Způsob a zařízení k tepelnému zpracování odpadového materiálu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu tepelného zpracování odpadového materiálu za získávání tepelné energie, při kterém se odpadový materiál za působení tepla podrobuje pyrolýze a jako pevný produkt se vytvoří hořlavý koks a jako těkavý produkt se vytvoří hořlavé plyny, které se pak spalují pro získání tepla.

Dosavadní stav techniky

Pyrolýza je známa jako tepelný postup pro získávání energie z odpadu, nazývané také nízkotepelná karbonizace nebo koksování (srv. s odborným časopisem „Miill und Abfall 12/1978 nebo švýcarským patentem CH 688 871). U všech postupů, založených na pyrolýze, se odpad za nepřístupu kyslíku zahřívá přímým nebo nepřímým přívodem tepla. Přitom se organické sloučeniny v odpadu stávají nestabilními, těkavé složky unikají a netěkavé se přeměňují v koks.

Plyny, vznikající při pyrolýze, mají vysokou výhřevnost. Při přímém spalování těchto plynů v dosavadních spalovacích komorách kyslíkem nebo vzduchem, obohaceným kyslíkem, vznikají velmi vysoké, nesnadno ovladatelné teploty nad 2000 °C.

Vynález vychází proto z úlohy vytvořit postup shora uvedeného typu tak, aby bylo možno ovládat teplotní profil při spalování.

Podstata vynálezu

Vynález spočívá v tom, že hořlavé plyny jsou spalovány v cirkulující fluidní vrstvě za přívodu kyslíku, přičemž pevná látka, vynášená z fluidní vrstvy, se po oddělení od kouřového plynu znovu přivádí zpět ke spalování.

Z DE-OS 3 307 848 je známo, že se kouřové plyny z metalurgických postupů, obsahující hořlavé složky, dodatečně spalují v cirkulující vrstvě a čistí, přičemž kouřové plyny z postupu a plyny, obsahující kyslík, se odděleně zavádějí do reaktoru s fluidní vrstvou a tam se dodatečně spalují v přítomnosti pevné látky, obsahující činidlo pro čištění plynu a zároveň jsou čištěny. Použité kouřové plyny z metalurgických postupů mají nízkou výhřevnost.

Z WO-A-93/1841 je známo spalovat homogenní paliva, jako uhlí, olej nebo topný koks, ve dvou oddělených stupních. Přitom spalování probíhá v obou stupních za přívodu kyslíku. Aby se pevné látky, nespálené v prvním stupni, tj. uhlík a plyny, spálily, užije se ve druhém stupni přebytku kyslíku.

U způsobu podle vynálezu jde o pyrolýzu odpadových látek, zejména odpadků, při kterém, jak již uvedeno, vznikají při spalování hořlavých plynů kyslíkem velmi vysoké teploty. Spalováním podle vynálezu v cirkulující fluidní vrstvě se vytvářejí optimální a jednotné reakční podmínky pro spalování, jelikož se dosahuje velmi homogenního rozložení teploty. Zároveň se dosáhne velmi účinného chlazení horkých plynů zpyrolýzy. Proudění plynu a pevné látky, existující ve fluidní vrstvě, vede k velmi dobrému převádění tepla, což vede ke zmenšení ploch pro přenos tepla a tím také konstrukčního objemu kotle. Také snížení množství kouřových plynů, dosažené spalováním kyslíkem, vyvolává zmenšení konstrukčního objemu reaktoru s fluidní vrstvou a agregátů za ním zařazených, zvýšení účinnosti kotle, snížení nákladů na čištění plynu a snížení nebezpečí koroze ploch pro přenos tepla.

- 1 CZ 285991 B6

Při tepelném zpracování odpadů je problémem vznik oxidů dusíku. Z důvodu ochrany ovzduší nemohou být tyto oxidy volně vypouštěny do okolí. Jejíž známo několik postupů, jako například postup SNRC (Selective Noncatalytic Reduction Process), viz US-PS 3 970 739, při kterém jsou oxidy dusíku v kouřových plynech redukovány na dusík vstřikováním roztoku čpavku nebo jiných vhodných redukčních činidel v přítomnosti tak jako tak přítomného kyslíku. Čpavek se přitom zavádí do proudu kouřových plynů na vhodném místě. Přitom hraje velkou roli teplota kouřových plynů na místě zavádění. Musí ležet v rozmezí 700 až 1100 °C. Při příliš nízké teplotě kouřových plynů je zapotřebí velkého přebytku čpavku. Nezreagovaný čpavek v kouřovém plynu je označován jako skluz a představuje zatížení pro okolí. Při příliš vysoké teplotě shoří část čpavku. V obou případech je potřebné množství čpavku zbytečně vysoké. Teplota kouřových plynů klesá plynule podél dráhy kouřových plynů komorou pro dostatečné spalování a kotlem. Čpavek se zavádí v místě optimální teploty kouřových plynů. Přitom však vzniká ten problém, že profil teploty kouřových plynů závisí na provozním stavu zařízení a na spalovaném odpadovém materiálu. To znamená, že i poloha optimálního místa zavádění závisí na provozním stavu ohniště.

Vytvoření spalovací komory jako cirkulující fluidní vrstvy umožňuje vyřešení problému volby místa zavádění čpavku pro vznikající kouřové plyny. Cirkulující fluidní vrstva se kromě stálostí teploty vyznačuje také dobrou schopností regulovat teplotu. Tak může být například regulováno množství pevných látek v proudu, zaváděném do chladiče se stacionární fluidní vrstvou. To umožňuje regulování proudu tepla, odváděného ze spalovací komory a tím i přesné regulování teploty ve spalovací komoře nezávisle na provozním stavu v pyrolyzační komoře. Tím může být zvoleno pevné místo pro zavádění čpavku, jelikož teplotní profil kouřových plynů ve spalovací komoře a v kotli nezávisí již na provozním stavu v pyrolyzační komoře. To umožňuje kromě toho minimalizaci spotřeby čpavku pro snížení množství oxidů dusíku volbou optimální teploty ve spalovací komoře, a to nezávisle na provozním stavu v pyrolyzační komoře.

Vynález bude nyní blíže vysvětlen v souvislosti s výkresy. Na výkresech jsou znázorněna tři provedení způsobu podle vynálezu, která jsou pak níže blíže popsána.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma prvního provedení způsobu podle vynálezu.

Na obr. 2 je znázorněno blokové schéma druhého provedení způsobu podle vynálezu.

Na obr. 3 je znázorněno blokové schéma třetího provedení způsobu podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Podle obr. 1 se odpadové látky o sobě známým a neznázoměným způsobem podrobují pyrolýze v pyrolyzační komoře 2. Přívod odpadu je označen šipkou L Přivádění odpadu a pyrolýza se může provádět například způsobem, popsaným ve švýcarském patentovém spisu CH 688 871. Plyny, vznikající při pyrolýze, vstupují do spalovací komory 4a (přechod od pyrolyzační komory 2 ke spalovací komoře 4a je označen šipkou 3), která je podle vynálezu vytvořena jako reaktor s fluidní vrstvou. Ve spalovací komoře 4a se plyny, vznikající při pyrolýze, použité jako fluidizační plyny, spalují za přívodu kyslíku (na obr. 1 naznačen šipkou 5), jako pevné látky ve fluidní vrstvě lze použít vápno, písek a jiné materiály, výhodně může být také použit koks z odpadu, zbavený inertních látek a jemně rozemletý, vznikající při pyrolýze, zaváděný v podobě částic do fluidní vrstvy a tam společně spalován.

-2CZ 285991 B6

Stěny spalovací komory 4a jsou vytvořeny jako plochy pro přenos tepla. Podle potřeby mohou být další plochy pro přenos tepla upraveny přímo ve fluidní vrstvě. Tyto plochy pro přenos tepla jsou na obr. 1 symbolicky označeny značkou 6.

Reaktor s fluidní vrstvou pracuje s tak vysokou rychlostí plynu, že alespoň část částic pevné látky se společně s proudem kouřových plynů vynáší ze spalovací komory 4a. Když se pevná látka dostane přes vedení 7 do odlučovače 8 prachu, oddělí se od proudu kouřových plynů. Odlučovač 8 prachu může být vytvořen například jako cyklon, jako filtr pro prach nebo jako elektrofiltr. Oddělená pevná látka se přes zpětný přívod 9 vede nazpět do spalovací komory 4a, takže vznikne cirkulující fluidní vrstva. Kouřové plyny, zbavené pevné látky a ochlazené, proudí přes vedení 10 k dalším neznázoměným zařízením pro čištění, popřípadě chlazení kouřových plynů, dříve než se dostanou do ovzduší.

Podle obr. 2, na kterém jsou součásti blokového schématu, znázorněné na obr. 1, a stejné jako na obr. 1, označeny stejnými vztahovými značkami, je cirkulující fluidní vrstva rozšířena o externí chladič 12 se stacionárním fluidním ložem. Tento chladič umožňuje, aby se vyřadila část tepla, odváděného ze spalovací komory 4b. Část pevné látky, oddělené v odlučovači 8 prachu se přes zpětný přívod 13 převádí do chladiče 12 se stacionárním fluidním ložem, kde je ve stacionární fluidní vrstvě (fluidním loži) ochlazována přímým nebo nepřímým přestupem tepla (příslušné plochy pro přenos tepla chladiče 12 se stacionárním fluidním ložem jsou symbolicky označeny značkou 15) a pak se přes zpětný přívod 14 opět dostává do spalovací komory 4b. Ve spalovací komoře 4b odebírá tato pevná látka teplo z horkých plynů z pyrolýzy a zahřívá se na směšovací teplotu, panující ve spalovací komoře 4b. U tohoto provedení může být upuštěno od přídavných chladicích ploch ve spalovací komoře 4b, jelikož recirkulovaná, v chladiči 12 se stacionárním fluidním ložem ochlazená část pevné látky přebírá chladicí funkci.

Fluidizační plyn, potřebný pro provoz chladiče 12 se stacionárním fluidním ložem, se přivádí k chladiči 12 se stacionárním fluidním ložem přes vedení 16 a je nad stacionárním fluidním ložem opět odváděn k dalšímu použití (vedení 17).

U provedení, znázorněného na obr. 3, se veškerá pevná látka, oddělená od proudu kouřových plynů v odlučovači 8 prachu, vede chladičem 12 se stacionárním fluidním ložem a ochlazená se recirkuluje do fluidní vrstvy spalovací komory 4c.

Přemístěním ploch pro přenos tepla, které jsou vlastně nejsilněji postiženy korozivními jevy, do chladiče 12 se stacionárním fluidním ložem (obr. 2 a 3) se dosáhne silného zmenšení koroze kotle. V chladiči 12 se stacionárním fluidním ložem jsou plochy 15 pro přenos tepla vystaveny korozi méně, jelikož se zde vůbec nevyskytují kouřové plyny, které působí silně korozivně.

U provedení způsobu podle vynálezu, znázorněných na obr. 2 a 3, se do cirkulující fluidní vrstvy zavádí velké množství ochlazené pevné látky, aby spalování plynů z pyrolýzy mohlo být prováděno na nízké teplotní úrovni přibližně 900 °C. Průměrná hustota suspenze je nejméně 20 až 30 kg/Nm³. Jestliže se upustí od chladiče 12 se stacionárním fluidním ložem (provedení podle obr. 1), pak musí být hustota suspenze směsi plynu a pevné látky zvolena ještě podstatně vyšší, například 50 až 100 kg/Nm³, aby se zaručilo dostatečné přenášení tepla na stěny reaktoru s fluidní vrstvou, vytvořené jako kotel.

U provedení způsobu podle vynálezu, znázorněných na obr. 2 a 3, může být teplota ve spalovací komoře 4b popřípadě 4c přesně regulována nezávisle na provozním stavu v pyrolyzační komoře 2 tím, že se reguluje zavádění pevné látky, ochlazované v chladiči 12 se stacionárním ložem. To umožňuje, aby čpavek jako redukční činidlo pro odloučení oxidů dusíku mohl být optimálně zaváděn do spalovací komory 4b, popřípadě 4c nebo do odlučovače 8 prachu, popřípadě cyklonu, a aby teplota byla zvolena tak, aby oddělení oxidů dusíku mohlo být prováděno s minimální spotřebou čpavku. S výhodou se čpavek zavádí do vstupu cyklonu.