СПОСОБ СЖИГАНИЯ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА И КОТЕЛ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF BURNING OF POULTRY DROPPINGS AND BOILER FOR METHOD IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики. Более конкретной областью использования изобретения будет топочная техника, например котельные агрегаты, в том числе мобильные, утилизирующие птичий, например куриный, помет непосредственно на птицефабриках с целью выработки тепловой и электрической энергии, а также получения золы как ценного минерального удобрения.
В качестве аналогов предлагаемого изобретения могут быть выбраны следующие технические решения.
x
Известен факельный способ сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии в камерной гамма-топке с пересекающимися струями (Котлер В.Р. Специальные топки энергетических котлов, М.: Энергоатомиздат, 1990, стр.18, рис.8). В такой топке обеспечивается высокая теплонапряженность топочного объема, хорошее удержание частиц топлива в топочном объеме вследствие создания вихревого движения газов с горизонтальной осью вращения, обеспечивающее высокую полноту сгорания. Недостатком данного способа является нестабильность топочного процесса при колебаниях нагрузки по расходу и влажности топлива, высокая температура, приводящая к образованию вредных окислов NO, неприспособленность для сжигания крупнофракционных высоковлажных топлив, к которым относится птичий помет.
Известен способ сжигания измельченного топлива, описанный в патенте RU 2127399, опубликованном 10.03.1999, при котором температуру в предтопке поддерживают на уровне, не превышающем температуру размягчения золы. Недостатком данного способа применительно к задаче сжигания птичьего помета является невозможность термического разложения вредных продуктов газификации птичьего помета вследствие относительно низкой температуры топочного процесса и отсутствие возможности предварительной подсушки топлива внутри самой топки вследствие циклонного принципа сжигания.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого изобретения может быть выбрано устройство для сжигания смеси углеродосодержащих материалов и помета по патенту RU 2375637, опубликованному 10.12.2009, и соответственно способ сжигания помета, описанный в данном источнике. Предложенное устройство включает топку для сжигания птичьего помета, содержащую радиационную камеру с дутьевыми соплами. Способ сжигания птичьего помета в известном устройстве предусматривает подачу птичьего помета в радиационную камеру с организацией процесса сжигания топлива в ее нижней слоевой части и дожитом генераторного газа и летучих в ее верхней части. Известное из RU 2375637 устройство предназначено непосредственно для сжигания подстилочно-пометной массы, однако для данного устройства будут характерны все недостатки, перечисленные выше для способа по патенту RU 2127399. То есть также невозможно термическое разложения вредных и зловонных продуктов газификации птичьего помета и отсутствует возможность предварительной подсушки топлива внутри самой топки вследствие отсутствия механизма подачи топлива. Кроме того, устройство по RU 2375637 достаточно сложно по конструкции, включающей систему перегородок между массой сжигаемого помета и топливом для сжигания, расположенную в радиационной камере топке (очевидна их низкая надежность), а также предусматривающей необходимость отдельного узла для очистки уходящих газов.
В свою очередь предлагаемое изобретение позволит устранить указанные выше недостатки и позволит предложить способ для сжигания птичьего помета, а также топку для осуществления способа, которые позволят сжигать птичий помет с полным дожигом вредных и зловонных газов. Указанный технический результат достигается при использовании предложенного способа сжигания птичьего помета, а также котла для осуществления способа.
Предложенный способ сжигания птичьего помета предусматривает подачу птичьего помета в топочную камеру с организацией процесса сжигания топлива в ее нижней топочной части и дожигом генераторного газа и летучих в ее верхней части. В отличие от аналога птичий помет подают в верхнюю вихревую часть топочной камеры с его подсушкой при движении через упомянутую часть под действием силы тяжести. В нижней слоевой части топочной камеры организуют полугазогенерационный процесс сжигания в перемешиваемой кипе, содержащей слой раскаленного инертного кокса с последующим дожигом генераторного газа и летучих в верхней вихревой части топочной камеры. При этом в вихревую часть топочной камеры вдувают струи подогретого вторичного воздуха, направленные навстречу друг другу. В нижнюю слоевую часть топочной камеры подают подогретый первичный воздух. Упомянутую кипу перемешивают шурующей планкой. Уходящие газы из топочной камеры попадают в радиационную камеру.
Предложенный котел для сжигания птичьего помета представляет собой топочную камеру, разделенную на верхнюю вихревую часть с, по меньшей мере, одним окном выгрузки птичьего помета и дутьевыми соплами вторичного воздуха и нижнюю слоевую часть, оборудованную средствами организации полугазогенерационного процесса сжигания в перемешиваемой кипе, содержащей слой раскаленного инертного кокса. В нижней слоевой части топочной камеры расположена колосниковая решетка, на которой снизу вверх размещены слои кипы: зона охлаждения, грануляции и выгрузки золы, в которой перемещается шурующая планка; окислительная зона выгорания кокса; восстановительная зона; зона инертного кокса; зона сушки и выделения летучих. В колосниковой решетке исполнены дутьевые сопла первичного воздуха. В самом верху топочной камеры встроены сопловые насадки, через которые в котел вдувается вторичный воздух, образующий вихревую зону горения. С верхней вихревой частью топочной камеры связана радиационная камера. Стены топочной камеры и радиационной камеры экранированы трубами циркуляционного контура котельной установки.
Птичий помет является особым и специфическим топливом, затрудняющим его сжигание в традиционных топочных устройствах, предназначенных для утилизации древесных отходов и других продуктов растительного происхождения. Основными особенностями птичьего помета является относительно высокая исходная влажность, относительно высокая зольность, низкая температура плавления золы, что обусловливает повышенную склонность к шлакообразованию, высокое содержание в продуктах газификации топлива вредных для окружающей среды и зловонных для человека веществ: аммиака, сероводорода, меркаптанов и др.
Соответственно технология сжигания птичьего помета должна отвечать следующим основным требованиям:
- обеспечение возможности предварительной подсушки топлива в слое до влажности, соответствующей условиям ведения топочного процесса;
- обеспечение возможности термического разложения в топочной камере вредных и зловонных газов, таких как аммиак, сероводород, меркаптаны, во избежание их попадания в составе дымовых газов в окружающую среду;
- исключение возможности зашлаковывания колосниковой решетки топки и теплообменных поверхностей трубного пучка котла;
- обеспечение, по возможности, улавливания мелкофракционных частиц зольного остатка и недогоревших частиц топлива, уносимых топочными газами, до их попадания в газоходы теплообменных поверхностей котельного агрегата.
Соответственно целью при создании способа сжигания птичьего помета и соответствующей топки будет
- обеспечение возможности сжигания птичьего помета при условии твердого золоудаления;
- исключение возможности шлакования колосниковой решетки топки и трубного пучка котельного агрегата;
- нейтрализация вредных газов, выделяющихся при сгорании помета;
- очистка дымовых газов от мелкофракционных частиц золы до попадания на теплообменные поверхности конвективного трубного пучка котельного агрегата;
x
- исключение возможности образования вредных окислов азота NO;
- улучшение условий зажигания высоковлажного разнофракционного топлива;
- повышение стабильности процесса горения и полноты сгорания.
Для достижения поставленной цели котел разделяется пережимом 2 на две камеры: топочную 3 и радиационную (конвективную) 4. Топочная камера 3 по высоте условно разделена на две части: нижнюю слоевую и верхнюю вихревую. В нижней слоевой части на колосниковой решетке в кипе (то есть в неподвижном слое топлива) высотой не менее 300 мм реализуется полугазогенерационный процесс сжигания, включающий подсушку свежего топлива, выделение из него летучих компонентов с образованием кокса, образование генераторного газа в восстановительной зоне и выжигание кокса в окислительной зоне кипы. Подсушке свежего влажного топлива, эффективному зажиганию топлива и повышению стабильности горения способствует наличие в кипе стабилизационного зажигательного слоя раскаленного инертного кокса. Для поддержания газогенераторного процесса горения первичный воздух в количестве 70% от теоретически необходимого подается в газогенераторную зону снизу через каналы в колосниковой решетке.
2
В окислительной зоне кипы температура достаточно высока, что приводит к оплавлению наружной поверхности частиц золы и их размягчению. Однако зашлаковывания колосниковой решетки не происходит вследствие того, что при гравитационном опускании золы вниз происходит конвективное охлаждение зольных частиц потоком первичного воздуха, подаваемого снизу через каналы колосниковой решетки, а также кондуктивное охлаждение посредством отвода теплоты от размягченных и оплавленных зольных частиц к более холодным твердым частицам в нижнем слое золы, образующим защитный слой, отделяющий зону оплавленных частиц от поверхности колосниковой решетки. Часть теплоты, выделяющейся в зоне окисления, посредством кондуктивного теплообмена передается в верхнюю более холодную восстановительную зону, где идет реакция восстановления CO до CO с поглощением теплоты. В результате охлаждения происходит кристаллизация пленки жидкого шлака на поверхности зольных частиц, что приводит к их грануляции и превращению в малоразмерные гранулы, пригодные для твердого золоудаления. Доступ охлаждающего воздуха к зольным частицам и активное перемешивание оплавляемых частиц золы с более холодными частицами твердой золы обеспечивается возвратно-поступательным движением по колосниковой решетке шурующей планки 7. Скорость шуровки слоя и удаления твердой золы таковы, чтобы согласно тепловому балансу зольного слоя из него обеспечивался отвод избыточной теплоты, а также поддерживался защитный слой твердой золы достаточной толщины, чтобы в нем происходил процесс охлаждения и кристаллизации оплавленных зольных частиц, с целью защиты решетки от зашлаковывания и обеспечения твердого золоудаления. Кроме того, охлаждение зольного слоя также осуществляется за счет отвода части теплоты к экранным трубам 9 циркуляционного контура котла, размещенным по боковой поверхности топочной камеры.
В верхней части топочной камеры 3 реализуется вихревое сжигание образовавшегося генераторного газа и летучих, дожиг выносимых из слоя мелких частиц топлива и возврат в слой частиц золы, частичная подсушка свежего топлива, а также термическая нейтрализация вредных и зловонных газов. Для этого в вихревую зону топочной камеры 3 через сопла 5, расположенные напротив друг друга в области пережима 2 и направленные вниз под углом 30…60° к горизонту, вдувается острыми струями со скоростью 100…140 м/с подогретый до 250-350°C вторичный воздух. Количество вторичного воздуха составляет 45-50% от общего количества воздуха, необходимого для горения. Направление движения струй встречно-направленное вследствие того, что сопла 5 на стенках топки напротив друг друга установлены с определенным шагом в горизонтальной плоскости. Встречная компоновка сопел способствует стабилизации очага горения и выравниванию температурного поля в вихревой зоне. Благодаря такой аэродинамике в надслоевом пространстве топки ниже пережима 2 в результате ударного взаимодействия струй образуются два крупных вихря с горизонтальной осью вращения. В центре топки траектории движения вихрей имеют нисходящий характер, а вблизи стенок топки - восходящий.
x
Топки с пережимом исторически были разработаны, как форсированные топки полуоткрытого типа, имеющие высокое теплонапряжение топочного объема. Обычно их используют для реализации жидкого шлакоудаления, так как в них развивается высокая температура. Однако в данном случае благодаря экранированию топочной камеры трубами циркуляционного контура котла из зоны горения отводится избыточная теплота, что позволяет организовать процесс сжигания, обеспечивая снижение температуры топочного объема до уровня, исключающего шлакование топки и образование вредных окислов азота NO. Вследствие подачи острого дутья и завихрению потока осуществляется активное смесеобразование генераторного газа и подогретого вторичного воздуха, благодаря чему в области соударения струй в центре топки поддерживается достаточно высокая температура, необходимая для термической нейтрализации вредных и зловонных газов.
Окно выгрузки свежего топлива 1 конструктивно расположено так, что при выгрузке топливо попадает в наиболее высокотемпературную зону вихря, направленную вниз к слою, за счет чего в процессе падения в слой происходит частичная подсушка влажного топлива и сокращается вынос мелких частиц с высокой парусностью вследствие эжектирующего действия скоростных струй. За счет организации многократной циркуляции топочных газов в вихре достигается удержание в радиационной камере ниже пережима мелких твердых частиц топлива, выносимых из слоя до их полного сгорания. Этим обеспечивается повышение полноты сгорания топлива и снижение потерь теплоты с механическим недожогом. За счет пересечения в области выхода из сопел 5 медленных струй восходящих потоков, обладающих низкой кинетической энергией, с высокоскоростными наклонными струями из сопел 5, обладающими высокой кинетической энергией, происходит перехват из восходящего потока и сепарация в нисходящую скоростную струю мелких частиц твердого зольного остатка. Благодаря приобретенной кинетической энергии при обратном развороте над слоем направленных вниз вихревых струй под действием силы инерции происходит вынос зольных частиц из струи и падение в слой. Таким образом, реализуется очистка дымовых газов от мелкофракционных частиц золы и не допускается их вынос в конвективную часть.
Предложенная технология сжигания птичьего помета осуществляется следующим образом. Птичий помет через окно (питатель) 1 попадает в высокотемпературную часть вихревой зоны топочной камеры 3, где в процессе падения на слой происходит его частичное подсушивание. На колосниковой решетке 6 расположен слой топлива толщиной не менее 300 мм (кипа), в котором реализуется полугазогенерационный процесс. В кипе, как показано, последовательно сверху вниз расположены: зона сушки и выделения летучих, зона инертного кокса, восстановительная зона, в которой происходит образование генераторного газа, окислительная зона выгорания кокса, зона охлаждения, грануляции и выгрузки золы. Сама кипа неподвижно расположена на колосниковой решетке, но внутри нее происходит гравитационное опускание топлива, проходящего последовательно все стадии процесса. Нижняя часть кипы (зона охлаждения, грануляции и выгрузки золы) подвергается непрерывной шуровке посредством шурующей планки 7, с помощью которой осуществляется выгрузка золы в золосборник 8. Для поддержания процесса в кипе и охлаждения шлака снизу через отверстия в колосниковой решетке 6 подается подогретый до температуры 250-350°C первичный воздух в количестве 70% от теоретически необходимого.
В вихревую зону радиационной камеры 3 через встречно-наклонные сопла 5, расположенные в области пережима 2 между топочной 3 и радиацинной 4 камерами, вдувается подогретый до 250-350°C вторичный воздух в количестве 70% от потребного со скоростью 100…140 м/с. В результате встречного взаимодействия струй образуются вихри, в которых происходит активное смесеобразование с генераторным газом и его сгорание, сжигание выносимых из слоя мелкофракционных твердых частиц топлива, термическая нейтрализация вредных и зловонных газов, выделившихся из птичьего помета. В результате поперечного взаимодействия струй с различной кинетической энергией при их взаимном пересечении из потока восходящих дымовых газов происходит сепарация твердых частиц зольного остатка и возврат их в слой. Для предотвращения создания в топочной камере слишком высоких температур, создающих угрозу плавления золы и зашлаковывания топки, боковые поверхности топочной камеры экранированы трубами 9, включенными в состав циркуляционного контура котла, к которым отводится теплота.
Как и было показано выше, устройство для реализации предлагаемого способа представляет топку, разделенную пережимом 2 на две камеры: топочную 3 и радиационную 4. Топочная 3 в свою очередь разделена на две зоны: слоевого горения и вихревого горения. На колосниковой решетке 6 располагается неподвижная кипа топлива высотой не менее 300 мм, в которой реализуются все стадии газогенераторного процесса. Для его поддержания через отверстия в колосниковой решетке 6 подается подогретый первичный воздух. Нижняя часть слоя подвергается непрерывной шуровке посредством возвратно-поступательного движения шурующей планки 7, которая осуществляет золоудаление в золосборник 8. В зоне вихревого горения в области пережима 2 встречно-наклонно в горизонтальной плоскости относительно друг друга расположены дутьевые сопла 5 для подачи подогретого вторичного воздуха. Окно выгрузки в топку свежего топлива расположено так, чтобы выгрузка свежего топлива производилась по линии пересечения осей встречных струй, чтобы обеспечить попутное со струями нисходящее движение топлива вниз в слой. Благодаря эжектирующему эффекту струй это уменьшает вынос мелкофракционных частиц топлива с высокой парусностью, а высокая температура в очаге горения в месте соударения струй обеспечивает частичную подсушку влажного топлива еще в процессе его падения в слой. При поперечном пересечении струй в области устья сопел происходит сепарация струей высокой энергии твердых частиц зольного остатка из восходящих струй топочных газов с более низкой энергией и возвращение этих частиц в слой.
Таким образом, предложен эффективный способ для сжигания птичьего помета, а также топка для его осуществления, который позволит сжигать птичий помет с полным дожигом вредных и зловонных газов.