СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
METHOD FOR SOLID FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к технологии сжигания твердых топлив и может быть использовано в промышленности и коммунальном хозяйстве для уничтожения промышленных и бытовых отходов, содержащих бумагу, дерево, резину, текстиль и другие горючие компоненты путем их газификации и последующего дожигания с получением в качестве конечных продуктов экологически приемлемых дымовых газов и зольного остатка.
Известен ряд способов слоевого сжигания твердого топлива (Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. М.: Химия, 1990, 304 с.), заключающийся в том, что газообразный окислитель подают в зону горения сквозь слой разогретого кускового топлива. При этом термическое разложение и горение топлива происходит в объеме нижней (по течению окислителя) части слоя топлива, для увеличения толщины которой слой топлива непрерывно перемешивают. Образующиеся в слое продукты пиролиза и неполного горения дожигают вне слоя путем подвода дополнительного окислителя и, при необходимости, тепла от стороннего источника.
Недостатком известного способа является образование большого количества сложных высокомолекулярных соединений - продуктов пиролиза органической части топлива, вследствие сложности регулирования температурного режима горения в слое.
Известен способ сжигания топлива во вращающемся барабане (патент РФ №2146028, F23C 3/00, опубл. 27.02.2000 г., заключающийся в том, что топливо и воздух подают в слой находящегося в барабане твердого сыпучего теплоносителя. При этом, с целью поддержания оптимального температурного режима слоя, избыток тепла непрерывно отводят из зоны горения, например, с помощью погруженного в слой поверхностного теплообменного аппарата.
Недостатком известного способа является неэффективное сжигание низкокалорийных и забалластированных топлив вследствие затруднения внутренней утилизации избыточного тепла. Кроме того, безвозвратное удаление тепла из зоны горения требует подвода тепла от стороннего источника в зону дожигания пиролизных газов.
Известен способ сжигания твердого топлива (патент UA 44982, 6 F23G 5/00, Бюл. №3, 2002 г.), основанный на торможении реакций пиролиза в глубинных слоях топлива и заключающийся в загрузке топлива в камеру сгорания, подводе к поверхности слоя топлива первичного окислителя, разогреве и воспламенении поверхности слоя топлива и отводе недоокисленных газов и продуктов пиролиза в специальную высокотемпературную камеру, где создают условия для их эффективного дожигания. При этом физико-химические превращения топлива сосредоточены на активной поверхности топливной массы, что исключает возможность глубокого пиролиза и образования трудногорючих высокомолекулярных соединений.
Здесь и далее термином «активная поверхность» обозначена часть наружной поверхности топливной массы, на которой созданы тепловые условия для взаимодействия топлива с газифицирующим агентом.
Недостатком известного способа является появление в продуктах сгорания в небольших количествах недогоревших продуктов пиролиза, что является следствием невысокой степени торможения физико-химических превращений в глубинных слоях топливной массы из-за постепенного прогрева топлива. Кроме того, организация высокотемпературных зон дожигания продуктов пиролиза в обогащенной окислителем среде приводит к образованию вторичных загрязнителей в виде термических оксидов азота.
Наиболее близким к заявляемому по технической сути и результату является способ переработки твердых отходов (патент России №2079051 С1, 6 F23G 5/027, опубл. 10.05.97 г). путем загрузки последних в реактор, подачи в реактор противотоком по отношению к отходам газифицирующего агента, содержащего кислород, а также воду и/или углекислый газ, введении, при необходимости, в реактор добавок, снижающих эмиссию вредных веществ, вывода продуктов сушки, пиролиза и горения из реактора. При этом в реакторе поддерживают температуру 700-1400°С путем регулирования расходов газифицирующего агента, перерабатываемых отходов и негорючего балласта.
Известный способ отличается более широкими возможностями регулирования производительности и качества процесса горения и позволяет во многих случаях добиться высокой полноты сгорания за счет более рациональной организации процесса газификации топлива.
Недостатком известного способа является образование высокомолекулярных соединений сложного состава вследствие неуправляемости параметрами газификации внутри топливной массы. Это приводит к усложнению способов и устройств последующей обработки продуктов газификации, снижению полноты сгорания и вредному воздействию на окружающую среду.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении полноты сгорания топлива и снижении эмиссии вредных веществ с продуктами сгорания, а также, в расширении диапазона устойчивости горения по виду перерабатываемых отходов путем увеличения концентрации выделяющейся тепловой энергии в узком слое горящего топлива.
Указанная цель достигается за счет того, что в способе сжигания твердого топлива, включающем загрузку топлива в реактор, подачу в него газифицирующего агента, содержащего кислород, а также воду и/или углекислый газ и, при необходимости, добавок, снижающих эмиссию вредных веществ, вывод из реактора твердых и газообразных продуктов сушки, пиролиза и горения, и поддержание максимальной температуры в реакторе в пределах 700-1400°С путем регулирования расходов горючих, негорючих и окислительных компонентов, согласно изобретению газифицирующий агент подают в реактор двумя частями, причем первой его частью, содержащей свободный кислород, обдувают активную поверхность топливной массы со стороны стенки реактора, что обеспечивает концентрацию выделяемого тепла вблизи ее поверхности. А вторую часть, содержащую вещества неокислительного характера, например воду и/или углекислый газ, подают к активной поверхности изнутри топливной массы, для чего в объеме топливной массы создают градиент давления, направленный от активной поверхности к месту подвода второй части газифицирующего агента. Продукты сушки, пиролиза и горения при температуре 1200-1400°С отводят из реактора в камеру дожигания по узкому каналу вдоль активной поверхности топливной массы для более эффективной передачи тепла, а расход газифицирующего агента и соотношение между его частями регулируют таким образом, чтобы температура активной поверхности топливной массы составляла бы 700-900°С.
При этом добавки, снижающие эмиссию вредных веществ, подают в реактор в смеси со второй частью газифицирующего агента.
Непрерывная подача второй части газифицирующего агента в топливную массу и продвижение ее под действием градиента давления к поверхности топлива оказывает охлаждающий эффект и тормозит процессы термической деструкции в объеме топливной массы. Поэтому все физико-химические превращения - сушка, газификация топлива, первичное окисление - сосредоточены в ограниченном пространстве, непосредственно примыкающем к активной поверхности топливной массы. Это, с одной стороны, позволяет максимально использовать выделяющееся в процессе окисления тепло для инициирования эндотермических процессов сушки и пиролиза, а с другой стороны, резко сокращает время пребывания каждой частицы топлива в зоне пиролиза. В результате в ходе газификации образуются в основном, средне- и низкомолекулярные продукты, обладающие высокой реакционной способностью. В сочетании с достаточно высокой температурой процесса и наличием свободного кислорода создаются максимально благоприятные условия для полного сгорания топлива.
Кроме того, благодаря концентрации процессов выделения и поглощения тепла в узком пространственном слое, резко снижаются непроизводительные тепловые потери в окружающую среду, а отвод продуктов из реактора вдоль поверхности топлива способствует максимальному использованию их тепловой энергии для инициирования процессов сушки и пиролиза на поверхности топливной массы. Это в ряде случаев позволяет отказаться от дополнительных источников энергии и осуществлять процесс сжигания низкосортного топлива или отходов в автотермическом режиме.
Количество подаваемого в реактор агента и соотношение между его частями выбирают таким, чтобы равновесная температура поверхности топливной массы составляла бы 700-900°С, а равновесная температура газовой фазы в реакторе находилась бы в пределах 1200-1400°С. При этом для увеличения (снижения) температуры активной поверхности топливной массы уменьшают (увеличивают) парциальный расход второй части газифицирующего агента. Более низкие температуры поверхности не обеспечат надежный пиролиз топлива, а более высокие могут привести к образованию трудногорючих продуктов. Нижняя граница температуры газовой фазы обусловлена необходимостью эффективной теплопередачи к активной поверхности топливной массы, а верхняя является ограничением, накладываемым процессом образования термических оксидов азота.
При необходимости введения в реактор добавок, снижающих эмиссию вредных веществ, их вводят в состав второй части газифицирующего агента, например, растворяя в воде, что позволяет сосредоточить их действие именно в зоне образования вредных веществ и, тем самым, более полно использовать полезные свойства этих добавок.
Таким образом, введенные в способ утилизации отходов новые отличительные признаки, в совокупности с известными, позволяют решить поставленную техническую задачу: увеличить полноту сгорания процесса, снизить вредные выбросы в окружающую среду, отказавшись в ряде случаев от использования дополнительных источников тепла.
На чертеже приведена схема реализации способа сжигания топлива.
Способ реализуют следующим образом. После загрузки топлива в реактор активную поверхность 3 топливной массы 2 со стороны стенки реактора 1 разогревают до температуры пиролиза и одновременно подают к этой поверхности поток первой части газифицирующего агента А при температуре 0-400°С. При этом на активной поверхности 3 начинают протекать самоподдерживающиеся реакции окислительного пиролиза. В результате этого процесса образуются сложные по структуре газообразные продукты пиролиза, сажа и твердый золококсовый остаток. Вторую часть газифицирующего агента Б, свободную от кислорода, но содержащую, например, воду, водяной пар, углекислый газ, водные растворы вспомогательных реагентов при температуре 20-150°С, непрерывно вводят внутрь топливной массы 2 и создают градиент давления, направленный от ее активной поверхности к месту ввода. Эта часть газифицирующего агента под действием градиента давления начинает фильтрационное движение по направлению к активной поверхности 3. При этом в области низких температур внутри топливной массы 2 этот агент выполняет функцию теплоносителя, охлаждая топливо и тормозя протекание реакций пиролиза и термического разложения. Подойдя к активной поверхности 3 топливной массы, агент вступает в химическую реакцию с коксом, сажей и высокомолекулярными продуктами пиролиза, что приводит к их газификации и образованию низкомолекулярных высокоактивных горючих компонентов. При этом для увеличения (снижения) температуры активной поверхности топливной массы уменьшают (увеличивают) парциальный расход второй части газифицирующего агента. Газообразные продукты коксования вместе с продуктами газификации и избытком газифицирующего агента дожигают в непосредственной близости от активной поверхности слоя топлива в потоке первой части газифицирующего агента при температуре 1200-1400°С. Более низкие температуры не могут обеспечить требуемую для пиролиза плотность теплового потока к поверхности слоя топлива, а более высокие - ведут к увеличению выхода оксидов азота в дымовых газах.
Для более эффективной передачи тепла к поверхности слоя топлива продукты дожигания отводят из реактора по узкому каналу 4, вдоль активной поверхности 3 топливной массы. Сближение зоны дожигания продуктов пиролиза с активной поверхностью топлива обеспечивают, например, за счет сужения канала 4 и/или путем организации свободного движения дымовых газов под колпаком, роль которого выполняет активная поверхность топлива.
Т.о. применение предлагаемой технологии позволит увеличить полноту сгорания топлива, снизить эмиссию вредных веществ при одновременном расширении диапазона его применимости по виду топлива.