DE68917725T2

DE68917725T2 - Verbrennungsverfahren und regelungsverfahren dazu.

Info

Publication number: DE68917725T2
Application number: DE68917725T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Asai; Chikao Goke; Ryuichi Ishikawa; Takahiro Oshita
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-19
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2009-10-20
Also published as: EP0411133A1; WO1990004741A1; US5127345A; EP0411133A4; EP0411133B1; ATE110459T1; DE68917725D1

Description

Technisches Gebiet:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung, beispielsweise einen Ofen zur Verbrennung von Abfall, wie beispielsweise städtischen Müll, wobei Verbrennung mit hoher Temperatur und hoher Effizienz durchgeführt wird mit einem niedrigen Luftverhältnis, wodurch die Emission von Spurenmengen schädlicher Substanzen, beispielsweise Dioxinen, verhindert wird, und wodurch eine Verbrennung mit einer hohen Verbrennungseffizienz bewirkt wird, und die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Verbrennungssteuervorrichtung dafür.

Stand der Technik:

In letzter Zeit sind die Mengen an Kunststoffen, Fasern, Papier, etc., die in städtischem Müll enthalten sind, angestiegen auf Grund der Veränderung und Verschiedenheit physikalischer bzw. körperlicher Verteilungssysteme und ähnlichem, und es gab daher eine wachsende Tendenz, daß städtischer Müll zu Müll mit hohem Kaloriengehalt oder Heizwert wird.
Kunststoffe, die lokale Hochtemperaturwärmeerzeugung während des Verbrennungsprozesses bewirken, beschädigen die feuerfesten Materialien oder erzeugen Verglasungen oder Schlacken und verhindern somit den kontinuierlichen Betrieb des Ofens und die Verbrennung von Müll mit einer vorgegebenen Kapazität. Daher kann Kunststoff aussortiert werden als eine Substanz, die ungeeignet zur Verbrennung ist. Es ist jedoch schwierig, allen Kunststoff aus dem Müll vollständig zu entfernen. Wenn er nicht verbrannt wird, sondern zur Rückgewinnung verwendet wird, werden ferner Substanzen, die anderenfalls als wertvolle Energiequellen verwendet würden, weggeworfen, ohne daß sie wirksam oder effektiv verwendet werden.
Da die Gastemperatur am Ofenauslaß bei 700ºC bis 950ºC gehalten wird, um hochkalorischen Müll (Müll mit hohem Heizwert oder hohem Kaloriengehalt) so zu verbrennen, wie er ist, muß zusätzlich eine Kühlung bewirkt werden mit einer großen Menge von Luft oder Sprühwasser, so daß der gegenärtige Trend dahin geht, daß die Größe der Öfen ansteigt. Der untere Grenzwert (700ºC) für die Ofenauslaßgastemperatur ist in erster Linie im Hinblick darauf gesetzt, unangenehme Gerüche zu verhindern. Der obere Grenzwert (950ºC) ist im Hinblick auf den Ofenbetrieb gesetzt, so daß Staub, der bei hoher Temperatur schmilzt, nicht an der Esse oder am Schornstein oder ähnlichem stromabwärts vom Auslaß der Verbrennungskammer haftet, um Schwierigkeiten zu vermeiden.
Andererseits wurden im November 1983 schädliche Dioxine und ähnliches in mechanischen Öfen der Stoker-Bauart detektiert, was ein soziales Problem ergab. Man glaubt, daß Kunststoffe die Hauptursache der Erzeugung schädlicher organischer Chlorverbindungen sind, einschließlich Polychlordibenzoparadioxine (im weiteren abgekürzt als "PCDDs") und Polychlordibenzofurane (PCDFs), die chemisch sehr ähnlich zu den PCDDs sind. Gegenwärtig wird die Erzeugung solcher organischer Chlorverbindungen bestätigt, unabhängig von dem Typ oder der Bauart von Öfen, seien sie mechanische Öfen oder Wirbelbettöfen bzw. Öfen mit fluidisiertem Bett.
Es wurde bisher bei vielen Forschern darauf hingewiesen, daß Chlorbenzole (CBs) und Chlorphenole (CPs) in enger Beziehung stehen zur Erzeugung solcher schädlicher Verbindungen, und zwar als Vorläufer davon. Es wurde berichtet, daß die Erzeugungsmenge solcher schädlicher Verbindungen wahrscheinlich ansteigt, wenn Abgas von dem Ofen in die Esse bzw. den Schornstein strömt, d. h. wenn die Abgastemperatur abnimmt und daß diese schädlichen Verbindungen erzeugt werden durch den elektrischen Entladungseffekt innerhalb des elektrischen Abscheiders.
Obwohl die meisten Mechanismen der Erzeugung von PCDDs und ähnlichem in den Öfen noch nicht geklärt wurde, sagt man im allgemeinen, daß diese Verbindungen bei einer Temperatur erzeugt werden, die nicht höher als 700ºC ist, und daß sie zersetzt werden durch Oxidationsbehandlung bei 900ºC bis 1200ºC.
Im Fall eines mechanischen Ofens ist das Innere von Abfall, der auf dem Stoker oder Heizer in dem Boden des Ofens gestapelt oder aufgehäuft ist, in einem gebackenen Zustand bei 300ºC bis 400ºC; dies ist daher ein Bereich, in dem Dioxine wahrscheinlich erzeugt werden. Da das Luftverhältnis für die Verbrennung in einem mechanischen Ofen bis zu zwei oder darüber ist, ist darüber hinaus die Rate hoch, bei der der Müll gekühlt wird, so daß es schwierig ist, die Temperatur in dem oberen Teil des Ofens auf 1200ºC anzuheben, außer der Heizwert des Verbrennungsgegenstands ist hoch. Wenn der Heizwert hoch ist, wird die Temperatur lokal hoch, was Probleme verursacht, wie beispielsweise Schaden an den feuerfesten Materialien oder die Erzeugung von Klinker, Verglasungen oder Schlacken.
Im Fall eines Wirbelbettofens bzw. eines Ofens mit fluidisiertem Bett ist der Boden des Ofens aus einem fluidisiertem Bett bzw. einem Wirbelbett gebildet, das aus einem fluidisierenden Medium gebildet ist, wie beispielsweise siliciumhaltigem Sand oder Quarzsand, und der Ofen wird üblicherweise bei ungefähr 700ºC bis 900ºC betrieben. Daher ist er vorteilhafter als der oben beschriebene mechanische Ofen. Jedoch besitzt der Wirbelbettofen einen Bereich mit einer komplizierten chemischen Reaktion in dem Wirbelbett, so daß man nicht sagen kann, daß es möglich ist, die Erzeugung von Dioxinen oder ähnlichem selbst mit dem Wirbelbett zuverlässig zu verhindern.
Im allgemeinen verwenden Wirbelbettöfen, die Müll verbrennen, siliciumhaltigen Sand oder Quarzsand (SiO&sub2;) mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von ungefähr 0,4 bis 2,0 mm als fluidisierendes Medium und halten die Temperatur des Wirbelbetts, das aus dem fluidisierenden Medium gebildet wird, bei ungefähr 700ºC bis 900ºC, um den Müll zu verbrennen, der in das fluidisierte Bett gespeist wird, und ferner um die durch die Verbrennung erzeugte Wärme an das fluidisierende Medium zurückzugeben, um die Verbrennung zu bewirken.
Zufälligerweise reagiert der siliciumhaltige Sand, der als ein fluidisierendes Medium verwendet wird, mit den folgenden Alkalimetallverbindungen in einem Hochtemperaturbereich, um beispielsweise Natriumsilikat (Na&sub2;O·3SiO&sub2;) in der Form von Wasserglas zu bilden, das nicht fluidisiert werden kann; daher ist die Temperatur des Wirbelbetts beschränkt durch jeden besonderen Verbrennungsgegenstand:
3SiO&sub2; + Na&sub2;CO&sub3; → Na&sub2;O·3SiO&sub2; + CO&sub2;
3SiO&sub2; + 2NaOH&sub3; → Na&sub2;O·3SiO&sub2; + H&sub2;O
3SiO&sub2; + 2Na&sub2;HCO&sub3; → Na&sub2;O·3SiO&sub2; + H&sub2;O + 2CO&sub2;
Genauer gesagt muß in einem Fall, in dem die Gewichtsproportion bzw. das Gewichtsverhältnis der Na-Komponente (im weiteren als Na-Konzentration bezeichnet), als Repräsentant der Alkalimetallverbindungen, zu der Menge des fluidisierenden Mediums (SiO&sub2;) nicht größer als ungefähr 0,5% ist (d. h. im Fall von normalem, städtischem Müll), die Temperatur des Wirbelbetts auf maximal 900ºC beschränkt werden, und im Fall von Schlamm, Industrieabfall oder ähnlichem, der einen hohen Gehalt an Alkalimetallverbindungen besitzt und in dem die Na-Konzentration in dem fluidisierendem Medium ungefähr 1% ist, muß die Temperatur des Wirbelbetts auf ungefähr 750ºC beschränkt werden, wobei auf Sicherheit geachtet wird. Es sei bemerkt, daß zur Unterdrückung der Reaktion von Sand und Na&sub2;CO&sub3; oder NaOH ein gewisser Schmelzverzögerer, beispielsweise Kaolin, hinzugefügt werden kann als ein Additiv, um in dem Wirbelbettofen Müll zu verbrennen, der Alkalimetallverbindungen oder ähnliches enthält. Es ist jedoch bekannt, daß es noch eine Beschränkung für die Konzentration von Alkalimetallverbindungen in dem Müll gibt, die pro Zeiteinheit bezüglich der Menge des gehaltenen, fluidisierenden Sands geliefert werden können, d. h. es gibt eine Grenze, oberhalb von der die Fluidisierung stoppt, selbst wenn eine große Menge Schmelzverzögerer hinzugefügt wird.
In einem Test eines experimentellen Wirbelbettofens war die Na-Konzentration im Sand zur der Zeit, als die Fluidisierung des Verbrennungsgegenstands unerwünschterweise stoppte auf Grund von Alkalimetallverbindungen bei einer Temperatur des fluidisierenden Mediums (SiO&sub2;) von ungefähr 800ºC 0,6 bis 1,8%, obwohl sie abhängig war von der Art von Alkalimetallverbindungen und dem verwendeten Schmelzverzögerer. Wenn der Partikeldurchmesser des zugefügten Schmelzverzögerers klein ist, kann der Verzögerer zerstreut werden, sobald er in den Ofen geworfen wird, was keine Wirksamkeit ergibt. Ferner ergibt das Hinzufügen eines Schmelzverzögerers Nachteile, beispielsweise einen Kostenanstieg und einen Anstieg der Belastungen auf die Einrichtungen in den nachfolgenden Stufen und kann daher keine wirksame Maßnahme sein, um das Problem zu lösen, das sich aus den Alaklimetallverbindungen ergibt.
Es ist bekannt, daß, wenn eine Vielzahl von Alkalimetallverbindungen zusammen vorhanden ist oder koexistiert, sie einen eutektischen Punkt bilden und daher bei einer niedrigeren Temperatur schmelzen als der jeweilige Schmelzpunkt, wenn sie allein vorhanden sind. Dies ist eine wichtige Tatsache, die berücksichtigt werden muß, wenn der Wirbelbettofen betrieben und gesteuert wird. Da es praktisch unmöglich ist, die Menge von Alklimetallverbindungen zu regulieren, die im städtischem Müll vermischt sind, ist es wichtig, die Temperatur des Wirbelbetts zu steuern.
Demgemäß wird es bevorzugt, auch in dem Wirbelbettofen die Wirbelbettemperatur auf einem Niveau von nicht mehr als 900ºC zu halten, die Temperatur des Freibord- oder Freiraumabschnitts in dem oberen Teil des Ofens bei 900ºC bis 1200ºC zu halten, und organische Chlorverbindungen, wie beispielsweise Dioxine und deren Vorläufer, bei einer hohen Temperatur dadurch zu behandeln, daß sie mit einer ausreichenden Menge an Sauerstoff gemischt werden.
Zusätzlich ist der Schmelzpunkt von Flugasche in Öfen zur Verbrennung von städtischem Müll ungefähr 1200ºC; wenn der Freibordabschnitt auf 1200ºC oder höher erhitzt wird, tritt daher wahrscheinlich das Problem auf, daß geschmolzene Flugasche an der Esse oder dem Schornstein haftet.
Angesichts der vorgenannten Punkte beabsichtigt die vorliegende Erfindung die Beseitigung der oben beschriebenen Probleme, die auftreten, wenn Abfall, beispielsweise städtischer Müll, mit einer Verbrennungsvorrichtung verbrannt wird, wie beispielsweise einem Wirbelbettofen oder ähnlichem, und sie zieht darauf, eine Verbrennungsvorrichtung mit hoher Temperatur und hoher Effizienz und ein Verbrennungssteuerungsverfahren dafür vorzusehen, die bzw. das keine schädlichen Substanzen, wie beispielsweise Dioxine, erzeugt.
Patent abstract of Japan, Band 10, Nr. 273, 17.9.1986 beschreibt einen Wirbelbettverbrennungsofen, der ein zweistufiges Verbrennungsverfahren verwendet. Eine Primärverbrennungskammer und eine Sekundärverbrennungskammer sind vorgesehen. Die Sekundärkammer besitzt einen Sekundärluftversorgungsanschluß bzw. -öffnung und einen Verbrennungsgasablaßanschluß bzw. -öffnung.
Patent abstract of Japan, Band 9, Nr. 245, 2.10.1985 beschreibt auch einen Wirbelbettverbrennungsofen. In dem Wirbelbett erfolgt eine teilweise Oxidierung, und dann wird Gas, das erzeugt wird, sekundär verbrannt. In diesem Verbrennungsofen wird die in das Wirbelbett eingeführte Luft in einer Menge zugeführt, die geringer ist als die theoretische Menge. Die Temperatur des Wirbelbetts wird auf 400 bis 600ºC gehalten.
DE-A-24 49 798 zeigt Gasblasmittel, die in der Umgebung der Grenze zwischen einem Freibordabschnitt und einer Nachverbrennungskammer vorgesehen sind, um entgegen des Verbrennungsgases zu blasen, das zu einem Ablaßbord bzw. Ablaßraum strömt. Da die Nachverbrennungskammer nicht von einer Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts versetzt ist, und da die Gasblasmittel das Gas nicht horizontal einblasen, wird kein großer wirbelnder Strom vorgesehen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 und auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, verwendet die vorliegende Erfindung eine Verbrennungsvorrichtung mit einem Verbrennungsofenabschnitt, einem Freiraum- oder Freibordabschnitt und einer Nachverbrennungskammer, die auf den Freibordabschnitt folgt, wobei die Nachverbrennungskammer an einer Position versetzt von der Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts angeordnet ist, gekennzeichnet durch Vorsehen von Gasblasmitteln in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer, um ein Gas entgegen dem Verbrennungsgas einzublasen, welches zu einem Auslaßanschluß bzw. einer Auslaßöffnung strömt.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasmittel eine Vielzahl von Rohren aufweisen, die parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, wobei jedes Rohr mit einem Gasauslaßloch zum Einblasen eines Gases entgegen dem Verbrennungsgas versehen ist, welches zu dem Auslaßanschluß bzw. der Auslaßöffnung strömt.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Gasauslaßlöcher, die jeweils in der Vielzahl von Rohren vorgesehen sind, gegeneinander versetzt bzw. außer Phase sind.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus gesintertem Siliciumcarbid des β- Typs gebildet sind.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochtemperaturwärmetauscher mit der Nachverbrennungskammer verbunden ist und daß eine Gaskühleinrichtung hinter dem Wärmetauscher vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsofenabschnitt ein Wirbelbettofen ist und daß die Primärluftmenge, die vom Boden des Wirbelbettofens aus eingeblasen wird, so eingestellt ist, daß sie nicht größer ist als die theoretische Luftmenge, so daß ein teilweises Verbrennen eines Verbrennungsgegenstands in dem Wirbelbettofenabschnitt bewirkt wird, wodurch die Temperatur des Wirbelbettverbrennungsabschnitts bei 400ºC bis 900ºC gehalten wird.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Primärluft, die vom Boden des Wirbelbetts aus eingeblasen wird, auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt wird, und zwar durch zweistufige Vorheizmittel, die einen Luftvorheizer und einen Hochtemperaturwärmetauscher aufweisen, um die Primärluftmenge zu vermindern, um dadurch die Wärmemenge zu vermindern, die in dem Wirbelbett erzeugt wird, und auch um die Temperatur des Wirbelbetts bei 400ºC bis 900ºC zu halten.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärluft, die in einem Hochtemperaturwärmetauscher vorgeheizt wird, in den Freibordabschnitt eingeblasen wird, daß das Luftverhältnis so gesteuert wird, daß es 1,0 bis 1,5 ist, um eine Hochtemperaturoxidationsatmosphäre zu bilden, und daß Sekundärluft, die in dem Hochtemperaturwärmetauscher vorgeheizt wird, durch die Gasblasmittel eingeblasen wird, um unverbranntes Gas und Verbrennungsluft gründlich miteinander zu vermischen, um dadurch eine Verbrennung bei hoher Temperatur und mit hohem Wirkungsgrad bei 950ºC oder höher zu bewirken, und zwar mit einem Gesamtluftverhältnis von 1,2 bis 1,7 in dem Freibordabschnitt und in der Nachverbrennungskammer.
Die vorliegende Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturen des Wirbelbetts, des Freibordabschnitts und der Nachverbrennungskammer gesteuert werden durch Verändern des Luftmengenverhältnisses zwischen der Primärluft, der in den Freibordabschnitt eingeblasenen Sekundärluft und der von den Gasblasmitteln 4 eingeblasenen Sekundärluft, und auch durch Ändern der Temperaturen dieser Luftmengen bzw. Luft-ströme.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung einer Verbrennungsvorrichtung und die Strömung von Verbrennungsgas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung einer herkömmlichen Verbrennungsvorrichtung und die Strömung von Verbrennungsgas zeigt;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Struktur der Gasblasmittel zeigt;
Fig. 4(A) ist eine Draufsicht, die die Art und Weise zeigt, in der die Rohre, die die Gasblasmittel bilden, angeordnet sind;
Fig. 4(B) ist eine Seitenansicht der in Fig. 4(A) gezeigten Rohre;
Fig. 5(A) ist eine Draufsicht, die die Art und Weise zeigt, in der die Rohre angeordnet sind, die weitere Gasblasmittel bilden;
Fig. 5(B) ist eine Seitenansicht der in Fig. 5(A) gezeigten Rohre;
Fig. 6 und 7 sind Draufsichten, die jeweils die Art und Weise zeigen, in der die Rohre angeordnet sind, welche weitere Gasblasmittel bilden;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Systemanordnung einer weiteren Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Graph, der ein Berechnungsbeispiel der Beziehung zwischen dem niedrigeren Heizwert und der Verbrennungsgastemperatur zeigt in dem Fall, in dem das Gesamtluftverhältnis verändert wird;
Fig. 10 ist ein Graph, der ein Berechnungsbeispiel der Beziehung zwischen dem unteren Heizwert von Müll, der Verbrennungsabgastemperatur und der Wirbelbettemperatur zeigt in dem Fall, in dem die Verbrennungslufttemperatur verändert wird; und
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die die Systemanordnung von noch einer weiteren Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beste Art der Ausführung der Erfindung

Die Art der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun im weiteren beschrieben mit Bezug auf die Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die schematisch die Anordnung einer Verbrennungsvorrichtung und die Strömung von Verbrennungsgas gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Wirbelbettverbrennungsabschnitt. Ein Freiraum- oder Freibordabschnitt 2 ist oberhalb des Wirbelbettverbrennungsabschnitts 1 angeordnet, und eine Nachverbrennungskammer 3 ist nachfolgend zu dem Freibordabschnitt 2 angeordnet. Die Nachverbrennungskammer 3 ist an einer Position versetzt von der Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts 2 angeordnet. In der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 sind Gasblasmittel 4 vorgesehen, die eine Vielzahl von Rohren aufweisen, welche parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, wie es später genauer beschrieben wird. Jedes der Rohre, die die Gasblasmittel 4 bilden, ist mit Gasauslaßlöchern versehen zum Blasen von Sekundärluft entgegen des Verbrennungsgases, das zu einem Auslaßanschluß bzw. einer Auslaßöffnung strömt, wie später genauer beschrieben wird.
Nach bzw. hinter der Nachverbrennungskammer 3 sind (nicht gezeigte) Gaskühlmittel vorgesehen, beispielsweise ein Gaskühler. Der Teil, der sandwichartig zwischen den Gaskühlmitteln und den Gasblasmitteln 4 angeordnet ist, entspricht der sogenannten Nachverbrennungskammer 3.
Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Müllzuführvorrichtung bzw. einen Mülleinspeiser zum Zuführen oder Einspeisen von Verbrennungsgegenständen, beispielsweise städtischem Müll, in den Ofen.
In der Verbrennungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Anordnung wird Primärluft A&sub1; zum Fluidisieren eines fluidisierenden Mediums vom Boden des Wirbelbetts aus eingeblasen, was den Wirbelbettverbrennungsabschnitt 1 bildet, und Sekundärluft A&sub2; wird in das Innere des Freibordabschnitts 2 geblasen. Ferner wird Sekundärluft A&sub3; in die Gasblasmittel 4 geblasen.
Wenn es in der Verbrennungsvorrichtung, die wie oben beschrieben angeordnet ist, keine Gasblasmittel 4 gibt, verbrennt der Müll, der von der Müllzuführvorrichtung 5 in den Ofen gespeist wird, in dem Wirbelbettverbrennungsabschnitt 1, und das Verbrennungsgas G&sub1; steigt in den Freibordabschnitt 2 und strömt durch die Nachverbrennungskammer 3 in den (nicht gezeigten) Auslaßanschluß, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. In dem Freibordabschnitt 2 wird die in den Freibordabschnitt 2 geblasene Sekundärluft A&sub2; mit dem Verbrennungsgas G&sub1; gemischt, wodurch ermöglicht wird, daß nicht verbranntes Gas und die Luft miteinander vermischt werden. Bei dieser Anordnung kann jedoch nicht verbranntes Gas und die Luft nicht in ausreichender Weise miteinander vermischt werden, so daß ein kurzer Durchlauf des Verbrennungsgases G&sub1; in dem Freibordabschnitt 2 auftreten kann und die Verweildauer ungenügend sein kann.
Daher sind in diesem Ausführungsbeispiel die Gasblasmittel 4 in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 vorgesehen, um Sekundärluft A&sub3; von den Gasblasmitteln 4 einzublasen, und zwar entgegen der Sekundärluft A&sub2; und dem Verbrennungsgas G&sub1;, die zu dem Auslaßanschluß strömen, wodurch bewirkt wird, daß das gemischte Abgas G&sub2; aus der Sekundärluft A&sub2; und dem Verbrennungsgas G&sub1; innerhalb des Freibordabschnitts 2 in Form einer großen wirbelnden Strömung wirbelt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Somit werden das unverbrannte Gas und die Verbrennungsluft in zufriedenstellender Weise miteinander vermischt, und da es keinen kurzen Durchlauf gibt, steigt die Verweildauer des Verbrennungsgases in dem Freibordabschnitt 2. Das Verbrennungsgas G&sub3;, das in zufriedenstellender Weise mit der von den Gasblasmitteln 4 eingeblasenen Sekundärluft A&sub3; und der in den Freibordabschnitt 2 geblasenen Sekundärluft A&sub2; vermischt ist, verbrennt weiter in der Nachverbrennungskammer 3 und strömt dann zu dem Auslaßanschluß.
Die Luft A&sub4;, die von der Müllzuführvorrichtung 5 zusammen mit den Verbrennungsgegenständen in den Ofen leckt, wird auch mit dem wirbelnden gemischten Abgas G&sub2; vermischt.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Struktur der Gasblasmittel 4 zeigt. Wie gezeigt ist, ist in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 eine Vielzahl von Rohren 4-2 parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand angeordnet, um sich in einer Ebene senkrecht zu dem Strömungspfad des Verbrennungsgases G&sub1; zu erstrekken. Die oberen Teile der Rohre 4-2 öffnen sich in einen Luftversorgungsdurchlaß 4-1 und sind somit miteinander verbunden. Die Rohre 4-2 sind mit Luftauslaßanschlüssen oder -öffnungen 4-3 versehen, die zueinander versetzt bzw. außer Phase sind. Luft, die von dem Luftversorgungsdurchlaß 4-1 geliefert wird, strömt (düsenartig) aus den Luftauslaßanschlüssen oder -öffnungen 4-3 in den Rohren 4-2 entgegen dem Verbrennungsgas G&sub1;.
Verbrennungsgegenstände, beispielsweise städtischer Müll, werden in den Ofen eingespeist von einem Einlaßanschluß 2a, der in der oberen Wand des Freibordabschnitts 2 gebildet ist, und das Verbrennungsgas G&sub1; steigt in den Freibordabschnitt 2. Das Verbrennungsgas G&sub1; ist eine Mischung von Verbrennungsgasen, wie beispielsweise CO&sub2;, H&sub2;O, N&sub2;, etc., Pyrolysegas von dem Verbrennungsgegenstand, unverbrannte Substanzen, beispielsweise unverbrannter Kohlenstoff, und Luft, die nicht zur Verbrennung beiträgt. In dem Freibordabschnitt 2 werden die Komponenten oder Bestandteile des Verbrennungsgases G&sub1; nicht gleichförmig verteilt auf Grund der nicht gleichförmigen Verbrennung in dem Verbrennungsbereich. Durch Einblasen der Sekundärluft A&sub3; entgegen dem Verbrennungsgas G&sub1; von den Luftauslaßöffnungen 4-3 in den Rohren 4-2, die die Gasblasmittel 4 bilden, vermischt sich das Verbrennungsgas G&sub1; mit der Sekundärluft A&sub3;, um ein vermischtes Abgas G&sub2; zu bilden, das ein großer wirbelnder Strom ist, der in dem Freibordabschnitt 2 wirbelt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Zu dieser Zeit wird weitere Sekundärluft A&sub2;, die in den Freibordabschnitt 2 geblasen wird, und Luft A&sub4;, die zusammen mit dem Verbrennungsgegenstand von der Müllzuführvorrichtung 5 dorthinein leckt, auch damit vermischt, wie es oben beschrieben wurde.
Die Vielzahl von Rohren 4-2, die die Gasblasmittel 4 bildet, ist mit Gasauslaßöffnungen 4-3 derart versehen, daß die Luftauslaßöffnungen 4-3 in jedem Paar von benachbarten Rohren 4-2 zueinander versetzt bzw. außer Phase sind, wie es in den Fig. 4(A) und 4(B) gezeigt ist, wodurch ermöglicht wird, daß die Sekundärluft A&sub3; zuverlässig und gleichförmig entgegen dem Verbrennungsabgas EG (dem vermischten Abgas G&sub2;, das in Fig. 1 gezeigt ist) eingeblasen wird. Durch Einblasen der Sekundärluft A&sub3; entgegen dem Strom des Verbrennungsabgases EG, wird das Gas EG in dem Freibordabschnitt 2 in Form einer großen wirbelnden Strömung herumgewirbelt. Fig. 4(A) ist eine Draufsicht, die die Art und Weise zeigt, in der die Rohre 4-2 angeordnet sind, die Gasblasmittel 4 bilden, und Fig. 4(B) ist eine Seitenansicht der Rohre 4-2.
Durch Vorsehen der Gasblasmittel 4, die eine Vielzahl von Rohren 4-2 parallel zueinander mit einem vorbestimmten Abstand innerhalb einer Ebene senkrecht zu der Strömung des Verbrennungsabgases EG in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 angeordnet aufweisen, wie oben beschrieben, funktionieren die Gasblasmittel 4 ferner als Mittel zum Abfangen von Strahlung von dem Verbrennungsabgas EG stromaufwärts davon, und es ist daher möglich, die Verhinderung des Absinkens der Temperatur auf Grund von Strahlung zu erwarten.
In den Gasblasmitteln 4 mit der oben genannten Struktur kann ein Aufbaumaterial für die Rohre 4-2 richtig ausgewählt werden entsprechend der Temperatur des Verbrennungsabgases EG, dem Gehalt an korrodierenden Substanzen, etc. Im Fall von stark korrodierendem Abgas mit hoher Temperatur wird jedoch bevorzugt, ein gesintertes Material zu verwenden, das aus einem oder mehreren Materialien gebildet wird, die ausgewählt sind aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonium, Magnesium, Sialon, Co-selait, Titanoxid, etc. β·SiC wird insbesondere bevorzugt hinsichtlich der Festigkeit und des thermischen Schockwiderstands.
Der Winkel (R) zwischen der Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases EG und der Strahlrichtung der Sekundärluft A&sub3; wird vorzugsweise eingestellt innerhalb des Bereichs von 900 ≤ R ≤ 1800, wie es in Fig. 5(A) gezeigt ist. Wenn der Abstand zwischen den Rohren 4-2 groß ist, wird R vermindert, und um eine große wirbelnde Strömung in dem Freibordabschnitt 2 zu erzeugen durch Einblasen der Sekundärluft A&sub3; entgegen dem Verbrennungsabgas EG, wird der Bereich von 1200 ≤ R ≤ 1500 mehr bevorzugt. Fig. 5(A) ist eine Draufsicht, die die Art und Weise zeigt, in der die Rohre 4-2, die die Gasblasmittel 4 bilden, angeordnet sind, und Fig. 5(B) ist eine Seitenansicht der Rohre 4-2.
Obwohl die Konfiguration der Rohre 4-2, die die Gasblasmittel 4 bilden, nicht auf die in den Fig. 4 und 5 gezeigte, zylindrische Konfiguration beschränkt ist, wird bevorzugt, sie in einer zylindrischen Konfiguration auszubilden, so daß keine thermische Belastung auftritt in dem Fall, wo die Rohre 4-2 unter Hochtemperaturbedingungen verwendet werden, und ein keramisches Material, welches ein brüchiges Material ist, wird als ein Material zur Bildung der Rohre 4-2 verwendet.
Ferner ist die Art und Weise des Einbaus bzw. der Installation der Rohre 4-2 nicht auf die Anordnung beschränkt, in der die Rohre 4-2 in einer Reihe innerhalb einer Ebene senkrecht zu dem Strom des Verbrennungsabgases EG angeordnet sind, und die Rohre 4-2 können in zwei oder mehr versetzten Reihen angeordnet werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Zusätzlich kann ein Plattenglied 4-4 zwischen jedem Paar benachbarter Rohre 4-2 angeordnet sein, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.
Obwohl die vorgenannte Verbrennungsvorrichtung anhand eines Beispiels beschrieben wurde, bei dem ein Wirbelbettofen als ein Verbrennungsofen verwendet wird, sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf den Wirbelbettofen beschränkt ist und daß die vorliegende Erfindung natürlich auf andere Arten von Öfen angewendet werden kann, beispielsweise auf mechanische Öfen, vorausgesetzt, daß die Öfen konstruiert sind zur Verbrennung von städtischem Müll oder anderen ähnlichen Verbrennungsgegenständen.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die die Systemanordnung einer Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Wirbelbettverbrennungsabschnitt, 2 einen Freibordabschnitt und 3 eine Nachverbrennungskammer. Die Nachverbrennungskammer 3 ist an einer Position versetzt von der Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts 2 angeordnet, und in der Nähe oder Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 sind Gasblasmittel 4 vorgesehen zum Blasen eines Gases entgegen dem Verbrennungsgas, das zu einem Ablaßanschluß bzw. einer Ablaßöffnung strömt, und zwar in der gleichen Weise, wie es der in Fig. 1 gezeigten Verbrennungsvorrichtung der Fall war.
Ein Hochtemperaturwärmetauscher 6 ist in Verbindung mit der Nachverbrennungskammer 3 angeordnet, wobei der Hochtemperaturwärmetauscher 6 integral mit einem Gaskühler 7 ausgebildet ist. Abgas von dem Gaskühler 7 geht durch einen Luftvorheizer 8 und einen Staubsammler 9 und wird dann in die Atmosphäre freigegeben durch einen Schornstein 11 durch die Wirkung eines Sauggebläses 10. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Primärluftgebläse. Die Luft, die durch das Primärluftgebläse 12 geschickt wird, wird in dem Luftvorheizer 8 vorgeheizt und dann in dem Hochtemperaturwärmetauscher 6 weiter auf eine vorbestimmte Temperatur (zum Beispiel 500ºC) vorgeheizt, bevor sie von dem Boden des Wirbelbettverbrennungsabschnitts 1 in das Wirbelbett eingeblasen wird. Das Bezugszeichen 13 bezeichnet ein Sekundärluftgebläse. Die Luft, die durch das Sekundärluftgebläse 13 geschickt wird, wird in dem Hochtemperaturwärmetauscher 6 auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt und dann als Sekundärluft A&sub2; in den Freibordabschnitt 2 eingeblasen.
Die Gasblasmittel 4 besitzen im wesentlichen die gleiche Struktur wie die in Fig. 3 gezeigten Gasblasmittel 4. Die Luft, die durch das Sekundärluftgebläse 13 geschickt wird, wird in dem Hochtemperaturwärmetauscher 6 auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt und dann als Sekundärluft A&sub3; von den Luftauslaßanschlüssen in den die Gasblasmittel 4 bildenden Rohren entgegen der Strömung des Verbrennungsabgases eingeblasen.
Bei der Verbrennungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Anordnung wird die Primärluftmenge, die von dem Boden des Wirbelbettverbrennungsabschnitts 1 ausgesandt wird, d. h. die Luftmenge zum Fluidisieren des fluidisierenden Mediums, unterhalb der theoretischen Luftmenge gehalten, um teilweise Verbrennung eines Verbrennungsgegenstands zu bewirken, der in den Ofen gespeist wird. In diesem Fall ist die erzeugte Wärmemenge gering wegen der teilweisen Verbrennung und daher würde die Temperatur des Wirbelbetts anderenfalls absinken; jedoch wird die Temperatur des Wirbelbetts auf 400ºC bis 900ºC gehalten durch Vorheizen der Primärluft, die von dem Primärluftgebläse 12 ausgesandt wird, in dem Hochtemperaturwärmetauscher auf eine hohe Tempratur (zum Beispiel 500ºC). Die Gesamtmenge der Primärluft A&sub1; und der Sekundärluft A&sub2; wird gesteuert im Bereich von 1,0 bis 1,5 des Luftverhältnisses, so daß eine Oxidationsatmosphäre bei hoher Temperatur innerhalb des Freibordabschnitts 2 gebildet wird. Ferner wird die Sekundärluft A&sub3; durch die Gasblasmittel 4 eingeblasen, um einen großen wirbelnden Strom in dem Freibordabschnitt 2 zu erzeugen, um unverbranntes Gas und Verbrennungsluft in zufriedenstellender Weise miteinander zu vermischen, um dadurch eine Verbrennung bei hoher Temperatur und mit hohem Wirkungsgrad bei 950ºC oder mehr und mit einem Gesamtluftverhältnis von 1,2 bis 1,7 in dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 zu bewirken.
Fig. 9 ist ein Graph, der ein Berechnungsbeispiel der Beziehung zwischen dem Gesamtluftverhältnis m und der Verbrennungsgastemperatur zeigt, und zwar in dem Fall, wo die Primärluftvorheiztemperatur 500ºC ist und die Vorheiztemperatur der in den Freibordabschnitt 2 eingeblasenen Sekundärluft A&sub2; und der von den Gasblasmitteln 4 eingeblasenen Sekundärluft A&sub3; 200ºC ist. In einem Luftvorheizer mit einer herkömmlichen Gasheizbauart (ein Wärmetauscher, in dem der Wärmetausch bewirkt wird zwischen dem Verbrennungsabgas und der Verbrennungsluft), wird die Vorheiztemperatur unterhalb 300ºC eingestellt, um Hochtemperaturkorrosion des Heizrohrs durch HCl in dem Abgas zu verhindern; daher ist es schwierig, daß die Primärluftvorheiztemperatur 300ºC überschreitet.
In dem vorgenannten Ausführungsbeispiel ist es jedoch möglich, die Verbrennungsluft auf über 300ºC vorzuheizen, da es den Hochtemperaturwärmetauscher 6 verwendet mit einem Heizrohr aus einem keramischen Material, welches eine hohe Temperatur aushält und einen ausgezeichneten Korrosionswiderstand besitzt, und zwar in der gleichen Art und Weise wie es der Fall ist, bei den Rohren 4- 2, die die Gasblasmittel 4 bilden. Obwohl die Vorheiztemperatur sich abhängig von der Verbrennungsgastemperatur und der Strömungsrate der vorgeheizten Luft ändert, ist es gemäß einem Versuchsberechnungsbeispiel, das auf der Basis eines praktischen Ofens ausgeführt wurde, vom thermischen Standpunkt her gut möglich, die Primärluft auf 500ºC vorzuheizen durch Bewirken eines Wärmetauschs zwischen der bezüglich der Temperatur in dem Luftvorheizer 8 angehobenen Primärluft und dem Verbrennungsabgas bei 1200ºC in dem Hochtemperaturwärmetauscher 6, und zwar in der gleichen Art und Weise wie beim Stand der Technik, und gleichzeitig die Sekundärluft (die Luft A&sub2;, die in den Freibordabschnitt 2 eingeblasen wird, und die Luft A&sub3;, die von den Gasblasmitteln 4 eingeblasen wird) auf mehr als 200ºC vorzuheizen mittels des Hochtemperaturwärmetauschers 6.
Je niedriger das Luftverhältnis ist, desto höher ist natürlich die Verbrennungstemperatur. Wenn angenommen wird, daß das Gesamtluftverhältnis m 1,2 ist, ist es möglich, einen Verbrennungsgegenstand mit einem niedrigen Heizwert von nicht weniger als 1000 kcal/kg bei 1000ºC oder mehr zu verbrennen, und zwar durch Vorheizen der Verbrennungsluft in dem Hochtemperaturwärmetauscher 6.
In diesem Ausführungsbeispiel funktionieren die zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 eingebauten Gasblasmittel 4 und der zwischen der Nachverbrennungskammer 3 und dem Gaskühler 7 eingebaute Hochtemperaturwärmetauscher 6 als Wärmeschirme, die ein Absinken der Temperatur auf Grund von Strahlung verhindern; daher ist es möglich, eine Verbrennung bei einer höheren Temperatur zu bewirken.
Fig. 10 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur der Verbrennungsluft und der Temperatur des Wirbelbetts und des Verbrennungsabgases zeigt, wobei der Graph ein Berechnungsbeispiel in dem Fall zeigt, in dem die Primärluftmenge 0,5-mal die theoretische Luftmenge ist und teilweises Verbrennen in dem Wirbelbett bewirkt wird. In dem Graph zeigt der weiße Kreis (O) die Temperatur des Wirbelbettabschnitts (BED) in dem Fall an, in dem die Primärluft auf 200ºC vorgeheizt wird; der schwarze Kreis ( ) zeigt die Temperatur des Freibordabschnitts (F·B) an in dem Fall, in dem die Primärluft auf. 200ºC vorgeheizt wird und die Sekundärluft auf 40ºC ist; das weiße Quadrat ( ) zeigt die Temperatur des Freibordabschnitts (F·B) in dem Fall an, in dem sowohl die Primärluft als auch die Sekundärluft auf 200ºC vorgeheizt werden; das große schwarze Quadrat ( ) zeigt die Temperatur des Wirbelbettabschnitts (BED) in dem Fall an, in dem die Primärluft auf 500ºC vorgeheizt wird; das kleine schwarze Quadrat ( ) zeigt die Temperatur des Freibordabschnitts (F·B) in dem Fall an, in dem die Primärluft auf 500ºC vorgeheizt wird und die Sekundärluft auf 40ºC ist; und die Markierung (x) zeigt die Temperatur des Freibordabschnitts (F·B) in dem Fall an, in dem die Primärluft auf 500ºC vorgeheizt wird und die Sekundärluft auf 200ºC vorgeheizt wird.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist es im Fall hochkalorischen Mülls (Müll mit hohem Heizwert bzw. hohem Kaloriengehalt) möglich, leicht eine Hochtemperaturverbrennung zu bewirken; vielmehr ist es notwendig, die Temperaturen des Wirbelbetts und des Verbrennungsabgases zu senken, wogegen im Fall von niedrigkalorischem Müll (Müll mit niedrigem Heizwert bzw. niedrigem Kaloriengehalt) die Vorheiztemperaturen der Primärluft und der Sekundärluft wichtige Rollen spielen. Wenn beispielsweise der niedriggradige Heizwert des Mülls 1500 kcal/kg ist, muß die Primärluftvorheiztemperatur 300ºC oder mehr sein, um die Wirbelbettemperatur auf ungefähr 600ºC zu halten, und es ist notwendig, um die Temperaturen des Freibordabschnitts 2 und der Nachverbrennungskammer 3 auf 1200ºC anzuheben, ein weiteres Vorheizen der Sekundärluft zu bewirken. Die Temperatur des Wirbelbetts, bei der ein Fluidisierungsversagen auftritt, beispielweise auf Grund der Reaktion mit einem Alkalifusionssalz, wird definiert als die obere Grenze der Wirbelbettemperatur, und die Wärmezersetzungstemperatur des Verbrennungsgegenstandes oder die Temperatur, die benötigt wird zum Vergasen des Verbrennungsgegenstands, wird definiert als die untere Grenztemperatur. Im allgemeinen ist der Temperaturbereich von 400ºC bis 900ºC und die Wirbelbettemperatur wird auf ein ordnungsgemäßes Niveau eingestellt gemäß den Eigenschaften der Verbrennungsgegenstände. Vorzugsweise wird sie jedoch eingestellt innerhalb des Bereichs von 500ºC bis 800ºC im Hinblick auf das Bewirken einer vollständigen Vergasung und eines stabilisierten Verbrennens durch langsame Verbrennung.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wird, wenn der niedriggradige Heizwerk des Mülls 2100 kcal überschreitet, die Wirbelbettemperatur höher als 800ºC (siehe die Kurve der weißen Kreise), selbst wenn die Primärluftvorheiztemperatur 200ºC ist. In diesem Fall kann die Wirbelbettemperatur gesenkt werden durch Vermindern der Primärluftmenge. Um die Wirbelbettemperatur zu senken, ist es auch möglich, bekannte Mittel zu verwenden: beispielsweise kann Wassersprühen ausgeführt werden oder ein Wärmeleitrohr kann in dem Wirbelbett (oder in einem Teil des Wirbelbetts) vorgesehen werden, um eine Wärmerückgewinnung zu bewirken.
Wenn der niedriggradige Heizwert des Mülls 1500 kcal/kg ist und wenn die Primärluftvorheiztemperatur 500ºC ist, ist die Wirbelbettemperatur ungefähr 670ºC (siehe die Kurve der großen schwarzen Quadrate); um die Wirbelbettemperatur bei 600ºC zu halten, ist es daher möglich, die Primärluftmenge zu vermindern. Insbesondere kann die Primärluft auf 500ºC vorgeheizt werden durch Vorheizen derselben in zwei Stufen unter Verwendung des herkömmlichen Luftvorheizers 8 und des Hochtemperaturwärmetauschers 6 und es ist möglich, die Primärluftmenge zu vermindern, die benötigt wird, um ein stabiles teilweises Verbrennen in dem Wirbelbett zu bewirken.
Wenn der niedriggradige Heizwert des Mülls 1000 kcal/kg ist, kann die Wirbelbettemperatur auf ungefähr 400ºC gehalten werden durch Vorheizen der Primärluft auf 500ºC (siehe die Kurve der großen schwarzen Quadrate). Wenn die Vorheiztemperatur nicht mehr als 500ºC ist, ist es notwendig, die Primärluftmenge zu erhöhen, um dadurch die Proportion bzw. den Anteil des teilweisen Verbrennens in dem Wirbelbett zu erhöhen. Die Verbrennungsgastemperatur in dem Freibordabschnitt 2 und in der Nachverbrennungskammer 3 wird bestimmt durch die Betriebsbedingungen oder -zustände des Wirbelbetts und durch die Vorheiztemperatur der Sekundärluft, wenn das Gesamtluftverhältnis festgelegt ist. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, ist, wenn der niedriggradige Heizwert des Mülls ungefähr 1900 kcal/kg oder mehr ist, die Verbrennungsgastemperatur 1200ºC oder mehr, selbst wenn kein Vorheizen der Sekundärluft durchgeführt wird (siehe die Kurve der schwarzen Kreise); in einem solchen Fall ist es notwendig, das Gas mittels Wassersprühens oder eines Boilers zu kühlen. Es ist natürlich auch möglich, eine Wärmerückgewinnung in dem Wirbelbett zu bewirken durch Erhöhen der Proportion bzw. des Anteils teilweiser Verbrennung in dem Wirbelbett.
Wenn der niedriggradige Heizwert des Mülls nur 1000 kcal/kg ist, ist es möglich, die Verbrennungsgastemperatur auf 1000ºC oder mehr zu erhöhen durch Vorheizen der Sekundärluft auf ungefähr 200ºC, wie es in Fig. 10 gezeigt ist (siehe die Kurve der Markierungen x).
Obwohl es möglich wird, eine Hochtemperaturverbrennung im Bereich von 1000ºC bis 1200ºC zu erreichen und die Primärluft zu vermindern durch Absenken des Luftverhältnisses und durch Vorheizen der Verbrennungsluft mittels des Hochtemperaturwärmetauschers 6, wie es oben beschrieben wurde, ist es wichtig zum Bewirken einer vollständigen Verbrennung mit einem niedrigen Luftverhältnis, das unverbrannte Gas und die Verbrennungsluft gründlich zu vermischen und zu verrühren.
Das Volumen des Freibordabschnitts 2 wird im allgemeinen eingestellt unter Berücksichtigung der benötigten Verweildauer und des Streuens des fluidisierenden Mediums Da jedoch die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsabgases ungefähr 1 bis 3 m/sec ist,kann ein gründliches Vermischen nicht bewirkt werden, und es gibt eine Beschränkung der Verbesserung der Vermischung des unverbrannten Gases und der Verbrennungsluft, die erreicht wird durch Ausstoßen oder Ausstrahlen der begrenzten Menge von Sekundärluft in den Freibordabschnitt 2 von der umgebenden Ofenwand. Daher ist es beim gegenwärtigen Stand der Technik notwendig, einen Betrieb mit einem Gesamtluftverhältnis von ungefähr 2,0 zu bewirken, um die CO-Konzentration in dem Abgas zu vermindern.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl von Rohren 4-2, die aus einem wärmebeständigen Material gebildet sind, um Gasblasmittel 4 zu bilden, in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt 2 und der Nachverbrennungskammer 3 und innerhalb einer Ebene senkrecht zu der Strömung des Verbrennungsabgases angeordnet, um Sekundärluft A&sub3; entgegen der Strömung des Verbrennungsabgases aus den Luftauslaßanschlüssen 4-3 in den Rohren 4-2 strahlartig auszustoßen, wodurch ermöglicht wird, daß Verbrennungsabgas innerhalb des Freibordabschnitts 2 in Form einer großen wirbelnden Strömung herumwirbelt, während es sich mit der Sekundärluft A&sub3; vermischt. Demgemäß gibt es keinen kurzen Durchlauf und infolgedessen werden das Verbrennungsabgas und die Sekundärluft gründlich miteinander vermischt und die Verweildauer steigt an. Daher ist es möglich, eine vollständige Verbrennung zu bewirken.
Dieses Ausführungsbeispiel ist derart konstruiert, daß die Anzahl struktureller Elemente minimiert wird, die innerhalb des Freibordabschnitts 2 vorgesehen sind. Der Grund dafür ist, die Probleme zu vermeiden, die hervorgerufen werden durch unverbrennbare Gegenstände, wie beispielsweise Metallstücke, die mit den Verbrennungsgegenständen vermischt sind, und zu ermöglichen, daß die Verbrennungsgegenstände gleichförmig auf das Wirbelbett geworfen werden.
Der Grund, warum das Luftverhältnis in diesem Ausführungsbeispiel in dem Freibordabschnitt 2 auf 1,0 bis 1,2 eingestellt wird, besteht darin, ein Ansammeln von Kohle oder Verkohlungen zu verhindern, die anderenfalls hervorgerufen würde durch teilweises Verbrennen, das innerhalb des Wirbelbettverbrennungsabschnitts 1 in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Luftverhältnis von nicht mehr 1,0 bewirkt würde, die Kohle zu verbrennen, um den Heizwert der Verbrennungsgegenstände effizient zu nutzen, und zu verhindern, daß unverbranntes Gas aus dem Ofen leckt auf Grund von Änderungen des Drucks innerhalb des Ofens, und zwar unter Berücksichtigung der Sicherheit der Vorrichtung.
Der Grund, warum der Wirbelbettverbrennungsabschnitt 1, der Freibordabschnitt 2, die Nachverbrennungskammer 3 und der Gaskühler 7 in diesem Ausführungsbeispiel integral miteinander ausgebildet sind, liegt darin, daß die Verbrennungsgastemperatur unter 1200ºC gehalten wird, um Bedingungen vorzusehen, unter denen es unwahrscheinlich ist, daß Flugasche schmilzt, und auch um eine Struktur zu erhalten, bei der eine Esse oder ein Schornstein eliminiert wird, die bzw. der dazu neigt, Probleme wegen des Schmelzens von Flugasche hervorzurufen.
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die die Systemanordnung einer weiteren Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in Fig. 11 gezeigte Verbrennungsvorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 8 gezeigten Verbrennungsvorrichtung darin, daß ein Boiler 15 anstatt des Gaskühlers 7 verwendet wird und daß ein Wärmeleitrohr 16 in einem Teil des Wirbelbettverbrennungsabschnitts 1 vorgesehen ist, um Wärmerückgewinnung am Wirbelbettverbrennungsabschnitt 1 zu ermöglichen. Da die anderen Punkte im wesentlichen die gleichen sind wie bei der in Fig. 8 gezeigten Verbrennungsvorrichtung, wird eine genaue Beschreibung des Betriebs jedes Abschnitts und des Verbrennungssteuerverfahrens weggelassen.
Die Anordnung der in Fig. 11 gezeigten Verbrennungsvorrichtung sieht eine große Verbesserung bei der Energieeffizienz der Anlage vor, wenn hochkalorischer Müll (Müll mit hohem Heizwert bzw. hohem Kaloriengehalt) Gegenstand der Verbrennung ist.
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht, die die Systemanordnung einer weiteren Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie gezeigt ist, besitzt die Verbrennungsvorrichtung eine Struktur, in der die Gasblasmittel 4 direkt oberhalb des Freibordabschnitts 2 angeordnet sind, und der Hochtemperaturwärmetauscher 6 ist direkt oberhalb der Gasblasmittel 4 angeordnet. Anders ausgedrückt, ist die Anordnung derart, daß die Nachverbrennungskammer direkt oberhalb des Freibordabschnitts 2 angeordnet ist. Die Struktur des Rests davon ist die gleiche wie die der in Fig. 11 gezeigten Verbrennungsvorrichtung.
Bei der oben beschriebenen Struktur wird, wenn die Sekundärluft von den Gasblasmitteln 4 in das Abgas eingeblasen wird, eine große Anzahl von Wirbeln erzeugt, und zwar auf der stromabwärtigen Seite der Gasblasmittel 4, obwohl keine wirbelnde Strömung wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erzeugt wird, so daß die Sekundärluft durch die Wirbel gleichförmig mit dem Abgas vermischt wird, um somit zu ermöglichen, daß eine vollständige Verbrennung in der Nachverbrennungskammer stattfindet.
Die Anordnung der in Fig. 12 gezeigten Verbrennungsvorrichtung sieht auch eine große Verbesserung bei der Energieeffizienz der Anlage vor, und zwar in der gleichen Weise wie im Fall der Fig. 11.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung Sekundärluft entgegen dem Verbrennungsgas eingeblasen durch Gasblasmittel, die in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer vorgesehen sind, um zu bewirken, daß das Verbrennungsgas und die Sekundärluft innerhalb des Freibordabschnitts in Form einer großen wirbelnden Strömung herumwirbelt, während sie miteinander vermischt werden, um somit zu ermöglichen, daß verbrennbares Gas und unverbrannte Substanzen zuverlässig mit einer kleinen Menge Sekundärluft vermischt werden.
Da die Gasblasmittel eine Vielzahl von Rohren aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer, ist es möglich, Strahlung von dem Verbrennungsabgas abzufangen auf der stromaufwärtigen Seite der Reihe von Rohren, und es ist daher möglich, ein Absinken der Temperatur auf Grund von Strahlung zu verhindern.
Da das Wirbelbett ein niedriges Luftverhältnis besitzt, um eine zweistufige Verbrennung zu bewirken, basierend auf der Vergasung durch teilweises Verbrennen, ist es möglich, NOx zu vermindern.
Eine Verbrennung bei hoher Temperatur mit hohem Wirkungsgrad bzw. hoher Effizienz ermöglicht die Minimierung von Umweltverschmutzung, beispielsweise die Verminderung der erzeugten Menge schädlicher organischer Chlorverbindungen, die repräsentiert werden durch PCDDs, und Vorläufer dieser Verbindungen.
Eine Hochtemperaturverbrennung, die mit einem niedrigen Luftverhältnis durchgeführt wird, ermöglicht die Verminderung der Größe des Ofenkörpers der Verbrennungsvorrichtung, der Schornsteinausrüstung, der Vorrichtungen, die das Gasbehandlungssystem bilden etc.
Als Ergebnis des Obengenannten wird es möglich, die Betriebskosten zu senken. Insbesondere im Fall eines Wirbelbetts, können die Betriebskosten in großem Maße verringert werden, wenn die Menge fluidisierender Luft vermindert werden kann.
Im Fall von Verbrennungsausrüstung, die einen Boiler als Gaskühler verwendet, ist es möglich, die Energieeffizienz einer Anlage zu erhöhen, die hochkalorischen Müll als Verbrennungsgegenstand verbrennt.

Industrielle Anwendbarkeit der Erfindung

Somit wird bei der Verbrennungsvorrichtung und dem Verbrennungssteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Sekundärluft entgegen des Verbrennungsgases eingeblasen durch Gasblasmittel, die in der Umgebung der Grenze zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer vorgesehen sind, um zu bewirken, daß das Verbrennungsgas und die Sekundärluft innerhalb des Freibordabschnitts in Form einer großen wirbelnden Strömung herumwirbeln, während sie sich miteinander vermischen, wodurch ermöglicht wird, daß verbrennbares Gas und unverbrannte Substanzen zuverlässig mit einer kleinen Menge Sekundärluft vermischt werden. Zusätzlich können die Gasblasmittel Strahlung von dem Verbrennungsabgas an der stromaufwärtigen Seite abfangen und daher ein Absinken der Temperatur auf Grund von Strahlung verhindern. Wenn städtischer Müll oder ähnliches verbrannt wird, ist es demgemäß möglich, NOx zu vermindern und eine Verbrennung bei hoher Temperatur mit hohem Wirkungsgrad zu erreichen, was eine Minimierung der Umweltverschmutzung ermöglicht, beispielsweise die Verminderung der erzeugten Menge schädlicher organischer Chlorverbindungen, die durch PCDDs repräsentiert werden, und Vorläufer dieser Verbindungen.

Claims

1. Verbrennungsvorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Ofen mit fluidisiertem Bett bzw. einen Wirbelbettofen (1), von dessen Boden aus Primärluft (A1) geblasen wird,

einen Freiraum- oder Freibordabschnitt (2) oberhalb des Wirbelbettofens, wobei Sekundärluft (A2) in das Innere dieses Abschnitts geblasen wird,

eine Nachverbrennungskammer (3) stromabwärts von dem Freibordabschnitt, wobei die Nachverbrennungskammer in einer Position versetzt von einer Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts angeordnet ist und durch eine Begrenzung von dem Freibordabschnitt getrennt ist, und

Gasblasmittel (4) in einem oberen Teil des Freibordabschnitts und in der Nähe der Begrenzung zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer, um ein Gas (A3) horizontal und in einer Richtung entgegen dem Verbrennungsgas (G1), das aus dem Freibordabschnitt zu einem Auslaßanschluß bzw. einer Auslaßöffnung der Nachverbrennungskammer strömt, zu blasen, um zu bewirken, daß gemischtes Gas (G2), das aus dem geblasenen Gas (A3) und dem Verbrennungsgas (G1) aus der Verbrennung von Material in dem Wirbelbettofen und dem Freibordabschnitt besteht, innerhalb des Freibordabschnitts in der Form eines großen wirbelnden Stroms gewirbelt wird,

welcher sich nahezu über den gesamten vertikalen Teil des Freibordabschnitts erstreckt und eine Teilströmung nach unten umfaßt in einem Teil des Freibordabschnitts auf der der Begrenzung gegenüberliegenden Seite des Freibordabschnitts.

2. Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Gasblasmittel (4) eine Vielzahl von Rohren (4-2) aufweist, die parallel zueinander in einem vorbestimmten Abstand angeordnet sind, wobei jedes Rohr mit Gasauslaßlöchern (4-3) versehen ist zum Blasen eines Gas entgegen dem Verbrennungsgas, das zu dem Auslaßanschluß bzw. der Auslaßöffnung strömt.

3. Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Gasauslaßlöcher (4-3), die jeweils in der Vielzahl von Rohren vorgesehen sind, gegeneinander versetzt bzw. außer Phase sind.

4. Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Rohre (4-2) aus gesintertem Siliciumcarbid des β- Typs gebildet sind.

5. Verbrennungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung ferner einen Hochtemperaturwärmetauscher (6) verbunden mit der Nachverbrennungskammer (3) aufweist, und wobei eine Gaskühleinrichtung (7) stromabwärts von dem Wärmetauscher (6) vorgesehen ist.

6. Verbrennungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Gasblasmittel eine Vielzahl von vertikalen Rohren sind, die jeweils eine Vielzahl von horizontal orientierten Gasauslässen dortentlang besitzen.

7. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsvorrichtung, die folgendes aufweist: einen Ofen mit fluidisiertem Bett bzw. Wirbelbettofen, von dessen Boden aus Primärluft (A1) geblasen wird, einen Freibord- oder Freiraumabschnitt oberhalb des Wirbelbettofens, wobei Sekundärluft (A2) in das Innere des Abschnitts geblasen wird, eine Nachverbrennungskammer stromabwärts von dem Freibordabschnitt und an einer Position versetzt von einer Position direkt oberhalb des Freibordabschnitts angeordnet und von dem Freibordabschnitt durch eine Begrenzung getrennt, und Gasblasmittel, die in einem oberen Teil des Freibordabschnitts und in der Nähe der Begrenzung zwischen dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer vorgesehen sind und orientiert sind zum Blasen eines Gases horizontal und in einer Richtung entgegen des Verbrennungsgases, das von dem Freibordabschnitt zu einem Auslaßanschluß bzw. einer Auslaßöffnung der Nachverbrennungskammer strömt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Blasen eines Gases horizontal von den Gasblasmitteln in den Freibordabschnitt, um eine große Wirbelströmung in dem Freibordabschnitt zu schaffen, die sich nahezu über den gesamten vertikalen Teil des Freibordabschnitts erstreckt und eine Teilströmung nach unten auf der der Begrenzung gegenüberliegenden Seite des Freibordabschnitts umfaßt; und Einblasen von Primärverbrennungsluft vom Boden des Wirbelbettofens aus in einer Menge, die nicht größer ist als die theoretische Luftmenge, die zur vollständigen Verbrennung des in dem Ofen zu verbrennenden Materials benötigt wird, so daß ein teilweises Verbrennen des zu verbrennenden Materials in dem Wirbelbettofens bewirkt wird, und zum Halten der Temperatur des Wirbelbetts bei 400ºC bis 900ºC.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner folgendes aufweist: Vorheizen der Primärluft, die vom Boden des Wirbelbetts aus eingeblasen wird, auf eine vorbestimmte Temperatur durch zweistufige Vorheizmittel, die einen Luftvorheizer und einen Hochtemperaturwärmetauscher aufweisen, wodurch die in dem Wirbelbettofen erzeugte Wärmemenge vermindert werden kann durch Vermindern der Primärluftmenge und die Temperatur des Wirbelbettofens auf 400ºC bis 900ºC gehalten werden kann.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Verfahren ferner folgendes aufweist: Vorheizen von Sekundärverbrennungsluft auf eine vorbestimmte Temperatur in einem Hochtemperaturwärmetauscher und Blasen eines Teils der so vorgeheizten Sekundärverbrennungsluft in den Freibordabschnitt, Steuern des Luftverhältnisses, so daß es zwischen 1,0 und 1,5 ist, um eine Hochtemperaturoxidationsatmosphäre zu bilden, und Blasen des Rests der so vorgeheizten Sekundärverbrennungsluft in den Freibordabschnitt durch die Gasblasmittel, um so unverbranntes Gas und Verbrennungsluft gründlich miteinander zu mischen, wodurch eine Verbrennung bei hoher Temperatur und mit hohem Wirkungsgrad bei 950ºC und höher bewirkt wird, und zwar in dem Freibordabschnitt und der Nachverbrennungskammer mit einem Gesamtluftverhältnis von 1,2 bis 1,7.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-9, wobei das Verfahren ferner folgendes aufweist: Steuern der Temperatur des Wirbelbettofens, der Temperatur des Freibordabschnitts, und der Temperatur der Nachverbrennungskammer durch Verändern des Luftmengenverhältnisses zwischen der Primärverbrennungsluft, der Sekundärverbrennungsluft, die in den Freibordabschnitt geblasen wird, und der Sekundärverbrennungsluft, die durch die Gasblasmittel eingeblasen wird, und auch durch Verändern der Temperaturen dieser Luftmengen bzw. Luftströme.