ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к устройствам для переработки твердых и жидких материалов огневым методом и может быть использована 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, F23G 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 (углеродиcтой
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 которых определено несовершенством конструкции двухкамерной печи с неоптимизированным процессом сжигания твердых материалов до конечных продуктов окисления.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является расширение технологических возможностей по сжиганию различных отходов усовершенствованной вертикальной двухкамерной печи, в которой на выходе в аэрозоли отсутствуют вредные и токсичные вещества.
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 расположены лотки удаления золы, камеру дожигания газообразных продуктов горения, оснащенную установленным нормально относительно продольной оси отводящим патрубком, по предложению авторов, она дополнительно снабжена системой подачи воздуха в равном объеме под колосник и в центральное отверстие промежуточного свода, которое выполнено в форме сопла, в котором имеется, как минимум два ряда каналов, наклоненных в камеру дожигания, при этом колосник выполнен трубчатым с перфорациями на донной поверхности и снабжен кривошипами механизма ворошения, а в лотках удаления золы установлены шнековые транспортеры, над которыми смонтирован скребок с возможностью поперечных перемещений, в патрубке окна загрузки соосно установлен толкатель, закрепленный на штоке гидроцилиндра, или подающий шнек, над которыми соответственно размещены питатель с каскадом шиберного шлюзования или измельчитель приемного бункера с сепарацией газов, причем в первом варианте выполнения патрубок окна загрузки оснащен воздушной заслонкой, формируемой каналом сообщения с общей системой подачи воздуха или в патрубке окна загрузки соосно установлен подающий шнек, под которым размещен измельчитель приемного бункера твердого медицинского материала с сепаратором газов, оснащенный форсункой подачи жидких отходов, при
этом на отводящем патрубке камеры дожигания шарнирно закреплена крышка, через рычаг связанная с приводом, преимущественно ручным.
Отличительные признаки обеспечили полное сжигание подаваемого порционно или непрерывно кускового материала в режиме окислительного пиролиза, получая на выходе практически конечные продукты окисления, при автоматическом удалении зольных остатков.
Подача воздуха в камеру сгорания и сопло коммуникации камеры сгорания и камеры дожигания сформировала послойного процесс 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.
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 газо-воздушной 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.
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 кривошипами, 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.
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 с каскадом шиберного шлюзования и подаче толкателем, закрепленным на штоке гидроцилиндра.
Дополнительная порция воздуха из этого канала перемешивается с горячими газообразными продуктами горения, окисляя их перед поступлением в сопло промежуточного свода.
Вариант выполнения шнековой подачи предварительно измельченного твердого материала, непрерывно поступающего из условно герметичного бункера, оснащенного отсосом газов, предназначен для сжигания в печи твердых медицинских отходов, в том числе инфицированных.
Удаленные из бункера газы направляются в печь на сжигание.
Размещение в бункере между измельчителем и подающим шнеком форсунки, распыляющей утилизуемую жидкость (вредную или токсичную) в виде дисперсии для нанесения ее на поверхность измельченной твердой фракции, падающей на шнек загрузки в печь. При этом возможно смешивать 10-15 мас.% жидкости с твердыми медицинскими отходами, которые сжигаются в изолированном объеме.
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.
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.
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 сверх эффектом суммы признаков.
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.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы. На чертеже схематично изображены:
на фиг.1 - печь для сжигания твердых бытовых отходов;
на фиг.2 - печь для сжигания твердых медицинских и жидких отходов.
Предлагаемая печь (фиг.1 и 2) 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 кривошипов, 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.
На отводящем патрубке 16 камеры 2 дожигания шарнирно закреплена крышка 17, которая посредством рычага 18 связана с ручным приводом.
В печи сжигания твердых бытовых отходов (фиг.1) воздух из общей системы 4 частично (10-12%) подается в канал 19 патрубка 14 подачи материала, который наклонен под углом 20° в сторону окна 15 загрузки для создания воздушной заслонки, перекрывая окно 15 загрузки, изолируя тем самым объем камеры 1 сжигания.
Соосно патрубку 14 установлен гидроцилиндр 20, на штоке которого закреплен толкатель 21 для подачи материала к окну 15 загрузки, поступающего порционно из питателя 22 с каскадом поворотных шиберов 23, образующих
шлюзы 24.
Патрубок 14 печи сжигания твердых медицинских отходов (фиг.2) совмещен с подающим шнеком 25, установленным под роторным измельчителем 26 материалов, поступающих из бункера 27, связанного с вытяжным вентилятором 28.
Между измельчителем 26 и шнеком 25 установлена форсунка 29 распыляющая жидкие материалы (10-15 мас.%), подлежащие сжиганию.
Функционирует печь следующим образом.
Для розжига печи (при открытой крышке 17 на патрубке 16) 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 16 печи.
После этого при закрытой крышке 17 осуществляют загрузку камеры 1 сжигания твердым фрагментированным материалом посредством толкателя 21 гидроцилиндра 20 (фиг.1) или шнекового питателя 25 (фиг.2), которые материал проталкивают по патрубку 14 и через окно 15 на колосник 5, соответственно порциями и непрерывно дозировано.
Коробки с упакованными медицинскими твердыми отходами (использованные бинты, вата, одноразовые шприцы, иглы, ампулы, флаконы, системы переливания крови, резиновые трубки, перчатки и т.п.) загружают в бункер 27, откуда они гравитационно поступают в измельчитель 26, где фрагментируются до установленных размеров.
Фрагментированный твердый материал далее смешивается с диспергированной из форсунки 29 жидкостью, которая налипает слоем на всю поверхность кусков (50-200 мм), падающих в шнековый питатель 25.
Шнековым питателем 25 Фрагментированный материал уплотняется и подается в загрузочный патрубок 14 камеры 1 сжигания.
Сформированная в патрубке 14 плотная масса загружаемого материала имеет большое аэродинамическое сопротивление и выполняет функции газовой задвижки, что позволяет осуществлять непрерывную загрузку печи, сопоставимую по массе с расходом сгораемого материала в камере 1 сжигания, помещенного на колоснике 5.
Бытовые отходы, предварительно очищенные от стекла, металла, кирпича, штукатурки, батареек и других негорючих материалов, загружают в бункер 22 (фиг.1), в котором они ступенчато последовательно перемещаются вниз при повороте шиберных заслонок 23, которые обеспечивают порционное шлюзование материала при подаче в патрубок 14.
Толкателем 21 насыпанный материал проталкивается порционно по патрубку 14 к загрузочному окну 15.
Из наклонного канала 19 из системы 4 струйно подается со скоростью 28 м/с воздух, который создает изолирующую завесу рабочего объема камеры 1 сжигания.
Из патрубка 14 материал выталкивается на колосник 5, где происходит его сжигание.
При этом под колосник 5 из воздуховода 4 со скоростью 18 м/с подается окислительный воздух, который распределение поступает 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 трудно сжигаемой 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, всасывают газообразные продукты 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 газо-воздушная смесь расширяется, теряя скорость, и дожигается при температуре 1250-1300°С до конечных продуктов, о чем свидетельствует практически полное отсутствие сажи в газоходе 30.
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 кривошипов 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 сталкивается в лотки 12, где шнеками 13 автоматически выводятся наружу.
Опытные образцы описанных вертикальных печей разной комплектации структурных элементов успешно прошли полигонные испытания по сжиганию твердых бытовых, медицинских и жидких отходов, что позволяет рекомендовать их серийное изготовление для поставки заказчикам.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по термическому оборудованию, показал, что она не известна, а с учетом возможности практического серийного изготовления вертикальной печи для сжигания твердых фрагментированных материалов, можно сделать вывод о ее соответствии критериям патентоспособности.