5.3.4 Сжигание в печах кипящего слоя
Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной системы “твёрдое – газ” путём превращения слоя отходов в “ псевдожидкость”. Под действием динамического напора восходящего потока газа твёрдые частицы поддерживаются во взвешенном состоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение подчиняется законам гидростатики.
Печи для сжигания ТБО в кипящем слое обеспечивают наилучший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого материала. По этим характеристикам они превосходят котлоагрегаты с переталкивающими решетками. Кроме того, аппараты кипящего слоя не имеют движущихся частей или механизмов. Однако необходимость обеспечения режима псевдоожижения обрабатываемого материала накладывает ограничение на его гранулометрический и морфологический состав, а также тепловую способность, в связи с чем в ряде случаев процесс сжигания в кипящем слое (особенно в циркулирующем кипящем слое) оказывается более дорогим, чем слоевое сжигание.
Производительность печей для сжигания ТБО в кипящем слое составляет от 3 до 25 т/час. Преобладающие температуры сжигания – 850 – 920 °С. В кипящем слое заметно снижается возможность образования оксидов азота за счет окисления азота воздуха, в результате чего снижаются выбросы NOx с отходящими газами. Кроме этого, значительно легче связать кислые соединения серы и хлора путём добавки в топочное пространство порошков соединений кальция.
В зависимости от характера псевдоожижения различают три модификации кипящего слоя: стационарный, вихревой и циркулирующий. Роль теплоносителя в системах кипящего слоя обычно выполняет тонкозернистый песок, частицы которого создают большую поверхность нагрева.
В результате хорошей теплопроводности песка отходы начинают быстро гореть равномерно во всем объеме кипящего слоя. Выделяющееся при этом тепло обеспечивает поддержание песка в горячем состоянии, что позволяет работать в автогенном режиме без подвода дополнительного топлива для обеспечения режима горения.
Для сжигания ТБО в стационарном кипящем слое печи оснащают цилиндрической или прямоугольной топкой, ограниченной снизу газораспределительной решеткой, конструкция которой обычно предусматривает возможность удаления шлака. Кипение слоя дробленных ТБО в камере сжигания обеспечивает поток подогретого первичного воздуха. Вторичное дутьё подают поверх кипящего слоя (для обеспечения дожигания). Шлак вместе с частью песка выгружают снизу и подвергают грохочению с целью регенерации песка.
На рисунке 40 приведена схема завода, на котором реализовано сжигание ТБО в стационарном кипящем слое.
1 - питатель отходов; 2 – решетка с отверстиями; 3 – камера сжигания; 4 – горелка; 5 – дутьевой вентилятор; 6 – циклон; 7 – электрофильтр; 8 – дымосос; 9 – труба
Рисунок 40 - Сжигание отходов в стационарном кипящем слое
Схема сжигания в стационарном кипящем слое заметно отличается от схем со слоевым сжиганием ТБО.
Эффективность процесса сжигания отходов в кипящем слое в значительной степени обеспечивают следующие особенности конструктивного выполнения камеры сжигания:
1. фурменное днище камеры состоит из нескольких секций, через которые вводится различное количество дутьевого воздуха, чтобы обеспечить ожижение и вихревое движение слоя загрузки. Скошенная форма фурменного днища облегчает выгрузку;
2. дефлекторы в верхней части топочной камеры обеспечивают направление вихревого движения, определяют степень расширения кипящего слоя и предотвращают вынос песка из слоя, благодаря чему удерживаются точные геометрические размеры слоя;
3. два вращающихся в противоположных направлениях потока эллиптической формы, соприкасающиеся в середине, обеспечивают оптимальное распределение и ворошение отходов, благодаря чему достигается более чем 99%-ное сгорание отходов и предотвращение подпора при загрузке новых отходов.
Вихревое сжигание. Чтобы достичь полного сгорания летучих компонентов, в зону высокой турбулизации подают вторичный воздух, который интенсивно перемешивается с горючими газами и способствуют их полному дожиганию в выше расположенном реакционном пространстве, в котором поддерживается температура 850 °С (время пребывания газов в этой зоне составляет 5 секунд).
Циркуляционное сжигание. На рисунке 41 схематично представлена печь с циркулирующим кипящим слоем. Крупность загружаемого в печь материала – 100 мм.
Рисунок 41 – Печь для сжигания отходов в циркулирующем кипящем слое
Эффективное сжигание в печи с циркулирующем слоем обеспечивают хорошим контактом топлива из отходов с горячим песком (печь заполняют песком на 1/3 объёма). Материал постоянно циркулирует в системе печь – циклон, и по всей высоте печи поддерживается равномерная температура 830 – 920 °С (относительно низкая температура способствует снижению выбросов оксидов азота на 25-40 % по сравнению с использованием котлоагрегатов со стандартными решетками, снижению коррозионного действия хлора).
Воздух предварительно нагревают до 300-350 °С и подают в печь в нескольких точках (на схеме показана одна). Отходящие газы из печи направляют в циклон, где осаждают шлак. Температура в циклоне составляет 750-800 °С, т.е. циклон частично выполняет функцию печи. Для рекуперации тепла в циклоне имеются трубы.
Время пребывания отходящих газов в печи составляет около 4 сек. Печь характеризуется пониженным выходом шлака и летучей золы и является экологически наиболее чистым агрегатом из термического оборудования данного профиля.