СПОСОБ СЖИГАНИЯ ГОРЮЧИХ ОТХОДОВ Российский патент 2009 года по МПК C04B7/44 F23G5/26 

Настоящее изобретение относится к способу сжигания горючих отходов во время изготовления цементного клинкера, когда цементную сырьевую смесь предварительно нагревают в системе подогревателей с кальцинатором или без него, обжигают в клинкер в обжиговой печи и охлаждают в последующем холодильнике для клинкера; с помощью этого способа отходы вводят через входное отверстие для отходов и поддерживают несущей поверхностью, встроенной в отдельную камеру, отходы активно перемещают, одновременно подвергая их сжиганию, через камеру к ее выходному отверстию, горячие отходящие газы, получаемые в связи со сжиганием отходов, выпускают в систему подогревателей для нагревания цементной сырьевой смеси, а шлак, образуемый во время процесса сжигания отходов, извлекают из камеры.

Примерами горючих отходов являются шины, мебель, ковры, древесные отходы, отходы садоводства, кухонные отходы, бумажный брак, биомасса, промышленное топливо, полученное вакуумной перегонкой мазута, осадки сточных вод и отбеливающая глина.

Из патента ЕР-1200778, на содержание которого здесь ссылаются в качестве части настоящей заявки, известен способ, так же как и установка вышеупомянутого типа, согласно которым отходы сжигают в отдельной камере, в которую одновременно подают горячий воздух, поступающий предпочтительно из холодильника для клинкера. Отходящие газы, образованные во время сжигания, направляют из камеры в подогреватель, где их используют для нагревания цементной сырьевой смеси. На практике оказалось, что эти способ и установка являются особенно подходящими для сжигания отходов, обеспечивают значительный вклад по теплу, что улучшает общие рабочие экономические показатели установки. Однако также обнаружили, что выделение NO_x из этой известной установки может быть на высоком уровне, поскольку в камере не происходит восстановления NO_x, который образуется в обжиговой печи во время обжига цементного клинкера. К тому же количество топлива, которое вводят в возможную зону восстановления NO_x в кальцинаторе и которое доступно для восстановления NO_x, выпускаемого из обжиговой печи, снижают, и, следовательно, этот NO_x из обжиговой печи восстанавливается менее эффективно.

Целью настоящего изобретения является обеспечение способа и установки для сжигания отходов во время изготовления цементного клинкера, благодаря которым общее количество выделения NO_x из установки значительно сокращается.

Этого достигают согласно первому аспекту настоящего изобретения, посредством способа, упомянутого во введении и отличающегося тем, что отходящие газы, содержащие NO_x, вводят в камеру.

Согласно второму аспекту изобретения обеспечивают установку для сжигания горючих отходов, включающую резервуар для хранения сырьевой смеси, систему подогревателей с кальцинатором или без него, обжиговую печь, холодильник для клинкера, камеру для сжигания отходов, причем указанная камера включает входное отверстие для введения отходов в камеру и выходное отверстие для отвода шлака и любых несгоревших отходов, при этом указанная камера также включает несущую поверхность для поддерживания отходов во время процесса сжигания и средство для перемещения отходов от входного отверстия для отходов камеры к выходному отверстию, отличающуюся тем, что установка включает средство введения отходящих газов, содержащих NO_x, в камеру (9).

Таким образом, получают установку, которая не только представляет простое решение в плане конструкционных характеристик, но и обеспечивает возможность существенного снижения выделения NO_x. Это обусловлено тем, что отходящие газы, содержащие NO_x, приводят в контакт с топливом, которое восстанавливает часть содержащегося NO_x в отходящих газах путем различных реакций восстановления NO_x, которые протекают во время этого процесса, как более подробно объясняется в последующей части описания. Сжигание отходов в камере можно рассматривать как процесс, включающий пять стадий, которые состоят из стадии нагревания, стадии пиролиза, стадии воспламенения, стадии реакции между компонентами в газовой фазе и стадии реакции обуглившегося вещества и сажи. Газообразные реагенты, обуглившееся вещество и сажа образуются в связи с пиролизом отходов во время процесса нагревания. Три продукта пиролиза содержат азот, который вводят в камеру с отходами и любым возможным допускаемым топливом. В газах азот присутствует в форме N₂, HCN, NH₃ и NO. Оставшаяся часть азота еще находится в связанном состоянии в саже и обуглившемся веществе. В дополнение к азотсодержащим соединениям газы также будут содержать SO₂, H₂, CO, CH₄ и углеводороды (С_хН_у) или их радикалы. Пиролиз отходов начинается сразу после того, как отходы вводят в камеру. Восстановления NO_x в камере достигают с помощью реакций между углеводородными радикалами (CH_i·) и NO, с образованием HCN:

или через реакции между СО или Н₂ и NO, которые катализируют сырьевой смесью или обуглившимся веществом:

Реакцию (1) ускоряют с помощью высокой температуры и она требует небольшого количества кислорода для поддерживания образования CH_i·. Реакции (2), (3) и (4) катализируют, как отмечено ранее, сырьевой смесью, и кроме того, они оказываются невозможными, если присутствует кислород. Во время пиролиза и разложения NO образуются соединения HCN и NH₃. Катализированные сырьевой смесью HCN или NH₃ будут разлагаться согласно реакциям (5) и (6) или будут взаимодействовать по реакциям (5а) и (6а) либо с радикалами (здесь в качестве примера представленными O₂/ОН·), либо с NO, который соответственно удаляется или образует NO_x.

Реакции (7) и (8) будут продолжаться в нижней части последующей системы подогревателей, таким образом образуя некоторое количество NO_x. Сжигание обуглившегося вещества и азота в обуглившемся веществе начинается в восстановительной атмосфере камеры и будет главным образом происходить в кальцинаторе или вертикальном канале последующего подогревателя. Во время горения только часть азота в обуглившемся веществе образует NO_x, оставшаяся часть будет образовывать N₂. Более того, углерод в обуглившемся веществе способен взаимодействовать с NO, образуя N₂ и СО.

Реакции восстановления NO_x ускоряют с помощью высокой температуры.

Далее предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть сжигания отходов в камере происходила в атмосфере стехиометрического недостатка. Это будет дополнительно усиливать многие реакции удаления NO_x, на которые ссылаются выше.

Содержащие NO_x отходящие газы, которые вводят в камеру, могут в принципе поступать из любого блока сгорания, но согласно изобретению предпочтительно отходящие газы извлекать из обжиговой печи и вводить в камеру через вертикальный канал. Дополнительно предпочтительно все отходящие газы из обжиговой печи вводить в камеру. Если отходящие газы из обжиговой печи направляют в камеру перед любым поступлением воздуха в процесс, единственным кислородом, имеющимся в камере, будет, таким образом, кислород, содержащийся в отходящих газах, подаваемых из обжиговой печи, обычно в количестве от 2 до 4% кислорода. Этот кислород будет быстро расходоваться во время процесса сжигания, следовательно, образуя зону восстановления NO_x, где восстановление NO_x согласно реакциям от (2) до (4) существенно усиливается, так что, по существу, весь NO_x, содержащийся в отходящих газах из обжиговой печи, будет удаляться, в то же время отходящие газы, покидающие камеру, будут содержать лишь незначительное количество NO_x.

Для достижения удовлетворительного уровня восстановления NO_x существенным является обеспечение достаточного времени пребывания отходов в камере в контакте с отходящими газами, чтобы образовать зону восстановления. Следовательно, предпочтительно поддерживать отходы в камере таким образом, чтобы предотвратить возможность их самостоятельного перемещения через камеру; этого можно просто достигнуть, обеспечивая, чтобы несущая поверхность в камере была, по существу, горизонтальной по меньшей мере в части ее общей площади. Согласно изобретению отходы нужно активно транспортировать через камеру и в принципе это можно выполнять любым подходящим способом. Например, отходы можно транспортировать, по существу, по прямолинейной траектории через камеру посредством возвратно-поступательного толкающего механизма. Однако предпочтительно перемещать отходы по круговой траектории, предпочтительно на вращающемся диске. Это позволит регулировать время пребывания отходов в камере просто путем настраивания скорости вращения диска.

Также оказалось благоприятным направлять отходящие газы в камеру и через нее противотоком по отношению к потоку отходов. Одним из следствий этого является то, что несгоревшее обуглившееся вещество при выходе из камеры будет захватываться и увлекаться отходящими газами обжиговой печи, что приведет к сгоранию обуглившегося вещества при взаимодействии с кислородом в отходящих газах. Следовательно, последние способные к горению остатки будут эффективно сгорать, и более того, при прочих равных условиях, будет улучшаться восстановление NO_x в камере путем расширения зоны восстановления NO_x в камере.

Высокую температуру, которая может повышать эффективность реакции (1), можно создавать, используя предпочтительно регулирующие средства для разделения сырьевой смеси на под-потоки, направляемые к вертикальному каналу, камере и кальцинатору соответственно. Температуру в камере предпочтительно регулируют в интервале от 925 до 1050°С или в более высоком возможном интервале без риска образования покрытий. Согласно изобретению предпочтительно цементную сырьевую смесь вводить в вертикальный канал через входное отверстие.

Для оптимизации производительности установки и регулирования температуры в камере для сжигания отходов дополнительно предпочтительно цементную сырьевую смесь вводить в камеру через входное отверстие для цементной сырьевой смеси. Вводимая сырьевая смесь будет действовать как теплоаккумулятора, способствуя поддержанию температуры на желаемом уровне, даже если условия процесса будут колебаться. Камера может включать входное отверстие для введения сырьевой смеси из подогревателя, кальцинатора и/или резервуара для хранения сырьевой смеси. Дополнительно цементная сырьевая смесь может захватывать летучие компоненты из потока газа, которые иначе могли бы вызывать образование нагара.

Обычно нужно вводить от 10 до 50% сырьевой смеси в вертикальный канал обжиговой печи и/или камеру.

Очень важным для восстановления NO_x является наличие зоны с интенсивными восстановительными условиями, чтобы способствовать реакциям восстановления NO_x. Согласно изобретению время пребывания в такой зоне восстановления обеспечивают путем введения и сгорания отходов в атмосфере стехиометрического недостатка. Результатом реакции будет удаление от 50 до 90% NO_x, содержащегося в отходящих газах обжиговой печи.

В особых случаях может быть благоприятной подача горячего воздуха из холодильника для клинкера в камеру.

Предпочтительно отходящие газы, образующиеся во время процесса сжигания отходов, подавать в кальцинатор подогревателя для обжига цементной сырьевой смеси. Это будет вызывать выгорание и разложение соответственно горючих, летучих составляющих и других нежелательных продуктов сгорания, СО, сажи и др., содержащихся в отходящих газах, в кальцинаторе.

Далее предпочтительно шлак, образующийся во время процесса сжигания отходов, так же как и любые несгоревшие отходы, выгружать из камеры через ее выходное отверстие и вертикальный канал в обжиговую печь. В результате часть любых несгоревших отходов будет, как отмечено ранее, захватываться и увлекаться отходящими газами, выпускаемыми из обжиговой печи, и сгорать при взаимодействии с кислородом, присутствующим в отходящих газах.

В случае опасностей перегрева и/или взрыва в способе, использующем традиционную горелку, невозможно прерывать процесс сжигания в камере мгновенно, и, следовательно, предпочтительно, чтобы в таких случаях можно было подвести к камере холодную сырьевую смесь из резервуара для хранения сырьевой смеси или специально обеспечиваемого резервного бункера. Дополнительно является предпочтительным введение холодной сырьевой смеси в камеру в количестве, достаточном для охлаждения отходов, и чтобы заслонить их от горячего газового потока.

Установка включает предпочтительно вертикальный канал для введения отходящих газов в камеру, причем указанный вертикальный канал соединен с обжиговой печью.

Далее предпочтительно, чтобы несущая поверхность было, по существу, горизонтальной для предотвращения самопроизвольного перемещения отходов через камеру.

В предпочтительном исполнении изобретения несущая поверхность включает вращающийся диск, который одновременно служит средством транспортирования отходов через камеру.

В предпочтительном исполнении установка дополнительно включает скребковый механизм для отвода из камеры шлака, образуемого во время процесса сжигания, так же как и любых несгоревших отходов, через ее выходное отверстие и вертикальный канал.

Вращающийся диск может составлять часть или всю нижнюю часть камеры.

Вращающийся диск может быть установлен с возможностью вращения вокруг, по существу, вертикальной оси, проходящей через его центр. Ось может находиться под углом к вертикали предпочтительно от 1 до 10 градусов. Если вращающийся диск, таким образом, выполнен с легким наклоном в сторону выходного отверстия камеры, это улучшает выгрузку шлака и оставшихся отходов из камеры.

Чтобы предотвратить циркуляцию отходящих газов в камере, последняя включает предпочтительно газонепроницаемую, стационарную разделительную перегородку, установленную на вращающейся растяжке (rotation stretch) между выходным отверстием камеры и ее входным отверстием и простирающуюся от боковой стенки камеры до оси вращения вращающегося диска.

Вращающийся диск предпочтительно включает керамический материал.

В альтернативном исполнении изобретения несущая поверхность может быть неподвижной, и средство транспортирования отходов через камеру может включать элемент, который вращается вокруг оси, проходящей перпендикулярно несущей поверхности. В этом исполнении средство транспортирования будет предпочтительно включать лопастное колесо, снабженное по меньшей мере двумя лопатками.

Далее изобретение пояснено более подробно со ссылкой на следующие схематические чертежи.

На Фиг.1 показана установка согласно изобретению.

На Фиг.2 показан вид сверху детали предпочтительного исполнения, и на Фиг.3-6 показаны альтернативные исполнения установки согласно изобретению.

На Фиг.1 показана установка для изготовления цементного клинкера. Установка включает циклонный подогреватель 1 с кальцинатором 3, вращающуюся обжиговую печь 5, холодильник 7 для клинкера и камеру 9 для сжигания отходов, которые вводят через отверстие 11 в камере 9. В показываемом исполнении камера 9 расположена между кальцинатором 3 и вращающейся обжиговой печью 5. Во время работы цементную сырьевую смесь направляют из резервуара 17 для хранения сырьевой смеси во входное отверстие F для сырьевой смеси подогревателя 1. Отсюда сырьевая смесь течет к вращающейся обжиговой печи 5 через циклоны подогревателя 1 и кальцинатор 3 противотоком по отношению к горячим отходящим газам из вращающейся обжиговой печи 5, что вызывает нагревание и прокаливание сырьевой смеси. Во вращающейся обжиговой печи 5 прокаленную сырьевую смесь обжигают в цементный клинкер, который охлаждают в последующем холодильнике 7 для клинкера посредством атмосферного воздуха. Некоторое количество таким образом нагретого воздуха направляют из холодильника 7 для клинкера через канал 15 в кальцинатор 3.

Отходы вводят через входное отверстие 11 для отходов на несущую поверхность 21 (см. также Фиг.2) в камере 9 и впоследствии, когда отходы приводят в контакт с горячими отходящими газами, подаваемыми через вертикальный канал 6 в камеру 9 из вращающейся обжиговой печи 5, их нагревают, осуществляют их пиролиз и по меньшей мере частично сжигают, в то время как их одновременно транспортируют по направлению к выходному отверстию 23 камеры по круговой траектории. Отходящие газы из обжиговой печи 5 обычно содержат от 2 до 4% кислорода, который в так называемой зоне 18 сгорания, включающей вертикальный канал 6 и выходной конец камеры 9, реагирует в первую очередь с обуглившимся веществом и другими горючими, твердыми составляющими. В оставшейся части камеры 9, которая является так называемой зоной 19 пиролиза, температура отходящих газов будет достаточно высокой, чтобы вызывать пиролиз отходов, высвобождая содержащиеся в отходах летучие горючие компоненты, которые вовлекаются в поток отходящего газа и выпускаются через вертикальный канал 4 в кальцинатор 3, где они сгорают. В этой последней зоне 19 пиролиза или восстановления NO_x камеры 9 таким образом будут преобладать восстановительные условия стехиометрического недостатка NO_x, приводящие к эффективному удалению NO_x путем реакций от (1) до (4).

Температуру в вертикальном канале 6 и камере 9 можно регулировать путем введения цементной сырьевой смеси из подогревателя, кальцинатора и/или резервуара для хранения сырьевой смеси в соответственно вертикальный канал 6 и камеру 9 непосредственно через входные отверстия 12 и 13 соответственно. Сырьевая смесь, которую вводят в вертикальный канал 6, будет эффективно понижать температуру отходящего газа и захватывать летучие компоненты их отходящих газах, таким образом предотвращая образование нагара в этой области. Более того, эта сырьевая смесь будет действовать как катализатор для восстановления NO_x в этой области.

В показываемом исполнении несущая поверхность состоит из вращающегося диска 21, который вращается вокруг оси 25 и образует дно камеры 9. Для отвода остатков сгорания в виде шлака и любых несгоревших отходов через выходное отверстие 23 камеры и в вертикальный канал 6 камера 9 включает скребковый механизм 27.

В этом воплощении изобретения отходы, поддерживаемые вращающимся диском 21, транспортируют по круговой траектории, как показано стрелками, от входного отверстия 11 через выходное отверстие 23 камеры 9; причем скребковый механизм 27 обеспечивает проталкивание всего материала на вращающемся диске через край и внутрь вертикального канала 6, где материал сортируют так, что мелкие частицы, взвешенные в отходящих газах, выталкиваются наверх и обратно в камеру 9, тогда как любые крупные частицы направляются вниз к обжиговой печи. Частицы, которые отбрасываются назад в камеру 9, будут таким образом сгорать при взаимодействии с кислородом в отходящих газах, тем самым расширяя зону восстановления NO_x в камере 9.

Камера может также включать газонепроницаемую, неподвижную разделительную перегородку 29, которая расположена на вращающейся растяжке между выходным отверстием 23 камеры и входным отверстием 11. Функцией разделительной перегородки является обеспечение того, что горячие отходящие газы из обжиговой печи 5 перемещаются противотоком над отходами по пути, который в общих чертах является таким же. Следовательно, отходящие газы, образуемые во время сжигания в камере с их содержанием горючих компонентов, будут направляться через вертикальный канал 4 в кальцинатор 3, где содержащиеся в них горючие компоненты сгорают и таким образом используются для прокаливания цементной сырьевой смеси.

Время пребывания отходов в камере можно просто контролировать путем регулирования скорости вращения вращающегося диска. Более того, значительные преимущества можно получить, работая при более высокой скорости в течение короткого времени, с последующим длительным перерывом, так как это будет давать в результате лучшую рабочую характеристику скребка, чем та, которая реализуется во время постоянной работы с низкой скоростью. Другая возможность включает периодическую работу с высокой скоростью в прямом направлении, разделяемую перемежающимися периодами работы в обратном направлении на меньшие расстояния. Различные режимы работы позволяют изменять время пребывания отходов, чтобы гарантировать полное сгорание отходов.

В случае опасности перегрева и/или взрыва в камере 9 холодную сырьевую смесь из резервуара 17 для хранения сырьевой смеси или специально обеспечиваемого резервного бункера можно вводить в камеру 9. Холодную сырьевую смесь предпочтительно поставлять в количестве, достаточном для обеспечения охлаждения отходов, и чтобы заслонить их от горячих газов из обжиговой печи 5.

На Фиг.3-6 показаны четыре примера альтернативных исполнений установки согласно изобретению.

Исполнение, показанное на Фиг.3, не включает канал 15, а это означает, что весь нагретый воздух, выпускаемый из холодильника 7 для клинкера, проводят через обжиговую печь 5. Следовательно, отходящие газы, выпускаемые из обжиговой печи 5 и вводимые в камеру 9, имеют более высокое содержание кислорода, что вызывает более быстрое сжигание отходов в камере. В этом исполнении восстановление NO_x, содержащегося в газах обжиговой печи, происходит благодаря тому, что отходы и газы пиролиза приводят в контакт с газами обжиговой печи, содержащими NO_x, и условия восстановления присутствуют локально, хотя общее восстановление NO_x будет находиться на более низком уровне, чем в исполнении, показанном на Фиг.1.

Исполнение, показанное на Фиг.4, включает дополнительный канал 14, так что отходящие газы из обжиговой печи, частицы и летучие, потенциально образующие нагар компоненты различным способом, с помощью регулирующего средства 10 можно направлять через камеру 9 или в обход нее.

Исполнение, показанное на Фиг.5, соответствует исполнению, показанному на Фиг.4, за исключением того, что оно включает кальцинатор 3а, 3b типа «обратной тяги».

Исполнение, показанное на Фиг.6, соответствует, по существу, исполнению, показанному на Фиг.1, за исключением того, что оно включает блок 16 для извлечения шлака и несгоревших компонентов, который при сжигании отходов, имеющих высокое содержание чугуна или стали, таких как автомобильные шины, может иметь большое значение для того, чтобы не оказывать влияния на химию цемента случайным способом.

Способ сжигания горючих отходов во время изготовления цементного клинкера включает предварительное нагревание цементной сырьевой смеси в системе (1) подогревателей с кальцинатором (3) или без него, обжиг в клинкер в обжиговой печи (5) и охлаждение в последующем холодильнике (7) для клинкера. Отходы вводят через входное отверстие (11) для отходов и поддерживают несущей поверхностью (21), встроенной в отдельную камеру (9). Отходы активно транспортируют, одновременно подвергая их сжиганию, через камеру к ее выходному отверстию (23), причем по меньшей мере часть сжигания отходов в камере происходит в атмосфере стехиометрического недостатка, горячие отходящие газы, получаемые в связи со сжиганием отходов, выпускают в систему подогревателей для нагревания цементной сырьевой смеси. Шлак, образованный в процессе сжигания отходов, извлекают из камеры (9). Отходящие газы из обжиговой печи (5), содержащие NO_x, проводят в камеру (9) и через нее противотоком по отношению к потоку отходов. Технический результат: снижение выделения NO_x. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ сжигания горючих отходов во время изготовления цементного клинкера, где цементную сырьевую смесь предварительно нагревают в системе (1) подогревателей с кальцинатором (3) или без него, обжигают в клинкер в обжиговой печи (5) и охлаждают в последующем холодильнике (7) для клинкера, отходы вводят через входное отверстие (11) для отходов и поддерживают несущей поверхностью (21), встроенной в отдельную камеру (9), отходы активно транспортируют, одновременно подвергая их сжиганию, через камеру к ее выходному отверстию (23), причем по меньшей мере часть сжигания отходов в камере происходит в атмосфере стехиометрического недостатка, горячие отходящие газы, получаемые в связи со сжиганием отходов, выпускают в систему подогревателей для нагревания цементной сырьевой смеси, а шлак, образованный в процессе сжигания отходов извлекают из камеры (9), отличающийся тем, что отходящие газы из обжиговой печи (5), содержащие NO_x, проводят в камеру (9) и через нее противотоком по отношению к потоку отходов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все отходящие газы из обжиговой печи вводят в камеру.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы транспортируют через камеру (9) к ее выходному отверстию (23) по круговой траектории.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что цементную сырьевую смесь вводят в вертикальный канал (6) через входное отверстие (12).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что цементную сырьевую смесь вводят в камеру (9) через входное отверстие (13).

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что горячий воздух из холодильника (7) для клинкера вводят в камеру (9).

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходящие газы, образуемые во время процесса сжигания отходов, подают в кальцинатор (3) подогревателя (1) для прокаливания цементной сырьевой смеси.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлак, получаемый во время процесса сжигания отходов, так же как и любые несгоревшие отходы выгружают из выходного отверстия (23) камеры (9) в обжиговую печь.