3.3. Сжигание твердых отходов
Сжигание твердых и пастообразных отходов может осуществляться во всех типах печей, за исключением барботажных и турбобарботажных. Наиболее широкое применение получили факельно-слоевые топки. Топки для слоевого сжигания, которые более других используются для сжигания твердых отходов (прежде всего твердых бытовых отходов и их смеси с производственным мусором), классифицированы по ряду других признаков: способам подачи и воспламенения отходов, удаления шлака и т.д. По режиму подачи отходов в слой различают топочные устройства с периодической и непрерывной загрузкой. По организации тепловой подготовки и воспламенения отходов в слое различают топки с нижним, верхним и смешанным (неограниченным) воспламенением. По способу подвода к слою топлива (отходов) существуют следующие схемы, отличающиеся сочетанием направлений газовоздушного и топливно-шлакового потоков: встречные (противоток), параллельные (прямоток), поперечные (перекрестный ток) и смешанные.
Многочисленные исследования горящего слоя топлива (методами зонометрии, надслойного газового анализа, газообразования в слое, распределения температур в слое) позволили условно разделить весь процесс в нем на три основных периода: подготовка топлива (отходов) к горению, собственно горение (окислительная и восстановительная зоны), дожигание горючих и очаговых остатков.
В зоне подготовки отходы прогреваются, из них удаляется влага и выделяются летучие вещества, образовавшиеся в результате нагрева отходов. В кислородной зоне происходит сгорание углерода кокса с образованием диоксида и частично оксида углерода, в результате чего выделяется основное количество тепла в слое. В конце кислородной зоны наблюдается максимальная концентрация CO2 и температура слоя. Непосредственно к кислородной зоне примыкает восстановительная зона, в которой происходит восстановление диоксида углерода, оксида углерода с потреблением известного количества тепла. Заканчивается процесс горения выжиганием озоленного кокса.
Слоевые топки получили широкое применение для сжигания твердых бытовых и близких к ним по морфологическому составу ПО.
Требуемые обработка и скорость движения слоя во всех зонах горения наиболее просто достигаются при использовании механических ступенчатых колосниковых, а также цепных решеток. В большинстве конструкций шуровка и передвижение мусора происходят за счет движения ступеней наклонной решетки.
Подвижные ряды колосников каждой ступени наклонно-переталкивающей решетки (рис. 3.11, а) совершают одновременные возвратно-поступательные движения в направлении перемещения мусора. Частота движения, а также длина возвратно-поступательного движения колосников регулируются индивидуально для каждой ступени.
Обратно-переталкивающая и каскадная решетки относятся к группе переталкивающих с глубокой шуровкой слоя. Эти типы решеток имеют различное конструктивное оформление. Обратно-переталкивающая решетка (рис. 3.11, б) набрана из чередующихся поперечных рядов подвижных и неподвижных колосников, причем подвижные ряды колосников совершают возвратно-поступательные движения навстречу спускающемуся слою. Решетка выполнена с наклоном в сторону перемещения слоя.
Каскадные решетки выполняются горизонтальными либо с небольшим наклоном в сторону перемещения отходов, или в противоположную сторону (решетки с обратным наклоном). Перемещение отходов вдоль колосникового полотна осуществляется за счет возвратно-поступательного движения колосников, расположенных под острым углом к направлению перемещения слоя.
Рис. 3.11. Схема наклонных колосниковых решеток:
а – наклонно-переталкивающая; б – обратно-переталкивающая; в – опрокидывающая; г – желобная; д - валковая
Рабочее полотно секторных решеток (рис. 3.11, в) составлено из подвижных колосников в форме сектора. Колосники набраны в ряды-секции. Попеременное поворотное движение отдельных колосников вокруг опорной оси, проходящей через вершины секторных колосников, обеспечивает продвижение отходов вдоль решетки.
В желобной решетке (рис. 3.11, г) регулируются только число и длина ходов. Все решетки, кроме ступенчатой опрокидывающей с гидравлическим приводом, имеют механические приводы.
Шуровка и продвижение слоя осуществляются как движением частей колосниковой решетки, так и разделением всего полотна решетки на части, расположенные уступом, в местах перехода зоны подготовки к сжиганию в зону сжигания, и зоны сжигания в зону дожигания. Такое разделение обеспечивает интенсивное перемешивание мусора, но вызывает повышенный унос золы. Первую часть расчлененной решетки называют подсушивающей, вторую — главной, третью - дожигательной. На рис. 3.11,д показана схема наиболее распространенной валковой колосниковой решетки.
Барабанные печи - основной вид теплоэнергетического оборудования, которое применяется для централизованного сжигания твердых и пастообразных отходов. Этими печами оснащены станции обезвреживания отходов. Основным узлом барабанной печи (рис. 3.12) является горизонтальный цилиндрический корпус 1, покрытый огнеупорной футеровкой 2 и опирающийся бандажами 6 на ролики 7. Барабан наклонен под небольшим углом в сторону выгрузки шлака и в процессе работы вращается со скоростью 0,8…2 мин-1, получая движение от привода 10 через зубчатый венец 9. Во избежание продольного смещения барабана предусмотрены ролики 8.
Рис. 3.12. Схема барабанной печи: А - загрузка отходов; В - выгрузка золы (шлака); С - дымовые газы; D - дополнительное топливо; Е - воздух; F - тепловое излучение; 1 - корпус барабанной печи; 2 - футеровка; 3 - разгрузочный торец; 4 - присоединительные сегменты; 5 - вентилятор; 6 - бандажи; 7 - ролики опорные; 8 - ролики боковые; 9 - зубчатый венец; 10 - привод; 11 - зона испарения воды; 12 - отходы; 13 - зона горения; 14 - зола (шлак).
Твердые и пастообразные отходы подаются в корпус печи с ее торца в направлении стрелок А. В случае необходимости дополнительное топливо или жидкие горючие отходы (растворители) распыливаются через форсунку (стрелка D), повышая температуру внутри печи. В зоне 12 поступивший материал, перемешиваясь при вращении печи, подсушивается, частично газифицируется и перемещается в зону горения 13. Излучение от пламени в этой зоне раскаляет футеровку печи и способствует выгоранию органической части отходов и подсушке вновь поступившего материала. Образовавшийся в зоне 24 шлак перемещается к противоположному торцу печи в направлении стрелки В, где падает в устройство для мокрого или сухого гашения золы и шлака.
Газы, покидающие печь, могут содержать несгоревшие примеси, поэтому обычно после барабанной печи в схеме установки (рис. 3.13) предусматривается камера дожигания. Для очистки отходящих газов предусматриваются скрубберы или электрофильтры.
Рис. 3.13. Установка с барабанной печью:
1 - очистка газов; 2 -труба; 3 - камера дожигания; 4 - барабан;
5 - подача отходов; 6 – шлак.
Печи с псевдоожиженным (кипящим) слоем. Этот метод получил широкое распространение для термического обезвреживания отходов.
В печах с кипящим слоем продукт переходит во взвешенное состояние в камере сгорания потоком воздуха, проходящим через слой сыпучего (порошкообразного или дробленого) материала, не перемещаясь по направлению этого потока.
Скорость газового потока должна быть достаточной для того, чтобы частицы находились во взвешенном состоянии и вихревом турбулентном движении, напоминающем поток кипящей жидкости.
В нагретом кипящем слое происходит интенсивный теплообмен между частицами и газом. Теплопередача в кипящем слое в 4 раза выше, чем в неподвижном.
На рис. 3.14 показана принципиальная схема печи с кипящим слоем. Вертикальный корпус печи 3, футерованный огнеупорным кирпичом, имеет внизу газораспределительную решетку 8 провального или беспровального типа. В процессе работы печи под решетку подается псевдоожижающий газ, обычно воздух. Воздух приводит во взвешенное состояние зернистую загрузку, которая распределяется на плотную фазу слоя 1 и разбавленную фазу 2.
рис. 3.14. Схема работы печи с псевдоожиженным слоем:
1 - плотная фаза ожиженного слоя; 2 - разбавленная фаза ожиженного слоя; 3 - печь; 4 - распыленный загруженный материал; 5 - камера; 6 - циклонный сепаратор; 7 -труба для возврата материалов; 8 - газораспределительная решетка.
Сверху на загрузку через форсунки или дозаторы подаются отходы. Горение осуществляется в камере 5. Вода, попадающая в кипящий слой, почти мгновенно испаряется. Турбулизованная раскаленная поверхность кипящего слоя с движущимися во всех направлениях твердыми частицами не дает образовываться крупным сферическим каплям, мгновенно разрушает их до мельчайших капель, что значительно увеличивает суммарную поверхность испарения. Наличие крупных частиц или слипшихся агломератов шлама создает условия для частичного горения отходов, например нефтеотходов внутри слоя, так как они тонут в слое. Среднее время существования крупных частиц составляет около 30 мин. Дымовые газы, содержащие минеральные механические примеси, очищаются в циклоне 6. Выгрузка пыли производится шнеком 7.
Печи кипящего слоя менее универсальны, чем барабанные и многоподовые и требуют особых условий работы. Кроме того, эксплуатация печей с кипящим слоем на нефтеперерабатывающих предприятиях привела к отрицательным результатам. Главный недостаток состоял в том, что предварительно подогретый до 600°С слой песка периодически остывал до 400…450°С. При такой температуре в слое песка горение прекращалось, шли процессы крекинга и коксования, т.е. газификация шлама, что приводило к образованию коксовых агломератов и закупориванию кипящего слоя. В то же время при правильном выборе объекта обезвреживания и соблюдении технологических режимов печи кипящего слоя работают надежно и эффективно.