способ сжигания горючих веществ, в частности, отходов

Формула изобретения

1. Способ сжигания горючих веществ, в частности, отходов, при котором первичный газ горения подводят снизу в горящий слой, и вторичный газ горения над горящим слоем подводят к потоку отходящего газа, причем при повышении скорости реакции, или соответственно, интенсивности горения массовый расход кислорода первичного газа горения в единицу времени уменьшают, а массовый расход кислорода вторичного газа горения в единицу времени увеличивают так, что увеличение массового расхода кислорода во вторичном газе горения соответствует уменьшению массового расхода кислорода в первичном газе горения, причем массовый расход кислорода в первичном газе горения уменьшают в месте повышенной скорости реакции, или соответственно, интенсивности горения, и массовый расход кислорода во вторичном газе горения увеличивают непосредственно над местом повышенной скорости реакции, или соответственно интенсивности горения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание кислорода в первичном газе горения составляет более 21%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный газ горения содержит окружающий воздух.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный газ горения содержит внутренний рециркуляционный газ, который откачивают в том месте топочной камеры, где еще присутствует достаточно высокая доля кислорода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный газ горения содержит очищенный рециркуляционный газ из отходящего газа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный газ горения содержит частично окружающий воздух, частично очищенный рециркуляционный газ из отходящего газа и частично внутренний рециркуляционный газ.

7. Способ по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что над первичной зоной горения в поток отходящего газа подводят для гомогенизации и охлаждения очищенный рециркуляционный газ из отходящего газа.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что окружающий воздух или внутренний рециркуляционный газ добавляют на уровне подачи через форсунки на высоте около 6-9 м выше колосниковой решетки.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для установления места и степени повышения интенсивности горения в зоне первичного горения измеряют в зоне первичного горения, образующейся непосредственно над горящим слоем, по меньшей мере, один из следующих параметров, а именно непосредственную температуру горящего слоя, температуру, содержание кислорода, содержание CO₂ и содержание СО в отходящем газе, и эти измеренные величины используют для регулирования массового расхода кислорода в первичном газе горения и во вторичном газе горения, в частности, для выравнивания кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что выравнивание кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения осуществляют путем уменьшения количества первичного газа горения и увеличения количества вторичного газа горения.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что выравнивание кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения осуществляют путем регулирования количества подведенного внутреннего рециркуляционного газа.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение количества кислорода во вторичном газе горения осуществляют в области повышенной турбулентности.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что вторичный газ горения подводят в область топочной камеры, где обеспечивают повышенную турбулентность за счет сужения топочной камеры.

14. Способ по п.6, отличающийся тем, что различные составляющие вторичного газа горения подводят на различной высоте над горящим слоем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается способа сжигания горючих веществ, в частности отходов, при котором первичный газ горения подводится снизу в слой горючих веществ, и вторичный газ горения над слоем горючих веществ подводится к потоку отходящего газа.

Первичный газ горения это обычный окружающий воздух или окружающий воздух, обогащенный кислородом, который часто нагревают перед подачей в слой горючих веществ. Добавление кислорода к окружающему воздуху при подготовке первичного газа горения применяется для усиления интенсивности горения, уменьшения количества отходящего газа, а также, в частности, для повышения температуры горящего слоя и тем самым для улучшения качества шлака.

Изменения в составе топлива, т.е. изменения в отходах или соответственно мусоре относительно его теплотворной способности, ведут при сжигании неизбежно к колебаниям как в составе отходящего газа, так и в отношении его количества. Колебания в количестве отходящего газа являются нежелательными, так как эксгаустер при расчете и при эксплуатации установки для сжигания должен учитывать максимально возможные колебания, что имеет своим следствием соответственно невыгодные в плане экономичности параметры всасывающего вентилятора. Колебания содержания кислорода в отходящем газе ведет к тому, что при кратковременном повышении теплотворной способности загруженной смеси горючих веществ наступает недостаток кислорода, что в свою очередь ведет к слишком высокому содержанию СО или других продуктов неполного сгорания в отходящем газе (СО-пики). В связи с этим при неоднородном топливе установка должна рассчитываться и работать при избыточном количестве воздуха. Однако большой избыток воздуха ведет к повышенному количеству отходящего газа, что в свою очередь требует не только увеличения мощности всасывающего вентилятора, но и увеличения последовательно включенных установок для очистки отходящего газа.

Кратковременное повышение теплотворной способности загруженной смеси горючих веществ ведет к усилению негативного эффекта колебаний отходящего газа, при этом следствием является раннее зажигание горючей смеси, повышенная скорость реакции, т.е. повышенная интенсивность горения и повышенное высвобождение тепла в единицу времени, уменьшение избытка воздуха и повышение температуры газа. Это ведет к нестабильным условиям, причем этот эффект особенно сильно проявляется, когда в качестве первичного газа горения используется окружающий воздух, обогащенный кислородом. Повышенная доля кислорода ведет в целом к более интенсивному горению и более быстрому воспламенению горючих веществ после загрузки. Если при этом происходит кратковременное повышение теплотворной способности загруженной смеси горючих веществ, то за счет такой интенсивной реакции горения, несмотря на обогащение кислородом, его расход может вырасти настолько, что могут создаться, по меньшей мере, местные условия сжигания, сопровождающиеся недостатком кислорода. Такая нестабильность или соответственно колебания в процессе сжигания из-за упомянутых выше явлений крайне нежелательны.

Задачей изобретения является стабилизация процесса сжигания, вопреки колебаниям величины теплотворной способности, обусловленной колебаниями состава смеси горючих веществ.

Эта задача исходя от способа, рассмотренного вначале рода, согласно изобретению решается за счет того, что при наступлении повышенной скорости горения кислорода первичного дымового газа уменьшается и массовый расход кислорода вторичного газа горения увеличивается.

В принципе этот регулирующий эффект достигается с помощью изменения состава относительно содержания кислорода в первичном газе горения и во вторичном газе горения при сохранении в значительной мере массового расхода этих газов горения или соответственно с помощью изменения массовых расходов в первичном газе горения и вторичном газе горения или с помощью комбинации обоих мероприятий.

За счет уменьшения содержания кислорода при остающейся, по существу, постоянной массе первичного газа горения обеспечивается то, что при кратковременной загрузке имеющих высокую теплотворную способность смесей горючих веществ исключается слишком быстрое воспламенение и, следовательно, высвобождение тепла в единицу времени. За счет уменьшенной подачи кислорода посредством первичного газа горения, кроме того, лимитирована степень превращения горючих веществ и имеет место преимущественно реакция газификации и в меньшей степени реакция горения. Это ведет к охлаждению первичной зоны первичного горения и дальнейшему замедлению превращения горючих веществ.

В качестве первичной зоны горения здесь имеется в виду пространство между колосниковой решеткой и самой нижней плоскостью форсунок вторичного газа.

Соответствующее увеличение содержания кислорода во вторичном газе горения при остающейся, по существу, постоянной массе вторичного газа горения потом дополнительно облегчает надежное выгорание поднимающихся в топочной камере продуктов газификации.

Описанное здесь выравнивание содержания кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения ведет в итоге к демпфированию колебаний в составе отходящего газа, вызванных неоднородным горючим, и позволяет при этом снизить избыток воздуха. Таким образом установка для сжигания может эксплуатироваться на неоднородном горючем при избытке кислорода, меньшем в 1,5 раза, и при этом в отходящем газе не должны иметь место СО-пики, связанные с периодической загрузкой составов горючих веществ с повышенной теплотворной способностью.

Предпочтительно регулировка осуществляется таким образом, что периодическое увеличение массового расхода кислорода во вторичном газе горения соответствует, по существу, уменьшению массового расхода кислорода в первичном газе горения. Это способствует, в частности, сохранению одинакового количества отходящего газа.

Для определения степени повышения скорости реакции или соответственно интенсивности горения производится измерение, по меньшей мере, одного из следующих параметров, а именно температуры горящего слоя, температуры, содержания кислорода, содержания СО₂ и СО в отходящем газе, и эти измеренные величины используются для регулирования массового расхода кислорода в первичном газе горения и вторичном газе горения. Измерение температуры горящего слоя осуществляется предпочтительно с помощью камеры инфракрасного контроля температуры в перекрытии в потолке топочной камеры. Измерение температуры, а также содержания О₂, СО₂, СО в отходящем газе проводится предпочтительно с помощью установленных в соответствующих местах измерительных приборов, например, работающих на принципе поглощения лазерного излучения, которые позволяют вырабатывать быстрые сигналы в топочной камере. Далее для этого пригодны оптические камеры, которые позволяют проводить измерение распределения температуры в топочной камере.

Такое регулирование согласно изобретению естественно базируется на определении главных параметров первичного и вторичного газов горения в части состава массового потока и температуры. Эти величины все равно должны определяться при работе установки для сжигания, так что на базе этой информации могут быть произведены соответствующие изменения в первичном газе горения и вторичном газе горения в зависимости от скорости реакции и соответственно интенсивности горения.

При осуществлении способа согласно изобретению могут выбираться различные составы для первичного газа горения и вторичного газа горения.

В принципе, как уже известно, можно в качестве первичного газа горения применять окружающий воздух или окружающий воздух, обогащенный кислородом, который также в большинстве случаев подогревается. При этом является предпочтительным, если содержание кислорода в первичном газе горения составляет более 21%.

При вторичном газе горения речь может идти об окружающем воздухе, который называется вторичным воздухом горения, внутреннем рециркуляционном газе, который отводится в том месте в топочной камере, где еще достаточно велика доля кислорода, отходящем рециркуляционном газе, который отводится на выходе из кожуха или далее по потоку на выходе из установки для очистки отходящего газа, а также о смесях из перечисленных составляющих газов.

В другом варианте выполнения изобретения является целесообразным, чтобы над первичной зоной горения в поток отходящего газа для гомогенизации и охлаждения подводился очищенный отходящий рециркуляционный газ.

Далее целесообразно, чтобы окружающий воздух или внутренний отходящий рециркуляционный газ добавлялся на уровне подачи через форсунки на высоте примерно 6-9 метров над колосниковой решеткой, так что время выдержки отходящего газа от горячего слоя до этой плоскости составляет от 1 до 3 секунд. Благодаря этому получается выигрыш во времени для регулировки, которая согласно изобретению, например, таким образом реагирует на повышенную интенсивность горения с повышением содержания кислорода во вторичном газе горения, что образующийся СО еще может выжигаться.

Особо тонкая и с возможностью быстрой реакции на изменения регулировка согласно изобретению получается благодаря тому, что массовый расход кислорода в первичном газе горения уменьшается в месте повышения интенсивности горения, и массовый расход кислорода во вторичном газе горения увеличивается непосредственно над местом повышенной скорости реакции, соответственно интенсивности. Такой вид регулирования, который особенно быстро реагирует на произошедшие изменения и таким образом непосредственно препятствует возникающим, описанным выше колебаниям, предполагает, однако, другие являющиеся предметом изобретения мероприятия, которые заключаются в том, что для определения места и величины повышения интенсивности горения осуществляется измерение, по меньшей мере, одного из следующих параметров, а именно непосредственной температуры горящего слоя, температуры, содержания кислорода, содержания СО₂ и содержания СО в отходящем газе в непосредственно над горящим слоем образующейся зоне первичного горения, и эти измеренные величины применяются для регулирования массового расхода кислорода в первичном газе горения и вторичном газе горения. При этом измерения должны выполняться на многих местах, чтобы как можно точнее установить границу места повышения интенсивности горения.

Выравнивание содержания кислорода в соответствии с основной идеей изобретения между первичным газом горения и вторичным газом горения может осуществляться путем уменьшения количества первичного газа горения и путем повышения количества вторичного газа горения, так как за счет повышения количества или соответственно уменьшения количества независимо от имеющейся в определенный момент доли кислорода изменяется массовый расход кислорода. Выравнивание содержания кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения может также осуществляться путем уменьшения доли кислорода в первичном газе горения и увеличения доли кислорода в, по меньшей мере, одной составляющей вторичного газа горения. При этом мероприятии остается постоянным количество каждого газа горения, однако содержание кислорода в этом количестве соответствующего газа изменяется.

Выравнивание содержания кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения может осуществляться путем регулирования количества подведенного внутреннего рециркуляционного газа. Это мероприятие заключается в том, что в зоне первичного горения отводится первичный газ горения, что ведет там к уменьшению массового расхода кислорода и, таким образом, к уменьшению скорости реакции. Регулирование количества отведенного внутреннего рециркуляционного газа оказывает опосредованное воздействие на величину массового расхода кислорода, который имеет место в зоне первичного горения и оказывает влияние за счет изменения количества внутреннего рециркуляционного газа и именно в том отношении, что при увеличении количества внутреннего рециркуляционного газа в зоне первичного горения первичный газ горения и, тем самым кислород, отводятся.

Преимущественным образом повышение содержания кислорода во вторичном газе горения осуществляется в области с повышенной турбулентностью. Это дает особое преимущество не только тогда, когда из-за конструктивных особенностей невозможно направленное местное выравнивание содержания кислорода, но и тогда, когда выравнивание массовых расходов кислорода осуществляется непосредственно в области возникновения повышения интенсивности горения, так как и здесь обеспечивается то, что прежде всего отдельные струи СО не могут оказаться вне воздействия.

Вторичный газ горения подводится, предпочтительно, в область топочной камеры, в которой за счет сужения топочного пространства имеет место повышенная турбулентность.

Может быть предпочтительным также и то, что различные составляющие вторичного газа горения подводятся на различной высоте над горящим слоем, так как здесь могут быть достигнуты определенные направленные изменения. Так, например, предпочтительно, что внутренний рециркуляционный газ подводится в другом месте, чем очищенный отходящий газ, который подается в меньшей степени для регулирования массового расхода кислорода, чем для получения определенной турбулентности. Внутренний рециркуляционный газ подводится, предпочтительно, на более высоком месте, чем очищенный рециркуляционный газ отходящего газа, причем к этому внутреннему рециркуляционному газу при необходимости может примешиваться окружающий воздух.

Изобретение далее более подробно поясняется с помощью схематически представленного примера выполнения установки для сжигания.

На чертеже схематично показано устройство установки для сжигания мусора с колосниковой решеткой с обратным переталкиванием горючих веществ и с различными возможностями воздействия на первичный газ горения и вторичный газ горения.

Соответственно представленному изображению топочная установка для осуществления описанного способа имеет загрузочную воронку 1 с примыкающим загрузочным желобом 2 для подачи горючих веществ на загрузочный стол 3, на котором поршни 4 для подачи горючих веществ установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения для подачи горючих веществ, поступающих из загрузочного желоба, на колосниковую решетку 5, на которой происходит сжигание горючих веществ. При этом несущественно, идет ли речь о наклонной или горизонтальной решетке и какое она имеет принципиальное устройство.

Описанный ниже способ может найти применение, например, в установке для сжигания в кипящем слое (на чертеже не представлена).

Под колосниковой решеткой 5 расположено устройство для подвода первичного газа горения, которое в целом обозначено позицией 6; это устройство может содержать несколько камер 7-11, к которым с помощью воздуходувки 12 по трубопроводу 13 подводится первичный газ горения в виде окружающего воздуха. За счет расположения камер 7-11 колосниковая решетка разделяется на несколько зон нижнего поддува, так что имеется возможность в соответствии с потребностями на колосниковой решетке регулировать подачу первичного газа горения. Эти зоны дутья под колосниковую решетку могут распределяться как по ширине колосниковой решетки, так и в поперечном направлении, так что подвод первичного газа горения может регулироваться в соответствии с конкретными условиями.

Над колосниковой решеткой 5 находится топочная камера 14, которая в верхней части переходит в вытяжку 15 отходящих газов, к которой примыкают не показанные агрегаты, например вытяжной кожух и устройство для очистки отходящих газов.

Сжигание топлива, обозначенного позицией 16, осуществляется на передней части колосниковой решетки 5, над которой находится газоход для отходящих газов 15. В этой области через камеры 7, 8 и 9 подводится большая часть первичного газа горения. На задней части колосниковой решетки 5 находится только выгоревшее топливо, т.е. шлаки, и в эту область первичный газ горения подводится через камеры 10 и 11, по существу, только для охлаждения этих шлаков. Поэтому отходящий газ имеет в задней области топочной камеры более высокое по сравнению с передней частью содержание кислорода, так что этот отходящий газ может использоваться в качестве внутреннего рециркуляционного газа для вторичного сжигания, если это требуют соответствующие условия.

Для этого предусмотрен трубопровод 17 для отходящего газа, который ведет к всасывающему вентилятору 18, который подает рециркуляционный газ к форсункам 19, 20 для вторичного сжигания, расположенным на противолежащих местах и в промежутках между ними на газоходе для отходящих газов.

Сгоревшие части горючего вещества падают в разгрузочное устройство 21 для шлака в конце колосниковой решетки 5.

Другие форсунки 22, 23 для вторичного газа горения равным образом в большом количестве распределены по периметру газохода для отходящих газов. Здесь вторичный газ горения может подводиться в виде окружающего воздуха, который транспортируется с помощью вентилятора 24. Для этого предусмотрен всасывающий трубопровод 25, причем регулирующий орган 26 позволяет регулировать количество окружающего воздуха. Другой соединенный с вентилятором 24 трубопровод 27, который контролируется регулирующим органом 28, служит для всасывания очищенного рециркуляционного газа из отходящего газа, к которому подмешивается окружающий воздух. Этот рециркуляционный газ из отходящего газа после прохождения отходящего газа отсасывается установкой для очистки отходящего газа и имеет более низкое по сравнению с внутренним рециркуляционным газом содержание кислорода. Этот рециркуляционный газ из отходящего газа служит в первую очередь для создания турбулентности, когда количество отходящего газа в газоходе 15 для отходящего газа слишком мало, чтобы создать достаточную турбулентность для улучшения горения во вторичной зоне.

Из установки 29 для разложения воздуха чистый кислород по транспортному и распределительному устройству 30 транспортируется, с одной стороны, по трубопроводу 21 для смешивания с первичным газом горения и, с другой стороны, по трубопроводу 32 для смешивания со вторичным газом горения. Соответствующее указание по регулированию поступает по магистрали 33 от центрального и комбинированного блока 34 управления и обработки данных, задача которого будет более подробно описана ниже. Через трубопровод 31 осуществляется подача кислорода в ответвительные трубопроводы 31а-31е, которые контролируются клапанами 35а-35е, которые, в свою очередь, управляются блоком 34 управления и обработки данных. Подводящие трубопроводы 31а-31е выходят в ответвительные трубопроводы 13а-13е, которые ответвляются от трубопровода 13 для окружающего воздуха и ведут к отдельным камерам 7-11 для дутья под колосниковую решетку.

Второй трубопровод 32, который отходит от транспортного и распределительного устройства 30, через регулирующие клапаны 36 и трубопроводы 37 ведет к форсункам 19, 20 для вторичного газа горения, через которые внутренний рециркуляционный газ поступает в топочную камеру. По ответвительным трубопроводам 38, которые в свою очередь контролируются регулирующими клапанами 39, к форсункам 22, 23 для вторичного газа горения может подводиться кислород, а по трубопроводу 40 от вентилятора 24 подводится вторичный газ горения. Это может быть или чистый окружающий воздух или окружающий воздух, смешанный с очищенным отходящим газом.

Термографическая камера 41 ведет наблюдение через топочные газы за поверхностью горящего слоя 42 и передает замеренные величины на центральный блок 34 управления и обработки данных. Позициями 43 и 44 обозначены сенсоры, среди которых несколько расположено над поверхностью горящего слоя и служат для измерения содержания О₂, СО и СО₂ в отходящем газе над горящим слоем 42, таким образом, в зоне первичного горения.

Для наглядности все трубопроводы, которые служат для распределения газовых потоков, и линии передачи замеренных данных представлены сплошными линиями, в то время как магистрали, по которым передаются указания по управлению, изображены пунктирными линиями.

Способ регулирования согласно изобретению описывается ниже.

Когда в определенной области колосниковой решетки 5 с помощью термографической камеры 41 фиксируется повышенная температура на поверхности 42 горящего слоя, связанная с повышением интенсивности горения, обусловленной наличием особенно легко воспламеняющихся горючих веществ с высокой теплотворной способностью, и если при этом с помощью сенсоров 43 и 44 регистрируется, с одной стороны, снижение содержания кислорода и/или, с другой стороны, повышение содержания СО, то эти данные направляются в центральный блок управления 34, который осуществляет выравнивание массового расхода кислорода между первичным газом горения и вторичным газом горения. При этом на соответствующем месте, по меньшей мере, через один из ответвительных трубопроводов 13а-13е ограничивается количество первичного газа, причем здесь происходит снижение массового расхода кислорода, поскольку первичный газ горения состоит из окружающего воздуха. Отдельные регулирующие устройства в ответвительных трубопроводах 13а-13е обозначены позициями 45 и управление ими осуществляется по магистралям 46 управления, которые ответвляются от магистрали 33, которая на практике выполнена в виде общей шины. По регулирующей магистрали 47 может быть в целом снижена мощность вентилятора 12 для окружающего воздуха. Поскольку к окружающему воздуху по трубопроводам 31а-31е подводится чистый кислород, то этот подвод кислорода может быть уменьшен с помощью клапанов 35а-35е, причем эти регулирующие клапаны с помощью соответствующих магистралей управления соединены с общей шиной 33 и, таким образом, с центральным блоком 34 регулирования.

Одновременно с уменьшением массового расхода кислорода в первичном газе горения в области вторичного газа горения происходит соответствующее выравнивание кислорода за счет увеличения массового расхода кислорода. Для этого с помощью клапана 36 осуществляется регулирование подачи кислорода от транспортного и распределительного устройства 30 через трубопровод 32 или к внутреннему рециркуляционному газу, который подается через форсунки 19 и 20 или регулируется с помощью клапана 39, ко вторичному газу горения, который представляет собой окружающий воздух или смесь, состоящую из окружающего воздуха и очищенного отходящего газа. В зависимости от оснащения установки для сжигания подвод вторичного газа горения, с помощью которого осуществляется выравнивание кислорода, может происходить или в небольшом количестве мест газохода для отходящих газов или в очень большом количестве отдельных мест. Когда вторичный газ горения, состав которого изменен для изменения таким образом массового расхода кислорода, подводится в малом количестве мест, то представляется целесообразным, если заранее в газоходе для отходящих газов создается зона гомогенизации, которая возникает благодаря подводу очищенного отходящего газа в турбулентной форме. Потом через эту зону гомогенизации подводится вторичный газ горения с измененным массовым расходом кислорода, причем является преимуществом, что при подводе внутреннего рециркуляционного газа последний вводится в местах с особенно высокой турбулентностью и, таким образом, с особенно повышенной гомогенизацией. Расположение очень большого числа форсунок для подвода вторичного газа горения имеет то преимущество, что выравнивание массовых расходов кислорода может осуществляться непосредственно над теми местами, в которых было зафиксировано повышение интенсивности горения. При таком образе работы зона гомогенизации берет на себя дополнительную гомогенизацию и тем самым сжигание СО, так как даже при большем количестве подводящих форсунок для вторичного газа горения не всегда может быть исключено образование отдельных струй СО, которые, не оказавшись под воздействием первого подвода вторичного газа горения, поднимаются вверх.