способ сжигания высокозольной, в том числе токсичной биомассы и устройство для его реализации

заявляемое техническое решение относится к способам и устройствам для сжигания высокозольной, в том числе токсичной биомассы и может найти применение в промышленной теплоэнергетике.

значительное увеличение рыночных цен на мазут и печное топливо делает актуальным перевод промышленных, муниципальных и индивидуальных котельных агрегатов с ископаемого органического топлива на использование биомассы. в данном случае, в качестве сжигаемой биомассы рассматривается низкозольная и высокозольная органическая биомасса. к низкозольной биомассе относятся древесина и отходы её переработки, солома, шелуха, лузга, растительные отходы сельского хозяйства, а также специально выращиваемые энергетические травы и многолетние растения. к высокозольной органической биомассе относятся торфа, илы, сапропели, куриные экскременты, экскременты диких, сельскохозяйственных и домашних животных, экскременты человека, илы канализации, твердые бытовые отходы и другие виды горючего органического топлива.

при сжигании биомассы в котлах, изначально рассчитанных на ископаемое органическое топливо, основной проблемой является значительное снижение к.п.д. использования теплосодержания топлива. этот эффект объясняется разными температурами топочных газов, получаемых при сжигании ископаемого органического топлива и биомассы. биомасса, в отличие от ископаемого топлива, не является высококалорийным топливом из-за содержания влаги, что при сжигании не позволяет получить температуру топочных газов более 850 градусов цельсия, сжигание ископаемого топлива развивает температуру более 1200 градусов цельсия, что обеспечивает к.п.д. котлов не менее 90%.

существенной проблемой при сжигании отдельных разновидностей органической биомассы является токсичность образующихся зольных продуктов. илы, городская канализация, куриные экскременты и тбо содержат тяжелые металлы, канцерогены и другие токсичнее

заменяющий лист (правило 26)

вещества, вследствие чего они и продукты их сгорания не подлежат открытому складированию и захоронению. наиболее удобным способом обезвреживания токсичности этой золы является ее перевод в жидкое стеклообразное состояние с последующей грануляцией. перейдя под действием высокой температуры в стеклоподобное вещество, зола перестает быть водорастворимой и может использоваться как инертный строительный материал.

проблемой, при сжигании биомассы, в устройствах с системой жидкого шлакоудаления, является создание достаточно высокой температуры в зоне жидкого шлакоудаления (летника). при анализе существующих патентов не обнаружено технических решений, способных при сжигании высокозольной биомассы получить достаточную температуру, чтобы обеспечить плавление и остекловывание золы.

известен способ и устройство для сжигания отходов и биомассы, включающие устройство, которое представлено в виде печи, имеющую двухзольную камеру сжигания и систему мокрого золоулавливания. зола улавливается жидкостью, и после остывания подвергается фильтрации (см. патент сша Na 4440098 от 03.04.1984г., MпK-F23G 5/12).

к причинам, препятствующим достижение указанного ниже технического результата, при использовании известного способа и устройства, относится токсичность продуктов сгорания отходов и биомассы, т.к. температура мокрого золоудаления недостаточна для остекловывания и дальнейшей грануляции токсичных отходов горения.

известен способ и устройство для сжигания отходов фермерских хозяйств, включающие устройство, которое представлено в виде печи для утилизации органической биомассы, которая состоит из трубки для подачи биомассы, камеры сжигания, внутри которого расположен шнек для переработки биомассы, камер для переработанных продуктов биомассы в виде полукокса и синтез-газа и камеры для сбора золы, а также отверстий подачи горячего воздуха или газа для нагрева стенок шнека с целью поддержания оптимальной температуры для обработки биомассы и выхода для чистого синтез-газа. соответствующий этому устройству способ, который состоит в том, что биомасса через трубу подачи попадает в шнек и

2

заменяющий лист (правило 26)

перерабатывается с минимальным количеством кислорода в полукокс и синтез-газ, затем полукокс попадает в камеру, куда подается достаточный кислород для его дальнейшего сжигания, и синтез-газ попадает в отдельную камеру, где происходит его дожигание, зола от полукокса сваливается в камеру для дальнейшей утилизации, а очищенный синтез-газ реализуется (см. патент сша JYa6189463 от 20.02.2001 г., MпK-7 F23G 5/027).

к причинам, препятствующим достижению указшшото ниже технического результата, при использовании известного способа и устройства, относится низкая температура переработки биомассы, вследствие чего биомасса не может приобрести жидкое стеклообразное состояние и гранулироваться в процессе дальнейшей обработки.

наиболее близким устройством того лее назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является цикличный тепловой метод и обработка отходов включающий, несколько камер сгорания с бункером для загрузки сырья, и отверстия для подачи топлива и окислителя, расположенных тангенциально, охлаждающий бункер, бункер для очистки и теплообменник газов. биомасса, поступая в первую камеру сгорания, сжигается газом и кислородом, который подается из специальных отверстий, где органическая часть биомассы преобразуется в полукокс, а неорганическая часть биомассы расплавляется и стекает во вторую камеру, где дожигаются посредством кислорода и газа, поступающих из отверстий 2-ой камеры и, попадая в бункер охлаждения, утилизируется. синтез-газ, полученный путем обработки биомассы поступает, в теплообменник, где очищается и реализуется (патент сша Xa 5307748 от 03.05.1994 г. MпK-7: F23G 5у0O). этот патент является прототипом заявляемого способа сжигания высокозольной биомассы и устройства для его реализации.

общими признаками прототипа и заявляемого изобретения является процесс плавления неорганической части биомассы и наличие охлаждающего бункера.

к причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном способе и устройстве отсутствует газогенератор со слоевой

3

заменяющий лист (правило 26)

топкой, в котором используется низкозольная биомасса, тем самым позволяет поддерживать высокую температуру плавления в районе входа в систему жидкого шлакоудаления, также отсутствует система гранулирования продуктов горения высокозольной биомассы. высокая температура в способе- прототипе создается за счет применения кислорода, что экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости его получения.

задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в создании (разработке) способа сжигания высокозольной, в том числе токсичной биомассы и устройства для его реализации, лишенных вышеизложенных недостатков. устройство состоит из газогенератора со слоевой топкой, снабженного шнеком для подачи низкозольного топлива, при горении которого удается удерживать высокую температуру на выходе вихревого газогенератора работающего на высокозольном топливе, что позволит при промышленном производстве тепла перейти с ископаемого органического топлива на высокозольное топливо без замены котельного агрегата. при этом будет сохранен высокий к.п.д. существующих котлов, что позволит не уменьшать их тепловую производительность и оптимизировать расход твердого органического топлива (биомассы).

технической задачей является разработка устройства для сжигания высокозольной биомассы, в котором получается высокотемпературный поток горящего газа, не уступающий по своим характеристикам топочным газам горелок на жидком нефтяном топливе.

сущность заявляемого изобретения состоит в том, что для реализации поставленной цели предлагается способ сжигания высокозольной в том числе токсичной биомассы и устройство для его реализации, состоящее из вихревого газогенератора с системой жидкого шлакоудаления, а также газогенератора со слоевой топкой, в котором сжигается низкозольное топливо, обеспечивающее необходимую температуру для жидкого шлакоудаления продуктов сгорания высокозольного топлива. ввод высокозольного топлива в вихревой генератор осуществляется специальным шнеком. особенность его заключается в том, что выходное отверстие шнека расширяется по гиперболе в трех направлениях и по параболе в четвертом. этот выход позволяет обеспечить максимальную площадь соприкосновения

4 заменяющий лист (правило 26)

топлива с тепловым фронтом при минимальном сопротивлении движущегося топлива. на выходе вихревого газогенератора ставится газогенератор со слоевой топкой, имеющий систему сухого шлакоудаления. на вход этого газогенератора подается низкозольная биомасса (трава, солома, опилки и т.д.). таким образом, за счет сгорания низкозольного топлива в непосредственной близости от летника, удерживается достаточная температура, которая обеспечивает работу системы жидкого шлакоудаления. угол наклона вихревого газогенератора к горизонту - не менее 4°, что обеспечивает стекание жидких продуктов сгорания высокозольной биомассы в летник.

при этом пылеобразная зола, которая не плавится, попадая в зону слоевого газогенератора, резко теряет скорость, падает на пол слоевого газогенератора и вовлекается потоком газов в систему сухого золоудаления. выход смесительной камеры стыкуется к котлоагрегату или утилизатору тепла, как любое горелочное устройство. для устойчивой работы установки тепловая мощность слоевого газогенератора должна составлять 150% от тепловой мощности вихревого газогенератора.

сущность изобретения проиллюстрирована чертежами фигур 1, 2, 3 и 4.

на фиг. 1 изображены газогенератор с вихревой топкой и газогенератор со слоевой топкой, где:

1 - смесительная камера;

2 - газогенератор со слоевой топкой;

3 - надув воздуха в газогенератор со слоевой топкой;

4 - газогенератор с вихревой топкой;

5 - надув воздуха в смесительную камеру;

6 — шнек подачи высокозольного топлива;

7 - комод для сбора отшлакованых продуктов горения; 12-нaдyв воздуха в газогенератор с вихревой топкой 13-cмoтpoвoe окно газогенератора;

15-cмoтpoвoe окно газогенератора;

16-гopeлoчнoe устройство для первичного нагрева газогенераторов;

17-лeткa (сход в систему жидкого золоудаления)

на фиг.2 изображен газогенератор с вихревой топкой в разрезе, где:

5 заменяющий лист (правило 26)

6 - шнек для подачи высокозольного топлива в газогенератор с вихревой топкой;

7 - комод для сбора отшлакованых продуктов горения (системы жидкого золоудаления)

на фиг.з изображена система жидкого золоудаления, где:

8 - шнек для выноса отшлакованых продуктов горения;

9 - уровень воды в комоде для сбора отшлакованых продуктов горения. на фиг.4 изображен газогенератор со слоевой топкой, где:

10 - зольная решетка системы сухого золоудаления;

H - шнек подачи низкозольного топлива в газогенератор со слоевой топкой;

14 — шнек системы сухого золоудаления

устройство для сжигания высокозольной, в том числе токсичной биомассы состоит из газогенератора с вихревой топкой 4 (фиг.l) со смотровым окном 15, отверстий для надува воздуха в газогенератор вихревой топкой 12, горелочным устройством для первичного нагрева газогенератора 16, шнека для подачи низкозольного топлива в газогенератор со слоевой топкой 6, комода для сбора отшлакованых продуктов горения (системы жидкого золоудаления) 7, с летником (входом в систему жидкого золоудаления), а также из смесительной камеры 1 и газогенератора со слоевой топкой 2, отверстий для надува воздуха в газогенератор со слоевой топкой 3 и отверстий для надува воздуха в смесительную камеру 5, смотровым окном газогенератора 13, а также шнека для выноса отшлакованых продуктов горения 8 (фиг.4), шнека системы сухого золоудаления 14 (фиг.2) и зольной решетки (10).

устройство для сжигания высокозольной, в том числе токсичной биомассы работает следующим образом:

ввод высокозольного топлива осуществляется специальным шнеком (фиг.l, поз.6) и подается в газогенератор с вихревой топкой, куда одновременно через отверстие надува (фиг.l поз.12) подается воздух в количестве менее 60% от объема, необходимого для полного сжигания топлива. особенность шнека заключается в том, что выходное отверстие расширяется по гиперболе в трех направлениях и по параболе в четвертом,

6

заменяющий лист (правило 26)

что позволяет обеспечить максимальную площадь соприкосновения топлива с тепловым фронтом при минимальном сопротивлении движущегося топлива. газогенератор с вихревой топкой имеет смотровое окно (фиг.l, поз.15), горелочное устройство для первичного нагрева газогенераторов (фиг.l, поз.16). по мере продвижения и сгорания топлива отшлакованные продукты горения проваливаются в летник (вход в систему жидкого золоудаления) (фиг.l, поз.17) и через шнек для выноса отшлакованных продуктов горения (фиг.4 _? поз.8) попадают в комод для сбора отшлакованых продуктов системы жидкого золоудаления (фиг.l, поз.7), где поддерживается необходимый уровень воды (фиг.4, пoз.9). при этом, требуемая высокая температура для системы жидкого золоудаления достигается путем установки на выходе вихревого газогенератора, газогенератора со слоевой топкой (фиг.l, пoз.2), в который через шнек подачи низкозольного топлива (фиг.2, поз.11), подается низкозольная биомасса, горение которой, обеспечивает в зоне летника достаточную температуру для плавления отходов высокозольной биомассы и дальнейшую работу системы жидкого золоудаления. продукты сгорания низкозольной биомассы поступают через зольную решетку системы сухого золоудаления (фиг.2, поз.10) и выводятся шнеком системы сухого золоудаления (фиг.2, поз.14). воздух в газогенератор со слоевой топкой подается через отверстия для надува воздуха (фиг.l, поз.з). горючий газ из газогенератора поступает в смесительную камеру (фиг.l, поз.l), а воздух в смесительную камеру поступает через надувные отверстия (фиг.l, поз.5), где смешивается с горючими газами, поступающими из газогенератора, в соотношении, необходимом для полного сгорания топлива, и через выходное отверстие поступает в камеру сгорания котельного агрегата.

заявляемое техническое устройство стыкуется с котельным агрегатом или утилизатором тепла вместо горелки жидкого топлива и обеспечивает теплообменники котла высокотемпературными топочными газами. при этом практически не снижается тепловая производительность котла и к.п.д. использования топлива. заявляемое техническое решение позволяет сформировать газовую смесь из воздуха и газообразного горючего, получаемого в заявляемом устройстве из сжигаемой высокозольной биомассы, и окончательно дожечь эту газовую смесь непосредственно в

7

заменяющий лист (правило 26)

камере сгорания котельного устройства. а подача низкозольной биомассы (травы, соломы, опилок) позволяет удерживать достаточную температуру на выходе вихревого газогенератора, обеспечивая плавление и грануляцию токсичной золы, высокий к.п.д. работы котла и экономное использование сжигаемой высокозольной биомассы.

при анализе уровня техники не обнаружено решений с подобным сочетанием экономичности и технической эффективности, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «нoвизнa», «изoбpeтaтeльcкий уровень)) и «пpoмышлeннaя применимость)).

заменяющий лист (правило 26)