Способ и устройство для улучшения поля скоростей при получении синтез-газа и/или дымового газа при использовании топлива, полученного из твердых переработанных отходов Российский патент 2022 года по МПК F23G5/27 F23B80/04 

Техническая проблема

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является относительно низкая эффективность процесса газификации со сгоранием во вторичной камере и низкий КПД парогенератора высокого давления. Эта техническая проблема возникает из-за локального увеличения скорости и возникающего в результате неоднородного поля дымовых газов, приводящего к неравномерному распределению температуры и концентрации внутри области дымовых газов.

Уровень техники

Существует множество систем получения синтез-газа, однако они испытывают локальную рециркуляцию и/или увеличение скорости дымовых газов, что снижает эффективность данных систем.

Заявка WO2012154133 описывает процесс с раздельной газификацией и сжиганием на одной и той же движущейся решетке. Решетка также может быть изготовлена в виде каскада, имеющего воздух, нагнетаемый под движущуюся решетку. Над колосниковой решеткой камера сгорания разделена на две части, в которые впрыскивается воздух. Топливо дополнительно нагревается и газифицируется путем пропускания через топливо горячих дымовых газов, рециркуляции или впрыска пара. Устройство предназначено для обеспечения выхода синтез-газа через выпускное отверстие и дальнейшего его использования или смешивания с другими дымовыми газами конечного сжигания в конечной камере сгорания.

В частности, есть несколько технических задач, которые должны быть решены, таких как:

- требуется контроль впрыска первичного воздуха, а также вторичного и третичного воздуха;

- требуется контроль локальной скорости синтез-газа и дымовых газов, особенно в так называемых открытых положениях; указанная скорость многократно возрастает на этих открытых позициях, что приводит к более проблематичным процессам газификации и горения;

- в результате увеличения скорости указанного дымового газа и синтез-газа увеличивается поглощение твердых частиц, препятствующих процессу;

- увеличение количества твердых частиц приводит к истиранию и возможному повреждению деталей системы вторичного сгорания и парогенератора;

- увеличение твердых частиц требует большего количества добавок, увеличивающих эксплуатационные расходы.

Сущность изобретения

Способ и устройство для улучшения поля скоростей синтез-газа и/или дымового газа решают вышеуказанные технические задачи путем обеспечения гомогенизации поля дымовых газов с использованием специальным образом расположенных препятствий в поле потока, таких как заслонки или аналогичные устройства.

Эта система использует твердые переработанные отходы (“RDF”) или другие типы отходов или аналогичные материалы, которые при сжигании генерирует больше энергии, чем требовалось бы для их разложения.

Существует несколько используемых систем RDF. Например, двухступенчатая газификация состоит из первичной камеры, в которой сжигаемые вещества, такие как отходы или аналогичные им, превращаются в основные газы, такие как метан (CH₄), оксид углерода (CO) и водород (H₂). Газификация-это термохимический процесс превращения части сжигаемого вещества, такого как отходы или тому подобное, в синтез-газ в восстановленной кислородной атмосфере при температуре около 600-800°С.

Во второй камере происходит окисление синтез-газа с добавлением вторичного или третичного воздуха при более высоких температурах, таких как от 1000 до l200°C. Для достижения окисления, а также термического распада органического вещества должно быть достигнуто смешивание вторичного и третичного воздуха с синтез-газом. Однако это процесс, который также зависит от скорости, концентрации и температурных полей в указанных камерах, а также от времени горения.

Дымовые газы из указанной вторичной камеры поступают в парогенератор высокого давления для выработки пара высокого давления в соответствии с требуемыми технологическими параметрами для использования в дальнейших процессах/устройствах, таких как, например, привод турбины.

Целями настоящего изобретения является:

- Большая удельная теплота сгорания топлива 9-20 МДж/кг;

- Меньшая загрузка парогенератора и системы очистки из-за низкого выброса пыли в первичной камере;

- Легкая адаптация к изменениям вида топлива, а также размеру и составу твердых переработанных отходов;

- Система должна быть более компактной и предусматривать модульное строительство;

- Использование емкостей малого размера означает меньший финансовый риск;

- Получение разрешения на работу таких систем, так как возможность работы системы может быть запрещена местным населением.

Указанные выше задачи решаются с помощью устройства для улучшения потока синтеза газа и/или дымового газа при использовании топлива, полученного из твердых переработанных отходов, например таким как устройство для сжигания отходов, в котором имеется по меньшей мере одно препятствие, размещенное внутри по меньшей мере первичной камеры и/или вторичной камеры при использовании указанного топлива, указанное препятствие приводит к уменьшению локальной разности скоростей указанного синтеза газа и/или дымового газа в направлении, по существу поперечном общему направлению потока указанного синтез-газа и/или дымового газа, по сравнению с локальной разностью скоростей указанного синтез-газа и/или дымового газа, протекающего через указанную первичную и/или вторичную камеру без указанного препятствия.

Локальный профиль скорости может быть получен либо измерением, либо вычислением с помощью подходящего способа вычисления динамического потока вычисления локальных скоростей в заданном положении, которое может находиться либо в первичной, либо во вторичной камере, либо в обеих камерах, в различных областях, таких как области сужения или области расширения поперечного сечения указанной камеры. Если такая локальная разность скоростей превышает заданное значение, например на 50%, между самой высокой и самой низкой скоростями, исключая пограничный слой, то препятствие, такое как заслонка, или решетка, или отбойник, или аналогичное устройство, может быть помещено поперек пути указанного синтеза и/или дымового газа, чтобы нарушить указанный поток, приводя к вихрям и разрыву поля потока. В результате самые высокие скорости в поле потока уменьшаются для того, чтобы процессы протекали в более однородном поле газового потока.

В зависимости от характеристик потока устройство, согласно настоящему изобретению, может содержать по меньшей мере одно шарнирное препятствие, расположенное в указанной первичной камере или вблизи нее. Это шарнирное препятствие может быть повернуто в положение, которое определяется обратной связью параметров, измеренных в различных точках вдоль пути газового потока, таких как, например, концентрация различных составляющих дымового газа, температура дымового газа и тому подобное, причем эти точки находятся, например, на входе во вторичную камеру, входе в дымовой канал, входе в парогенератор и т.д.

Устройство, согласно настоящему изобретению, может дополнительно содержать упомянутое по меньшей мере одно шарнирное препятствие, которое поворачивается для принятия положения в зависимости от измерений технологических параметров упомянутого потока, таких как процентное содержание кислорода или температура упомянутого дымового газа, по меньшей мере в одной точке вдоль упомянутого газового тракта, выбранного из группы, состоящей из входа во вторичную камеру, входа канала дымового газа, входа газовой стороны парогенератора, любого положения вдоль упомянутого газового тракта, или множества, или их комбинации.

Устройство согласно, настоящему изобретению, может дополнительно содержать, по меньшей мере, одно нерегулируемое препятствие, расположенное внутри или вблизи указанной первичной камеры, или внутри или вблизи вторичной камеры, или внутри или вблизи канала дымовых газов.

Для осуществления изобретения предлагается способ или улучшается поток синтез-газа и/или дымового газа при использовании топлива, полученного из твердых переработанных отходов (RDF), такого как установка для сжигания отходов, в котором указанный способ состоит из следующих этапов:

- обеспечение оценки профиля локальной скорости синтеза и / или дымового газа, протекающего в определенной точке в первичной и / или вторичной камере;

- если указанная оценка приводит к избыточной локальной разнице скоростей указанного синтезирующего и / или дымового газа в направлении, по существу, поперечном общему направлению потока, указанного синтезированного и / или дымового газа, обеспечение размещения препятствия в указанной заранее определенной точке или вблизи нее;

Способ согласно данному изобретению может дополнительно содержать стадию размещения навесного препятствия в первичной камере или вблизи нее.

Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать этап измерения технологических параметров указанного потока, таких как процентное содержание кислорода или температура указанного дымового газа, или состав твердых переработанных отходов (RDF), или содержания влаги, или их комбинация, по крайней мере, в одном месте вдоль указанного газового тракта, указанная точка выбирается из группы, состоящей из:

вход во вторичную камеру, вход канала дымового газа, вход газовой стороны парогенератора, любая точка вдоль указанного газового тракта, или их множество, или их комбинация;

Способ согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать этап поворота упомянутого шарнирного препятствия в положение, зависящее от измерений технологических параметров упомянутого потока, таких как процентное содержание кислорода или температура упомянутого дымового газа, по меньшей мере, в одной точке вдоль упомянутого газового тракта, выбранной из группы, состоящей из входа во вторичную камеру, входа канала дымового газа, входа газовой стороны парогенератора, любого положения вдоль упомянутого газового тракта, или множества, или их комбинации.

Способ согласно данному изобретению может дополнительно содержать стадию размещения навесного препятствия в первичной камере или вблизи нее.

Во время или после окисления преобладающей части указанного синтез-газа полученное тепло передается структуре, через которую протекает указанный синтез-газ или воздух, или дымовой газ или их смесь. Основная часть указанной теплопередачи достигается в части конструкции, называемой каналом дымовых газов, который следует за указанной вторичной камерой.

Техническое решение далее описывается с помощью предпочтительного варианта осуществления и фигур, причем указанные фигуры являются частью этого описания и представляют собой:

На Фиг. 1 показано поле скоростей, вычисленное доступными механическими средствами без препятствий, показывающее области высоких скоростей потока и области низких скоростей потока и обеспечивающее оценку заранее заданных точек, в которых может быть размещено хотя бы одно препятствие.

На Фиг. 2 показано поперечное сечение устройства при использовании твердых переработанных отходов без каких-либо препятствий, представляющее собой первичную камеру (1), решетку, предпочтительно движущуюся (2), вход первичного воздуха (3), вход рециркулируемого воздуха (4), вторичную камеру (5), вход вторичного воздуха (6), вход третичного воздуха (7), канал дымовых газов (8), положение повышенной скорости (9), (10), (11), (12), (13).

На Фиг. 3 показано поперечное сечение устройства при использовании твердых переработанных отходов с препятствиями, представляющими собой первичную камеру (1), решетку, предпочтительно движущуюся (2), вход первичного воздуха (3), вход рециркулируемого воздуха (4), вторичную камеру (5), вход вторичного воздуха (6), вход третичного воздуха (7), канал дымовых газов (8), откидную заслонку (14), откидную заслонку первичной камеры (15), заслонки вторичной камеры (16, 17), заслонки канала дымовых газов (18), (19), (20).

В предпочтительном варианте устройства при использовании твердых переработанных отходов представляет собой устройство для сжигания отходов с базовой конструкцией первичной камеры (1), содержащей подвижную или классическую решетку (2) с возможностью установки угла между 12-28° в зависимости от технологических параметров, таких как содержание дымовых газов и других условий. На этой решетке (2) размещают топливо, в то время как первичный (3) и рециркулируемый воздух (4) поступают ниже или сбоку от указанной решетки (2), причем указанный воздух находится в количестве, необходимом для обеспечения газификации.

Над указанной решеткой (2) расположена вторичная камера (5). В него поступает вторичный (6) и третичный (7) воздух. Для обеспечения эффективного перемешивания входные сопла могут вызывать локальное увеличение скорости смеси газов, например в положениях (9), (10), (11), (12), (13).

Между первичной (1) и вторичной (5) камерами происходит переход, при котором происходит увеличение локальной скорости указанных газов. Это приводит к преждевременному поступлению части синтез-газа в указанную вторичную камеру (5) и увеличению концентрации твердых частиц в указанных газах. Чтобы смягчить эту ситуацию, предусмотрены два препятствия. Первый (15) представляет собой откидную заслонку (препятствие), которая может поворачиваться в положении, наиболее подходящем для предотвращения неравномерности указанного поля потока в зависимости от измеряемых параметров поля потока или в зависимости от опыта оператора.

Препятствия согласно настоящему изобретению могут иметь различные формы, такие как пластины, заслонки, решетки, неровности, волны, стержни, штыри или аналогичные устройства, вызывающие возмущение поля потока, направленное на снижение пиковых скоростей указанного синтеза и/или дымовых газов или их смеси.

При соответствующем вращении упомянутого шарнирного препятствия (например, 15), которое также может зависеть от качества РДФ или содержания влаги, можно обеспечить оптимальное положение, которое предотвращает или уменьшает перенос твердых частиц. Указанное препятствие может быть охлаждено водой, что может еще больше повысить эффективность данного изобретения.

Предусмотрено дополнительное препятствие в виде расцепленного препятствия (14) указанной первичной камеры (1). Это препятствие (14) предотвращает или уменьшает преждевременный транспорт синтез-газа с добавлением первичного воздуха. Первичный воздух в этом положении используется для достижения законодательно установленного предела ТОС. А именно, в задней и нижней части указанной решетки (2) обычно происходит добавление первичного воздуха более интенсивно, чем в других местах первичной камеры (1) за счет выгорания остатков РДФ, которые должны достигать минимальных значений общего органического углерода (“ТОС”). Без такого ослабленного препятствия произошел бы преждевременный перенос указанных газов в среднюю секцию указанной первичной камеры (1), что привело бы к снижению скорости газификации и увеличению концентрации твердых частиц.

Вход во вторичную камеру (5) имеет те же характеристики, что и в первичную камеру (1), однако в верхнюю часть решетки (2) добавляются материалы для снижения абразивных свойств указанных газов, включая твердые частицы. Эти газы быстро сгорают, вызывая упомянутое препятствие (15), которое охлаждается водой. Далее, в упомянутой вторичной камере (6) скорости являются самыми высокими и наиболее критическими. Поэтому там предусмотрены двойные направляющие закрылки (16,17). Эти закрылки (16 и 17) предназначены для поворота, имеют водяное охлаждение и могут быть закреплены в любом заданном положении. Далее канал дымовых газов снабжен дополнительными препятствиями в виде заслонок (18), (19), (20) (18, 19 и 20 - используют водяное охлаждение и выполнены поворотными). Для целей данного описания такие термины, как шарнирное, поворотное или вращающееся, относятся к тем же характеристикам упомянутого препятствия (такого как заслонка или аналогичное), а именно к способности позиционировать себя в указанном потоке синтез-газа, дымового газа, воздуха или их смеси для индуцирования по меньшей мере одного вихря, вызывающего этапы, выбранные из группы, содержащей смешивание газов, генерацию синтез-газа, окисление упомянутого синтез-газа, передачу тепла от упомянутого синтез-газа или упомянутого дымового газа на соседнюю структуру, такую как парогенератор или аналогичную.

Устройство согласно настоящему изобретению состоит по меньшей мере из одного препятствия, причем указанное препятствие выбрано из группы, содержащей:

- нерегулируемое препятствие (14), предпочтительно охлаждаемое водой, для индуцирования по меньшей мере одного вихря в указанной первичной камере (1);

- шарнирное препятствие (15), предпочтительно с водяным охлаждением, для индуцирования по меньшей мере одного вихря либо в указанной первичной камере (1), либо во вторичной камере (5), либо в обеих камерах (1), (5);

- шарнирное препятствие (16, 17), предпочтительно с водяным охлаждением, для индуцирования по меньшей мере одного вихря синтез-газа или воздуха, или дымового газа, или их смеси в указанной вторичной камере (5);

- шарнирное препятствие (18, 19, 20), предпочтительно с водяным охлаждением, для индуцирования по меньшей мере одного вихря синтез-газа или воздуха, или дымового газа или их смеси в канале дымового газа.

При использовании заявленного изобретения мы сталкиваемся с гораздо лучшими экологическими параметрами, такими как окись углерода и ТОС, с ожидаемыми значениями менее 1 мг/Нм³, что по существу означает полное разложение органического вещества. Вследствие упомянутого выше размещения препятствий также ожидается значительное снижение концентрации твердых частиц и снижение содержания диоксинов, фуранов (PXDD/F) при синтезе de novo.

Кроме того, видимые результаты наблюдаются также за счет снижения потребности в добавках на стадии очистки за счет снижения концентрации твердых частиц.

Изобретение относится к области энергетики. Способ для улучшения потока синтезируемого и/или дымового газа при использовании топлива, полученного из твердых бытовых отходов, в установках для сжигания отходов, состоит из следующих этапов: обеспечение оценки профиля локальной скорости синтеза и/или дымового газа, протекающего в определенной точке в первичной и/или вторичной камере; если указанная оценка приводит к избыточной локальной разнице скоростей указанного синтезирующего и/или дымового газа в направлении, по существу поперечном общему направлению потока, указанного синтезированного и/или дымового газа, обеспечение размещения препятствия в указанной заранее определенной точке или вблизи неё; измерение технологических параметров указанного потока, таких как процентное содержание кислорода или температура указанного дымового газа, или состав твердых бытовых отходов, или содержания влаги, или их комбинация, по крайней мере, в одном месте вдоль указанного газового тракта, указанная точка выбирается из группы, состоящей из: вход во вторичный камеру, вход канала дымового газа, вход газовой стороны парогенератора, любая точка вдоль указанного газового тракта, или их множество, или их комбинация; установка в канале дымовых газов хотя бы одного навесного препятствия; поворот упомянутого по меньшей мере одного шарнирного препятствия в положение, зависящее от измерений параметров способа упомянутого потока, таких как процентное содержание кислорода или температура упомянутого дымового газа, или состав твердых бытовых отходов, или содержание влаги, или их сочетание, по меньшей мере, в одной точке вдоль упомянутого газового тракта, указанная точка выбирается из группы, состоящей из: вход во вторичную камеру, вход в канал дымового газа, вход на газовую сторону парогенератора, любая точка вдоль указанного газового тракта, или их множество, или их комбинации, или в зависимости от опыта оператора. Изобретение позволяет увеличить удельную теплоту сгорания топлива, снизить выброс пыли в первичной камере, обеспечить легкую адаптацию к изменениям вида топлива, а также размеру и составу твердых переработанных отходов. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для улучшения потока синтезируемого и/или дымового газа при использовании топлива, полученного из твердых бытовых отходов (RDF), в установках для сжигания отходов, отличающийся тем, что состоит из следующих этапов:

- обеспечение оценки профиля локальной скорости синтеза и/или дымового газа, протекающего в определенной точке в первичной и/или вторичной камере;

- если указанная оценка приводит к избыточной локальной разнице скоростей указанного синтезирующего и/или дымового газа в направлении, по существу поперечном общему направлению потока, указанного синтезированного и/или дымового газа, обеспечение размещения препятствия в указанной заранее определенной точке или вблизи неё;

- измерение технологических параметров указанного потока, таких как процентное содержание кислорода или температура указанного дымового газа, или состав твердых бытовых отходов (RDF), или содержания влаги, или их комбинация, по крайней мере, в одном месте вдоль указанного газового тракта, указанная точка выбирается из группы, состоящей из: вход во вторичную камеру, вход канала дымового газа, вход газовой стороны парогенератора, любая точка вдоль указанного газового тракта, или их множество, или их комбинация;

- установка в канале дымовых газов хотя бы одного навесного препятствия;

- поворот упомянутого по меньшей мере одного шарнирного препятствия в положение, зависящее от измерений параметров способа упомянутого потока, таких как процентное содержание кислорода или температура упомянутого дымового газа, или состав твердых бытовых отходов (RDF), или содержание влаги, или их сочетание, по меньшей мере, в одной точке вдоль упомянутого газового тракта, указанная точка выбирается из группы, состоящей из:

вход во вторичную камеру, вход в канал дымового газа, вход на газовую сторону парогенератора, любая точка вдоль указанного газового тракта, или их множество, или их комбинации, или в зависимости от опыта оператора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает этап создания шарнирного препятствия в первичной камере или вблизи нее.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает этап создания шарнирного препятствия в первичной камере или вблизи нее.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный способ дополнительно включает этап создания шарнирного препятствия во вторичной камере или вблизи нее.

5. Устройство для улучшения потока синтезируемого и/или дымового газа в топливе, полученном из твердых бытовых отходов (RDF), для использования в установке для сжигания отходов, для осуществления способа по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в канале дымового газа имеется по меньшей мере одно препятствие.

6. Устройство п. 5, отличающееся тем, что имеется, по меньшей мере, одно не подвешенное препятствие, расположенное внутри или вблизи указанной первичной камеры, или в или вблизи вторичной камеры, или в или вблизи канала дымового газа.

7. Устройство по любому из пп. 5, 6, отличающееся тем, что упомянутое по меньшей мере одно препятствие охлаждается водой.

8. Устройство по любому из пп. 5-7, отличающееся тем, что указанное по меньшей мере одно препятствие выбрано из группы, состоящей из:

расцепленное препятствие (14), предпочтительно с водяным охлаждением, для создания, по меньшей мере, одного вихря в указанной первичной камере (1);

шарнирное препятствие (15), предпочтительно с водяным охлаждением, для создания по меньшей мере одного вихря в указанной первичной камере (1), указанной вторичной камере (5) или обеих камерах (1), (5);

шарнирное препятствие (16, 17), предпочтительно с водяным охлаждением, для создания, по меньшей мере, одного вихря синтез-газа или воздуха, дымового газа или их смеси в указанной вторичной камере (5);

шарнирное препятствие (18, 19, 20), предпочтительно с водяным охлаждением, для создания по меньшей мере одного вихря синтез-газа или воздуха, или дымового газа, или их смеси в канале дымового газа.