способ и устройство для сжигания твёрдого топлива

Формула изобретения

1. Способ сжигания твердого топлива, при котором топливо подают в печь для термического разложения, создают псевдоожиженный слой, производят термическое разложение топлива, продукты термического разложения подают в сильнозакрученный воздушный поток, сжигают с отделением золы, отличающийся тем, что процесс термического разложения выполняют в две стадии, на первой из которых производят нагрев и частичное термическое разложение, включающее процесс "сухого" пиролиза и начало газификации углистого вещества, вне псевдоожиженного слоя, а на второй - окончательное термическое разложение и первую стадию сжигания продуктов термического разложения осуществляют в псевдоожиженном слое, создаваемом сильнозакрученным вихревым потоком воздуха, пиролизным газом и частицами газифицируемого топлива, отсасываемыми сильнозакрученным вихревым потоком из зоны выхода продуктов первой стадии термического разложения, при этом начало второй стадии термического разложения осуществляют в центральной части вихревого потока в плоскости его образования, причем продукты сгорания первой стадии сжигания, имеющие коэффициент избытка воздуха менее единицы, формируют продолжение вихревого потока, омывающего зону первой стадии термического разложения с подводом к ней теплоты для организации процесса разложения и частичным подводом воздуха в зону первой стадии термического разложения в качестве газифицирующего агента, а вторую стадию сжигания газообразных продуктов термического разложения осуществляют за счет подачи активного воздуха в пассивную смесь продуктов термического разложения, отсасываемую после первой стадии сжигания активным воздухом, третью же стадию сжигания осуществляют в сильнозакрученном потоке продуктов сгорания, образованном высокотемпературным скоростным потоком продуктов сгорания, выходящим после второй стадии сжигания.

2. Устройство для сжигания твердого топлива, содержащее систему подачи топлива, печь для термического разложения твердого топлива, устройство для образования псевдоожиженного слоя, печь циклонного типа, соединенную с устройством для подачи воздуха под избыточным давлением, соединенным с источником воздуха, причем верхнее выходное отверстие печи для термического разложения соединено с верхним входным отверстием печи циклонного типа системой для подачи в печь циклонного типа продуктов термического разложения топлива, в центре печи циклонного типа выполнено отверстие для выхода продуктов сгорания, а в нижнем - отверстие для вывода золы, отличающееся тем, что печь для термического разложения топлива выполнена кольцевой, внутри нее с торцевым зазором относительно днища и соосно с печью установлена цилиндрическая реторта, верхняя часть которой соединена с системой подачи топлива, выполненной в виде бункера, а в боковой поверхности нижней части реторты выполнены отверстия, соединяющие внутреннюю полость реторты с рабочей полостью кольцевой печи, в нижней части которой расположено устройство для создания псевдоожиженного слоя, выполненное в виде лопаточного тангенциального завихрителя для подачи внешнего воздуха в ее внутреннюю полость, система для подачи в печь циклонного типа продуктов термического разложения топлива выполнена в виде вихревой камеры сгорания, выход которой соединен с внутренней полостью печи циклонного типа, а вход - с верхним выходным отверстием печи для термического разложения топлива, а устройство для подачи воздуха под избыточным давлением выполнено в виде эжектора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что эжектор выполнен вихревым.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сжигания топлива и может найти применение в газотурбинных, топочных и теплоэнергетических установках, в установках по переработке и утилизации бытовых и промышленных отходов.

Известны способы сжигания топлива (см., например, заявка ФРГ OS 3517992, опубл. 851205, 49). По этому способу сжигание топлива производят в две стадии. На первой стадии топливо загружают в первый реактор, создают псевдоожиженный слой, в котором происходит частичное сжигание топлива при восстановительном соотношении компонентов. Из выходящих из первого реактора газов отделяют твердые частицы, которые возвращают в реактор, а газы направляют во второй реактор с псевдоожиженным слоем, который получает кислородосодержащий газ.

Из известных способов сжигания твердого топлива наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в заявке Японии 62-35004 по МПК F 23 С 11/02, 6/04; F 23 G 5/30, опубл. 30.07.87, 5-876. По этому способу топливо подают в печь для термического разложения, создают псевдоожиженный слой, производят термическое разложение топлива, продукты термического разложения подают в сильнозакрученный воздушный поток, сжигают с отделением золы.

Известные способы сжигания твердого топлива имеют недостаточно высокую полноту сгорания процесса, и, как следствие, высокие вредные выбросы в окружающую среду, и плохие экологические характеристики процесса.

Известно устройство для сжигания твердого топлива, описанное в патенте США 4548138, МПК F 23 G 7/00. Устройство содержит вертикально установленную реакционную камеру с псевдоожиженным слоем. Камера содержит верхнюю и нижнюю зоны, причем внутренняя поверхность верхней зоны выполнена цилиндрической, нижняя зона снизу ограничена воздухораспределительной решеткой. В цилиндрической стенке верхней зоны камеры, тангенциально с ней, выполнены отверстия для подачи вторичного воздуха в верхнюю зону камеры. На выходе из реакционной камеры смонтировано сепарирующее устройство, в котором сыпучий материал отделяется от газового потока.

Из известных устройств для сжигания твердого топлива наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в заявке Японии 62-35004 по МПК F 23 С 11/02, 6/04; F 23 G 5/30. Устройство для сжигания твердого топлива содержит систему подачи топлива, печь для термического разложения, устройство для образования псевдоожиженного слоя, печь циклонного типа, причем верхнее выходное отверстие печи для термического разложения соединено с верхним входным отверстием печи циклонного типа системой для подачи в печь продуктов термического разложения твердого топлива. Циклонная печь соединена с устройством для подачи воздуха под избыточным давлением. В печи циклонного типа в центре верхней части выполнено отверстие для выхода продуктов сгорания, а в нижней части отверстие для выхода золы.

Известные устройства для сжигания твердого топлива также имеют недостаточно высокую полноту сгорания процесса и, как следствие, высокие вредные выбросы в окружающую среду, и плохие экологические характеристики процесса.

Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, - это увеличение полноты сгорания процесса, снижение вредных выбросов в окружающую среду, улучшение экологических характеристик процесса.

Техническая задача решается тем, что в способе, при котором топливо подают в печь для термического разложения, создают псевдоожиженный слой, производят термическое разложение топлива, продукты термического разложения подают в сильнозакрученный воздушный поток, сжигают с отделением золы, процесс термического разложения выполняют в две стадии, на первой из которых производят нагрев и частичное термическое разложение, включающее процесс "сухого" пиролиза и начало газификации углистого вещества, вне псевдоожиженного слоя, а на второй - окончательное термическое разложение и первую стадию сжигания продуктов термического разложения осуществляют в псевдоожиженном слое, создаваемом сильнозакрученным вихревым потоком воздуха, пиролизным газом и частицами газифицируемого топлива, отсасываемыми сильнозакрученным вихревым потоком из зоны выхода продуктов первой стадии термического разложения, при этом начало второй стадии термического разложения осуществляют в центральной части вихревого потока в плоскости его образования, причем продукты сгорания первой стадии сжигания, имеющие коэффициент избытка воздуха менее единицы, формируют продолжение вихревого потока, омывающего зону первой стадии термического разложения с подводом к ней теплоты для организации процесса разложения и частичным подводом воздуха в зону первой стадии термического разложения в качестве газифицирующего агента, а вторую стадию сжигания газообразных продуктов термического разложения осуществляют за счет подачи активного воздуха в пассивную смесь продуктов термического разложения, отсасываемую после первой стадии сжигания активным воздухом, третью же стадию сжигания осуществляют в сильнозакрученном потоке продуктов сгорания, образованном высокотемпературным, скоростным потоком продуктов сгорания, выходящим после второй стадии сжигания. В устройстве для сжигания твердого топлива, содержащем систему подачи топлива, печь для термического разложения твердого топлива, устройство для образования псевдоожиженного слоя, печь циклонного типа, соединенную с устройством для подачи воздуха под избыточным давлением, соединенным с источником воздуха, причем верхнее выходное отверстие печи для термического разложения топлива соединено с верхним входным отверстием печи циклонного типа системой для подачи в печь циклонного типа продуктов термического разложения топлива, в центре печи циклонного типа выполнено отверстие для выхода продуктов сгорания, а в нижнем - отверстие для вывода золы, причем печь для термического разложения топлива выполнена кольцевой, внутри которой с торцевым зазором относительно ее днища и соосно с ней установлена цилиндрическая реторта, верхняя часть которой соединена с системой подачи топлива, выполненной в виде бункера, а в боковой поверхности нижней части выполнены отверстия, соединяющие внутреннюю полость реторты с рабочей полостью кольцевой печи, в нижней части которой расположено устройство для создания псевдоожиженного слоя, выполненное в виде лопаточного тангенциального завихрителя для подачи внешнего воздуха в ее внутреннюю полость, система для подачи в печь циклонного типа продуктов термического разложения топлива выполнена в виде вихревой камеры сгорания, выход которой соединен с внутренней полостью печи циклонного типа, а вход - с верхним выходным отверстием печи для термического разложения топлива, устройство для подачи воздуха под избыточным давлением выполнено в виде вихревого эжектора.

Таким образом, введенные в способ и устройство для сжигания твердого топлива новые отличительные признаки в совокупности с известными позволяют решить поставленную техническую задачу: увеличить полноту сгорания процесса, снизить вредные выбросы в окружающую среду, улучшить экологические характеристики процесса в целом.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для сжигания твердого топлива, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Способ осуществляют следующим образом.

Топливо подают в печь для термического разложения, создают псевдоожиженный слой, процесс термического разложения выполняют в две стадии.

На первой стадии производят нагрев и частично термическое разложение, включающее процесс "сухого" пиролиза и начало газификации углистого вещества, вне псевдоожиженного слоя. На второй стадии производят окончательное термическое разложение и первую стадию сжигания продуктов термического разложения в псевдоожиженном слое, создаваемом сильнозакрученным вихревым потоком воздуха, пиролизным газом и частицами газифицируемого топлива, отсасываемыми сильнозакрученным вихревым потоком из зоны выхода продуктов первой стадии термического разложения, при этом начало второй стадии термического разложения осуществляют в центральной части вихревого потока, в плоскости его образования. Продукты сгорания первой стадии сжигания, имеющие коэффициент избытка воздуха менее единицы, формируют продолжение вихревого потока, омывающего зону первой стадии термического разложения с подводом к ней теплоты для организации процесса разложения и частичным подводом воздуха в зону первой стадии термического разложения в качестве газифицирующего агента, а вторую стадию сжигания газообразных продуктов термического разложения осуществляют за счет подачи активного воздуха в пассивную смесь продуктов термического разложения, отсасываемую после первой стадии сжигания активным воздухом. Третью стадию сжигания осуществляют в сильнозакрученном потоке продуктов сгорания, образованном высокотемпературным, скоростным потоком продуктов сгорания, выходящим после второй стадии сжигания.

Устройство для сжигания твердого топлива (фиг.1) содержит систему подачи топлива, выполненную в виде бункера 1, печь для термического разложения твердого топлива 2, устройство для образования псевдоожиженного слоя 3, печь циклонного типа 4 для дожигания газообразных продуктов термического разложения с входным отверстием 5 в верхней части, в центре которой выполнено отверстие для выхода продуктов сгорания 6, а в нижней части - отверстие для выхода золы 7, вихревую камеру сгорания 8 с вихревым эжектором 9, соединенным с источником воздуха 10. Печь для термического разложения топлива 2 с выходным отверстием 11 вверху выполнена кольцевой, внутри ее с торцевым зазором 12 относительно днища и соосно печи установлена цилиндрическая реторта 13, верхняя часть которой соединена с бункером 1. В боковой поверхности нижней части реторты 13 выполнены отверстия 14, соединяющие внутреннюю полость реторты 13 с рабочей полостью печи 2. В нижней части печи 2 установлен коллектор 15 для подачи внешнего воздуха в ее внутреннюю полость. Верхнее выходное отверстие 11 печи 2 соединено с входом камеры сгорания 8, выход которой выполнен тангенциальным с внутренней поверхностью печи циклонного типа 4. Устройство для создания псевдоожиженного слоя 3 выполнено (см. фиг.2) в виде лопаточного тангенциального завихрителя.

Устройство для сжигания твердого топлива работает следующим образом. Топливо загружают в бункер 1, откуда под действием силы тяжести оно перемещается во внутреннюю полость реторты 13, заполняя всю высоту реторты 13 до днища печи 2. Из источника воздуха 10 в вихревой эжектор 9 вихревой камеры сгорания 8 подают воздух, который в эжекторе 9 является активной, эжектирующей составляющей или активным воздухом. В результате образования в эжекторе 9 вихря в его приосевой зоне создается разрежение, в результате чего из печи 2 осуществляется отсос воздуха, т.е. внутри печи 2 давление воздуха становится ниже атмосферного. В результате этого воздух из окружающей среды поступает в коллектор 15, откуда в устройство для образования псевдоожиженного слоя 3. В результате этого в нижней части печи 2 образуется сильнозакрученный вихревой поток с радиальным градиентом статического давления, перемещающийся вверх по кольцевому каналу печи 2. При своем движении вверх вихревой поток захватывает частицы твердого топлива, отсасываемые вихрем из торцевого зазора 12. В результате этого в нижней части печи 2 создается псевдоожиженный слой, высота которого регулируется расходом или давлением активного воздуха в эжекторе 9. На начальной стадии работы запуск устройства осуществляют от постороннего источника тепловой энергии или пусковой горелки. В результате подачи высокотемпературного факела в область псевдоожиженного слоя происходит воспламенение топлива псевдоожиженного слоя, его разогрев в результате осуществления экзотермической реакции окисления топлива воздухом. Продукты сгорания, имеющие температуру 700^o-900^oС образуют вихревой поток, омывающий реторту 13, разогревая ее стенки. В результате этого происходит передача теплоты от высокотемпературного вихревого потока через стенку реторты 13 к находящемуся в ней твердому топливу. В процессе подвода теплоты к реторте 13 в ее верхней части происходит разогрев находящегося в ней топлива. В средней части реторты температура находящегося в ней топлива достигает 500-800^oС и более. В результате этого, начиная со слоя с температурой 500^oС и выше, внутри реторты 13 происходит первый этап термического разложения топлива - процесс "сухого" пиролиза. В этом случае без доступа воздуха происходит разложение топлива на газообразные продукты - пиролизный газ и твердый остаток - углистое вещество. Поскольку в нижней части реторты давление ниже, чем в кольцевой полости печи 2, то происходит вдув воздуха из псевдоожиженного слоя через отверстия 14 в разогретую область внутри реторты. В этом случае воздух играет роль газифицирующего агента. В результате вдува воздуха в раскаленное углистое вещество, находящееся в нижней части реторты 13, происходит дальнейший разогрев углистого вещества и осуществление экзотермической реакции окисления углерода - процесс газификации, в результате чего снижается количество твердой фракции - термического разложения с увеличением газообразной фракции пиролизного газа. Количество и размер отверстий 14 выбраны так, что количество воздуха, поступающего через отверстия, недостаточно для полного окисления углерода до двуокиси углерода СО₂. В результате этого углерод окисляется в основном до окиси углерода СО, которая служит горючей составляющей газообразных продуктов термического разложения, т.е. пиролизного газа. Горючий газ, полученный в первой стадии термического разложения внутри реторты 13, вместе с твердыми частицами продуктов термического разложения отсасывается через торцевой зазор 12, смешиваются в вихревом потоке нижней части печи 2, образуя псевдоожиженный высокотемпературный слой, в котором происходит вторая стадия термического разложения углистого вещества и начало первой стадии сжигания газообразных продуктов термического разложения. Процесс первой стадии сжигания осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, меньшим 1, т.е. температура продуктов сгорания в печи 2 не должна превышать 700-900^oС.

Продукты сгорания первой стадии сжигания отсасываются через отверстия 11 вихревым эжектором 9 камеры сгорания 8, при этом продукты сгорания первой стадии сжигания являются пассивной составляющей эжектора - эжектируемым газом.

В камере сгорания 8 происходит вторая стадия сжигания газообразных продуктов термического разложения. При этом количество воздуха, поступающего в зону горения и разбавления камеры, выбирают так, чтобы температура продуктов сгорания на входе в отверстия 5 не превышала 900^oС. В результате этого из камеры сгорания 8 через отверстие 5 в печь 4 выходят продукты сгорания второй стадии сжигания, которые дожигаются в вихревом потоке печи циклонного типа 4. Необходимо отметить, что в зоне горения вихревой камеры 8 температура может достигать максимальной величины, т.е. 1600^oC и выше, но время пребывания в этой зоне продуктов сгорания выбрано минимальным, что не создает условий для увеличения окислов азота, а последующее резкое снижение температуры продуктов сгорания путем вдува воздуха в зоне разбавления камеры 8 ликвидирует возможность дальнейшего образования окислов азота.

В печи циклонного типа, кроме процесса третьей стадии сжигания газообразных продуктов термического разложения твердого топлива, осуществляется процесс сепарации - разделения, твердой и газообразной фракций продуктов сгорания. При этом газообразные фракции выходят через отверстие 6, а твердая фракция - зола - выходит в отверстие 7. Процесс третьей стадии сжигания осуществляют при температуре 800^oС и ниже, но с увеличенным временем пребывания и значительным избытком воздуха.

Таким образом, сжигание твердого топлива, осуществляемое за три стадии, позволяет повысить полноту сгорания процесса, уменьшить вредные выбросы в окружающую среду, улучшить экологические характеристики процесса.