СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO BURN SOLID ORGANIC WASTES UNDER HIGH PRESSURE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам и устройствам для сжигания твердых органических отходов, например бытовых отходов, и может быть использовано, в частности, в коммунально-бытовом хозяйстве при сжигании отходов, например - хлорсодержащих отходов, с гарантированным подавлением процессов, приводящих к образованию в вытекающих газах таких ядовитых веществ, как диоксины и фураны.
Уровень техники
В патенте RU №2114357 (опубл. 27.06.1998) раскрыто устройство для сжигания бытовых отходов, содержащее приемно-разгрузочное отделение с приемным бункером, мусоросжигательный котел с топкой и хвостовыми поверхностями нагрева, газоочистное оборудование, дымовую трубу, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным котлом - утилизатором с топкой и хвостовыми поверхностями нагрева, позволяющим обеспечить постоянство выработки тепловой энергии, при этом перед котлом-утилизатором установлен дымосос, нагнетающий дымовые газы от мусоросжигательного котла в топку котла-утилизатора для их повторного нагрева с помощью сжигания горючего газа, кроме того, котел-утилизатор снабжен установкой для ввода аммиачного раствора.
В указанном устройстве сжигание твердых бытовых отходов проводят при температурах выше 1340°С в присутствии первичного воздуха с температурой до 400°С. Продукты сгорания поступают в камеру догорания мусоросжигательного котла, предварительно смешанные в узком сечении с вторичным воздухом с температурой выше 400°С. В камере догорания температура автоматически поддерживается не ниже 850°С и время пребывания дымовых газов составляет не менее 2 с. В ней происходит дожигание продуктов неполного сгорания отходов и разложение хлор- и фторсодержащих веществ. Отходящие дымовые газы далее очищают от окислов серы, фтористого и хлористого водорода в абсорбере с помощью известкового молока. Для удаления из них пыли и летучей золы газы после абсорбера направляют в статический электрофильтр. Для рекуперации тепловой энергии отходящие газы подают в котел-утилизатор, тепловую энергию которого используют для работы устройства и частично передают потребителю.
В описании изобретения авторы заявляют, что отходящие дымовые газы практически не имеют в своем составе таких вредных веществ, как диоксины и фураны, однако данное заявление не подтверждено данными анализа состава газов, выпускаемых в атмосферу.
2
2
В патенте RU №2249766 (опубл. 10.04.2005) раскрыты способ сжигания твердых бытовых и прочих органических отходов, а также устройство для осуществления указанного способа. Известный способ включает сжигание отходов при подаче предварительно нагретого воздуха, дожигание газообразных продуктов сжигания, последующую обработку для связывания HCl, Cl, HF, пропускание через теплообменник - котел и газоочистку. Перед подачей в печь на сжигание органическую часть отходов измельчают до размеров не более 100 мм, смешивают с нагретым до температуры 300-400°С воздухом, сжигание осуществляют при температурах 1320-1350°С, дожигание осуществляют в камере каталитического дожигания при температурах 1300-1350°С, обработку для связывания HCl, Cl, HF ведут в камере декарбонизации известняковой муки с получением негашеной извести, перед подачей в котел обработанные продукты сжигания пропускают через воздухоподогреватель, а после котла - через систему мокрой газоочистки, причем тепловую энергию котла подают потребителям.
Для осуществления способа предусмотрено устройство, характеризующееся тем, что оно содержит циклонную печь с тангенциальным входом смеси измельченных отходов и нагретого воздуха, камеру каталитического дожигания, работающую по принципу беспламенной горелки, камеру декарбонизации, оснащенную бункером и питателем для известняковой муки, воздухоподогреватель, теплообменник, систему мокрой газоочистки.
Недостатком указанных способов и установок для их реализации является необходимость применять специальные химические вещества для извлечения из продуктов горения компонентов, содержащих хлор, чтобы уменьшить образование диоксинов в диапазоне температур 250-500°С.
Наиболее близким аналогом устройства для сжигания отходов в соответствии с настоящим изобретением является установка, раскрытая в патенте RU №2106575 (опубл. 10.03.1998). Установка содержит корпус с загрузочным люком и патрубком подачи воздуха, расположенную внутри корпуса с зазором, образующим воздуховод, камеру сгорания, выполненную снизу с колосниковой решеткой и золосборником, камеру дожигания, дымоход и газогенераторное горелочное устройство, отличающаяся тем, что газогенераторное горелочное устройство выполнено в виде, по крайней мере, одной выносной камеры для сжигания твердого ракетного топлива с газоподводящими перфорированными патрубками, расположенными в камере сгорания, стенки которой выполнены перфорированными, а камера дожигания соединена с дымоходом. В установке при высокой температуре сгорают отходы и некондиционное твердое ракетное топливо. На дымоходе может быть размещен циклон для очистки дымовых газов, в золосборнике может быть установлена вторая колосниковая решетка, при этом межколосниковое пространство, образующее вторичную камеру дожигания, сообщено с нижней частью циклона.
Недостатком предложенной установки является низкая скорость охлаждения истекающих газов, что при конструктивно обусловленном времени пребывания способствует образованию диоксинов и фуранов. Наиболее благоприятный интервал температур для их образования находится в пределах 600-800°С.
Не ограничиваясь изложенной ниже концепцией, считается, что образованию диоксинов в отходящих газах способствует наличие в несортированном мусоре хлорсодержащих полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ). При этом процесс термического разложения включает стадии:
(а) дегидрогенирования полиэтилена и ПВХ, что приводит к образованию непредельных продуктов, которые способны вступать в реакции, подобные реакции Бертло, с образованием замещенных хлорбензолов;
(б) образовавшиеся замещенные хлорбензолы в ходе различных реакций образуют устойчивые в данных условиях формы орто-замещенных хлорбензолов и хлорфенолов, способные к конденсации с образованием диоксинов, а в окислительной среде - дифениловых эфиров и фуранов, также обладающих нежелательными физиологическими действиями (мутагенными, канцерогенными, тератогенными и т.д.).
Однако присутствие катализаторов, роль которых могут играть переходные металлы в различных формах, например - в виде сорбатов на углеродистых остатках (летучей золы), существенно понижает энергию активации реакций образования диоксинов. Такие формы могут также включать ионы щелочных и щелочноземельных металлов и алюминия. В результате этого синтез диоксинов становится возможен и при более низких температурах от 300 до 500°С.
2
Наличие в отходах соединений меди, особенно CuCl, дополнительно способствует образованию орто-дизамещенных бензолов, в частности - орто-хлорфенолов, за счет протекания реакций на поверхности активированных частиц углерода. Образовавшиеся хлорированные фенолы и ароматические эфиры в указанных условиях далее легко превращаются в диоксины.
Раскрытие изобретения
В результате проведенных исследований авторы настоящего изобретения установили, что недостатки известного уровня техники могут быть преодолены за счет сжигания отходов в условиях, по существу, не допускающих образования диоксинов в зоне сгорания, и быстрого перевода полученного газового потока в состояние, характеризуемое составом, температурой и давлением, в котором образование диоксинов также является маловероятным.
Первым объектом изобретения является способ сжигания отходов, характеризующийся большей экологической чистотой продуктов сгорания, выпускаемых в атмосферу. Одним из технических результатов является существенное снижение концентрации диоксинов и/или фуранов в отходящих газах, что позволяет упростить и удешевить систему их очистки.
Технический результат достигается за счет того, что в условиях предлагаемого способа образующиеся диоксины разлагаются к моменту их выхода из зоны сгорания и обеспечивается последующее быстрое охлаждение продуктов сгорания за время, существенно меньшее, чем время, требующееся для протекания реакций образования диоксинов.
0
ст
Для достижения указанного технического результата изобретения сжигание отходов проводят при давлении 0,8-1,0 МПа и температуре 1450-1500°С при избытке воздуха как кислородсодержащего окислителя в условиях, обеспечивающих истечение продуктов горения через звуковое сопло. В дозвуковую область через систему отверстий под высоким давлением впрыскивают воду. При испарении воды и ее смешении с продуктами горения температура в потоке на подходе к критическому сечению снижается до температуры торможения Т=600-650°С. В критическом сечении звукового сопла температура продуктов сгорания и пара в потоке при скорости, равной скорости звука, снижается до статической температуры Т=450°С, что соответствует нижней границе температур образования диоксинов в газовом потоке. Это позволяет осуществить эффективное охлаждение газового потока и пройти диапазон температур образования диоксинов 900-500°С за время менее 0,1 мсек, в результате чего большинство химических реакций образования диоксинов не успевает преодолеть барьер энергии активации, т.е. не может протекать в значимой степени.
Таким образом, первым объектом изобретения является способ сжигания твердых органических отходов при повышенном давлении, отличающийся тем, что:
(а) обеспечивают кольца из прессованных отсортированных твердых органических отходов, которые собирают в блок, имеющий высоту, равную высоте зоны сгорания,
(б) блок помещают в зону сгорания, в которой создают температуру 1450-1500°С при давлении 0,8-1,0 МПа, и осуществляют сжигание блока с образованием потока продуктов сгорания,
(в) поток продуктов сгорания направляют в зону дожигания, на вход в которую подают воздух под давлением 0,8-1,0 МПа с расходом, достаточным для обеспечения полного сгорания твердых частиц с получением потока газов,
(г) на выходе из зоны дожигания в поток газов подают под давлением воду с получением потока парогазовой смеси, при этом расход воды выбирают таким образом, чтобы обеспечить снижение температуры потока парогазовой смеси ниже минимальной температуры образования диоксинов в газовом потоке,
(д) поток парогазовой смеси направляют в зону эжекции, в которой она смешивается с атмосферным воздухом и происходит дальнейшее снижение ее температуры за время, меньшее, чем время каталитического образования диоксинов,
(е) из зоны эжекции поток парогазовой смеси направляют в зону рекуперации энергии, в которой энергию потока передают потоку атмосферного воздуха, подаваемому в зону сгорания и на вход зоны дожигания, а выходящий поток сбрасывают в атмосферу.
Предпочтительно, снижение температуры потока парогазовой смеси на стадии (г) происходит за время менее 0,1 мсек до температуры не более 450°С.
Также предпочтительно, что дальнейшее снижение температуры потока парогазовой смеси на стадии (д) происходит за время менее 0,04 мсек до температуры приблизительно 170°С.
Для перевода твердых органических отходов в состояние, пригодное для сжигания в соответствии со способом настоящего изобретения, сначала проводят их сортировку с целью отделения трудногорючих, преимущественно - неорганических, компонентов (стекло, керамика, железные, медные и иные сплавы в виде обломков). После этого из отсортированных отходов изготовляют блоки, имеющие конфигурацию, подходящую для целей изобретения. Предпочтительно изготавливают полые кольца или полые цилиндры. Соотношения высоты, внешнего диаметра и диаметра полости колец или цилиндров не имеют принципиального значения. Указанные блоки могут быть изготовлены, например, прессованием отходов с последующим выбиванием блоков круглого сечения с круглым отверстием по центру. Влагосодержание полученных блоков не имеет принципиального значения до тех пор, пока их форма и прочность сохраняются в пределах, достаточных для их размещения в камере сгорания.
3
Поскольку сжигание блока отходов проводят при повышенном давлении, требуется обеспечение подачи воздуха при давлении, превышающем давление в камере сгорания в 1,5-2 раза. Так, например, при сжигании 1 кг/с отходов требуемый расход воздуха составляет около 12 кг/с при давлении 1,0 МПа или 375 норм. м/мин. Для этого требуется компрессорная установка, соединенная с несколькими резервуарами, работающими под давлением, объем которых позволяет обеспечить требуемое давление сжатого воздуха на выходе с учетом его расхода и номинальной производительности компрессора. После выхода устройства на рабочий режим предпочтительно использовать энергию вытекающей струи парогазовой смеси, которую утилизируют в газовой турбине, соединенной с турбокомпрессором. В процессе сжатия воздуха от атмосферного давления до 1,5 МПа его температура повышается не менее чем до 320°С, в результате чего отпадает необходимость в дополнительном нагреве перед подачей сжатого воздуха в камеру сгорания.
В соответствии с настоящим изобретением далее предлагается устройство для осуществления вышеописанного способа, которое является высокопроизводительным и предпочтительно - мобильным. Техническим результатом применения такого устройства является многократное снижение затрат на уничтожение отходов и складирование их остатков, исключение существенных капитальных затрат на строительство стационарных предприятий по сжиганию отходов, а также снижение затрат на перевозку мусора к местам расположения таких предприятий и снижение нагрузки на транспортную инфраструктуру, загрязнения воздуха и земли во время перевозки отходов.
Таким образом, вторым объектом изобретения является устройство для сжигания твердых органических отходов при повышенном давлении, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью перевозки в транспортном положении и включает камеру сгорания, соединенную на входе с источником воздуха высокого давления и устройством подачи горючего и на выходе соединенную с камерой дожигания, которая снабжена устройством для подачи воздуха высокого давления, камеру дожигания, заканчивающуюся звуковым соплом, размещенным в эжекторе, при этом центральное тело сопла имеет устройство для подачи воды под давлением в дозвуковую часть сопла, а эжектор по потоку газа соединен с газовой турбиной, выходом сообщающейся с атмосферой, и газовая турбина механически соединена с турбокомпрессором, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединен со входом камеры сгорания и устройством для подачи воздуха высокого давления в камеру дожигания.
Предпочтительно, сопло является кольцевым соплом или набором малоразмерных сопел.
Также предпочтительно, чтобы между внешней поверхностью блока твердых органических отходов и внутренней поверхностью камеры сгорания был предусмотрен зазор. Более предпочтительно, этот зазор является кольцевым.
Предпочтительно, чтобы устройство было выполнено с возможностью перевозки в транспортном положении на автоприцепе, буксируемом автомобилем-тягачом, по дорогам общего пользования без ограничений, обусловленных массогабаритными характеристиками прицепа вместе с тягачом.
Также предпочтительно, чтобы устройство было выполнено с возможностью перевозки в транспортном положении на универсальной железнодорожной грузовой платформе вместе с прицепом, на котором оно смонтировано, без ограничений, обусловленных общими размерами платформы с прицепом.
0
ст
Технические результаты изобретения достигаются за счет того, что сгорание отходов протекает в камере сгорания при давлении 0,8-1,0 МПа и температуре 1450-1500°С при избытке кислородсодержащего окислителя, в качестве которого предпочтительно применяют воздух. Истечение продуктов горения происходит через звуковое сопло, в дозвуковую часть которого через систему отверстий под высоким давлением подают воду. При смешении воды с продуктами горения и ее испарении температура в потоке на подходе к критическому сечению снижается до температуры торможения Т=610-750°С. В критическом сечении звукового сопла температура продуктов сгорания и пара в потоке при скорости, равной скорости звука, снижается до Т=450°С, то есть до нижней границы температур образования диоксинов в газовом потоке.
ст
Предлагаемая конструктивная схема звукового сопла, критическое сечение которого выполнено в виде кольца или набора малых сопел, позволяет осуществить охлаждение газового потока на расстоянии порядка 25 мм и пройти диапазон температур образования диоксинов 900-500°С за время менее 0,1 мсек, что, по существу, исключает протекание большинства требуемых для этого химических реакций. Из звукового сопла поток газа с давлением торможения 0,8-1,0 МПа направляется в эжектор, где он расширяется до статического давления в потоке эжектируемого воздуха. Температура газа на расстоянии порядка 16 мм становится ниже температуры 230°С, которая определяет нижнюю границу образования диоксинов при каталитическом воздействии пылевых частиц. На расстояниях, превышающих 16 мм, температура в сверхзвуковом потоке уменьшается до Т=130°С, и далее, за счет смешения с атмосферным воздухом, температура торможения газа в эжекторе не превышает 170°С. Время пролета газа через зону температур каталитической генерации диоксинов не превышает 0,04 мсек, что делает маловероятным их образование.
Термин «мобильное устройство» обозначает устройство в соответствии с настоящим изобретением, выполненное с возможностью его перевозки в транспортном положении, из которого устройство быстро приводят в рабочее состояние.
Термин «транспортное положение» обозначает состояние устройства, при котором основные элементы, определяющие его применение по назначению, собраны воедино и готовы к работе, а вспомогательные элементы размещены на транспортном средстве таким образом, что не создают препятствий перевозке устройства и могут быть быстро установлены для приведения устройства в рабочее состояние.
Перевозку устройства можно осуществлять любыми видами наземных и/или водных транспортных средств подходящей грузоподъемности и/или водоизмещения, например, на автоприцепе, на железнодорожной грузовой платформе, в железнодорожном грузовом полувагоне и/или вагоне, на сухогрузном судне и т.д.
Предпочтительно осуществлять перевозку установки к месту ее применения автомобильным транспортом. Для этого основные элементы установки монтируют на автоприцепе, а вспомогательные элементы и устройства размещают на том же автоприцепе и/или на одном или нескольких дополнительных автоприцепах таким образом, чтобы массогабаритные характеристики каждого из прицепов вместе с автомобилем-тягачом не выходили за рамки, установленные действующими правилами дорожного движения для транспортных средств, допущенных к эксплуатации на дорогах общего пользования без получения специального разрешения.
Например, компрессорная установка с емкостями для сжатого воздуха, пресс для изготовления блоков из отходов, при необходимости - передвижная электростанция и устройство для сепарации отходов, могут быть размещены на дополнительных автоприцепах, а всасывающую и выхлопную шахты и пост управления можно разместить на том же прицепе, на котором смонтирована сама установка.
Более предпочтительно обеспечить возможность размещения установки, смонтированной на автоприцепе, на универсальной железнодорожной грузовой платформе, таким образом, чтобы в транспортном положении общие массогабаритные характеристики платформы с автоприцепом не налагали ограничений на перевозку установки по электрифицированным железным дорогам с мостами, эстакадами, тоннелями, участками повышенной кривизны пути и т.п.
В случаях применения мобильной установки в местах складирования отходов, имеющих выход к железнодорожным путям, предпочтительно размещение мобильной установки в железнодорожном составе из нескольких вагонов (платформ, полувагонов и вагонов).
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана принципиальная схема мобильного устройства для сжигания порции твердых отходов.
На фиг.2 показано устройство кольцевого звукового сопла в соответствии с одним из предпочтительных вариантов изобретения.
Осуществление изобретения
Для осуществления способа сжигания отходов в соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство, схематически представленное на Фиг.1, которое состоит из вертикальной камеры сгорания 1, камеры дожигания 2, эжектора 3, турбины 4 для утилизации кинетической энергии струи продуктов сгорания, турбокомпрессора 5 для питания камеры сгорания сжатым нагретым воздухом, всасывающей 6 и выхлопной шахты 7 с системами шумоглушения и устройствами очистки струи от золы.
Камера сгорания 1 состоит из головки 8 для подачи вспомогательного горючего и окислителя, в качестве которого используется нагретый воздух, сменного цилиндрического отсека 9, предназначенного для размещения блока 10 сжигаемых отходов, форсуночной решетки 11, через которую подается воздух для дожигания. Предпочтительно блок сжигаемых отходов получен прессованием и имеет специальную форму и относительные размеры (в том числе - по отношению к размерам камеры сгорания 1), что обеспечивает приблизительно постоянную скорость выделения горючих веществ из отходов за время сжигания. Предпочтительно камера сгорания 1 размещена вертикально с целью уменьшения общей длины установки.
Камера дожигания 2 оканчивается кольцевым звуковым соплом 12. Предпочтительно камера дожигания имеет круглое сечение и является изогнутой, наиболее предпочтительно - под прямым углом.
На Фиг.2 схематически представлен один из предпочтительных вариантов кольцевого звукового сопла, которое образовано стенкой 13 камеры дожигания и центральным телом 14. В центральном теле выполнены отверстия 15 для подачи воды в дозвуковую часть потока. Выход кольцевого звукового сопла располагается внутри эжектора 16, в котором происходит смешение потока продуктов горения с атмосферным воздухом.
Установка работает следующим образом. Органические отходы после сепарации и извлечения негорючих фракций прессуются в блоки, например, в виде цилиндров с внутренним и внешним диаметрами, равными 100 и 300 мм соответственно. Блоки помещаются в цилиндрический отсек 9 камеры сгорания, для чего он предварительно отстыковывается от камеры. По его заполнении на всю длину он соединяется с головкой 8 и форсуночной решеткой 11 изогнутой камеры для дожигания. Затем в головку 8 подается горючее, в качестве которого может использоваться керосин или газообразные углеводороды, и пусковой воздух высокого давления.
Температура и давление в камере при горении смеси керосина с воздухом достигают таких значений, чтобы турбина 4 с турбокомпрессором 5 начали подавать горячий сжатый воздух в камеры сгорания и дожигания. Одновременно снижается, а затем и полностью прекращается подача пускового воздуха высокого давления. Горячий газ, протекая вдоль поверхности блока отходов, вызывает испарение и воспламенение горючих фракций.
Продукты горения и испарения с поверхности блока отходов протекают через форсуночную решетку 11, где смешиваются с горячим воздухом. В камере дожигания температура поднимается до 1450-1500°С, что при скорости менее 50 м/с обеспечивает необходимое время пребывания для полного сгорания продуктов. Когда с увеличением расхода продуктов горения и температуры давление в камере достигает расчетного значения (0,8-1,0) МПа, расход керосина уменьшаются или прекращают, если горение блока обеспечивает расчетное значение температуры и давления.
При начале горения блока через отверстия 15 под давлением подают воду, которая смешивается с горячими продуктами горения и испаряется в дозвуковой части кольцевого сопла от сечения В до сечения А. Расход воды выбирается из условия получения в критическом сечении температуры торможения смеси 610-750°С. Малый размер кольцевого сопла и большие скорости потока обеспечивают условия, исключающие значимое протекание химических реакций образования диоксинов и фуранов при температурах 900-500°С.
ст
Звуковой поток газа, вытекающий из кольцевого сопла (сечение А) в эжектор, расширяется до тех пор, пока давление на границе струи D станет равным давлению в эжектируемом воздухе. Давление и температура в потоке быстро уменьшаются, и уже на расстоянии 16 мм в сечении С температура продуктов сгорания падает до Т=130°С за 0,04 мс.
о
В эжекторе газы, истекающие из сопла, смешиваются с атмосферным воздухом, и температура торможения смеси снижается до Т=170-230°С. На выходе из эжектора струя имеет скорость около 300 м/с и ее кинетической энергии достаточно, чтобы вращать турбину 4, соединенную с турбокомпрессором 5 мощностью 100-500 кВт. После турбины парогазовую смесь через шахту 1, оснащенную фильтрами и звукопоглощающими элементами, выбрасывают в атмосферу.
В конце цикла горения блока расход уменьшается до величины расхода подогретого воздуха. В этот момент прекращают подачу воды через отверстия 15 в дозвуковую часть кольцевого сопла, а затем - подачу воздуха и вспомогательного горючего. Цилиндрический отсек 9 камеры сгорания охлаждают продувкой его холодным воздухом через головку 8. Отсек отделяют от камеры сгорания для установки в него нового блока отходов. Золу и несгоревшие остатки блока удаляют из головки 8.