МУСОРОСЖИГАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ И СПОСОБ СЖИГАНИЯ ДОННОГО ОСАДКА В ТАКОЙ ПЕЧИ (ВАРИАНТЫ)
WASTE INCINERATION FURNACE WITH FLUIDISED BED AND METHOD TO BURN BOTTOM SEDIMENT IN SUCH FURNACE (VERSIONS)

2
Настоящее изобретение относится к мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, которая может сжигать донный осадок, содержащий некоторое количество N, в то же время, подавляя генерирование NO, который представляет собой парниковый газ, и к способу сжигания донного осадка с использованием мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем.
2
2
2
Поскольку донный осадок, являющийся сырым осадком, содержит большое количество N, происходящего из белка, различные виды оксидов азота генерируются при сжигании и высвобождаются в атмосферу. В частности, среди этих оксидов азота, NO (оксид азота) демонстрирует парниковый эффект в 310 раз, больший, чем СО. По этой причине особенно необходимо уменьшение выброса NO.
2
2
Мусоросжигательные печи с псевдоожиженным слоем, которые генерируют мало диоксина, широко используются для сжигания донного осадка. Как правило, сжигание осуществляют примерно при 800°С. Однако, когда температура сжигания повышается до 850°С, это приводит к тому, что количество генерируемого NO уменьшается в несколько раз. Это упоминается как "высокотемпературный способ сжигания мусора", который считается способом, эффективным при подавлении NO.
2
Однако для повышения температуры мусоросжигания до 850°С необходимо увеличить используемое количество вспомогательного топлива в 1,4-1,6 раза по сравнению с обычной технологией. Это увеличение не является предпочтительным с точки зрения экономии энергии. В дополнение к этому, текущая ситуация, когда стоимость топлива повышается, вызывает сильное увеличение текущих расходов. Таким образом, "высокотемпературный способ сжигания мусора" является эффективным для подавления выброса NO, но имеет проблемы при практическом использовании.
2
2
2
Проблема подавления NO возникает даже в бойлере косвенного нагрева с псевдоожиженным слоем, использующем бытовые отходы в качестве топлива. Согласно японскому патенту №3059995 (далее - Документ 1) предлагается многоступенчатый способ горения для бойлера косвенного нагрева псевдоожиженным слоем. В многоступенчатом способе горения коэффициент избытка воздуха в псевдоожиженном слое устанавливается от 0,9 до 1,0 для подавления генерируемых количеств NO и NOx. По этой причине дополнительное топливо и горючий воздух подаются в верхнюю ступень для осуществления высокотемпературного горения для разложения NO при высокой температуре. Кроме того, достаточное количество воздуха вдувается в самую высокую ступень для осуществления полного сгорания.
2
Однако многоступенчатый способ горения по патентному документу 1 требует большего количества вспомогательного топлива для подачи дополнительного топлива и горючего воздуха для него в верхнюю ступень псевдоожиженного слоя для формирования высокотемпературной области, которая может разлагать NO. Поскольку многоступенчатый способ горения согласно Документу 1 связан с бойлером, многоступенчатый способ горения может собирать количество тепла от вспомогательного топлива, и используемое количество вспомогательного топлива не становится большой проблемой. Однако, когда способ применяют к мусоросжигательной печи для донного осадка, как он есть, используемое количество вспомогательного топлива становится проблемой, и способ не всегда является удовлетворительным с точки зрения экономии энергии.
2
Настоящее изобретение разработано для устранения проблемы, присущей предшествующему уровню техники. Задачей настоящего изобретения является создание мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, способной подавлять генерируемое количество NO, когда сжигается донный осадок, содержащий некоторое количество N, до того же уровня, что и при "высокотемпературном способе сжигания мусора", а также способного существенно уменьшить используемое количество вспомогательного топлива по сравнению с "высокотемпературным способом сжигания мусора". Другой задачей настоящего изобретения является создание способа сжигания мусора с псевдоожиженным слоем для донного осадка с использованием мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем.
2
Согласно первому объекту настоящего изобретения создана мусоросжигательная печь с псевдоожиженным слоем для донного осадка, содержащая корпус мусоросжигательной печи, в который донный осадок подают без сушки, причем внутреннее пространство корпуса мусоросжигательной печи разделено на нижнюю часть, часть над нижней частью и верхнюю часть, в направлении по высоте; при этом нижняя часть служит в качестве зоны пиролиза для термического разложения донного осадка, в то же время, подавая воздух для псевдоожижения, имеющий коэффициент избытка воздуха 1,1 или менее, вместе с топливом для сгорания топлива, для псевдоожижения донного осадка; часть над нижней частью служит в качестве зоны горения над слоем для подачи только вторичного горючего воздуха, имеющего коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3, для формирования локальной области с высокой температурой для разложения NO; а верхняя часть служит в качестве зоны полного сгорания для полного сжигания несгоревшего содержимого; причем коэффициент избытка воздуха в зоне пиролиза установлен равным от 0,7 до 1,1; температура зоны пиролиза установлена равной от 550 до 750°С; и температура зоны горения над слоем установлена равной от 850 до 1000°С; при этом общий коэффициент избытка воздуха для первичного воздуха, подающегося как воздух для псевдоожижения, и вторичного воздуха, подающегося в зону горения над слоем, установлен равным от 1,0 до 1,3.
2
Предпочтительно, зона реакции вспомогательного топлива для подачи только вспомогательного топлива, для разложения NO, формируется между зоной горения над слоем и зоной полного сгорания.
Коэффициент избытка воздуха для воздуха, подающегося в зону полного сгорания, может быть установлен равным от 0,1 до 0,3, а коэффициент избытка воздуха в целом может быть установлен равным 1,5 или меньше.
2
Согласно второму объекту изобретения создан способ сжигания донного осадка в вышеупомянутой мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, включающий этапы: введения донного осадка в мусоросжигательную печь с псевдоожиженным слоем; термического разложения донного осадка при температуре от 550 до 750°С, при осуществлении псевдоожижения донного осадка в зоне пиролиза, в которую воздух для псевдоожижения, имеющий коэффициент избытка воздуха 1,1 или меньше, подается вместе с топливом; вдувания горючего воздуха, имеющего коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3, в пиролизный газ в положении над зоной пиролиза для формирования локальной области с высокой температурой от 850 до 1000°С, для разложения NO в пиролизном газе; и вдувания воздуха в верхнюю часть для полного сжигания несгоревшего содержимого.
2
2
Согласно третьему объекту изобретения создан способ сжигания донного осадка в вышеупомянутой мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, включающий этапы: введения донного осадка в мусоросжигательную печь с псевдоожиженным слоем; термического разложения донного осадка при температуре от 550 до 750°С, при осуществлении псевдоожижения донного осадка в зоне пиролиза, в которую воздух для псевдоожижения, имеющий коэффициент избытка воздуха 1,1 или менее, подается вместе с топливом; вдувания горючего воздуха, имеющего коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3, в пиролизный газ в положении над зоной пиролиза для формирования локальной области с высокой температурой от 850 до 1000°С, для разложения NO в пиролизном газе; подачи только вспомогательного топлива в зону реакции вспомогательного топлива над положением над зоной пиролиза для разложения остатка NO; и вдувания воздуха в верхнюю часть для полного сжигания несгоревшего содержимого.
2
В соответствии с настоящим изобретением донный осадок вводится в мусоросжигательную печь с псевдоожиженным слоем, и донный осадок термически разлагается, в то же время, представляя собой псевдоожиженный слой в зоне пиролиза, в которую воздух для псевдоожижения, имеющий коэффициент избытка воздуха 1,1 или меньше, подается вместе с топливом. Поскольку зона пиролиза имеет коэффициент избытка воздуха 1,1 или меньше и содержит мало кислорода, окисление содержания N для подавления генерирования NO не может происходить легко. Тем не менее, донный осадок принудительно перемешивается в области температур от 550 до 750°С с помощью среды для ожижения, для термического разложения горючего содержания в осадке до достаточной степени.
2
2
2
В настоящем изобретении горючий воздух, имеющий коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3, вдувают в пиролизный газ в положении над зоной пиролиза для формирования локальной области высокой температуры от 850 до 1000°С и для разложения NO в пиролизном газе. Однако только воздух вдувают в часть, имеющую низкую концентрацию кислорода, для локального сжигания пиролизного газа. При этом зона горения над слоем вообще не требует вспомогательного топлива. Хотя NO генерируется в основном в части над слоем, содержащим частицы, в настоящем изобретении, область высокой температуры формируется в области генерирования NO. При этом, вторичный горючий воздух подается в часть над слоем, содержащим частицы (от слоя, содержащего частицы, до 1/3 высоты мусоросжигательной печи). Кроме того, высвобождение тепла блокируется посредством введения вторичного горючего воздуха в часть над слоем, содержащим частицы, для более легкого формирования локальной области с высокой температурой. В настоящем изобретении количество пиролизного газа, высвобождающееся из зоны пиролиза, меньше, чем уходящего газа горения при обычном горении. Меньшее количество тепла требуется для нагрева, и область высокой температуры является локальной. Кроме того, температура части с псевдоожиженным слоем является низкой. При этом, используемое количество вспомогательного топлива может быть существенно уменьшено по сравнению с "высокотемпературным способом сжигания мусора". Кроме того, поскольку воздух вдувают в верхнюю часть для полного сжигания несгоревшего содержимого, уходящий газ не содержит токсичных компонентов.
Зона пиролиза работает при коэффициенте избытка воздуха, устанавливаемом равным 1,1 или менее. Однако, когда коэффициент избытка воздуха уменьшается, становится все труднее поддерживать температуру слоя, содержащего частицы. Сложно уменьшать коэффициент избытка воздуха до меньшего, чем 0,8, в обычной пиролизной печи типа с псевдоожижением для непосредственного введения донного осадка. Однако в настоящем изобретении локальная область с высокой температурой формируется в положении над зоной пиролиза. Радиантное тепло от локальной области с высокой температурой облегчает поддержание температуры слоя, содержащего частицы, и может уменьшить коэффициент избытка воздуха в зоне пиролиза примерно до 0,7. По этой причине коэффициент избытка воздуха для мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем в целом также может быть уменьшен. Однако, когда коэффициент избытка воздуха зоны пиролиза слишком понижается, происходит дефект псевдоожижения, и могут генерироваться токсичные газы, такие как цианоген и монооксид углерода. При этом нижний предел коэффициента избытка воздуха составляет примерно 0,7.
2
2
2
Когда только вспомогательное топливо подается в зону реакции вспомогательного топлива над зоной горения над слоем, как в пункте 7 формулы изобретения, водород в топливе образует радикалы для взаимодействия с остатком NO для разложения NO. При этом, генерирование NO подавляется более надежно. Кроме того, поскольку необходимое подаваемое количество вспомогательного топлива является очень малым, используемое количество вспомогательного топлива может быть существенно уменьшено по сравнению с "высокотемпературным способом сжигания мусора" даже в этом случае.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в разрезе, показывающий первый вариант осуществления настоящего изобретения; и
фиг.2 - вид в разрезе, показывающий второй вариант осуществления настоящего изобретения.
На чертежах ссылочной позицией 1 обозначен корпус мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем; 2 - узел введения донного осадка; 3 - зона пиролиза; 4 - зона горения над слоем; 5 - зона полного сгорания; 6 - труба для подачи первичного воздуха; 7 - труба для подачи топлива; 8 - труба для подачи вторичного воздуха; 9 - третья труба для подачи содержания воздуха; 10 - зона восстановления; и 11 - вторая труба для подачи вспомогательного топлива.
Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения.
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе, показывающий первый вариант осуществления настоящего изобретения. Ссылочной позицией 1 обозначен корпус мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем. Ссылочной позицией 2 обозначен узел введения донного осадка, сформированный в боковой стенке корпуса мусоросжигательной печи 1. Донный осадок подается без сушки в корпус мусоросжигательной печи 1 из узла 2 введения. Донный осадок, как правило, представляет собой донный осадок из обезвоженных бытовых отходов. Однако донный осадок может представлять собой донный осадок с животноводческой фермы, промышленные осадки и тому подобное, который содержит некоторое содержание N. В настоящем варианте осуществления внутреннее пространство корпуса мусоросжигательной печи 1 разделено на три части в направлении по высоте. Внутреннее пространство корпуса мусоросжигательной печи 1 разделяется на зону 3 пиролиза, зону 4 горения над слоем и зону 5 полного сгорания горения, в этом порядке, от нижней части корпуса мусоросжигательной печи 1.
Зона 3 пиролиза, которая представляет собой зону, сформированную в самой нижней части корпуса мусоросжигательной печи 1, снабжена трубой 6 для подачи первичного воздуха и трубой 7 для подачи топлива. Воздух для псевдоожижения подается из трубы 6 для подачи первичного воздуха. Воздух для псевдоожижения и известная среда для псевдоожижения осуществляют псевдоожижение донного осадка. Из трубы 7 для подачи топлива подается вспомогательное топливо, и оно сжигается с помощью воздуха для псевдоожижения для поддержания температуры зоны 3 пиролиза при 550-750°С. Вводимый донный осадок нагревается, в то же время принудительно перемешиваясь под действием воздуха для псевдоожижения. В качестве вспомогательного топлива используются газы, такие как бытовой газ и газообразный пропан, или печные мазуты, такие как тяжелое дизельное топливо.
В настоящем изобретении подаваемое количество воздуха для псевдоожижения регулируется таким образом, что коэффициент избытка воздуха устанавливается равным 1,1 или менее, предпочтительно, от 0,7 до 1,1 по отношению к теоретическому количеству воздуха, необходимому для сжигания вспомогательного топлива и донного осадка. По этой причине, хотя донный осадок термически разлагается, коэффициент избытка воздуха является слишком низким, чтобы вызвать недостаточность количества кислорода.
2
Соответственно, генерируемое количество NO может подавляться по сравнению со случаем, когда осуществляется обычное горение с псевдоожижением. Как описано далее, поскольку локальная область с высокой температурой формируется в положении над зоной 3 пиролиза по настоящему изобретению, радиантное тепло локальной области с высокой температурой облегчает поддержание температуры в слое, содержащем частицы, и коэффициент избытка воздуха для зоны пиролиза может быть уменьшен примерно до 0,7. Когда коэффициент избытка воздуха меньше чем 0,7, тепловая ценность, вызываемая частичным сгоранием в части с псевдоожиженным слоем, меньше, чем значение уходящего тепла, состоящего из тепла испарения влажности из донного осадка, тепла пиролиза, высвобождения тепла или чего-либо подобного. Это осложняет поддержание температуры части с псевдоожиженным слоем, и могут генерироваться токсичные газы, такие как цианоген и монооксид углерода. По этой причине, является предпочтительным, чтобы коэффициент избытка воздуха составлял 0,7 или более и 1,1 или менее.
2
Зона 4 горения над слоем формируется в положении над зоной 3 пиролиза. В зоне 4 горения над слоем, только горючий воздух подается из трубы 8 для подачи вторичного воздуха с тем, чтобы установился коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3. Пиролизный газ, восходящий от зоны 3 пиролиза, вступает в контакт с воздухом и сгорает с формированием локальной области с высокой температурой (горячего пятна), имеющей температуру от 850 до 1000°С. По этой причине, NO, содержащийся в пиролизом газе, разлагается, с уменьшением его количества в локальной области с высокой температурой.
2
Когда коэффициент избытка воздуха, подающегося из трубы 8 для подачи вторичного воздуха, меньше чем 0,1, локальная область с высокой температурой от 850 до 1000°С формироваться не может. Когда коэффициент избытка воздуха больше чем 0,3, количество воздуха увеличивается, и необходимо подавать вспомогательное топливо для формирования локальной области с высокой температурой от 850 до 1000°С. По этой причине, необходимо устанавливать коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3. Таким образом, уникальная характеристика настоящего изобретения заключается в том, что только малое количество воздуха вдувается в восстановительную атмосферу для формирования горячего пятна для разложения NO. Настоящее изобретение имеет то преимущество, что не является необходимым использование вспомогательного топлива, которое больше, чем количество, необходимое для подержания температуры в псевдоожиженном слое. Предпочтительно, чтобы общий коэффициент избытка воздуха из первичного воздуха, подаваемого как воздух для псевдоожижения, и вторичного воздуха, подаваемого в зону горения над слоем, устанавливался от 1,0 до 1,3.
2
2
Верхняя часть корпуса мусоросжигательной печи 1 представляет собой зону 5 полного сгорания, которая полностью сжигает несгоревшее содержимое. Труба 9 для подачи воздуха для сжигания несгоревшего содержимого, которая расположена в зоне 5 полного сгорания, подает воздух. Подаваемое количество воздуха регулируется так, что устанавливается коэффициент избытка воздуха от 0,1 до 0,3. Температура зоны 5 полного сгорания составляет от 800 до 850°С. NO, который не разложился в зоне 4 горения над слоем, дополнительно разлагается, и СО окисляется до СО. Они высвобождаются из мусоросжигательной печи, и осуществляется обыкновенная переработка уходящего газа.
2
2
2
Все количество воздуха, подаваемого из трубы 6 для подачи первичного воздуха, трубы 8 для подачи вторичного воздуха и из трубы 9 для подачи воздуха для сжигания несгоревшего содержимого, регулируется так, что общий коэффициент избытка воздуха равен 1,5 или меньше, предпочтительно 1,3 или меньше. Таким образом, коэффициент избытка воздуха дросселируется, и вспомогательное топливо подается только из трубы для подачи топлива 7 зоны 3 пиролиза. Как следствие, генерируемое количество NO может быть существенно уменьшено (в примерах, до 1/3) по сравнению с обычным уровнем, в то время как используемое количество вспомогательного топлива по большей части устанавливается на обычном уровне. Эффект подавления NO по настоящему изобретению такой же или больше, чем для "высокотемпературного способа сжигания мусора". Однако используемое количество вспомогательного топлива в "высокотемпературном способе сжигания мусора" в 1,4-1,6 раз больше, чем обычный уровень. Таким образом, настоящее изобретение может подавлять генерируемое количество NO до уровня, такого же или меньшего, чем для "высокотемпературного способа сжигания мусора". Кроме того, настоящее изобретение может существенно уменьшить используемое количество вспомогательного топлива по сравнению с "высокотемпературным способом сжигания мусора".
2
Фиг.2 представляет собой вид в разрезе, показывающий второй вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.2, зона 10 реакции вспомогательного топлива формируется между зоной 3 пиролиза и зоной 4 горения над слоем. В зону 10 реакции вспомогательного топлива подается только вспомогательное топливо, и NO разлагается. При этом внутреннее пространство корпуса мусоросжигательной печи 1 разделяется на четыре части в направлении по высоте.
2
2
2
Вторая труба 11 для подачи вспомогательного топлива располагается в зоне 10 реакции вспомогательного топлива, и небольшое количество вспомогательного топлива добавляют через вторую трубу 11 для подачи вспомогательного топлива. Углеводороды в качестве вспомогательного топлива термически разлагаются с генерированием водородных радикалов. Водородные радикалы взаимодействуют с NO, содержащимся в пиролизном газе донного осадка, с разложением NO. Поскольку в зоне формируется более сильная восстановительная атмосфера посредством добавления вспомогательного топлива, генерирование NO подавляется.
2
Таким образом, генерируемое количество NO дополнительно подавляется по сравнению со случаем варианта осуществления, описанного выше, посредством формирования зоны 10 реакции вспомогательного топлива (в примерах, до 1/4 от обычного уровня). В этом случае, вспомогательное топливо подается в избытке, по сравнению с вариантом осуществления, описанным выше. Однако, как описано в примерах, малое количество вспомогательного топлива может демонстрировать большой эффект.
Пример 1
2
Эксперименты по сжиганию донного осадка осуществляют в эксперименте с использованием мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, в то время как условия изменяются. Количество вводимого донного осадка составляет 80 кг/час в каждом из экспериментов по сжиганию мусора. В качестве вспомогательного топлива используют тяжелое дизельное топливо. Эксперименты осуществляют по отношению к следующим четырем видам: обычное сжигание мусора с псевдоожиженным слоем, осуществляемое обычно, высокотемпературное сжигание мусора, имеющее высокую температуру сжигания мусора, способ показан на фиг.1 согласно настоящему изобретению, и способ показан на фиг.2 согласно настоящему изобретению. В способе, показанном на фиг.2 согласно настоящему изобретению, используют газообразный пропан в количестве, соответствующем 300 м.д. уходящего газа, в качестве вспомогательного топлива, из трубы для подачи вспомогательного топлива. Для каждого из способов сжигания мусора измеряют используемое количество вспомогательного топлива (показанное с помощью тепловой ценности вспомогательного топлива на 1 кг донного осадка), температуру части над псевдоожиженным слоем, температуру выхода мусоросжигательной печи, концентрацию компонента уходящего газа, содержащего NO, и общий коэффициент избытка воздуха, и они показаны в таблице 1.
Таблица 1
Единица
Обычное сжигание мусора
Высокотемпературное сжигание мусора
Способ на фиг.1
Способ на фиг.2
Общая тепловая ценность вспомогательного топлива
МДж/кг
2,66
4,04
2,66
2,78
Самая высокая температура части над псевдоожиженным слоем
°С
814
868
873
877
Температура на выходе мусоросжигательной печи
°С
797
850
805
809
Концентрация СО
м.д.
47
26
23
13
Концентрация СО<sub>2</sub>
%
9,1
9,4
14,4
14,9
Концентрация N<sub>2</sub>O
м.д.
314
96
88
76
Общий коэффициент избытка воздуха
1,40
1,34
1,23
1,19
2
Как понятно из приведенных данных, настоящее изобретение имеет то преимущество, что количество NO, генерируемое во время сжигания донного осадка, может быть существенно уменьшено, в то же время, сохраняя используемое количество вспомогательного топлива на том же уровне, как и для обычного способа сжигания мусора.
Пример 2
2
Как в примере 1, эксперименты по сжиганию донного осадка осуществляют с использованием в эксперименте мусоросжигательной печи с псевдоожиженным слоем, в то время как условия изменяются так, что используемое количество вспомогательного топлива дополнительно уменьшается. Количество вводимого донного осадка в каждом из экспериментов по сжиганию мусора составляет 80 кг/час. В качестве вспомогательного топлива используют тяжелые фракции нефти. Для каждого из способов сжигания мусора измеряют используемое количество вспомогательного топлива (показанное с помощью тепловой ценности вспомогательного топлива на 1 кг донного осадка), температуру части над псевдоожиженным слоем, температуру выхода мусоросжигательной печи, концентрацию компонента уходящего газа, содержащего NO, общий коэффициент избытка воздуха, первичный коэффициент избытка воздуха и второй коэффициент избытка воздуха + третий коэффициент избытка воздуха, они показаны в таблице 2.
2
2
Данные, когда первичный коэффициент избытка воздуха последовательно уменьшается от 0,9 до 1,2, поддерживая при этом общий коэффициент избытка воздуха постоянным в способе на фиг.1, показаны в таблице 2. Когда первичный коэффициент избытка воздуха устанавливают равным 1,1 или меньше, как в настоящем изобретении, происходит то, что концентрация NO в уходящем газе заметно уменьшается по сравнению со случаем, когда первичный коэффициент избытка воздуха устанавливается равным 1,2. Как видно из данных, пример 2 имеет то преимущество, что количество NO, генерируемого во время сжигания донного осадка, может быть существенно уменьшено, сохраняя при этом используемое количество вспомогательного топлива на том же уровне, как и для обычного способа сжигания мусора.