, в частности зерносушилок.

Известен способ сжигания отходов (низкосортных топлив) в псевдоожиженном слое с использованием термоконтактной сушки, заключающийся в организации рециркуляции твердого теплоносителя, смешении отходов с рециркулятом, подсушки и сжигании последних в псевдоожиженном слое. Пары влаги конденсируют с использованием скрытого тепла. Этот способ по совокупности технических признаков наиболее близок к заявленному и принят за прототип [2].

Однако он не позволяет регулировать степень подсушки отходов и не обеспечивает заданную температуру топочных газов на входе в воздухоподогреватель без изменения в широких пределах избытка воздуха для их разбавления, это неэкономично.

Известно также устройство для осуществления известного способа, содержащее камеру сгорания с псевдоожиженным слоем, надслоевую полость, камеру сушки, конденсатор, паропровод, систему рециркуляции твердого теплоносителя. Это устройство по совокупности признаков наиболее близко к заявленному и принято за прототип [2].

Однако использование теплоты паров влаги в конденсаторе достаточно сложно и не может непосредственно использоваться для регулирования температуры горения отходов.

Задачей изобретения является повышение эффективности способа сжигания влажных отходов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе сжигания отходов в псевдоожиженном слое, заключающемся в организации рециркуляционного контура твердого теплоносителя, смешении отходов с рециркулятом, подсушки и сжигании последних в псевдоожиженном слое, согласно изобретению коэффициент рециркуляции К определяют исходя из величины необходимой подсушки по формуле

где К - коэффициент рециркуляции, равный G_p /G_т;

G_т - подача отходов на сжигание, кг/ч;

G_p - подача рециркулята на смешение с отходами, кг/ч;

r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, кДж/кг;

W₁ и W₂ - исходная и конечная влажность отходов,%;

T₁ и T₂ - исходная температура рециркулята и конечная температура смеси рециркулята и отходов, °С;

С - теплоемкость рециркулята, кДж/кг °С,

а температуру псевдоожиженного слоя дополнительно регулируют подачей паров сушки в надслоевую полость, кроме того, подсушку отходов проводят как минимум до удаления свободной влаги.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройстве для сжигания отходов, содержащим камеру сгорания с псевдоожиженным слоем, надслоевую полость, камеру сушки, конденсатор, паропровод, систему рециркуляции твердого теплоносителя, согласно изобретению камера сушки подключена паропроводом к надслоевой полости с возможностью регулируемой подачи в нее паров от сушки отходов.

Сравнение заявленного способа с прототипом показывает, что новым в способе является то, что степень подсушки определяют величиной подачи рециркулята исходя из формулы

а температуру псевдоожиженного слоя дополнительно регулируют подачей паров сушки в надслоевую полость, кроме того, подсушку отходов проводят по крайней мере до удаления свободной влаги.

Сравнение заявленного устройства с прототипом показывает, что новым в устройстве является то, что камера сушки подключена паропроводом к надслоевой полости с возможностью регулируемой подачи в нее паров от сушки отходов.

Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».

Предложенные способ и устройство связаны единым изобретательским замыслом, т.к. данный способ может быть осуществлен данным техническим решением.

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень, так как может быть достигнут результат, удовлетворяющий существенную потребность, а именно повышение эффективности снижения отходов.

Изобретение является и «промышленно применяемым», так как может использоваться в сельском хозяйстве.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже представлено устройство для сжигания отходов в псевдоожиженном слое.

Схема устройства включает камеру сгорания с псевдоожиженным слоем 1, надслоевую полость 2, теплообменник 3, циклон 4, камеру сушки 5, решетку 6, воздушный канал 7, первичное дутье 8, вторичное дутье 9, газ-теплоноситель 10, шнек 11, конденсатор 12, клапаны 13, термопару 14, топливо 15, слив золы 16, паропровод 17, рециркулят 18, наружный воздух 19, очищенные топочные газы 20.

Способ осуществляют следующим образом.

Смешивают исходное влажное топливо с рециркулятом, подсушивают, сжигают в псевдоожиженном слое, причем степень подсушки определяют величиной подачи рециркулята исходя из формулы

температуру слоя дополнительно регулируют подачей паров сушки в надслоевую полость, кроме того, подсушку отходов проводят как минимум до удаления свободной влаги.

Работу устройства осуществляют следующим образом.

Растительные отходы 15 подают в сушилку 5, и шнеком 11 перемещают их в камеру сгорания 1. В эту сушилку также подают рециркулят 18 из циклона 4. При контакте с рециркулятом частицы топлива подогреваются, подсушиваются, поступают в псевдоожиженный слой 1, воспламеняются, сгорают, продукты сгорания выносятся в надслоевую полость 2, далее поступают в трубчатый теплообменник 3, в котором подготавливают газ-теплоноситель 10. Твердая фаза сепарируется в циклоне 4 и в виде рециркулята 18 поступает в сушилку 5. Насыщенный пар по паропроводу 17 поступает в надслоевую полость 2 устройства или отводится в конденсатор 12 с выделением скрытого тепла. При необходимости в полость 2 подают вторичное дутье 9, а очищенные топочные газы 20 из циклона и выбрасывают в атмосферу или утилизируют.

Устройство для сжигания растительных отходов по заявленному способу характеризуется сравнительно невысоким коэффициентом рециркуляции (не более 3-х), повышенным содержанием горючих в слое (до 5...7%), малой высотой стационарного псевдоожиженного слоя (до 0,6 м), что обусловливает сравнительно низкие потери напора слоя (до 2...3 кПа), пониженной теплоаккумулирующей способностью и хорошей маневренностью слоя. Эти факторы снижают его стоимость и повышают конкурентоспособность по сравнению с установками, в которых сжигание осуществляется в факеле или в плотном слое, с другой стороны - повышают чувствительность к влажности топлива (сечка соломы, лузга подсолнечника, риса, льна, круп, стержни початков, измельченные стебли подсолнечника, кукурузы и т.д.).

При поступлении на сжигание растительных отходов с влажностью более 22...25% ухудшаются условия сгорания, адиабатная температура горения опускается ниже 700°С, а на входе в теплообменник ниже 600°С, возрастают содержание горючих в золе, потери с механических и химическим недожогом.

С целью повышения эффективности работы организуют подсушку отходов за счет тепла рециркулята, отсепарированного в циклоне. При подготовке газа-теплоносителя отводимые из циклона топочные газы и твердая фаза имеют повышенную температуру, в частности до 220 и до 300°С соответственно.

Снижать температуру отходящих топочных газов до температуры порядка 120...130°С и соответствовать рециркулята, как это организовано в котлах с рециркуляционным псевдоожиженным слоем не экономично, так как необходимо существенно увеличить габариты теплообменника из-за низкого коэффициента теплопередачи, составляющего в оптимальном случае 35...40 Вт/м²°С, который на один-два порядка ниже, чем коэффициент теплопередачи в котлах, но целесообразно использовать тепло рециркулята, в частности, для подсушки влажных отходов.

Коэффициент рециркуляции К подбирают таким образом, чтобы привлеченным теплом обеспечить подсушку отходов до влажности 22...25%, которая соответствует удалению свободной влаги, легко реализуемое при термоконтактной сушке. Свободная влага имеет слабую связь с веществом топлива и без труда испаряется и удаляется в виде пара. Возврат пара в надслоевую полость псевдоожиженного слоя позволяет дополнительно регулировать температуру горения и, в конечном счете, температуру псевдоожиженного слоя в интервале 800...850°С, которая является оптимальной с точки зрения эффективности сжигания и безаварийной работы теплообменника.

Действительно, осуществляя распределение количества пара, поступающего в конденсатор и надслоевую полость с помощью термопары, погруженной в псевдоожиженный слой, с использованием системы автоматического регулирования (на чертеже не показана) можно поддерживать заданный температурный интервал при постоянном коэффициенте рециркуляции К. Подачу топлива на горение можно замерять и поддерживать дозатором, а рециркулята в камеру сушки установить, например, по тарировочному графику в зависимости от расхода дутья, построенного при наладке устройства.

Рассмотрим тепловой и материальный балансы подсушки отходов до влажности 22...25%. Количество испаренной влаги из отходов можно определить из

где W₁, W₂ - исходная и конечная влажность отходов,%;

G_т - подача отходов, кг/ч.

На испарение количество влаги необходимо затратить следующие количество тепла

где r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, r2625 кДж/кг.

Количество теплоты, поступаемое с рециркулятом на сушку

где G_P - расход рециркулята, кг/ч,

T ₁, T₂ - исходная температура рециркулята и конечная температура смеси °C.

С - теплоемкость рециркулята, кДж/кг °С.

Приравнивая величины Q_т и Q _т ^', получим

Обращая внимание, что К=G_P/G_т, окончательно получим

Заявленный способ предполагается использовать в первую очередь в устройствах для получения подогретого воздуха для сушки зерна в шахтных и других типах зерносушилок производительностью 10...50 т/ч, потребная тепловая мощность топочных устройств сушилок от 1 до 5 МВт при расходе теплоносителя, нагретого до 130°С, от 50 до 250 тыс.м³/ч.

При уборке и послеуборочной обработке с каждой тонны зерна, поступающего на сушку, образуется до 1,2 т соломистых и зерновых отходов, которые свозят в отвалы. Как раз эти отходы в первую очередь могут служить сырьем для получения теплоносителя.

Пример 1. В топочном устройстве ТРО-1 мощностью ˜ 1,0 МВт во взвешенном слое сжигали сечку соломы влажностью 20...22%, при этом была достигнута адиабатическая температура горения 870...900°С и осуществлялся устойчивый процесс горения с температурой топочных газов на входе в воздухоподогреватель ˜ 800°С. На выходе из воздухоподогревателя температура топочных газов составляла 220...240°С, а температура уноса в осадочной камере ˜ 270°С. Отходы зерноочистки с влажностью 27% горели неустойчиво, адиабатическая температура горения не превышала 600°С, необходимые параметры теплоносителя для сушки зерна не достигнуты.

Пример 2. Определим величину К при подсушке по заявленному способу сжигания растительных отходов с W₁=30% и W₂=22% при T₁=240°C и Т₂=100°С (температуру смеси примем равной температуре пара при атмосферном давлении). Теплоемкость золы твердого теплоносителя равняется С=1,257 кДж/кг. Величина r приведена выше. Подставив указанные значения параметров в формулу 5, получим К=1,52.

Дополнительное регулирование адиабатической температуры горения можно осуществить путем подачи пара в надслоевую полость псевдоожиженного слоя. При подаче большего количества пара температура снижается, так как уменьшается содержание кислорода в газовой среде, при уменьшении подачи - увеличивается, причем это регулирование может осуществляться автоматически с использованием термопары, системы управления с приводом на клапан паропровода (на схеме не указан), избыток пара отводится в конденсатор.

Использование изобретения позволит повысить эффективность работы топочного устройства на влажном топливе, а использование тепла топочных газов, отходящих из циклона или осадочной камеры, например, в барабанной сушилке повысить кпд топочного устройства до 80% и более.

Источники информации

1. Баскаков А.П., Мацков В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящем слоем. М., Энергоатомиздат, 1995, с.224, 225.

2. Пузырев Е.М. Исследование топочных процессов и разработка котлов для низкотемпературного сжигания горючих отходов и местных топлив. Автореф. на соискан. ученой степени д.т.н., Барнаул, 2003, с.8, 9 (прототип).