CZ287011B6 - Heating chamber with fire tubes for solid material - Google Patents

Description

Topná komora s žárovými trubkami pro pevný materiál

Oblast techniky

Vynález se týká topné komory pro zpracování pevného materiálu, otočné kolem své podélné osy, která je vytvořena jako nízkokarbonizační buben pro zpracování odpadu, v jehož vnitřním prostoru je upraveno větší množství přerušovaných, přibližně navzájem rovnoběžně uspořádaných žárových trubek, kterými prochází topný plyn.

Topná komora je s výhodou použita k tepelné likvidaci odpadu způsobem nízkoteplotního karbonizačního spalování z bubnu.

Dosavadní stav techniky

V oboru likvidace odpadů je způsob tak zvaného nízkoteplotního karbonizačního spalování znám. Způsob a podle něho pracují zařízení k tepelné likvidaci odpadu jsou například popsány v evropském patentu EP-A-0.302 310 a německém patentovém spise DE-A-3.830 153. Zařízení k tepelné likvidaci odpadu pracující způsobem nízkokarbonizačního spalování obsahuje jako podstatné komponenty nízkokarbonizační zařízení (buben s nízkoteplotním karbonizačním spalováním, resp. pyrolyzační reaktor) a vysokoteplotní spalovací komoru. Nízkokarbonizační zařízení přetransportuje odpad, uložený v něm prostřednictvím transportního zařízení, nízkokarbonizačním nebo pyrolyzačním procesem na plyn z nízkoteplotní karbonizace a pevnou hmotu. Plyn z nízkoteplotní karbonizace a pevná hmota jsou po náležitém zpracování přiváděny do vysoce teplotní spalovací komory. Ve vysoce teplotní spalovací komoře vzniká roztavená tekutá struska, která je stíráním odebírána a která pak po ochlazení přechází do zeskelnatělé formy. Vznikající spaliny jsou odváděny vedením, které je vytvořeno jako odváděči komín. Ve vedení spalin se dále nachází plynový kompresor, který je upraven přímo na výstupu zařízení pro čištění spalin a který může být použit jako dmychadlo pro vytvoření umělého tahu v komíně. Zabudovaný plynový kompresor slouží rovněž k vytvoření, i když jen poměrně malého podtlaku v nízkokarbonizačním, resp. pyrolyzačním, bubnu. Tímto podtlakem je zabráněno pronikání plynu vzniklého z nízkoteplotní karbonizace kruhovým těsněním bubnu do okolí.

Prostřednictvím transportního zařízení je do bubnu dopravován odpad různého druhu, jako například rozdrcený domovní odpad, různé domovní odpady průmyslového charakteru, nebo rozdrcený neskladný odpad, ale také i vody zbavený kal.

Jako komora pro nízkoteplotní karbonizaci, resp. pyrolyzační reaktor, bývá použit v podélné ose relativně dlouhý a kolem této osy otáčející se buben, který je uvnitř opatřen vícero, navzájem rovnoběžně uspořádanými žárovými trubkami, jejichž prostřednictvím je odpad bez přívodu vzduchu ohříván. Přitom se buben otáčí kolem své podélné osy. Podélná osa bubnu je přitom s výhodou oproti horizontální rovině poněkud skloněna, čímž mohou být zbytkové látky odpadní šachtou, vytvořenou ve vyprazdňovací skříni, dopravovány na dělicí zařízení zbytkových látek.

V bubnu je odpadový materiál ohříván prostřednictvím žárových trubek. Za tímto účelem prochází žárovými trubkami topný plyn. Přitom je zpravidla využíván protiproudný princip, to jest topný plyn vstupuje v oblasti horkého konce bubnu a opouští buben v oblasti jeho chladného konce. Problém, který přitom vyvstává, spočívá v tom, že v oblasti chladnějšího konce bubnu je relativně vyšší potřeba tepelné energie, zatímco v oblasti horkého konce bubnu je potřeba tepelné energie relativně nižší. Vyšší potřeba energie vzniká zejména při sušení materiálu a nižší potřeba energie vzniká při samotné nízkoteplotní karbonizaci. Relativně vyšší potřeba tepelné energie se vyskytuje přibližně v oblasti mezi 0 a 2/3 - míněno ve směru transportu odpadu a nižší potřeba tepelné energie přibližně v oblasti od 2/3 celkové délky bubnu.

-1 CZ 287011 B6

U tohoto druhu protiproudného principu je tedy zajištěno, že v oblasti relativně nižší tepelné energie vstupuje topný plyn o vysoké teplotě poměrně vysokou rychlostí proudění. Přestup tepla z topného plynu na žárové trubky a odtud na pevné odpadní látky je tak relativně dostačující. V oblasti vysoké potřeby tepelné energie je však naproti tomu dosahováno nižší teploty topného plynu, neboť topný plyn se mezitím ochladí. Tím je dosaženo nižší rychlosti topného plynu a podstatně horšího přestupu tepla z topného plynu na žárové trubky a tím i horšího přestupu tepla na odpad nacházející se v bubnu.

Podstata vynálezu

Řešení podle vynálezu si klade základní úkol vytvořit takovou topnou komoru zmíněného typu, u které je podstatně zlepšen přestup tepla v oblasti vysoké potřeby tepelné energie, tedy v části nižší teploty topného plynu.

Tento úkol je podle vynálezu vyřešen tak, že v koncových částech žárových trubek, myšleno ve směru proudění topného plynu, jsou žárové trubky opatřeny uvnitř vloženými vířiči, které způsobují turbulenci.

Za pomoci těchto vířičů se dosáhne toho, že v oblasti vysoké potřeby tepelné energie vznikne značná turbulence v sousedních vrstvách s vnitřní stěnou zmíněných žárových trubek. Tím se dosáhne zvýšení středové rychlosti topného plynu, jejímž důsledkem je zlepšení přestupu tepla.

Jako vířiče jsou s výhodou použity v určitých odstupech navzájem vsazené kroužky, které jsou vytvořeny z ušlechtilé oceli. Vířiče mohou mít jak pravoúhlý, specielně čtvercový, nebo i kruhový příčný průřez.

Další výhodná provedení jsou popsána ve vedlejších patentových nárocích.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladná provedení vynálezu jsou dále blíže objasněna pomocí přiložených výkresů, kde značí:

obr. 1 vstupní část zařízení pro nízkoteplotní karbonizační spalování s bubnem, jehož žárové trubky jsou protékány topným plynem protiproudným principem, obr. 2 podélný řez žárovou trubkou bubnu se vsazenými kruhovými vířiči, obr. 3 žárová trubka tohoto typu ve zvětšeném pohledu, obr. 4 žárová trubka podle obr. 3 v příčném řezu, obr. 5 podélný řez žárovou trubkou s modifikovaným uspořádáním v ní vsazených kruhových vířičů ve zvětšeném pohledu, obr. 6 žárová trubka podle obr. 5 v příčném řezu, obr. 7 žárová trubka v podélném řezu se vsazenými vířiči a se vsazeným výtlačným tělesem podle prvého příkladného provedení, obr. 8 žárová trubka v podélném řezu se vsazenými vířiči a výtlačným tělesem podle druhého příkladného provedení.

-2CZ 287011 B6

Příklady provedení vynálezu

Podle obr. 1 je pevný odpad A prostřednictvím přiváděcího nebo dávkovacího zařízení 2, opatřeného přívodní šachtou 3, a pomocí motorem 6 poháněného šnekového dopravníku 4 upraveného v přívodním potrubí 7 dopravován do středu pyrolyzačního reaktoru nebo bubnu 8 pro nízkoteplotní karbonizační spalování. Buben 8 pro nízkoteplotní karbonizační spalování je podle příkladného provedení vnitřně vytápěn a je otočný kolem své podélné osy 10. Buben 8 může dosahovat délek od 15 do 30 m a pracuje při teplotách od 300 °C do 600 °C bez přístupu vzduchu. Přitom vedle unikajícího plynu s z nízkoteplotní karbonizace vzniká dále pevná látka f. Buben 8 pro nízkoteplotní karbonizaci je přitom vybaven větším počtem, například od 50 do 200, ve vnitřním prostoru 13 upravených, navzájem rovnoběžně uspořádaných žárových trubek 12, z nichž jsou na obr. 1 znázorněny pouze čtyři. Na pravém, neboli „horkém“ konci je upraven vstup pro topný plyn h, který je vytvořen ve tvaru utěsněné výstupní komory 16. Podélná osa 10 bubnu 8 je s výhodou oproti horizontální rovině mírně skloněna, takže výstup na pravém, neboli „horkém“ konci je položen níže než vlevo znázorněný vstup pevného odpadu A. Buben 8 pro nízkoteplotní karbonizační spalování je přitom s výhodou udržován pod mírným podtlakem vzhledem k jeho okolí.

Buben 8 pro nízkoteplotní karbonizační spalování je na straně jeho vyprazdňování napojen pomocí středového, spolu s ním se otáčejícího vyprazdňovacího potrubí 17, na vyprazdňovací zařízení 18, které je opatřeno nátrubkem 20 pro odvod plynu s z nízkoteplotní karbonizace a výpustí 22 pro vypouštění pevných látek f, vzniklých z pyrolyzačního procesu, resp. z nízkoteplotního karbonizačního procesu. Potrubí připojené na nátrubek 20 je spojeno se zde neznázoměným hořákem vysokoteplotní spalovací komora.

Otáčení bubnu 8 kolem jeho podélné osy 10 je realizováno prostřednictvím pohonu 24 ve formě převodu, který je spojen s motorem 26. Pohon 24 přitom otáčí bubnem 8 prostřednictvím ozubeného věnce, který je upevněn na jeho obvodě, přičemž buben 8 se otáčí na ložiskách 27.

Z obr. 1 je zřejmé, že žárové trubky 12 jsou svým jedním koncem upevněny v jedné koncové desce 28 a svým druhým koncem v druhé koncové desce 30. Upevnění žárových trubek 12 v koncových deskách 28 a 30 je provedeno tak, že žárové trubky 12 mohou být kdykoliv jednoduše vyměněny. Konce žárových trubek 12 přitom vyčnívají z otvorů koncové desky 28 vlevo do výstupní komory 16, resp. z otvorů koncové desky 30 vpravo do vstupní komory 14. Osy žárových trubek 12 přitom směřují vždy kolmo k čelním plochám koncových desek 28, 30. Ze znázorněné konstrukce podle obr. 1 je patmé, že jednotlivé žárové trubky 12 musí splňovat vysoké nároky jak na tepelné, tak i mechanické vlastnosti, neboť se spolu s koncovými deskami 28 a 30, které mohou být nazvány též jako trubkové desky nebo trubková dna bubnu, otáčejí kolem podélné osy 10 bubnu 8.

Mezi koncovými deskami 28, 30 jsou vytvořeny dvě výztuhy x, v k podepření, jinak podle množství průběžných, žárových trubek 12. Z pohledu ve směru dopravy pevného odpadu A je prvá výztuha x umístěna přibližně v jedné třetině a druhá výztuha y přibližně ve dvou třetinách celkové délky 1 bubnu 8. Výztuhy x, y jsou vytvořeny jako nosné, resp. opěrné konzoly 31,32 ve tvaru kruhových děrovaných desek zhotovených z kovu, například z oceli, které jsou upevněny na vnitřní stěně 33 bubnu 8.

Na obr. 2 je znázorněna žárová trubka 12, kterou ve směru šipky protéká topný plyn h. V levé části žárové trubky 12, tedy tam, kde by mělo docházet k dobrému přestupu tepla na pevný odpad A vstupujícího do bubnu 8 za účelem odpaření v něm obsažené vlhkosti, tedy v koncové části, nebo přesněji v posledních dvou třetinách délky 1 bubnu 8 (z pohledu směru proudění topného plynu h), je do žárových trubek 12 vsazen větší počet vířičů 40. Vířiče 40 jsou vytvořeny ve tvaru prstenců, které jsou upraveny v rovnoměrných, popřípadě nerovnoměrných vzájemných

-3CZ 287011 B6 odstupech ve směru proudění. Tyto víříce 40 jsou s výhodou zhotoveny z ušlechtilé oceli a slouží především k tomu, aby z oblasti dvou třetin délky 1 vytvářely v hraniční vrstvě u stěn žárových trubek 12 turbulentní víření, a tím zvyšovaly rychlost plynu. Toto pak vede k lepšímu přestupu tepla z topného plynu h, který se cestou zprava doleva ochlazuje.

Z obr. 3 a 4 je zřejmé, že vířiče 40 mohou mít kruhový nebo pravoúhlý, konkrétně čtvercový průřez.

Vířiče 40 ve tvaru mezikruží jsou uvnitř žárových trubek 12 podepřeny pomocí tří, v podélném směru procházejících upevňovacích drátů 42, které jsou kvířičům přivařeny prostřednictvím svarových švů 44. Na obr. 3 a obr. 4 přiléhají vířiče 40 ve tvaru mezikruží na vnitřní stěnu žárových trubek 12. Protože zmenšují volný příčný průřez pro proudění topného plynu h, zvyšují tak jeho rychlost proudění a způsobují tvorbu víření. Tím se zvyšuje i přestup tepla z topného plynu h na žárovou trubku 12 a odkud na pevný odpad A.

Další příkladné provedení je znázorněno na obr. 5 a 6. Podle tohoto provedení jsou vířiče 40 ve tvaru mezikruží upevněny v žárových trubkách 12 s určitým odstupem d od jejich vnitřní stěny. S výhodou jsou však tyto vířiče 40 uspořádány soustředně. Za účelem vytvoření odstupu d jsou vířič 40 rovněž opatřeny upevňovacími dráty 42. Upevňovací dráty 42 jsou v tomto případě 20 upraveny na vnější straně jednotlivých vířičů 40, kde jsou připevněny pomocí svarových švů 44.

Tloušťka upevňovacích drátů 42 přitom odpovídá odstupu d mezi vnějším průměrem vířičů 40 a vnitřním průměrem žárových trubek 12. Efekt, pokud se týká přestupu tepla, je prakticky tentýž jako u příkladného provedení podle obr. 3 a obr. 4.

Na obr. 7 a obr. 8 je znázorněno další provedení. Jak bylo dříve uvedeno, při ochlazování topného plynu h se snižuje jeho rychlost proudění. Podle tohoto příkladného provedení se rychlost prodění opět zvýší, a to prostřednictvím jednoho výtlačného tělesa 50, které je upraveno v ose žárové trubky 12. V kombinaci s dříve popsanými vířiči 40 se tímto opatřením dosáhne opětovaného zvýšení přestupu tepla. Tím může být dosaženo po celé délce jednotlivých žárových 30 trubek 12, navzdory ochlazování topného plynu h, přibližně rovnoměrného přestupu tepla z topného plynu h na stěny žárových trubek J2. Tato opatření mohou rovněž vést k tomu, že celková délky 1 bubnu 8 pro nízkoteplotní karbonizační spalování může být oproti obvyklým provedením kratší, což vede k podstatnému snížení pořizovacích nákladů na toto zařízení.

Na obr. 7 je znázorněno výtlačné těleso 50 zhotovené z ušlechtilé oceli, které má válcový tvar. Špička výtlačného tělesa je orientována proti směru proudění topného plynu h. Naproti tomu na obr. 8 je znázorněno výtlačné těleso 50, zhotovené rovněž z ušlechtilé oceli, které má tvar kužele. Rovněž zde je špička výtlačného tělesa 50 orientována proti směru proudění topného plynu h.

Výtlačná tělesa podle obr. 7 a obr. 8 jsou vždy upevněna souose v žárových trubkách 12. K upevnění slouží vždy tři v axiálním směru o 120° navzájem přesazené opěrné patky 52, které jsou upraveny na předním a zadním konci výtlačného tělesa 50. Tyto opěrné patky 52 jsou znázorněny pouze na obr. Ί. Délka výtlačného tělesa 50 je volena tak, že výtlačné těleso 50 45 prochází vždy vícero vířiči 40 ve tvaru mezikruží. V části, počínaje dvěma třetinami celkové délky 1, může být použito více výtlačných těles 50.

Claims (12)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Topná komora s žárovými trubkami pro pevný materiál, otočná kolem své podélné osy (10), zejména buben (8) pro nízkotepelnou karbonizaci odpadu (A), jejíž vnitřní prostor (13) je opatřen větším počtem navzájem přibližně rovnoběžně uspořádaných žárových trubek (12), kterými prochází topný plyn (h), vyznačující se tím, že v koncové části žárových trubek (12) jsou uvnitř těchto žárových trubek (12) umístěny vířiče (40).
2. 2. Topná komora podle nároku 1,vyznačující se tím, že vířiče (40) jsou vytvořeny ve tvaru mezikruží a jsou vyrobeny z ušlechtilé oceli.
3. 3. Topná komora podle nároku 2, vyznačující se tím, že příčný průřez vířičů (40) ve tvaru mezikruží je pravoúhlý nebo kruhový.
4. 4. Topná komora podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že vířiče (40) jsou uvnitř žárových trubek (12) drženy ve vzájemném předem daném odstupu prostřednictvím alespoň dvou upevňovacích drátů (42).
5. 5. Topná komora podle nároku 4, vyznačující se tím, že upevňovací dráty (42) procházejí uvnitř nebo vně vířičů (40) ve tvaru mezikruží a jsou na nich upevněny.
6. 6. Topná komora podle jednoho z nároků laž5, vyznačující se tím, že v koncové části žárových trubek (12) jsou uvnitř těchto žárových trubek (12) uspořádána výtlačná tělesa (50).
7. 7. Topná komora podle nároku 6, vyznačující se tím, výtlačná tělesa (50) jsou upevněna vždy centricky v příslušné žárové trubce (12).
8. 8. Topná komora podle nároku Ί, vyznačující se tím, že výtlačné těleso (50) je v žárové trubce (12) upevněno prostřednictvím opěrných patek (52) na každém ze svých obou konců.
9. 9. Topná komora podle jednoho z nároků 6 až 8, vyznačující se tím, že výtlačné těleso (50) má válcovitý nebo kuželovitý tvar.
10. 10. Topná komora podle jednoho z nároků 6 až 9, vyznačující se tím, že délka výtlačného tělesa (50) je taková, že výtlačné těleso (50) prochází více vířiči (40).
11. 11. Topná komora podle jednoho z nároků 6 až 10, vyznačující se tím, že výtlačné těleso (50) je provedeno z ušlechtilé oceli.
12. 12. Topná komora podle jednoho z nároků lažll, vyznačující se tím, že vířiče (40) jsou umístěny zhruba v obou posledních třetinách délky (1) žárových trubek (12).