Способ управления горением в печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое

 

Изобретение относится к способам управления горением в печах с псевдоожиженным слоем и может быть использовано при сжигании отходов в коммунальном хозяйстве, а также в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Задачей предлагаемого изобретения является создание способа управления горением в печи с псевдоожиженным слоем, предотвращающего выпуск недогоревшего газа и образование на выходе из печи вредных для окружающей среды веществ практически при любом внезапном увеличении количества сжигаемых отходов. Это достигается за счет эффективного регулирования коэффициента теплоотдачи в псевдоожиженном слое посредством изменения расхода ожижающего воздуха при одновременном, но с противоположным знаком, изменении расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем. 6 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам управления горением в печах с псевдоожиженным слоем и может быть использовано при сжигании отходов в коммунальном хозяйстве, а также в энергетике, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен способ управления горением при сжигании вещества в псевдоожиженном слое, заключающийся в определении интенсивности горения и ее регулировании путем изменения расхода ожижающего воздуха (1).

Недостатком указанного способа является неполное сгорание в печи продуктов газификации, что обусловливает необходимость их очистки и дожигания в отдельной камере и, следовательно, приводит к усложнению используемой установки.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности является способ управления горением в печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое, включающий определение интенсивности горения и ее регулирование путем изменения расхода ожижающего воздуха и одновременного изменения расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем (2).

Данный способ направлен на интенсификацию процесса сжигания отходов, содержащих тяжеловыгорающие компоненты и вещества, склонные к склеиванию при нагревании.

Однако этот известный способ не обеспечивает решения задачи предотвращения выпуска из печи недогоревшего газа и не исключает выхода из печи вредных веществ при внезапном увеличении количества сжигаемых отходов, обусловленном наличием больших агломерированных масс из различных видов отходов, особенно при загрузке городского мусора. Результатом такого так называемого "массированного сброса" является возможность из-за недостатка кислорода, выпуска из печи недогоревшего газа, такого как метан, этилен, пропилен, ацетилен, бензол и т.д. а также возможность образования на выходе из печи таких веществ, как хлористый аммоний, гидроокись аммония и т.д. при даже сравнительно небольшом увеличении количества загруженного в печь сжигаемого вещества.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа управления горением в печи с псевдоожиженным слоем, предотвращающего выпуск из печи недогоревшего газа и образование на ее выходе вредных для окружающей среды веществ практически при любом внезапном увеличении количества загружаемых в печь отходов, что достигается за счет эффективного регулирования коэффициента теплоотдачи в псевдоожиженном слое посредством изменения расхода ожижающего воздуха при одновременном, но с противоположным знаком, изменении расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при осуществлении способа управления горением в печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое, включающего в себя определение интенсивности горения и ее регулирование путем изменения расхода ожижающего воздуха и одновременного изменения расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем, согласно предлагаемому изобретению при превышении интенсивности горения заданного уровня уменьшают расход ожижающего воздуха до величины, соответствующей числу псевдоожижения, находящемуся в диапазоне резкого изменения коэффициента теплоотдачи с нижней границей, по числу псевдоожижения равной 1, и увеличивают расход воздуха, вдуваемого в печь над слоем, и при сжижении интенсивности горения до заданного уровня увеличивают расход ожижающего воздуха до первоначальной величины и уменьшают расход воздуха, вдуваемого в печь над слоем.

Целесообразно, чтобы при осуществлении предлагаемого способа изменение расхода ожижающего воздуха было равно по величине изменению расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем, что позволяет поддерживать постоянным количество воздуха, поступающего в зону горения.

Предложенный способ позволяет сохранять по существу неизменным не только количество воздуха, подаваемого в зону горения, но и количество отходящего газа и концентрацию кислорода в нем при любом изменении количества загруженного в печь сжигаемого вещества. Благодаря этому используемые периферийные устройства, такие как воздуходувки для подачи ожижающего воздуха и воздуха, вдуваемого в печь над слоем, устройства для обработки отходящего газа и т.д. могут быть выполнены компактными и недорогими.

Непосредственно измерить интенсивность горения вещества, сжигаемого в печи в псевдоожиженном слое, чрезвычайно трудно. Поэтому интенсивность горения определяют косвенным путем по параметрам, функционально зависящим от интенсивности горения.

Такими параметрами являются яркость внутри печи, концентрация кислорода в отходящем газе, давление внутри печи, температура внутри печи и т.д.

Предпочтительно, чтобы интенсивность горения определяли посредством измерения яркости внутри печи.

Однако интенсивность горения определяют посредством измерения температуры внутри печи.

Кроме того, интенсивность горения определяют посредством измерения концентрации кислорода, содержащегося в отходящем газе.

Интенсивность горения определяют также посредством измерения давления внутри печи.

В ряде случаев целесообразно, чтобы интенсивность горения определяли путем измерения яркости и давления внутри печи, причем регулирование осуществляли бы при отклонении по меньшей мере одного из этих параметров от соответствующей заданной величины.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами.

На фиг. 1 показана типичная зависимость коэффициента теплоотдачи h в псевдоожиженном слое от числа псевдоожижения U/U_mf, где U скорость ожижающего воздуха, а U_mf минимальная скорость псевдоожижения (Аналогичная зависимость h от U/U_mf приведена, например, в кн. Дж. Боттерилл. Теплообмен в псевдоожиженном слое. Пер с англ. М. Энергия, 1980, с. 266, рис. 5 8).

На фиг. 2 схематично изображена печь для сжигания отходов в псевдоожиженном слое и система регулирования, реализующая предложенный способ управления горением.

На фиг. 3 показана блок-схема системы регулирования согласно изобретению для случая определения интенсивности горения по измерению яркости и давления внутри печи.

На фиг. 4 приведены графические зависимости, иллюстрирующие изменения интенсивности горения Q, концентрации кислорода E в отходящем газе, количества отходящего газа B, расхода C₁ ожижающего воздуха, расхода C₂ воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем, и температуры Т внутри печи в зависимости от времени при изменении количества A сжигаемого вещества и реализации предлагаемого способа.

На фиг. 1 видно, что на графике h(U/U_mf) имеются два диапазона резкого изменения коэффициента теплоотдачи и плавного изменения коэффициента теплоотдачи (с противоположным знаком).

Согласно предложенному способу в нормальном режиме работы печи величину расхода ожижающего воздуха (а следовательно, и скорость ожижающего воздуха U) поддерживают на уровне, соответствующем числу псевдоожижения, находящемуся в диапазоне плавного изменения коэффициента теплоотдачи. При превышении интенсивности горения заданного уровня уменьшают расход ожижающего воздуха до величины, соответствующей числу псевдоожижения, находящемуся в диапазоне резкого изменения коэффициента теплоотдачи с нижней границей, по числу псевдоожижения равной 1, и по мере снижения интенсивности горения до заданной уровня восстанавливают расход ожижающего воздуха (путем его увеличения) до величины, соответствующей первоначальному значению числа псевдоожижения, т. е. нормальному режиму работы печи, что позволяет эффективно регулировать горение изменением коэффициента теплоотдачи h.

В результате интенсивность горения поддерживают на заданном уровне, устраняя ее резкие колебания.

Предложенный способ будет более понятен из дальнейшего описания процесса управления горением в печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое, схематично изображенной на фиг. 2.

Как показано на фиг. 2, внутри печи 1 на газораспределительной решетке 2 размещается псевдоожиженный слой 3, образованный частицами инертного материала, такого как песок или т.п. В нижней части печи 1 имеется воздушная камера 4, соединенная трубопроводом 5 с воздуходувкой (не показана), нагнетающей в воздушную камеру 4 ожижающий воздух.

Воздуходувка может представлять собой, например, центробежный вентилятор, предпочтительно со средствами регулировки, чтобы поддерживать расход воздуха при ее работе на постоянном уровне.

Трубопровод 6 предназначен для подачи в печь с помощью общего или отдельного вентилятора вторичного воздуха.

В стенке печи 1 вмонтировано воздушное сопло 7 для вдува воздуха в пространство над псевдоожиженным слоем 3. Воздушное сопло 7 посредством трубопровода 8 соединено с регулирующим клапаном 9, который может быть размещен в трубопроводе 5 или в трубопроводе 8 (как показано на фиг. 2).

Над печью 1 установлен бункер 10 с питателем 11 для подачи в печь вещества, подлежащего сжиганию. Это вещество падает при подаче из питателя 11 на определенный участок псевдоожиженного слоя, например на его центральный участок, и может быть распределено в слое с помощью рассеивающего устройства (не показано).

Отходящий газ отводится из печи по трубопроводу 12, а зола выгружается через разгрузочный патрубок 13.

Датчик 14 параметра, характеризующего интенсивность горения, подключен к регулятору 15, воздействующему на степень открытия регулирующего клапана 9.

В случае использования в качестве датчика датчика яркости внутри печи (схематично изображен на фиг. 2) важно, чтобы он был размещен на определенной высоте над трубопроводом 6 и соплом 7 в таком положении, чтобы на результаты измерения не оказывали влияние псевдоожиженный инертный материал и яркость стенок печи.

При использовании датчика температуры или датчика давления его размещают в свободной части печи над псевдоожиженным слоем, а при использовании датчика концентрации кислорода в отходящем газе его размещают в отводящем трубопроводе 12.

В случае "массированного сброса", результатом которого является скачкообразное горение с выделением дыма, иногда наблюдается неправильная работа регулирующего клапана 9 из-за того, что яркость внутри печи падает, несмотря на интенсивное горение, и с датчика 14 яркости поступает ошибочный сигнал, свидетельствующий об отсутствии активизации горения.

Чтобы устранить эти недостатки в заявленном изобретении, предусматривается определение и регулирование интенсивности горения по результатам измерения двух параметров яркости и давления внутри печи.

Показанная на фиг. 3 для этого случая блок-схема системы регулирования включает датчик 14-1 яркости, датчик 14-2 давления, арифметические блоки 16, 17, обеспечивающие подачу выходных сигналов, пропорциональных яркости и давлению внутри печи, от соответствующих датчиков, и блок сравнения 18, подключенный к регулирующему клапану 9.

Управление горением в печи с псевдоожиженным слоем при реализации предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

В качестве примера вначале рассматривается иллюстрируемый фиг. 2 случай использования для определения интенсивности горения датчика яркости. Особенности процесса регулирования интенсивности горения согласно изобретению поясняются далее с помощью фиг. 4.

Если количество A вещества, загруженного в печь, становится в момент времени t₁ большим, чем обычно, то, как показано на фиг. 4, интенсивность горения Q сжигаемого вещества увеличивается, и яркость в печи 1 возрастает. При этом увеличивается сигнал на выходе датчика 14 яркости, срабатывает регулятор 15, и увеличивается степень открытия регулирующего клапана 9. В результате уменьшается расход C₁ ожижающего воздуха и увеличивается расход C₂ воздуха, вдуваемого из сопла 7 в печь над псевдоожиженным слоем.

Поскольку расход C₁ ожижающего воздух уменьшают до величины, соответствующей числу псевдоожижения, находящемуся в диапазоне резкого изменения коэффициента теплоотдачи h, а именно резкого снижения величины h с уменьшением скорости ожижающего воздуха (этот диапазон на фиг. 1 заштрихован), то это приводит к уменьшению теплоотдачи от частиц псевдоожиженного инертного материала к сжигаемому веществу и снижению скорости его газификации.

Вследствие этого рост интенсивности горения замедляется, затем интенсивность горения стабилизируется и уменьшается.

Вместе с тем из-за сокращения подачи воздуха из воздушной камеры снижается и количество кислорода в псевдоожиженном слое и возрастает количество несгоревшего газа.

Однако, т.к. соразмерно со снижением количества кислорода в псевдоожиженном слое увеличивают расход C₂ воздуха, вдуваемого в печь над слоем, то несгоревший газ полностью сгорает в свободной части печи над псевдоожиженным слоем, и колебания концентрации E кислорода (с ее уменьшением) в отходящем газе сводятся в минимуму.

При догорании избытка количества сжигаемого вещества и уменьшении интенсивности горения Q (после снижения темпа ее роста и стабилизации) регулирующий клапан 9 по сигналу датчика 14 прикрывается. В результате, как показано на фиг. 4, расход C₂ воздуха уменьшается, а расход C₁ ожижающего воздуха увеличивается до первоначальной величины, что приводит к активизации псевдоожижения и увеличению коэффициента теплоотдачи в псевдоожиженном слое. При этом интенсивность горения восстанавливается до заданного уровня, и печь возвращается в нормальный режим работы.

Предпочтительно предложенный способ осуществляют так, чтобы увеличение (уменьшение) расхода C₂ численно было бы равно уменьшению (увеличению) расхода C₁. Вместе с тем в различных случаях использования изобретения отличие изменения расхода C₂ от соответствующего изменения расхода C₁ может составлять до 30% Регулирование интенсивности горения по показаниям датчика температуры или датчика давления или же датчика концентрации кислорода в отходящем газе осуществляется аналогичным образом, учитывая, что при повышении интенсивности горения температура и давление внутри печи повышаются, а концентрация кислорода в отходящем газе снижается (вследствие увеличения количества образующегося отходящего газа).

Ниже более подробно рассматривается пример реализации предлагаемого способа, когда интенсивность горения определяют посредством измерения яркости и давления внутри печи, используя комбинацию датчиков яркости и давления (см. фиг. 3).

Если количество A вещества, загруженного в печь, становится большим, чем обычно, интенсивность горения повышается, и давление внутри печи возрастает. В момент времени, когда величина выходного сигнала V₀₁ датчика 14-1 давления, измеряющего давление внутри печи, превышает заданную величину, арифметический блок 16 выдает сигнал Y₀₁ на увеличение степени открытия регулирующего клапана 9, минимальной в этот момент. Одновременно от датчика 14-2 яркости поступает сигнал V₀₂ к арифметическому блоку 17, выдающему выходной сигнал Y₀₂.

Величины выходных сигналов Y₀₁ и Y₀₂ этих блоков сравниваются между собой с помощью блока 18 сравнения. Управляющим сигналом Y₀₃ на его выходе является наибольший по величине из сигналов Y₀₁ и Y₀₂. В соответствии с величиной этого выходного сигнала Y₀₃ и регулируется степень открытия регулирующего клапана 9.

В остальном процессе регулирования интенсивности горения в печи происходит так же, как и в вышеописанном примере.

Таким образом, при осуществлении регулировании интенсивности горения с использованием комбинации датчиков давления и яркости регулирующий клапан будет открываться до необходимой степени даже в том случае, когда из-за образования дыма яркость в печи, несмотря на активацию горения, падает, что и обеспечивает возможность решения задачи предлагаемого изобретения.

В каждом из вышеописанных вариантов осуществления изобретения описание способа управления горением приводится по отношению к печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое. Однако в одинаковой степени заявленное изобретение может быть использовано и для управления горением в котле с псевдоожиженным слоем, предназначенном для утилизации тепла.

Кроме того, в качестве варианта осуществления предлагаемого способа регулируемая подача воздуха над псевдоожиженным слоем может производиться через трубопровод 6 (вместе с вторичным воздухом) либо одновременно через воздушное сопло 7 и трубопровод 6 с помощью подходящих регулирующих и распределительных устройств.

При регулировании горения в печи с псевдоожиженным слоем согласно предложенному способу можно сжигать различные виды материалов, например уголь, городской мусор, промышленные отходы и смеси этих веществ, обладающие различными теплотворной способностью, горючестью, формой и плотностью.

При этом подлежащие сжиганию материалы можно загружать в печь без их предварительного измельчения.

При сжигании этих материалов и реализации предложенного способа сохраняются по существу неизменными общее количество воздуха, поступающего в зону горения, количество отходящего газа, а также концентрация кислорода в отходящем газе, что позволяет свести к минимуму возможность выпуска в атмосферу несгоревшего газа и предотвратить загрязнение окружающей среды.

Для любого специалиста в данной области техники ясно, что предлагаемое изобретение не ограничивается вариантами его существования, описанными выше, и может быть реализовано множеством других вариантов без измерения объема патентных притязаний.

Формула изобретения

1. Способ управления горением в печи для сжигания отходов в псевдоожиженном слое, включающий в себя определение интенсивности горения и ее регулирование, путем изменения расхода ожижающего воздуха и одновременного изменения расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем, отличающийся тем, что при превышении интенсивности горения заданного уровня уменьшают расход ожижающего воздуха до величины, соответствующей числу псевдоожижения, находящемуся в диапазоне резкого изменения коэффициента теплоотдачи с нижней границей по числу псевдоожижения, равной 1, и увеличивают расход воздуха, вдуваемого в печь над слоем, и при снижении интенсивности горения до заданного уровня увеличивают расход ожижающего воздуха до первоначальной величины и уменьшают расход воздуха, вдуваемого в печь над слоем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение расхода ожижающего воздуха равно по величине изменению расхода воздуха, вдуваемого в печь над псевдоожиженным слоем.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что интенсивность горения определяют посредством измерения яркости внутри печи.

4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что интенсивность горения определяют посредством измерения температуры внутри печи.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что интенсивность горения определяют посредством измерения концентрации кислорода, содержащегося в отходящем газе.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что интенсивность горения определяют посредством измерения давления внутри печи.

7. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что интенсивность горения определяют посредством измерения яркости и давления внутри печи, причем регулирование осуществляют при отклонении по меньшей мере одного из этих параметров от соответствующей заданной величины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4