ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПЕЧЬ
VERTICAL FURNACE

Изобретение относится к устройствам для переработки твердых и жидких материалов огневым методом и может быть использовано в вертикальных печах с отдельной камерой сгорания для сжигания медицинских, промышленных и бытовых отходов.
Уровень данной области техники характеризуют устройства для сжигания кускового органического топлива, включающие сообщающиеся между собой камеру сгорания, связанную с загрузочным бункером, и камеру сжигания газообразных продуктов пиролиза, сообщающуюся выводящим трубопроводом с вытяжным насосом, при этом обе камеры содержат распределенные каналы подвода избыточного воздуха, который обеспечивает дожигание до конечных продуктов окисления, а также камеру рекуперации и сборник удаляемой золы (см., например, патенты RU 2182685, F23G 5/14, 2002 г. и 55937, F23G 7/00, 2006 г.).
Эти компактные производительные печи характеризуются сложным конструктивным устройством и технологическим обслуживанием при сжигании различных по составу и фракционности топливных смесей.
Кроме того, в отводящих каналах и ресивере описанных устройств возможна рекомбинация диоксинов и фуранов, которые не нейтрализуются, что при отсутствии фильтрующих устройств отходящих газов определяет выброс вредных и токсичных веществ: пары металлов, диоксины, хлориды, фураны, полиароматические углеводороды - попадают в атмосферу.
Отмеченные недостатки устранены в установке для термической переработки твердых отходов по патенту RU 2137044, F 23G 5/14, 1999 г., который по технической сущности и числу совпадающих существенных признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенной печи.
Известная установка содержит вертикальную печь в составе: камера сжигания с бункером для загрузки отходов и выходом для удаления зольного остатка и камера дожигания с газоходом для вывода отходящих газов. Далее установка включает скруббер и блок фильтрации газов с бункером-накопителем пыли.
Особенностью известной вертикальной печи является то, что камера сжигания сообщена с размещенной над ней и соосно камерой дожигания аэрозольных продуктов горения посредством отверстия в разделительном своде, а газоход, размещенный перпендикулярно стенке камеры дожигания, выполнен в виде щелевого рекуператора типа труба в трубе.
Один конец внутренней трубы рекуператора свободно входит в камеру дожигания в верхней ее части, а другой конец внутренней трубы сообщается с камерой нейтрализации вредных и токсичных компонентов отходящего аэрозоля.
Размещение камеры дожигания продуктов неполного горения (углеродистой пыли, окиси углерода, водорода), выносимых с газом из соосной нижерасположенной камеры сгорания, обеспечивает оптимальные условия для дожигания, так как они соединяются центральным отверстием промежуточного свода, проходное сечение которого значительно меньше диаметра камеры дожигания. При этом скорость газа падает и продукты неполного горения в присутствии воздуха дожигаются до двуокиси углерода и паров воды.
Отходящие газы дополнительно обрабатываются в рекуператоре, где в камере нейтрализации аэрозоль при температуре 1000-1050°С подвергается обработке щелочным раствором, впрыскиваемым через форсунку, при этом кислотные составляющие переводят в безвредные натриевые соли.
Охлажденный при этом газ до температуры 950-1000°С, оптимальной для восстановления окислов азота, взаимодействует с впрыскиваемый через дополнительную форсунку раствором карбамида.
Недостатком известной печи является технологическая сложность дополнительной обработки отходящих газообразных продуктов, наличие вредных и токсичных веществ в которых определено несовершенством конструкции двухкамерной печи с неоптимизированным процессом сжигания твердых материалов до конечных продуктов окисления.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение технологических возможностей и функциональной надежности вертикальной двухкамерной печи при улучшении ее экологичности.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известной вертикальной печи, содержащей камеру сжигания с окном загрузки непрерывно подаваемого твердого фрагментированного материала, размещаемого на колоснике, под которым установлены лотки удаления золы, и связанную с камерой сжигания посредством центрального отверстия в промежуточном своде камеру дожигания газообразных продуктов горения, оснащенную установленным нормально относительно продольной оси отводящим патрубком, согласно изобретению центральное отверстие промежуточного свода выполнено в форме сопла, проходное сечение которого составляет 9-13% поперечного сечения камер, а высота сопла сопоставима двум его диаметрам, при этом сопло оснащено двумя рядами распределенных каналов подачи воздуха, направленных в камеру дожигания под углом 30°, в лотках удаления золы установлены шнековые транспортеры, над которыми размещен скребок, связанный с механизмом поперечной подачи, а колосник выполнен трубчатым с перфорациями, соединен с системой подачи воздуха и снабжен ворошителем, выполненным в виде эксцентриков, кинематически связанных с приводом реверсивного поворота, при этом на выходе камеры дожигания смонтирован аварийный клапан, выполненный в форме шарнирно закрепленной крышки, которая через рычаг связана с ручным приводом.
Отличительные признаки обеспечили практически полное сжигание исходных различных материалов до конечных продуктов окисления в компактной экологичной печи.
Предложенное техническое решение представляет собой совокупность конструкции двухкамерной вертикальной печи по прототипу и технологической схемы автотермического горения твердого кускового материала в среде избыточного кислорода, описанной в аналогах, которая, с учетом усовершенствований и дополнений, представляет собой качественно новое устройство, характеризующееся более высокими показателями назначения с получением на выходе практически конечных продуктов окисления.
Выполнение центрального отверстия промежуточного свода между камерами печи проходным сечением в диапазоне 9-13% от поперечного сечения ее структурных камер выбрано по следующим соображениям.
При относительном размере проходного сечения коммуникационного отверстия менее 9% происходит пережим выходящего газовоздушного потока из камеры сжигания, что тормозит свободное движение в камеру дожигания, что может привести к скачку давления и затушить горение материала на колоснике.
При относительном размере проходного сечения отверстия коммуникации камер печи более 13% не обеспечивается требуемая эффективность перемешивания ламинарного потока газообразных продуктов горения с локально подаваемым дополнительным окисляющим воздухом, что снижает динамику дожигания продуктов горения и требует значительного увеличения высоты печи.
Высота центрального сопла коммуникации камер вертикальной печи соответствует двум ее диаметрам, что необходимо для конструктивного размещения как минимум двух рядов наклонных каналов подачи окисляющего воздуха, обеспечивающих двуединую функцию: торможения газообразных продуктов горения в камере сжигания для полноты их сгорания и высокотемпературного окислительного пиролиза в в среде избыточного кислорода воздуха.
Подача воздуха в сопло коммуникации камеры сгорания и камеры дожигания обеспечила более эффективный процесс послойного окислительного пиролиза при высокотемпературной деструкции твердого материала в среде избыточного кислорода воздуха. При этом происходит полное сгорание исходного материала практически до конечных продуктов окисления, не требующее дополнительных средств химической нейтрализации, механической сепарации и т.п.
Равное (сопоставимое) разделение воздуха в сопло промежуточного свода и под колосник отработано экспериментально для обеспечения по всей высоте печи избыточного содержания кислорода - активного окислителя.
Верхний ряд воздушных каналов сопла предназначен для создания воздушной демпфирующей завесы на входе камеры дожигания, где в его конфузоре при расширении происходит торможение потока, что улучшает перемешивание воздуха с газообразными продуктами горения, поступающими из камеры сгорания.
Нижний ряд воздушных каналов сопла создает центральную высокоскоростную струю воздуха, которая инжектирует из камеры сгорания газообразные продукты горения, при этом продукты горения активно перемешиваются с окисляющим воздухом.
Принудительная струйная подача воздуха в сопле образует между рядами каналов уплотнение, которое в виде тромба блокирует свободное движение газообразных продуктов горения, задерживая в камере сгорания на время не менее 2 с, что способствует более полному их окислению.
Совмещение центрального отверстия коммуникации камер печи в виде сопла, на выходе которого размещены каналы подвода окисляющего воздуха, повышает динамику потоков аэрозольных продуктов горения, организуя их подачу на дожигание разбавленным вторичным окисляющим воздухом.
Наклон подводящих каналов окисляющего воздуха в сопло между камерами формообразует центральный поток в камеру дожигания и разрежение под ним, обеспечивая тем самым инжекцию аэрозольных продуктов горения из камеры сжигания, которые активно перемешиваются с нагнетаемым воздухом, что способствует полному окислению продуктов горения: углеродистой пыли, окиси углерода, водорода и проч.
Выполнение угла наклона каналов подвода воздуха в сопло менее 25° к продольной оси не формирует устойчивого центрального потока, обеспечивающего активный подсос продуктов горения из камеры сгорания.
При выполнении этого угла более 35° в сопле повышается аэродинамическое сопротивление для свободного истечения продуктов горения в камере сгорания, которая запирается, что приводит к нарушению термодинамического процесса и повышению давление выше критического, что небезопасно.
Предложенное распределение подачи окисляющего воздуха по высоте печи обеспечивает автотермический процесс горения для максимального дожигания продуктов горения при оптимальных температурах в характерных срезах камер сгорания и дожигания.
Инжектируемые центральной струей воздуха, сформированной распределенными наклонными потоками из каналов нижнего ряда сопла, газообразные продукты демпфируются слоем воздуха, который образовался при торможении в конфузоре камеры дожигания. При этом происходит перемешивание дополнительного окисляющего воздуха с газовоздушной смесью за счет завихрений возникающей турбулизации потоков.
Избыток диспергированного кислорода (положительный баланс в газовоздушной смеси) необходим для полного дожигания продуктов горения до конечных продуктов окисления.
Размещение в лотках удаления золы шнековых транспортеров обеспечивает автоматический принудительный вынос золы и шлаковых остатков, просыпающихся через колосник, за пределы печи, где их собирают в емкости для дальнейшей утилизации или переработки.
Периодически перемещаемый гидроцилиндром поперек пода печи скребок сгружает с пода золу и шлак в лотки со шнеками для удаления из печи, поддерживая тем самым стабильность распределения воздушных потоков из подколосникового пространства к сжигаемому материалу.
Выполнение колосника трубчатым обеспечило совмещение с дополнительной функцией: в качестве трубопровода подачи воздуха, который служит хладагентом, предотвращая перегрев и конструкционное разупрочнение несущего тонкостенного колосника, предотвращая прогары стенок.
Выполнение перфораций на донной поверхности трубчатого колосника исключает их забивание золой и шлаком, обеспечивая равномерное распределение окисляющего воздуха по всему сечению камеры сгорания, так как подколосниковое пространство выполняет функции ресивера, где струи воздуха, расширяясь, перемешиваются, давление выравнивается. Затем воздух равномерно распространяется через колосник к сжигаемому материалу.
Оснащение колосника эксцентриками, связанными с приводом их реверсивного поворота, обеспечивает ворошение сжигаемого материала, предотвращая образование сводов и разрушая спекшуюся корку материала. Это увеличивает контактную поверхность взаимодействия с окисляющим воздухом, увеличивает скорость горения и полноту сгорания кускового материала.
Установка шарнирной крышки на отводящем патрубке камеры дожигания служит в открытом положении для обеспечения тяги при розжиге печи, а также выполняет функции аварийного клапана, если произойдет несанкционированный скачок давления. В первом случае крышку поворачивают вручную, во втором она открывается автоматически, при этом объем печи сообщается с атмосферой.
Выполнение в патрубке окна загрузки воздушной заслонки из канала, связанного с общей системой подачи воздуха, расширяет технологические возможности печи при сжигании твердых бытовых отходов без изоляции рабочего объема, при их порционной загрузке из питателя.
Дополнительная порция воздуха из этого канала активно перемешивается с горячими газообразными продуктами горения, окисляя их перед поступлением в сопло промежуточного свода, что способствует полноте сгорания различных материалов.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная техническая задача достигается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по термическому оборудованию, показал, что оно не известно, а с учетом возможности практического серийного изготовления вертикальной печи для сжигания твердых фрагментированных материалов можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображена предлагаемая вертикальная печь.
Предлагаемая печь представляет собой установленные вертикально футерованные камеру 1 сжигания и камеру 2 дожигания, связанные между собой центральным соплом 3.
Печь оснащена системой 4 подачи окисляющего воздуха в равном объеме в трубчатый колосник 5 и в каналы 6 сопла 3.
Распределенные каналы 6 сопла 3 расположены в два ряда по высоте и наклонены под углом 30° к продольной оси и направлены в камеру 2 дожигания.
Выходные отверстия 7 трубчатого колосника 5 расположены на его донной поверхности.
В колоснике 5 смонтированы ворошители 8, выполненные в форме эксцентриков, закрепленных на валу 9 привода их поворота (условно не показан).
Над подом камеры 1 сжигания установлен скребок 10, закрепленный на штоке гидроцилиндра 11 поперечного его перемещения.
Ниже размещены лотки 12 удаления золы, в которых установлены шнеки 13.
Камера 1 сжигания снабжена патрубком 14 подачи материала в окно 15 загрузки.
Воздух из общей системы 4 частично (10-12%) подается в канал 16 патрубка 14 подачи материала, который наклонен под углом 20° в сторону окна 15 загрузки для создания воздушной заслонки, изолируя тем самым объем камеры 1 сжигания.
На отводящем патрубке 17 камеры 2 дожигания шарнирно закреплена крышка 18, которая посредством рычага 19 связана с ручным приводом.
Нормально оси печи смонтирован отводящий дымоход 20, по которому аэрозоль подается на дальнейшую обработку.
Функционирует печь следующим образом.
Для розжига печи (при открытой крышке 18 на патрубке 17) используют загрузку топочного объема камеры 1 сжигания дровами, стружкой, щепой и пр., при сжигании которых обеспечивается подъем температуры до уровня 1200-1400°С.
Газы режима розжига выпускаются наружу через открытый патрубок 17 печи.
После этого при закрытой крышке 18 осуществляется загрузка камеры 1 сжигания через окно загрузки 15 твердым фрагментированным материалом, который поступает на колосник 5, порциями или непрерывно дозированно.
При этом по наклонному каналу 1 из системы 4 струйно подается со скоростью 28 м/с воздух, который создает изолирующую завесу рабочего объема камеры 1 сжигания.
Непрерывное сжигание подаваемого через окно 15 загрузки твердого фрагментированного материала происходит на колоснике 5, под который из воздуховода 4 со скоростью 18 м/с подается окислительный воздух, распределяемый затем в объем сжигаемого дискретного материала, увеличивая площадь горения и активизируя процесс с подъемом температуры до 1050-1150°С.
Геометрия сопла 3, количество каналов 6 на двух уровнях их расположения, наклон каналов 6 к продольной оси печи, обеспечивающие оптимальный термический и газодинамический режимы, были рассчитаны по математической модели планирования эксперимента.
Экспериментально установлено, что продукты окислительного пиролиза задерживаются в камере 1 сжигания на время не менее 2 с, что является достаточным для окисления сажи, как наиболее инертной и трудносжигаемой составляющей любого слоевого сжигания.
Направленные по наклоненным в камеру 2 дожигания каналам 6 струи окисляющего воздуха, подаваемого со скоростью 35 м/с из воздуховода 4, инжектируют газообразные продукты горения из камеры 1 сжигания, которые перемещаются в камеру 2 дожигания. При этом в сопле 3 происходит активное перемешивание газообразных продуктов горения с окисляющим воздухом, поступающим из каналов 6, образуя аэрозоль.
В камере 2 дожигания газовоздушная смесь расширяется, теряя скорость, и дожигается при температуре 1250-1300°С до конечных продуктов, о чем свидетельствует практически полное отсутствие сажи в газоходе 20.
Присутствие в отходящем со скоростью 15-17 м/с аэрозоле контролируемого кислорода не менее 3 мас.% гарантированного подтверждает его избыток в печи для осуществления окислительного пиролиза, обеспечивающего полное сжигание различных твердых и жидких материалов.
Периодически (через 30 минут) включается привод поворота эксцентриков 8, которые ворошат сжигаемый материал на колоснике 5, предотвращая образование сводов, и разрушают спекшуюся корку, что активизирует горение за счет увеличения площади контакта с окисляющим воздухом.
Скребком 10 с пода камеры 1 сжигания зола и шлак сталкиваются в лотки 12, где шнеками 13 автоматически выводятся наружу.
Опытные образцы описанных вертикальных печей разной комплектации структурных вспомогательных элементов успешно прошли полигонные испытания по сжиганию твердых бытовых, медицинских и жидких отходов, что позволяет рекомендовать их серийное изготовление для поставки заказчикам.
3
Контрольные замеры в отходящем аэрозоле показали содержание СО не более 50 ppm, NO в диапазоне 100-250 ppm, концентрацию диоксинов в эквиваленте 2, 3, 7, 8 - ТХДД, не превышающую 0,1 нг/м, что свидетельствует о высоком качестве полного сжигания разных отходов в предложенной печи.