Каталитическая печь для сжигания твердых отходов
CATALYTIC FURNACE FOR SOLID WASTES COMBUSTION

Изобретение относится к тепловой технике, а именно к устройствам для сжигания низкокачественных топлив и может быть использовано, в частности, для сжигания промышленных, бытовых и медицинских твердых отходов.
Известна печь для сжигания твердых отходов, включающая футерованный изнутри корпус, внутри которого имеются камера сгорания и камера дожига, на боковых стенах печи установлены горелки, неподвижная колосниковая решетка и питательное устройство (см. RU № 2147711, МПК F23G 5/00, опубл. 2000.04.20). Сжигание отходов осуществляется с использованием химической энергии газового топлива, подаваемого в горелки. Недостатком данной конструкции является боковое расположение питателя, что может привести к существенному различию высоты слоя подаваемых из питателя отходов по площади колосниковой решетки и, как следствие, к большому недожогу отходов. Недостатком является и повышенный расход газового топлива.
Известна печь для сжигания твердых отходов, содержащая корпус с внутренней футеровкой огнеупорным материалом, камеру сжигания, выполненную в виде монолитной плиты, наклонную неподвижную колосниковую решетку, через отверстия в которой проходят шуровочные трубы, служащие для подачи воздуха в камеру сжигания (см. RU № 2100701, МПК F23G 5/00, опубл. 1997.12.27). Данная печь имеет сравнительно простую конструкцию. Недостатком ее является повышенный химический и механический недожог сжигаемых твердых отходов. К недостаткам следует отнести и ненадежность работы печи из-за забивания сопловых выходов шуровочных труб золой и минеральными легкоплавкими веществами.
Наиболее близкой по технической сущности является печь для сжигания твердых отходов, содержащая кожух, стены, свод, перевальную стенку, разделяющую камеры горения и дожигания, провальную колосниковую решетку, зольную камеру, установленные на фронтальной стене горелку, смотровое окно, люки камеры горения и зольной камеры, установленный на своде бункер с поворотной заслонкой и крышкой (Исламов М.Ш. Печи химической промышленности, Л., Химия, 1969, с. 92, рис. 56) [3]  - прототип. Данная печь может работать как в режиме постоянной подачи отходов в камеру горения, так и в условиях порционной загрузки отходов. В последнем случае выгрузка зольного остатка производится после полного выгорания загруженной порции отходов, после чего на колосниковую решетку загружается следующая порция отходов. Это обстоятельство расширяет технологические возможности печи и позволяет сжигать в ней разнообразные по своим свойствам твердые отходы путем использования того или иного режима работы. Недостатком известного устройства [3] является низкая эффективность камеры дожигания, которая состоит из соединенных между собой опускного и подъемного каналов. Проходящие по каналам камеры дожигания газообразные продукты горения, поступающие из камеры горения, в значительной степени сохраняют содержащиеся в них горючие компоненты (продукты недожога), которые вместе с экологически вредными веществами (диоксины, окислы азота и др.) в составе уходящих из печи дымовых газов выбрасываются в атмосферу. Кроме того, из-за конструктивных особенностей печи трудно удалять с колосниковой решетки твердый минеральный остаток горения отходов в камере горения и зольный остаток из зольной камеры.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении эффективности работы устройства и его экологичности.
Поставленная проблема решается тем, что каталитическая печь для сжигания твердых отходов, содержащая кожух, стены, свод, перевальную стенку, разделяющую камеры горения и дожигания, провальную колосниковую решетку, зольную камеру, установленные на фронтальной стене горелку, смотровое окно, люки камеры горения и зольной камеры, установленный на своде бункер с поворотной заслонкой и крышкой, имеет в сечении камеры дожигания, перпендикулярном направлению движения газовых продуктов горения, проницаемый для газов плотный слой зернистого катализатора, в зольной камере имеется планка, жестко соединенная с штоком, проходящим через стену с возможностью продольного перемещения, во фронтальной стене выполнены сквозные каналы, соединенные с зольной камерой и снабженные жалюзийными решетками, на боковой стене установлен люк камеры дожигания, плотный слой зернистого катализатора выполнен переменной толщины, увеличивающейся по направлению к своду, колосниковая решетка состоит из однотипных балок, имеющих на концах боковые бобышки.
В отличие от известного устройства [3], размещение в сечении камеры дожигания, перпендикулярном направлению движения газовых продуктов горения, проницаемого для газов плотного слоя зернистого катализатора способствует завершенности реакций окисления горючих компонентов в газах под влиянием каталитического воздействия при фильтрации газов через слой. Катализатор представляет собой твердые частицы пористого огнеупорного материала, например, шамота, на который нанесен оксид никеля в количестве 0,5÷2,5% и оксид меди в количестве 1÷3% от всей массы катализатора (пат. РФ №2394643, опубл. 20.07.2020). Катализатор в состоянии выдерживать температуру до 1400-2000°C.
x
Проведенные испытания катализатора показали, что в результате конверсии газообразных продуктов недожога при гетерогенном катализе в отходящих дымовых газах устраняются сажа и канцерогенные углеводороды, сводятся к минимуму (следы) выбросы NO, CO и токсичных кислородсодержащих соединений (см. Твердотопливная воздухонагревательная печь с каталитическим дожиганием газообразных продуктов неполного горения / Макагон А.Н., Кузьмина Р.И., Печенегов Ю.Я., Бурухина О.В. // Информационно-сенсорные системы в теплофизических исследованиях: сб. научных статей. В 2-х т. Тамбов, 6-9 ноября 2018 г. - Тамбов: Изд. Центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2018. - Т.1. с. 164-166). Переменная толщина плотного слоя зернистого катализатора, увеличивающаяся по направлению к своду, обеспечивает необходимую равномерность распределения удельного расхода потока газа по площади слоя при U-образной траектории движения.
Наличие в зольной камере планки, жестко соединенной с штоком, проходящим через стену с возможностью продольного перемещения, облегчает удаление золы из зольной камеры за счет перемещения штока вместе с планкой в сторону выгрузки золы.
Выполнение во фронтальной стене сквозных каналов, соединенных с зольной камерой и снабженных жалюзийными решетками, обеспечивает поступление воздуха в зольную камеру и далее через колосниковую решетку в слой отходов на решетке и в камеру горения при закрытом люке зольной камеры. Закрытое положение люка зольной камеры в процессе работы печи - это одно из условий пожарной безопасности. Жалюзийные решетки на сквозных каналах позволяют регулировать подачу воздуха в зольную камеру путем открытия или закрытия жалюзи и установки подвижных элементов жалюзи в определенном положении.
Наличие на боковой стене печи люка камеры дожигания дает возможность доступа в камеру дожигания для периодического ее осмотра и удаления, выпавших из газовых продуктов горения твердых частиц золового уноса.
Выполнение колосниковой решетки из однотипных балок, имеющих на концах боковые бобышки, упрощает конструкцию решетки, унифицирует ее, обеспечивает легкость замены отдельных балок при выполнении ремонтных работ. Боковые бобышки на концах балок выполняют опорные функции, дистанционируют балки друг относительно друга, создают щелевые прозоры между смежными балками, служащие для прохода воздуха в слой отходов на колосниковой решетке и золы в зольную камеру. Щелевые прозоры по всей их длине при необходимости легко очищаются от засоров и залипаний с помощью механических приспособлений.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В известных печах для сжигания твердых отходов [1] и [2] не предусмотрено каталитического дожигания продуктов неполного сгорания и обезвреживания газовых выбросов.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан продольный разрез каталитической печи для сжигания твердых отходов; на фиг. 2 - фронтальный вид каталитической печи для сжигания твердых бытовых отходов; на фиг. 3 - разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В - В на фиг. 2.
Каталитическая печь для сжигания твердых отходов содержит кожух 1, стены 2, свод 3, перевальную стенку 4, разделяющую камеры горения 5 и дожигания 6, провальную колосниковую решетку 7, расположенную на дне камеры горения и состоящую из балок 8, имеющих на концах боковые бобышки 9. Стены 2 и свод 3 выполнены из огнеупорного и строительного кирпича. Перевальная стенка 4 полностью выполнена из огнеупорного кирпича и в верхней своей части имеет каналы для прохода газов. Под колосниковой решеткой 7 расположена зольная камера 10. На фронтальной стене камеры горения 5 установлены горелка 11, смотровое окно 12, люк 13 зольной камеры 10 и люк 14 камеры горения 5.
На своде 3 камеры горения 5 установлен бункер 15 с поворотной заслонкой 16 и крышкой 17. В закрытом положении поворотная заслонка 16 удерживается с помощью фиксатора 18. В камере дожигания 6 размещен плотный слой зернистого катализатора 19 переменной толщины по высоте с утолщением к верху. В зольной камере 10 имеется планка 20, жестко соединенная с штоком 21, проходящим через стену печи с возможностью продольного перемещения. Во фронтальной стене выполнены сквозные каналы 22, соединенные с зольной камерой 10 и снабженные жалюзийными решетками 23. На боковой стене печи установлен люк 24 камеры дожигания 6.
Для возможности поворота с большим радиусом люк 14 камеры горения 5 соединен с рычагами 25, концы которых шарнирно закреплены на кожухе 1.
Кожух 1 выполнен из листового металла и обеспечивает газоплотность печи.
Балки 8 провальной колосниковой решетки 7, контактируя между собой плоскостями боковых бобышек 9, имеют возможность независимого друг от друга свободного термического расширения. От толщины боковых бобышек 9 зависит ширина щелевых прозоров 26 для прохода воздуха и золы между балками 8.
Каталитическая печь для сжигания твердых отходов работает следующим образом.
При открытой крышке 17 и закрытой поворотной заслонке 16, удерживаемой фиксатором 18, в бункер 15 загружают подлежащие сжиганию отходы. По завершению загрузки крышку 17 закрывают. Включают в работу горелку 11, в которую подают газовое топливо. После прогрева печи за счет сжигания газового топлива, поворачивают заслонку 16 и отходы из бункера 15 под действием силы тяжести ссыпаются в камеру горения 5, образуя слой на колосниковой решетке 7. Поворотную заслонку 16 закрывают и далее осуществляют загрузку бункера 15 новой порцией отходов. Слой отходов на колосниковой решетке 7 под действием факела пламени горелки 11 нагревается и поджигается. Воздух для горения в слой поступает за счет самотяги, создаваемой дымовой трубой печи, или же за счет дымососа, установленного за печью. Из окружающей среды через жалюзи 23 воздух проходит по сквозным каналам 22 в зольную камеру 10, через щелевые прозоры колосниковой решетки 7 в слой отходов и в камеру горения 5. При активном горении отходов горелка 11 выключается. По мере выгорания горючих компонентов отходов, зольный остаток через щелевые прозоры 26 под действием силы тяжести проваливается в зольную камеру 10, где накапливается, а из бункера 15 на горящий слой подают очередная порция свежих отходов. Образующиеся при горении отходов газообразные продукты вместе с содержащимися в них продуктами недожога и летучим уносом твердых частиц из камеры горения через каналы в верхней части перевальной стенки 4 поступают в камеру дожига 6. Летучий унос твердой фазы под действием силы тяжести и инерционных сил, возникающих при повороте газового потока, выпадает в нижнюю часть камеры дожига 6, откуда периодически удаляется через люк 24. Газообразные продукты фильтруются через плотный слой зернистого катализатора 19, где происходит доокисление их горючих компонентов и нейтрализация экологически вредных соединений. Процессы каталитического реагирования идут при температурах выше 800°С. Вышедшие из слоя катализатора 19 и удаляемые из печи экологически безвредные высокотемпературные газообразные продукты могут использоваться в качестве греющего теплоносителя во внешних устройствах.
Наблюдение за процессом горения при работе печи осуществляется с помощью смотрового окна 12. Удаление золы из зольной камеры 10 выполняется периодически через люк 13 с использованием выталкивающей планки 20. Планка 20 служит своеобразным скребком и перемещается вдоль зольной камеры 10 с помощью штока 21. Периодически, при чистке печи, удаляется и твердый шлак с колосниковой решетки 7. Удаление шлака осуществляется через люк 14.
В каталитической печи для сжигания твердых отходов возможно сжигать отходы с различным содержанием горючей массы. Наличие газовой горелки позволяет перерабатывать и трудносжигаемые отходы. Для всех категорий отходов каталитическое дожигание газообразных продуктов горения обеспечит экологическую безопасность переработки отходов.
Пример. Сжигались отходы из древесностружечных плит. В отсутствии слоя катализатора в камере дожига отходящие газы содержали, масс. %: метан - 0,1; оксид углерода - 0,8; диоксид углерода - 12,3; окислы азота - 0,1; эфиры - 0,6. При наличии слоя катализатора в камере дожига отходящие газы содержали, соответственно: следы; 0,1; 8,6; 0; 0.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
• удобство обслуживания;
• эффективность работы;
• устранение экологически вредных компонентов в газовых выбросах;
• возможность переработки твердых отходов разной степени горючести.