close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13971

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 13971
(13) C1
(19)
F 23G 5/24
F 23G 7/12
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
(21) Номер заявки: a 20080901
(22) 2008.07.09
(43) 2010.02.28
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В. Лыкова"
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(72) Авторы: Журавский Геннадий Иванович; Мартинов Олег Георгиевич;
Романовский Александр Васильевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В. Лыкова"
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(56) Биомасса как источник энергии / Под
ред. С. Соуфера и др. - М.: Мир, 1985. С. 115-121.
RU 2004126290 A, 2006.
RU 4587 U1, 1997.
SU 339722, 1972.
RU 2282788 C1, 2006.
GB 2152949 A, 1985.
BY 13971 C1 2011.02.28
(57)
Устройство для переработки органических отходов, включающее газификатор, газоход, камеру дожигания газов, питатель для подачи топлива с бункером топлива и систему
золоудаления, отличающееся тем, что газификатор снабжен мешалкой, выполненной в
виде двухлопастного ротора, установленного на вертикальной оси, герметично закрепленной
BY 13971 C1 2011.02.28
в верхней части газификатора с возможностью ее вращения, запальником в виде горелки,
установленной над колосниковой решеткой на верхнем уровне слоя топлива в камере, газоход снабжен кожухом в виде трубы, образующей с газоходом цилиндрический воздуховод для подачи вторичного воздуха, один конец которого заглушен, а другой подключен к
камере дожигания газов и содержит на входе в камеру дожигания завихритель в виде двух
коаксиальных патрубков высотой, равной высоте канала воздуховода, установленных под
углом 45° к оси газохода, причем питатель для подачи топлива выполнен в виде шнека в
трубе, соединяющей нижнюю часть бункера топлива с верхней частью газификатора, а
система золоудаления выполнена в виде подключенной к трубопроводу подачи первичного воздуха цилиндрической емкости под колосниковой решеткой.
Изобретение относится к области сжигания топлив и может быть использовано в энергетике, тепловых станциях, жилищно-коммунальном хозяйстве для переработки органических отходов, а также в индивидуальных отопительных системах.
Известны способ сжигания осадков сточных вод кожевенных производств и устройство, реализующее данный способ. Устройство содержит реактор с кипящим слоем, теплообменники, систему подачи отходов в реактор в виде форсунок [1].
Недостатками данного устройства являются высокий расход энергоресурсов для переработки отходов, большие выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Известно устройство для переработки твердых отходов, содержащее газогенератор с
вращающейся колосниковой решеткой в нижней части, теплообменник, транспортер, циклон, водяной затвор, смолоотделитель [2].
К недостаткам данного устройства следует отнести высокую температуру процесса,
большие выбросы вредных газообразных продуктов в окружающую среду, ненадежную
систему золоудаления из-за наличия водяного затвора (при повышении давления в газификаторе затвор может быть выдавлен в охлаждаемый сборник, что приведет к остановке
работы устройства).
Известна слоевая топка, содержащая наклонную колосниковую решетку, снабженную
воздушным коробом, расположенное над колосниковой решеткой окно с примыкающим к
нему газификационным бункером, выполненным расширяющимся снизу вверх и с изогнутой нижней частью, подключенной к питателю [3].
Недостатками данного устройства являются невозможность сжигать высоковлажное
топливо, большой унос мелких фракций топлива и, как следствие, загрязнение окружающей среды, сложность регулирования процесса сжигания.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является топочное устройство [4], содержащее газификатор, загрузочное устройство в виде бункера, газоход в виде
трубы, камеру вторичного горения, теплообменник в виде регенерационной колонны, систему золоудаления с гидравлическим затвором и охлаждаемым сборником.
Недостатками данного устройства являются высокая степень недожога из-за отсутствия перемешивания слоя топлива, высокие энергетические затраты на процесс сжигания, большие выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергетических затрат на
переработку отходов и снижение вредных выбросов в окружающую среду.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для переработки органических
отходов, включающем газификатор, газоход, камеру дожигания газов, питатель для подачи топлива с бункером и систему золоудаления, согласно изобретению, газификатор
снабжен мешалкой, выполненной в виде двухлопастного ротора, установленного на вертикальной оси, герметично закрепленной в верхней части газификатора с возможностью
ее вращения, запальником в виде горелки, установленной над колосниковой решеткой на
верхнем уровне слоя топлива в камере, газоход снабжен кожухом в виде трубы, образую2
BY 13971 C1 2011.02.28
щей с газоходом цилиндрический воздуховод для подачи вторичного воздуха, один конец
которого заглушен, а другой подключен к камере дожигания газов и содержит на входе в
камеру дожигания завихритель в виде двух коаксиальных патрубков высотой, равной высоте канала воздуховода, установленных под углом 45° к оси газохода, причем питатель
для подачи топлива выполнен в виде шнека в трубе, соединяющей нижнюю часть бункера
топлива с верхней частью газификатора, а система золоудаления выполнена в виде подключенной к трубопроводу подачи первичного воздуха цилиндрической емкости под колосниковой решеткой.
На чертеже приведен общий вид устройства для переработки органических отходов.
Согласно предлагаемому изобретению, устройство содержит бункер 1, снабженный
питателем 2 в виде трубы со шнеком, подсоединенным к двигателю 3, газификатор 4,
снабженный датчиком уровня 5 и мешалкой 6, выполненной в виде двухлопастного ротора, установленного на вертикальной оси, герметично закрепленной в верхней части газификатора и подсоединенной к двигателю 7 с помощью клиноременной передачи 8,
патрубок 9 для подачи первичного воздуха, секцию твердого остатка 10, снабженную колосниковой решеткой 11, запальную горелку 12, датчик контроля температуры в слое 13,
люк выгрузки твердого остатка 14 и накопитель золы 15, газоход 16, подключенный к газификатору 4 и камере дожигания 17, секторообразный регулятор расхода воздуха 18, цилиндрический воздуховод 19, один конец которого заглушен, а другой подключен к
камере дожигания 17, завихритель 20, теплообменник 21, дымовую трубу 22.
Устройство работает следующим образом.
Органические отходы из бункера 1 шнеком питателя 2, приводимым во вращение двигателем 3, подают в газификатор 4. Труба питателя 2 установлена таким образом, что соединяет нижнюю часть бункера 1 с верхней частью газификатора 4. Это обеспечивает
возможность равномерной подачи отходов из бункера на поверхность слоя в камере сгорания.
Отходы загружают в газификатор до заполнения его на половину высоты, что контролируют по показаниям датчика уровня 5, установленного возле оси мешалки 6.
Одновременно в процессе заполнения для равномерного распределения отходов по
сечению газификатора 4 с помощью двигателя 7 и клиноременной передачи 8 вращают
мешалку 6. После загрузки заданного количества отходов увеличивают скорость вращения мешалки путем увеличения оборотов двигателя 7. Под воздействием лопастей ротора
частицы отходов вращаются вокруг оси газификатора и одновременно совершают в автоколебательном режиме возвратно-поступательное движение по вертикали газификатора, в
результате чего происходит интенсивное перемешивание частиц отходов и выравнивание
их температур по всему объему слоя. Создаваемый таким образом так называемый вибровращающийся слой характеризуется высокой степенью изотермичности.
После создания вибровращающегося слоя через патрубок 9 в слой подают первичный
воздух, направляя его поток вначале через секцию твердого остатка 10, а только затем через колосниковую решетку 11 в сам слой отходов. Такая организация подачи воздуха позволяет охлаждать твердый остаток, а тепло от остатка возвращать посредством
подогретого воздуха обратно в газификатор, обеспечивая снижение энергоемкости процесса переработки отходов и повышение его коэффициента полезного действия.
Одновременно с подачей в слой отходов воздуха включают запальную горелку 12.
Тепло от сжигания топлива в запальной горелке 12 передается частицам отходов, которые
нагреваются в зоне действия горелки до начала процесса газификации с интенсивным выделением дополнительного количества тепла от самих частиц. В результате совместного
действия этих двух источников тепла и интенсивного перемешивания слой отходов быстро разогревается до заданной температуры. Температуру нагрева слоя контролируют по
показаниям датчика температуры 13, установленного в слое отходов. При достижении
температуры заданного значения (800 °С) отключают запальную горелку 12. По достиже3
BY 13971 C1 2011.02.28
нии заданной температуры процесс газификации в дальнейшем протекает равномерно по
всему слою, что обеспечивает максимальную эффективность газификации отходов. Корректировку температуры процесса газификации осуществляют посредством регулировки
подачи первичного воздуха.
При сгорании части отходов образуется зола, которая проваливается через колосниковую решетку в секцию твердого остатка, где охлаждается потоком первичного воздуха. Из
секции твердого остатка золу регулярно по мере ее накопления выгружают через люк 14 в
накопитель золы 15.
Образующийся в процессе газификации отходов горючий газ через газоход 16 поступает в камеру дожигания 17. Одновременно с подачей газа в камеру дожигания через секторообразный регулятор расхода воздуха 18 в цилиндрический воздуховод 19 подают
воздух, который далее поступает в камеру дожигания и перемешивается с газом. При этом
газоход на входе в камеру дожигания снабжен завихрителем 20 в виде двух коаксиальных
патрубков, установленных под углом 45° к оси газохода. Завихритель 20 осуществляет закрутку воздуха и газа, а установка коаксиальных патрубков под углом 45° к оси газохода
обеспечивает вихревое движение воздуха и газа в камере сгорания 17. Установка патрубков завихрителя 20 под углом более чем 45° к оси газохода приводит к росту гидродинамического сопротивления всего газодинамического тракта, для преодоления которого
требуется увеличение напора первичного воздуха, в результате чего поднимается давление в камере сгорания, что способствует возникновению утечки газа через питатель в
бункер с отходами. Аналогичная картина возникнет при выполнении патрубков завихрителя 20 с высотой, большей высоты канала воздуховода.
Установка патрубков завихрителя 20 под углом менее чем 45° к оси газохода не обеспечивает достаточную степень закручивания потоков воздуха и газа и, следовательно,
надлежащую степень перемешивания газа с вторичным воздухом, что приводит к недожегу и загрязнению окружающей среды.
Аналогичная картина возникнет при выполнении патрубков завихрителя 20 с высотой,
меньшей высоты канала воздуховода.
Смешивание сильно нагретых потоков газа и воздуха приводит к воспламенению смеси с образованием короткого факела горения, обеспечивающего высокое качество сжигания газа вследствие интенсивной закрутки смеси.
Продукты сгорания газа из камеры дожигания 17 поступают в теплообменник 21, где
охлаждаются и далее выводятся в дымовую трубу 22. Теплообменник 21 предназначен
для нагрева воды, используемой далее на нужды горячего водоснабжения или отопления.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Органические отходы в виде смеси (70 мас. % древесной щепы и 30 мас. % резиновой
крошки с диаметром частиц щепы и крошки 5 мм) из бункера 1 шнеком питателя 2, приводимым во вращение двигателем 3, подают в газификатор 4 с расходом 50 кг/ч. Труба
питателя установлена таким образом, что соединяет нижнюю часть бункера 1 с верхней
частью газификатора 4. Отходы загружают в газификатор до заполнения его на половину
высоты. В нашем случае это составляет 0,5 м при диаметре газификатора 0,8 м. Объем загруженных отходов составит величину Vотх = 0,25 м3. Плотность такого вида отходов (щепа и крошка составляет 200 кг/м3). По показаниям датчика уровня 5, установленного возле
оси мешалки 6, контролируют загрузку отходов. Одновременно в процессе заполнения с
помощью двигателя 7 и клиноременной передачи 8 вращают мешалку 6 для равномерного
распределения отходов по сечению газификатора 4. При этом скорость вращения мешалки
с помощью двигателя с регулируемым числом оборотов и тахометра устанавливают равной 5 оборотов в минуту.
После загрузки 50 кг отходов увеличивают скорость вращения мешалки до 180 оборотов в минуту путем увеличения оборотов двигателя 7, в результате чего создается вибро4
BY 13971 C1 2011.02.28
вращающийся слой. Уровень слоя отходов поднимается на высоту 0,7 м и оказывается на
уровне горелки 12.
После создания вибровращающегося слоя через патрубок 9 в слой подают первичный
воздух, направляя его поток вначале через секцию твердого остатка 10, а только затем через колосниковую решетку 11 в сам слой отходов.
Одновременно с подачей в слой отходов воздуха включают запальную горелку 12.
Тепло от сжигания топлива в запальной горелке 12 передается частицам отходов, которые
нагреваются в зоне действия горелки до начала процесса газификации с интенсивным выделением дополнительного количества тепла от самих частиц. В результате совместного
действия этих двух источников тепла и интенсивного перемешивания слой отходов быстро разогревается до заданной температуры.
Температуру нагрева слоя контролируют по показаниям датчика температуры 13,
установленного в слое отходов. При достижении температуры заданного значения
(800 °С) отключают запальную горелку 12. По достижении заданной температуры процесс
газификации в дальнейшем протекает равномерно по всему слою, что обеспечивает максимальную эффективность газификации отходов. Корректировку температуры процесса
газификации осуществляют посредством регулировки подачи первичного воздуха.
Расход подаваемого воздуха устанавливают из следующих соображений. Для полного
сгорания такого вида смеси с расходом 50 кг/ч необходимо подать 5 м3 воздуха на 1 кг
смеси, то есть 250 м3/ч.
Для обеспечения эффективного сжигания смеси отходов в настоящем устройстве организовано его сжигание в две стадии. Первую стадию осуществляют в газификаторе 4,
где сгорает часть отходов, а другая часть газифицируется (превращается в генераторный
газ). Это обеспечивают тем, что в камеру сгорания 4 подают 125 м3/ч воздуха. При этом
полностью сгорает 25 кг/ч смеси отходов (50 %), а 25 кг/ч газифицируется с образованием
в итоге генераторного газа в виде суммарной газовой смеси, содержащей CO, H2, CH4,
CO2, H2O и N2, с теплотой сгорания, составляющей 5 МДж/кг, и расходом 209,05 кг/ч. Из
них 97,815 кг/ч составляют продукты полного сгорания от 25 кг /ч отходов в газификаторе
и 23,9 кг/ч составляют собственно сами газообразные продукты разложения отходов в
процессе газификации 25 кг/ч оставшихся отходов с учетом их зольности.
При сгорании части отходов образуется зола в количестве 2,2 кг/ч при зольности смеси, равной 4,4 мас. % (зольность щепы 2 мас. %, а резиновой крошки 10 мас. %), которая
проваливается через колосниковую решетку в секцию твердого остатка, где охлаждается
потоком первичного воздуха. Из секции твердого остатка золу регулярно по мере накопления выгружают через люк 14 в накопитель золы 15.
Образующийся в процессе газификации отходов горючий генераторный газ через газоход 16 поступает в камеру дожигания 17. Одновременно с подачей газа в камеру дожигания через секторообразный регулятор расхода воздуха 18 в цилиндрический воздуховод
19 подают воздух в количестве 125 м3/ч, который через завихритель 20 поступает в камеру
дожигания и перемешивается с газом. Смешивание сильно нагретых потоков газа и воздуха приводит к воспламенению смеси с образованием короткого факела горения, обеспечивающего высокое качество сжигания газа вследствие интенсивной закрутки смеси.
Продукты сгорания всего количества генераторного газа с расходом
(209,05 кг/ч + 1,29 кг/м3 × 125 м3/ч = 370,3 кг/ч) 370,3 кг/ч из камеры дожигания поступают в теплообменник 21, где охлаждаются и далее выводятся в дымовую трубу 22. В результате охлаждения продуктов сгорания газа в теплообменнике 21 до температуры не
ниже температуры конденсации в них влаги выделяется 869 МДж/ч тепла (при сжигании отходов с расходом 50 кг/ч количество выделившегося тепла составит
50 кг/ч × 18,480 МДж/кг × 0,94 = 869 МДж/ч, где удельная низшая теплота сгорания смеси
отходов равна 18,480 МДж/кг, тепловой к.п.д. устройства равен 94 %).
5
BY 13971 C1 2011.02.28
За счет выделяющегося тепла в теплообменнике может быть нагрето следующее количество воды:
Q
869000 кДж / ч
=
= 3198 кг / ч ,
Mв =
Cв ( t вых − t вх ) 4,18 кДж /(кгК) (80 °С − 15 °C)
где Q = 869 МДж/ч (869000 кДж/ч) - количество тепла, выделяющееся в результате сгорания отходов; Cв = 4,18 кДж/(кгК) - удельная теплоемкость воды; tвх = 15 °С - начальная
температура воды; tвых = 80 °С - конечная температура воды.
Пример 2.
Органические отходы в виде смеси (80 мас. % древесной щепы и 20 мас. % резиновой
крошки с диаметром частиц щепы и крошки 5 мм) из бункера 1 шнеком питателя 2, приводимым во вращение двигателем 3, подают в газификатор 4 с расходом 40 кг/ч. Труба
питателя установлена таким образом, что соединяет нижнюю часть бункера 1 с верхней
частью газификатора 4. Отходы загружают в газификатор до заполнения его на половину
высоты. В нашем случае это составляет 0,6 м при диаметре газификатора 0,8 м. Объем загруженных отходов составит величину Vотх = 0,3 м3. Плотность такого вида отходов (щепа
и крошка составляет 133 кг/м3). По показаниям датчика уровня 5, установленного возле
оси мешалки 6, контролируют загрузку отходов. Одновременно в процессе заполнения с
помощью двигателя 7 и клиноременной передачи 8 вращают мешалку 6 для равномерного
распределения отходов по сечению газификатора 4. При этом скорость вращения мешалки
с помощью двигателя с регулируемым числом оборотов и тахометра устанавливают равной 5 оборотов в минуту.
После загрузки 40 кг отходов увеличивают скорость вращения мешалки до 200 оборотов в минуту путем увеличения оборотов двигателя 7, в результате чего создается вибровращающийся слой. Уровень слоя отходов поднимается на высоту 0,7 м и оказывается на
уровне горелки 12.
После создания вибровращающегося слоя через патрубок 9 в слой подают первичный
воздух, направляя его поток вначале через секцию твердого остатка 10, а только затем через колосниковую решетку 11 в сам слой отходов.
Одновременно с подачей в слой отходов воздуха включают запальную горелку 12.
Тепло от сжигания топлива в запальной горелке 12 передается частицам отходов, которые
нагреваются в зоне действия горелки до начала процесса газификации с интенсивным выделением дополнительного количества тепла от самих частиц. В результате совместного
действия эти двух источников тепла и интенсивного перемешивания слой отходов быстро
разогревается до заданной температуры.
Температуру нагрева слоя контролируют по показаниям датчика температуры 13,
установленного в слое отходов. При достижении температуры заданного значения
(800 °С) отключают запальную горелку 12. По достижении заданной температуры процесс
газификации в дальнейшем протекает равномерно по всему слою, что обеспечивает максимальную эффективность газификации отходов. Корректировку температуры процесса
газификации осуществляют посредством регулировки подачи первичного воздуха.
Расход подаваемого воздуха устанавливают из следующих соображений. Для полного
сгорания такого вида смеси с расходом 40 кг/ч необходимо подать 4,3 м3 воздуха на 1 кг
смеси, то есть 172 м3/ч.
Для обеспечения эффективного сжигания смеси отходов в настоящем устройстве организовано его сжигание в две стадии. Первую стадию осуществляют в газификаторе 4,
где сгорает часть отходов, а другая часть газифицируется (превращается в генераторный
газ). Это обеспечивают тем, что в камеру сгорания 4 подают 64,5 м3/ч воздуха. При этом
полностью сгорает 15 кг/ч смеси отходов, а 25 кг/ч газифицируется с образованием в итоге генераторного газа в виде суммарной газовой смеси, содержащей CO, H2, CH4, CO2,
H2O и N2, с теплотой сгорания, составляющей 5 МДж/кг, и расходом 122,165 кг/ч. Из них
97,815 кг/ч составляют продукты полного сгорания от 15 кг/ч отходов в газификаторе и
6
BY 13971 C1 2011.02.28
24,35 кг/ч составляют собственно сами газообразные продукты разложения отходов в
процессе газификации 25 кг/ч оставшихся отходов с учетом их зольности.
При сгорании части отходов образуется зола в количестве 1,04 кг/ч при зольности
смеси, равной 2,6 мас. % (зольность щепы 2 мас. %, а пластмассы 5 мас. %), которая проваливается через колосниковую решетку в секцию твердого остатка, где охлаждается потоком первичного воздуха. Из секции твердого остатка золу регулярно по мере
накопления выгружают через люк 14 в накопитель золы 15.
Образующийся в процессе газификации отходов горючий генераторный газ через газоход 16 поступает в камеру дожигания 17. Одновременно с подачей газа в камеру дожигания через секторообразный регулятор расхода воздуха 18 в цилиндрический воздуховод
19 подают воздух в количестве 172 - 64,5 = 107,5 м3/ч, который через завихритель 20 поступает в камеру дожигания и перемешивается с газом. Смешивание сильно нагретых потоков газа и воздуха приводит к воспламенению смеси с образованием короткого факела
горения, обеспечивающего высокое качество сжигания газа вследствие интенсивной закрутки смеси.
Продукты сгорания всего количества генераторного газа с расходом (122,165 кг/ч +
1,29 кг/м3 × 107,5 м3/ч = 260,84 кг/ч) 260,84 кг/ч из камеры дожигания поступают в теплообменник 21, где охлаждаются и далее выводятся в дымовую трубу 22. В результате
охлаждения продуктов сгорания газа в теплообменнике 21 до температуры не ниже температуры конденсации в них влаги выделяется 606,864 МДж/ч тепла (при сжигании отходов с расходом 40 кг/ч количество выделившегося тепла составит 40 кг/ч ×
16,140 МДж/кг × 0,94 = 606,864 МДж/ч, где удельная низшая теплота сгорания смеси отходов равна 16,140 МДж/кг, тепловой к.п.д. устройства равен 94 %).
За счет выделяющегося тепла в теплообменнике может быть нагрето следующее количество воды:
Q
606864 кДж / ч
=
= 2904 кг / ч ,
Mв =
C в ( t вых − t вх ) 4,18 кДж /(кгК) (70 °С − 20 °C)
где Q = 606,864 МДж/ч (606864 кДж/ч) - количество тепла, выделяющееся в результате
сгорания отходов; Cв = 4,18 кДж/(кгК) - удельная теплоемкость воды; tвх = 20 °С - начальная температура воды; tвых = 70 °С - конечная температура воды.
Заявляемое устройство для переработки органических отходов испытано в условиях
экспериментального производства и отличается от известных лучшими показателями по
эффективности сжигания отходов и более низкими выбросами в окружающую среду.
Источники информации:
1. Патент РБ 3013, МПК 5 F 23B, 1999.
2. Алексеев Г.М., Петров В.Н., Шпильфогель П.В. Индустриальные методы санитарной очистки городов. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отделение, 1983. - С. 14-16.
3. А.с. СССР 1661541, МПК 5 F 23B 1/16, 1991.
4. Соуфер С., Заборски О. Биомасса как источник энергии. - М.: Мир, 1985. - С. 115121.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
174 Кб
Теги
by13971, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа