PL196981B1

PL196981B1 - Sposób i urządzenie do spalania odpadów organicznych

Info

Publication number: PL196981B1
Application number: PL359338A
Authority: PL
Inventors: Gerhard Gross; Paul Ludwig; Diana Wassmann; Hans-Peter Theis
Original assignee: Infrasery Gmbh & Co Hoechst Kg; Messer Group Gmbh
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2008-02-29
Also published as: AU2001267396A1; DK1281026T3; BR0110575A; CZ305308B6; CN1227478C; EP1281026B1; DE50109216D1; US6857379B2; DE10021448A1; EP1281026A1; ATE312316T1; BR0110575B1; ES2256263T3; JP2004538432A; WO2001084051A1; CA2408026A1; PL359338A1; CN1447888A; US20040103832A1; CA2408026C

Abstract

1. Sposób spalania odpadów organicznych, w którym w komorze spalania, przez odpady przepuszcza si e gaz fluidyzuj acy wytwarzany w urz adzeniu fluidyzacyjnym, zawieraj acy tlen, tworz ac z lo ze fluidalne sfluidyzowanych cz a- stek i odpady te spala si e a spaliny powstaj ace w procesie spalania odci aga si e poprzez woln a przestrze n ponad z lo zem fluidalnym i dopala sie w strefie dopalania lub komorze dopalania, znamienny tym, ze sfluidyzowan a warstw e cz astek (3) wzbogaca si e tlenem, przy czym w wolnej przestrzeni (6) ustala si e sredni a za- warto sc tlenu w zakresie od 0 do 3% obj eto- sciowo. PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 196981 (21) Numer zgłoszenia: 359338 ^{(13) B1} (22) Data zgłoszenia: 02.05.2001 ^{(51) Int.Cl.}

F23G 5/30 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

02.05.2001, PCT/EP01/04901 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

08.11.2001, WO01/84051 PCT Gazette nr 45/01 (54)

Sposób i urządzenie do spalania odpadów organicznych

(30) Pierwszeństwo: 03.05.2000,DE,10021448.7	(73) Uprawniony z patentu: MESSER GROUP GMBH,Salzbach,DE INFRASERV GMBH & CO.HOECHST KG,Frankfurt,DE
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.08.2004 BUP 17/04	(72) Twórca(y) wynalazku: Gerhard Gross,Willich,DE Paul Ludwig,Kelkheim,DE
	Diana Wassmann,Krefeld,DE
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	Hans-Peter Theis,Floersheim,DE
29.02.2008 WUP 02/08	(74) Pełnomocnik:
	Misztak Irena, PATPOL Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ 1. Sposób spalania odpadów organicznych, w którym w komorze spalania, przez odpady przepuszcza się gaz fluidyzujący wytwarzany w urzą dzeniu fluidyzacyjnym, zawieraj ący tlen, tworząc złoże fluidalne sfluidyzowanych cząstek i odpady te spala się a spaliny powstające w procesie spalania odciąga się poprzez wolną przestrzeń ponad złożem fluidalnym i dopala się w strefie dopalania lub komorze dopalania, znamienny tym, że sfluidyzowaną warstwę cząstek (3) wzbogaca się tlenem, przy czym w wolnej przestrzeni (6) ustala się ś rednią zawartość tlenu w zakresie od 0 do 3% objętościowo.

PL 196 981 B1

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku dotyczy sposobu i urządzenia do spalania odpadów organicznych, w którym w komorze spalania z odpadów organicznych tworzy się złoże fluidalne cząstek poprzez przedmuchiwanie odpadów gazem fluidyzacyjnym pochodzącym z urządzenia fluidyzującego, zawierającym tlen i spala się odpady a powstające spaliny odciąga się i w strefie poreakcyjnej, lub komorze dopalania dopala się spaliny.

Znane są ze stanu techniki reakcje spalania odpadów organicznych w reaktorach ze stacjonarnym lub obiegowym złożem fluidalnym przy zastosowaniu powietrza jako gazu fluidyzującego. Zwłaszcza odpady organiczne spala się w reaktorach ze stacjonarnym złożem fluidalnym, aby uniknąć tego, że niespalone drobne cząstki pyłu ze złoża fluidalnego wynoszone są ze złoża i jako niespalony organiczny materiał węglowy oddzielane są w popiołach filtracyjnych.

W przypadku odpadów organicznych chodzi przykładowo o osady ściekowe, ścieki, ługi, granulowane odpady tworzyw sztucznych, ług posiarczynowy pochodzący z produkcji papieru, ścieki pochodzące z odbarwiania i tak dalej.

Fluidyzowane warstwy cząstek lub złoża fluidalne są wytwarzane przy wykorzystaniu gazu fluidyzującego podawanego od dołu poprzez - przykładowo ruszt fluidyzacyjny lub dysze - przepływającego przez warstwę lub złoże cząstek materiału stałego w postaci materiału drobnoziarnistego lub lotnego. W zależ noś ci od wielkoś ci, kształ tu i gę stoś ci czą stek materiału stał ego, prę dkoś ci fluidyzacji, prę dkości rozluźniania, cząstki zaczynają się unosić i złoże cząstek jest fluidyzowane. Poprzez zwiększenie prędkości fluidyzacji zwiększa się wysokość złoża fluidalnego, przy czym prędkość fluidyzacji jest proporcjonalna do strumienia objętości gazu fluidyzującego.

Przy osiągnięciu charakterystycznej prędkości granicznej tak zwanej prędkości wydmuchowej, drobnoziarniste cząstki materiału złoża są wynoszone ze złoża fluidalnego. Ten zakres prędkości między prędkością rozluźniania i prędkością wydmuchową określa obszar złoża fluidalnego. Przy wyższej prędkości fluidyzacji poza drobnoziarnistym pyłem będą wynoszone również większe cząstki, tak, że nie powstanie stacjonarne złoże fluidalne. Jest to zakres działania złoża fluidalnego obiegowego.

W przypadku reakcji spalania, we fluidyzowanych złożach cząstek, jako gaz fluidyzujący stosowane jest zwykle powietrze a paliwo dostarczane jest do złoża od góry. Dzięki temu cząstki materiału stałego stanowiącego materiał złoża i paliwo utrzymywane są w zawieszeniu i równocześnie palne składniki są utleniane. Zwykle materiał złoża stanowią inertne substancje drobnoziarniste, takie jak przykładowo SiO2 lub Al2O3.

Zależnie od wartości opałowej i zawartości wody w odpadach organicznych, dodatkowo do złoża fluidalnego musi być dostarczane paliwo, aby ze względu na konieczność spełnienia warunków technicznych lub ustawowych, w złożu fluidalnym była podtrzymywana odpowiednia temperatura spalania. Jako paliwa wchodzą w rachubę paliwa gazowe, olejowe, lub węgiel, które poprzez stosowne iniektory, wbudowane w ścianę lub ruszt fluidyzacyjny podawane są do złoża fluidalnego. W przypadku, gdy stosowany jest węgiel, zwykle mieszany jest on z odpadami organicznymi przed wprowadzeniem do komory spalania.

Z opisu WO 97/44620 znany jest sposób i urządzenie przedstawionego na wstępie rodzaju. W opisie tym opisano sposób dział ania pieca ze złoż em fluidalnym do spalania szlamów rektyfikacyjnych, śmieci lub węgla, przy czym materiał przeznaczony do spalania podaje się do strefy spalania pieca i tworzy się złoże fluidalne podając poprzez ruszt nawiewowy powietrze przechodzące przez złoże, a jednocześnie spala się materiał w złożu. W wolnej przestrzeni ponad złożem fluidalnym odciąga się spaliny i dopala je. Przy spalaniu odpadów organicznych tworzą się toksyczne tlenki azotu (NOX), których koncentracja powinna być utrzymywana na możliwie niskim poziomie i nie może przekroczyć pewnej określonej, ustawowo wyznaczonej górnej granicy. Aby obniżyć zawartość NOX w spalinach, wedł ug opisu WO97/44620 zaproponowano, aby w wolnej przestrzeni wywoł a ć turbulentny przepływ gazów poprzez wdmuchiwanie strumienia gazu inertnego lub pary wodnej. Wytworzony podczas procesu spalania NOX redukowany jest w wolnej przestrzeni przy obecności redukująco oddziaływujących substancji takich jak na przykład CO lub NH3 do molekularnego azotu. Zawartość NOx jest określana i oznaczana za pomocą urządzenia pomiarowego zainstalowanego w wolnej przestrzeni.

W strefie dopalania lub we wtórnej komorze spalania znajdują cej się bezpoś rednio za wolną przestrzenią dopala się niespalone gazowe i stałe palne składniki spalin poprzez dodanie powietrza i dodatkowego paliwa a powstałe spaliny nagrzewa się do wyżej podanej temperatury i ustawowo określoną koncentrację tlenków ustala się przykładowo, co najmniej na poziomie 6% objętościowo.

PL 196 981 B1

W reaktorach ze stacjonarnym złożem fluidalnym tego rodzaju, sprawność przenikania odpadów organicznych jest limitowana przez powierzchnię przekroju poprzecznego możliwego do zastosowania rusztu powietrznego. Ponadto ograniczona jest maksymalna moc wentylatora ssącego, ponieważ moc wentylatora przewidziana jest dla maksymalnego strumienia objętości spalin, który jest proporcjonalny do ilości odpadów organicznych.

Ilość gazu fluidyzującego może być zatem zmieniana, przy ściśle określonych powierzchniach przekroju poprzecznego złoża, tylko w bardzo wąskim zakresie, co powoduje, że przy mniejszej ilości do odpadów organicznych musi być doprowadzona większa ilość powietrza potrzebna do fluidyzacji. Aby utrzymać temperaturę złoża fluidalnego na stałym poziomie, należy zwiększyć ilość specyficznego paliwa dodatkowego, to znaczy obniżyć efektywność spalania. Większa niż stechiometryczna zawartość tlenu w złożu fluidalnym jest niezbędna, ale przy stosowaniu paliwa organicznego z elementarnie związanym azotem, jak na przykład w związkach białka i tak dalej, powoduje powstawanie większych ilości tlenków azotu. Dla utrzymania wartości granicznych wymaganych ustawowo, konieczne jest w dalszej obróbce spalin stosowanie kosztownych procesów usuwania azotu.

Z opisu DE 3703568 znany jest sposób zmniejszania iloś ci tlenków azotu, w którym jako gaz fluidyzujący, zamiast powietrza stosuje się mieszaninę powietrza i spalin, przy czym reguluje się zarówno temperaturę jak i ilość spalin poprzez obieg zwrotny spalin wychodzących z reaktora fluidalnego, względnie zastosowanie kotła na ciepło odlotowe i filtra powietrza potrzebnego do spalania.

Piec fluidalny 1 znany ze stanu techniki, przedstawiony na pos. 1 rysunku, służy do spalania osadów ściekowych. W dolnym obszarze pieca 1 jest usytuowany ruszt nawiewowy 2, ponad którym tworzy się złoże fluidalne z materiału złoża i osadów ściekowych, podczas gdy od dołu, poprzez ruszt nawiewowy 2, wdmuchuje się za pomocą dmuchawy 11 strumień powietrza 4. Strumień powietrza służy jednocześnie jako strumień gazu fluidyzującego i gazu koniecznego do spalania. Średnica pieca fluidalnego 1 ma wymiar 5,7 m, a wysokość wolnej przestrzeni pieca fluidalnego wynosi około 10,6 m.

Ponad złożem fluidalnym 3 znajduje się wolna przestrzeń 6, poprzez którą odciąga się spaliny 12. Osady ściekowe doprowadza się w sposób ciągły do wolnej przestrzeni 6 pieca fluidalnego 1 przez dopływ 7.

W celu podgrzania i spalania osadów ściekowych w złożu fluidalnym, do strumienia powietrza 4 dodaje się paliwo 5, które może być doprowadzane bezpośrednio do złoża fluidalnego 3.

Z wolnej przestrzeni 6, spaliny 12 odprowadza się do strefy dopalania 13, w której spala się niespalone, stałe i gazowe paliwo, wraz z wtórnie doprowadzonym paliwem 8 i przy podawaniu powietrza wtórnego 9. Spaliny 12 odciąga się poprzez wymiennik ciepła 14, który służy do podgrzewania wstępnego strumienia powietrza 4.

Przedmiotowy wynalazek ma za zadanie zaproponować sposób, który przy niskim poziomie tworzenia tlenków azotu umożliwi wysoką sprawność przenikania dla paliwa, to znaczy podwyższy wydajność spalania odpadów organicznych, jak również konstrukcję urządzenia do stosowania tego sposobu.

Odnośnie do sposobu postępowania, zadanie to zostało rozwiązane w oparciu o sposoby opisane we wstępnej części opisu z jednej strony w ten sposób, że sfluidyzowane złoże cząstek wzbogaca się tlenem, przy czym w wolnej przestrzeni ustala się średnią zawartość tlenu w zakresie 0 do 3% objętościowo i w strefie poreakcyjnej lub w komorze dopalania dopala się cząstki.

Okazało się, że mimo wzbogacania złoża fluidalnego tlenem, koncentracja NOX może być obniżona. Jest to na razie zaskakujące, ponieważ poprzez dodanie tak silnie utleniającego środka jak tlen należałoby się spodziewać zwiększenia koncentracji NOX. Jest to szczególnie ważne ze względu na powszechnie znane, wyżej opisane metody selektywnej redukcji katalitycznej, według których ustala się nawet dodanie środka redukującego dla zmniejszenia koncentracji NOX.

Poprzez dodanie tlenu do złoża cząstek przyspiesza się spalanie odpadów organicznych i poprawia się warunki wypalania składników gazowych, (CO) i stałych (węgiel organiczny). Ponadto osiąga się redukcję emisji CO2, podczas gdy spala się mniejszą ilość paliwa dodatkowego, koniecznego do podtrzymania na odpowiednim poziomie temperatury w złożu fluidalnym.

Działania te są celowe tylko pod tym warunkiem, że w wolnej przestrzeni zostanie ustalony skład atmosfery redukującej, a w każdym przypadku mniej utleniającej. Jako punkt zaczepienia do ustalenia składu tej atmosfery służy średnia zwartość tlenu w zakresie od 0 do 35% objętościowo w wolnej przestrzeni. Wyrażenia „średnia zawartość tlenu odnosi się do tego, że zawartość ta jest ustalana co najmniej w jednym obszarze wewnątrz wolnej przestrzeni, w którym nie jest oczekiwana

PL 196 981 B1 ani ekstremalnie wysoka, ani ekstremalnie niska zawartość tlenu. Ze względu na dokładność pomiarów, „średnia zawartość tlenu jest ustalana jednak przykładowo jako wartość średnia z co najmniej dwóch pomiarów zawartości tlenu w wolnej przestrzeni. Pomiary te mogą być dokonywane jeden za drugim w określonych odstępach czasu i/lub w oddalonych od siebie obszarach wolnej przestrzeni.

Sfluidyzowana warstwa cząstek jest wzbogacana tlenem. Dla wzbogacenia sfluidyzowanej warstwy cząstek w tlen, wprowadza się albo czysty tlen, albo mieszaninę gazów o zawartości tlenu wynoszącej co najmniej 80% objętościowo. Ponadto tlen wprowadza się bezpośrednio lub pośrednio - przykładowo poprzez wprowadzanie gazu fluidyzującego - do złoża cząstek. Możliwe jest również wprowadzenie do złoża cząstek strumienia gazu zawierającego tlen dodatkowo do gazu fluidyzującego poprzez urządzenie fluidyzacyjne.

Szczególnie korzystny jest jednak wariant sposobu postępowania, w którym tlen wprowadza się do gazu fluidyzacyjnego w pierwszej, patrząc w kierunku przepływu, strefie zasilania, przed urządzeniem fluidyzacyjnym. Dzięki temu temperatura wprowadzanego tlenu przed wprowadzaniem do złoża cząstek wyrównuje się z temperaturą gazu fluidyzacyjnego, tak, że tworzenie się gradientów temperatury w złożu cząstek utrzymywane jest na możliwie niskim poziomie. Aby zapewnić wystarczająco szybkie rozpalenie złoża, pożądany jest równomierny rozkład temperatur w złożu fluidalnym.

W sposobie postępowania wedł ug tego wariantu, zawartość tlenu w gazie fluidyzacyjnym za pierwszą strefą zasilania ustala się korzystnie na poziomie wartości granicznej tlenu w zakresie od 10 do 28% objętościowo. W pierwszym przybliżeniu przepustowość odpadów organicznych przeznaczonych do spalania zwiększa się wraz z zawartością tlenu. Innym parametrem, który ma wpływ na przepustowość odpadów organicznych przeznaczonych do spalania jest temperatura gazu fluidyzującego. Jako gaz fluidyzujący może być stosowane nie podgrzane wstępnie powietrze otoczenia, jak również podgrzane wstępnie, lub powietrza nagrzane do wysokiej temperatury. Według jednego ze sposobów postępowania, przy wykorzystywaniu powietrza podgrzanego wstępnie, lub nagrzanego, jako czynnik ograniczający może wystąpić wytrzymałość na wysokie temperatury elementów urządzenia fluidyzacyjnego, zwłaszcza przy wykorzystywaniu zawierającego tlen i działającego utleniająco gazu fluidyzującego. Stąd zawartość tlenu korzystnie ustala się na poziomie wartości granicznej maksymalnie 26% objętościowo, gdy gaz fluidyzujący podgrzewa się do temperatury niższej niż 500°C.

Podgrzewanie wstępne gazu fluidyzującego przeprowadza się korzystnie rekuperacyjnie wykorzystując ciepło gorących spalin. Dzięki temu można podgrzać gaz fluidyzujący aż do temperatury 773 K przy oszczędności energii. Energooszczędne podgrzewanie powoduje ponadto zmniejszenie emisji CO2.

W innym równie korzystnym wariancie sposobu wykonania wynalazku, gaz fluidyzują cy podgrzewa się do temperatury między 773 K i 1023 K, przy czym zawartość tlenu ustala się na poziomie wartości granicznej maksymalnie 24% objętościowo. Podgrzewanie gazu fluidyzującego do tak wysokiej temperatury powoduje możliwe pełne i szybkie spalenie odpadów organicznych.

Korzystnie podgrzewanie wstępne gazu fluidyzującego przeprowadza się poprzez spalanie paliwa. Dzięki odpowiedniej regulacji spalania można ustawić definitywnie i powtarzalnie zadaną temperaturę gazu fluidyzującego. Przykładowo gaz fluidyzujący podgrzewa się poprzez bezpośrednie nadstechiometryczne spalanie paliwa w komorze spalania wstępnego do temperatury 1023 K. Teoretycznie możliwe są jeszcze wyższe temperatury podgrzewania wstępnego, praktycznie jednak ograniczone są one jednak odpornością na korozję wysokotemperaturową elementów urządzenia fluidyzacyjnego.

Również podgrzany gaz fluidyzujący może być rozrzedzony spalinami powstającymi w procesie spalania i w ten sposób ustala się koncentrację tlenu w gazie fluidyzującym na zadanym poziomie między 10 i 21% objętościowo.

W opisywanych dotychczas korzystnych sposobach postępowania tlen wprowadza się do złoż a cząstek przy wykorzystaniu gazu fluidyzującego. Zawartość tlenu w gazie fluidyzującym ograniczona jest przy tym jednak odpornością elementów urządzenia fluidyzacyjnego - w obszarze rusztu fluidyzacyjnego - na zagrożenie korozją. Według alternatywnego, równie korzystnego sposobu postępowania, tlen doprowadza się do złoża fluidyzowanych cząstek w drugiej strefie zasilania powyżej górnej powierzchni urządzenia fluidyzacyjnego. Przy tym strumień gazu zawierającego tlen wprowadza się bezpośrednio do złoża cząstek. Ten sposób postępowania będzie następnie określany jako „zasilanie bezpośrednie. Zasilanie bezpośrednie może być zastosowane również alternatywnie lub dodatkowo w wyżej opisanych już sposobach postępowania, według których do złoża fluidyzowanych cząstek doprowadza się tlen. Szczególna zaleta zasilania bezpośredniego polega na tym, że wprowadzenie

PL 196 981 B1 tlenu przy wykorzystaniu strumienia gazu zawierającego tlen nie wpływa na zagrożenie korozją urządzenia fluidyzacyjnego i w związku z tym, że w wolnej przestrzeni ustalona jest średnia zawartość tlenu, na poziomie od 0 do 3% objętościowo, ilość wprowadzanego tlenu może być ustalona na dowolnie wysokim poziomie. Dzięki temu można jeszcze bardziej poprawić warunki spalania odpadów organicznych.

Okazało się, że szczególnie korzystnym jest sposób postępowania, według którego tlen doprowadza się do złoża cząstek w procesie poprzecznej iniekcji naddźwiękowej. Dzięki procesowi poprzecznej iniekcji naddźwiękowej uzyskuje się szczególnie głębokie wnikanie tlenu do złoża cząstek i wewnę trzne wymieszanie tlenu i odpadów organicznych.

Korzystnie, ekwiwalentną zawartość tlenu w złożu cząstek ponad drugą strefą zasilania ustala się na poziomie koncentracji większej niż 28% objętościowo. Wysoka zawartość tlenu zapewnia możliwie szybkie i całkowite spalanie. Każda zawartość tlenu ustalona na poziomie niższym od ekwiwalentnej jest do przyjęcia, gdyby się taka pojawiła, gdy do gazu fluidyzującego wprowadza się bezpośrednio tlen, dzięki czemu gaz ten jest wzbogacany tlenem.

Ze względu na możliwie niską zawartość NOX w spalinach w przypadku obydwu wyżej przedstawionych sposobów postępowania, ważne jest to, żeby w wolnej przestrzeni ustaliła się średnia zawartość tlenu w zakresie od 0 do 3% objętościowo. Ponadto okazało się, że korzystnie jest, gdy zawartość tlenu w wolnej przestrzeni mierzy się w sposób ciągły i z pomiaru wylicza się średnią zawartość tlenu i na podstawie wielkości wartości średniej reguluje się ilość doprowadzanego tlenu do warstwy fluidyzowanych cząstek i/lub ilość doprowadzanych odpadów organicznych o przestrzeni spalania.

Dokładność pomiaru ilości tlenu w wolnej przestrzeni poprawia się, podczas gdy na podstawie pomiarów stwierdza się średnią zawartość tlenu, co najmniej w dwóch, oddalonych od siebie punktach pomiarowych znajdujących się w wolnej przestrzeni. W obszarze punktów pomiarowych zawartość tlenu mierzy się albo bezpośrednio albo gaz pobiera się z wolnej przestrzeni i przeprowadza się pomiar ilości tlenu.

Aby zaproponować bardziej korzystny sposób postępowania, zasugerowano wytworzenie ciągu wstecznego przynajmniej w części strumienia spalin. Taki sposób postępowania charakteryzuje się szczególnie znaczną redukcją koncentracji NOX, co może wynikać z obniżenia ilości molekularnego azotu i koncentracji atomowego tlenu w warstwie sfluidyzowanych cząstek, jak również z częściowego tworzenia się CO.

Dalsze polepszenie warunków procesu uzyskuje się przy wykorzystaniu sposobu postępowania, w którym niespalone stałe lub gazowe paliwo znajdujące się jeszcze w strumieniu spalin spala się w komorze dopalania, razem z paliwem wtórnym przy doprowadzaniu powietrza wtórnego, przy czym spaliny wzbogaca się wtórnym strumieniem tlenu lub gazem zawierającym tlen o zawartości co najmniej 80% tlenu objętościowo. Taki sposób postępowania ułatwia utrzymanie wyżej opisanych założeń minimalnych dotyczących temperatury spalin i koncentracji tlenu w strumieniu spalin. Spaliny wzbogacane są strumieniem tlenu wtórnego lub gazu zawierającego tlen, co najmniej na poziomie 80% objętościowo, co jest wymagane dla utrzymania założonej minimalnej zawartości tlenu w spalinach.

Ze względu na wzbogacanie tlenem spalin, może być zredukowana ilość powietrza wtórnego, bez przekraczania minimalnej temperatury spalin. Ponadto zmniejsza się obciążenie azotem, który podgrzewany jest wraz z podgrzewaniem strumienia powietrza wtórnego, tak, że może być zredukowane specyficzne zapotrzebowanie paliwa. Zaoszczędzona przy tym ilość paliwa odpowiada ilości ciepła, która poza tym byłaby potrzebna, aby podgrzać do odpowiedniej temperatury spaliny obciążone azotem.

Działanie spalin wzbogaconych tlenem jest wzmocnione również wtedy, gdy strumień tlenu wtórnego lub gaz zawierający wdmuchiwany jest bezpośrednio do strefy dopalania lub do komory dopalania z prędkością odpowiadającą wyjściowej liczbie Macha M o wartości 0,25 < M < 1.

Okazało się, że korzystne jest dodanie strumienia wtórnego tlenu lub gazu zawierającego tlen do strumienia powietrza wtórnego.

Przedstawione wyżej zadanie techniczne, wychodząc z drugiej strony, zostało rozwiązane za pomocą opisanego na wstępie sposobu postępowania tą drogą, że do strefy poreakcyjnej lub do komory dopalania wprowadza się strumień tlenu wtórnego w taki sposób, że w spalinach za komorą dopalania lub strefą dopalania ustala się zawartość tlenu na poziomie 6% objętościowo.

PL 196 981 B1

Niespalone, stałe lub gazowe resztki paliwa zawarte w spalinach spala się w komorze dopalania lub strefie dopalania, przy czym spaliny wzbogaca się strumieniem powtórnego tlenu lub gazu zawierającego tlen. Zawartość tlenu w takim gazie wynosi co najmniej 80% objętościowo. Dzięki temu można zapewnić utrzymanie minimalnych wymagań dotyczących koncentracji tlenu w spalinach i ten sposób postępowania ułatwia ponadto utrzymanie z góry założonych minimalnych parametrów dotyczących temperatury spalin. Spaliny wzbogaca się w ten sposób strumieniem tlenu wtórnego lub gazu zawierającego tlen na poziomie co najmniej 80% objętościowo, który pozwala na 0° utrzymanie z góry założonej minimalnej zawartości w spalinach.

Ze względu na wzbogacanie tlenem strumienia spalin, można zredukować ilość powietrza wtórnego, bez przekraczania minimalnej temperatury spalin. Ponadto zmniejsza się ilość azotu, stanowiąca obciążenie, a która musi być podgrzewana wraz z powietrzem wtórnym, tak, że można zredukować określone zapotrzebowanie na paliwo.

Odnośnie do konstrukcji urządzenia do przeprowadzania sposobu, wyżej określone zadanie, jakie powinien spełniać wynalazek, wychodząc z konstrukcji urządzenia opisanego na wstępie, zostało rozwiązane w ten sposób, że zastosowano otwór dopływowy dla strumienia gazu zawierającego tlen, do sfluidyzowanej warstwy cząstek, i dzięki temu, że urządzenie pomiarowe obejmuje co najmniej dwa, usytuowane w wolnej przestrzeni i oddalone od siebie stanowiska pomiaru ilości tlenu, służące do ciągłego pomiaru zawartości tlenu w wolnej przestrzeni, jak również przez to, że urządzenie pomiarowe połączone jest z urządzeniem do tworzenia wartości średniej z pomierzonych wartości zawartości tlenu i z układem regulacji regulującym dopływ odpadów organicznych i/lub dopływ do sfluidyzowanej warstwy cząstek, strumienia gazu zawierającego tlen.

W urzą dzeniu wedł ug wynalazku zastosowano co najmniej jeden otwór dopł ywowy dla strumienia gazu zawierającego tlen do sfluidyzowanej warstwy cząstek. Oddziaływanie na szybkość i wydajność spalania i funkcję strumienia gazu zawierającego tlen w tym procesie można poznać czytając wyżej przedstawione przykłady sposobu postępowania według wynalazku.

Poza tym urządzenie według wynalazku obejmuje urządzenie pomiarowe posiadające co najmniej dwa, usytuowane w wolnej przestrzeni i oddalone od siebie stanowiska pomiaru ilości tlenu, służące do ciągłego pomiaru zawartości tlenu w wolnej przestrzeni. W obszarze stanowisk pomiarowych, zawartość tlenu mierzona jest albo bezpośrednio, albo gaz pobierany jest z wolnej przestrzeni i nastę pnie poddawany analizie. Dzię ki temu, ż e zawartość tlenu jest wykazywana jako wartość ś rednia z co najmniej dwóch pomiarów, znacznie zwiększa się dokładność pomiaru ilości tlenu w wolnej przestrzeni. Odchylenia lokalne lub czasowe są w ten sposób co najmniej częściowo kompensowane.

W celu przeliczenia wartości średniej zastosowano urządzenie - przykładowo - urządzenie komputerowe. Komputer ten połączony jest z układem regulacji regulującym dopływ odpadów organicznych i/lub ilość gazu zawierającego tlen doprowadzanego do sfluidyzowanej warstwy cząstek. W tym ukł adzie regulacji, ś rednia wartość wyliczona z zawartości tlenu wykorzystywana jest jako wielkość regulowana. Ponieważ w ten sposób oznaczona wartość średnia wyznacza dużą stabilność i dokładność, uzyskuje się dokładną i stabilną regulację dopływu odpadów organicznych i/lub ilość gazu zawierającego tlen doprowadzanego do sfluidyzowanej warstwy cząstek. Dzięki stabilnemu procesowi można w dalszym ciągu obniżyć zawartość NOX w spalinach.

Poza tym urządzenie według wynalazku obejmuje instalację za pomocą, której można obniżyć obciążenie azotem, a tym samym zmniejszyć strumień objętości spalin przy zastosowaniu powietrza jako medium utleniającego do spalania niespalonych, stałych i gazowych składników spalin w strefie dopalania lub we wtórnej komorze spalania, podczas gdy w obszarze komory dopalania lub we wtórnej komorze spalania konieczna ilość powietrza wtórnego, niezbędnego do spalania jest zastąpiona przez określoną ilość tlenu, odpowiednią do wyżej opisanej koncentracji tlenu, wynoszącej około 6% objętościowo, a jest redukowana ilość powietrza wtórnego, niezbędnego do spalania, w procesie podgrzania spalin, do pożądanej temperatury, przykładowo około 850°C. Zaoszczędzona ilość paliwa odpowiada co najmniej ilości ciepła, która jest konieczna, aby podgrzać do temperatury spalin brakującą ilość azotu, stanowiąca obciążenie w medium utleniającym.

Tlen lub gaz zawierający tlen jest wdmuchiwany w czystszej postaci przynajmniej na jednym stanowisku, za pomocą stosownych dysz, z prędkością odpowiadającą wyjściowej liczbie Macha „M wynoszącej około 0,25 < M < 1 do strefy dopalania lub wtórnej komory spalania lub strumień powietrza wtórnego jest dodawany przed wejściem do przestrzeni spalania.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia stacjonarny piec fluidalny według wynalazku służący do przeprowadzania sposobu zgodPL 196 981 B1 nego z wynalazkiem, według pierwszego wariantu wykonania, fig. 2 - stacjonarny piec fluidalny według wynalazku służący do przeprowadzania sposobu zgodnego z wynalazkiem, według drugiego wariantu wykonania, pos. 1 - stacjonarny piec fluidalny znany ze stanu techniki.

Poniżej zostanie opisany sposób spalania osadów ściekowych przy wykorzystaniu pieca fluidalnego 1, przedstawionego na pos. 1 i omówionego w pierwszej części opisu, przy czym parametry sposobu i uzyskane efekty zostały przedstawione w poniższej tabeli.

Przykład porównawczy I

Przepływ osadów Zaw. substancji suchych Wartość opałowa	8500 kg/h 40% 14.000 KJ/kg
Temp. złoża fluidalnego	1123 K
Temp. gazu fluidyzującego	975 K
Temp. w wolnej przestrzeni	1193 K
Ilość gazu fluidyzującego	14 881 m³/h (war. normalne)
Ilość powietrza fluidyzującego	14 275 m³/h (war. normalne)
Ilość gazu ziemnego	606 m³/h (war. normalne)
Ilość spalin w wolnej przestrzeni	22 616 m³/h (war. normalne)
Koncentracja tlenu w wolnej przestrzeni.	2% objętościowo (suchy)
Koncentracja azotu w wolnej przestrzeni	49,7% objętościowo
Koncentracja NO w wolnej przestrzeni	180 do 350 mg/m³

₃

W celu wstę pnego podgrzania gazu fluidyzują cego do temperatury 975 K spala się 321 m³/h gazu ziemnego przy wykorzystaniu powierza fluidyzującego w warunkach nadstechiometrycznych. Zawartość tlenu w gazie fluidyzującym została przy tym zredukowana z 21% objętościowo do 20,1%.

Jeśli w przypadku pieca fluidalnego, według wynalazku, przedstawionego kolejno na fig. 1 i 2, stosuje się te same oznaczenia cyfrowe, co na pos. 1, oznacza to, że dotyczą one tych samych lub ekwiwalentnych części składowych wyżej opisanego pieca fluidalnego 1. Odpowiednie wyjaśnienia zostały również powyżej przedstawione.

Piec fluidalny według wynalazku przedstawiony na fig. 1 posiada dodatkowo w obszarze złoża fluidalnego 3, dopływ tlenu 16, poprzez który doprowadza się do złoża fluidalnego 3 dodatkowy strumień tlenu (w postaci czystego tlenu).

Na stanowisku zasilania 20 pod rusztem nawiewowym 2, do strumienia powietrza 4 dodaje się drugi dodatkowy strumień tlenu 21 (również w czystej postaci).

Przed stanowiskiem zasilania 20, do strumienia powietrza 4 dodaje się dodatkowe paliwo 22. Dzięki spalaniu paliwa dodatkowego 22, strumień powietrza 4 podgrzewa się do temperatury około 975 K.

Poza tym w wolnej przestrzeni 6 umieszczone są dwa, oddalone od siebie urządzenia pomiarowe 17 służące do pomiaru zawartości tlenu w wolnej przestrzeni. Z urządzeń pomiarowych 17 pobierane są próbki gazu i analizowane w sposób ciągły za pomocą sondy tlenowej 18. Zmierzona w ten sposób zawartość tlenu służy do regulacji dopływu tlenu poprzez pierwszy dopływ 16 dodatkowego strumienia tlenu i/lub drugiego strumienia dodatkowego 21, i/lub dopływu 7 osadów ściekowych.

Poza tym albo strumień powietrza 9 służący do dopalania spalin 12 wzbogaca się tlenem 15, albo strumień dodatkowego tlenu 15 wprowadza się bezpośrednio do strefy dopalania 13.

Poniżej przedstawiony jest przykład porównawczy dla sposobu postępowania służącego do spalania osadów ściekowych przy wykorzystaniu pieca 1 przedstawionego schematycznie na fig. 1.

Przykład porównawczy II

Przepływ osadów ściek.	127500 kg/h
Zaw. substancji suchych	40%
Wartość opałowa	14.000 KJ/kg

PL 196 981 B1

Temp. złoża fluidalnego	1123 K
Temp. gazu fluidyzującego	975 K
Temp. w wolnej przestrzeni	1193 K
Ilość gazu fluidyzującego	14 932 m³/h (war. normalne)
Ilość powietrza fluidyzującego	12 344 m³/h (war. normalne)
Ilość dodatkowego tlenu	1887 m³/h (war. norm.)
Ilość gazu ziemnego	701 m³/h (war. norm.)
Ilość spalin w wolnej przestrzeni	26 522 m³/h (war. normalne)
Koncentracja tlenu w wolnej przestrzeni	5,2% objętościowo (suchy)
Koncentracja azotu w wolnej przestrzeni	37% objętościowo
Koncentracja NO w wolnej przestrzeni	310 do 450 mg/m³

Porównanie obydwu przykładów porównawczych I i II pokazuje, że dodanie tlenu, odpowiednio do ekwiwalentnej koncentracji około 30% objętościowo w gazie fluidyzującym mogłoby zwiększyć zdolność przerobową o około 50%. Niekorzystne było jednak to, że koncentracja azotu wynosząca od 310 do 450 mg/m³ powoduje wzrost dopuszczalnej wartości granicznej. Dla utrzymania na odpowiednim poziomie wartości granicznej tlenku azotu jest zalecane zastosowanie ponadto dodatkowego środka takiego jak przykładowo wyposażenie w instalację selektywnej redukcji katalitycznej lub niekatalitycznej. Dodatkowe koszty inwestycyjne i koszty środków obrotowych związane z zastosowaniem środków redukcyjnych mają negatywny wpływ na rentowność procesu tlenowego.

Zwiększenie koncentracji tlenków azotu jest przyczynowo uzależnione od wytwarzanej proporcjonalnie do ilości szlamu, ilości tlenków azotu przy prawie stałej ilości spalin.

Przedmiot zaproponowanego wynalazku dotyczy nie tylko zwiększenia przepustowości instalacji odpadów organicznych w reaktorach ze złożem fluidalnym, bez istotnego zwiększenia objętości, lecz również redukcji koncentracji zanieczyszczeń, takich jak przykładowo tlenki azotu.

Nieoczekiwanie okazało się, że problem podwyższonej koncentracji tlenków azotu przy stałej objętości spalin i równoczesnym zwiększeniu przepustowości instalacji osadów ściekowych, przy dodawaniu tlenu, może być rozwiązany w ten sposób, że, podczas gdy koncentracja tlenu w złożu fluidalnym 3 zostanie zwiększona odpowiednio do zwiększonej ilości osadów ściekowych a część strumienia powietrza 4 zastąpiona jest przez pochodzący z wymiennika ciepła 14, strumień zawracanych spalin 23, tak, że w wolnej przestrzeni 6 ponad złożem fluidalnym 3 ustala się średnia zawartość tlenu na poziomie od 0 do 3% objętościowo.

Taki przykład wykonania wynalazku w zakresie sposobu postępowania przy użyciu pieca 1, przedstawionego schematycznie na fig. 1 będzie wyjaśniony poniżej, przy czym zasadnicze parametry sposobu i wyniki uzyskane dzięki jego zastosowaniu zostały przedstawione w poniższej tabeli. Przy tym wartość zadana zawartości tlenu wynosi 1,3% objętościowo.

Przepływ osadów ściek.	12750 kg/h
Zaw. substancji suchych	40%
Wartość opałowa	14.000 KJ/kg
Temp. złoża fluidalnego	1123 K
Temp. gazu fluidyzującego	975 K
Temp. w wol. przestrz.	1193 K
Ilość gazu fluidyzującego	15191 m³/h (war. normalne)
Ilość powietrza fluidyzującego	6844 m³ /h (war. normalne)
Ilość gazu zawracanego	5500 m³/h (war. normalne)
Ilość tlenu dodatkowego	2203 m³/h (war. norm.)
Ilość gazu ziemnego	644 m³/h (war. normalne)

PL 196 981 B1

Ilość spalin w wolnej przestrzeni	26 695 m³/h (war. normalne)
Koncentracja tlenu w wolnej przestrzeni	1,3% objętość. (suchy)
Koncentracja azotu w wolnej przestrzeni	28,6% objętościowo
Koncentracja NO w wolnej przestrzeni	60 do 180 mg/m³

Dodatkowy strumień tlenu 21 dodaje się do strumienia powietrza 4 przed rusztem nawiewowym 2. W przypadku, gdy strumień powietrza nie jest wstę pnie podgrzewany, ze wzglę du na bezpieczeń stwo instalacji, koncentracja tlenu utrzymywana jest za stanowiskiem zasilania 20 maksymalnie na poziomie 28% objętościowo. Przy podgrzewaniu wstępnym strumienia powietrza 4 do temperatury 773 K musi być zmniejszona, istotna dla bezpieczeństwa wartość graniczna koncentracji tlenu we wzbogaconym w tlen strumieniu powietrza 4 za stanowiskiem zasilania 20 do poziomu 28% objętościowo. Ta wartość graniczna redukuje się do 24% objętościowo, gdy wzbogacony w tlen strumień powietrza 4 jest podgrzewany do temperatury między 773 K i 1023 K.

Nie istnieją przy tym żadne ograniczenia dotyczące ilości względnie koncentracji tlenków azotu, gdy tlen wdmuchuje się bezpośrednio do złoża fluidalnego 3, w postaci dodatkowego strumienia 16 tlenu, przy wykorzystaniu dyszy o wysokiej szybkości przepływu o liczbie macha przy wyjściu równej 0,8 M, a korzystnie o liczbie Macha większej niż 1. Tak wysokie prędkości konieczne są do wystarczającego wymieszania tlenu z materiałem złoża fluidalnego 3, aby przy wzroście przepływu osadów ściekowych i stałych ilości spalin, to znaczy prędkości fluidyzacji, można było uzyskać równomierne wymieszanie osadów ściekowych z tlenem, to znaczy jednolitą temperaturę w złożu fluidalnym.

Figura 2 przedstawia inny przykład wykonania sposobu według wynalazku, przy wykorzystaniu pieca fluidalnego 1.

W odróżnieniu od fig. 1, pokazany tu przykład wykonania przedstawia sposób postępowania, w którym strumień powietrza 4 moż e być podgrzewany za pomocą spalin 12, zarówno w rekuperatorze, którego rolę pełni wymiennik ciepła 14, jak również równocześnie strumień 4 powietrza jest mieszany ze spalinami 12.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób spalania odpadów organicznych, w którym w komorze spalania, przez odpady przepuszcza się gaz fluidyzujący wytwarzany w urządzeniu fluidyzacyjnym, zawierający tlen, tworząc złoże fluidalne sfluidyzowanych cząstek i odpady te spala się a spaliny powstające w procesie spalania odciąga się poprzez wolną przestrzeń ponad złożem fluidalnym i dopala się w strefie dopalania lub komorze dopalania, znamienny tym, że sfluidyzowaną warstwę cząstek (3) wzbogaca się tlenem, przy czym w wolnej przestrzeni (6) ustala się średnią zawartość tlenu w zakresie od 0 do 3% objętościowo.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do gazu fluidyzującego (4) doprowadza się tlen do pierwszej strefy zasilania (20), patrząc w kierunku przepływu przed urządzeniem fluidyzacyjnym (2).
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że zawartość tlenu w gazie fluidyzującym (4) za pierwszą strefą zasilania (20) ustala się na poziomie wartości granicznej w zakresie od 10 do 28% objętościowo.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że zawartość tlenu ustala się na poziomie wartości granicznej wynoszącej maksymalnie 26% objętościowo przy założeniu, że gaz fluidyzujący podgrzany jest wstępnie co najmniej do temperatury 773 K.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że gaz fluidyzujący podgrzewa się w rekuperatorze za pomocą spalin (12).
6. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że zawartość tlenu ustala się na poziomie wartości granicznej wynoszącej maksymalnie 24% objętościowo przy założeniu, że gaz fluidyzujący podgrzany jest wstępnie do temperatury między 773 K i 1023 K.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że gaz fluidyzujący (4) podgrzewa się poprzez spalanie paliwa (22).
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do warstwy (3) sfluidyzowanych cząstek, w drugiej strefie zasilania (16), ponad urządzeniem fluidyzacyjnym (2) doprowadza się tlen.

PL 196 981 B1
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że tlen w drugiej strefie zasilania (16) doprowadza się poprzez poprzeczną iniekcję naddźwiękową w warstwie cząstek (3).
10. Sposób według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że ekwiwalentną zawartość tlenu w sfluidyzowanej warstwie cząstek (3) ponad drugą strefą zasilania (16) ustala się na poziomie koncentracji wyższej niż 28% objętościowo.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość tlenu w wolnej przestrzeni (6) mierzy się w sposób ciągły i na podstawie tych pomiarów uzyskuje się średnią zawartość tlenu i tym, że na podstawie wartości średniej reguluje się ilość doprowadzonego tlenu w warstwie sfluidyzowanych cząstek (3) i/lub ilość doprowadzanych odpadów organicznych.
12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że średnią zawartość tlenu uzyskuje się na podstawie pomiarów dokonanych na co najmniej dwóch stanowiskach pomiarowych (17) usytuowanych w pewnej odległości od siebie w wolnej przestrzeni (6).
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej część strumienia gazu fluidyzującego stanowi strumień (23) zawracanych spalin.
14. Sposób według zastrz. 5 albo 13, znamienny tym, że niespalone, stałe lub gazowe pozostałości paliw zawarte w spalinach spala się w strefie dopalania (13) lub komorze spalania razem z dodawanym tam paliwem wtórnym (8) przy doprowadzaniu powietrza wtórnego (9), przy czym w celu utrzymania na odpowiednim poziomie założonej wcześniej, minimalnej wartości zawartości tlenu w spalinach (12), spaliny te wzbogaca się strumieniem tlenu wtórnego (15) lub gazem zawierającym co najmniej 80% tlenu.
15. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że strumień tlenu wtórnego (15) lub gazu zawierającego tlen wdmuchuje się bezpośrednio do strefy dopalania (13), lub komory dopalania z prędkością odpowiadającą na wyjściu liczbie Macha 0,25 < M < 1.
16. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, że strumień tlenu wtórnego (15) lub gazu zawierającego tlen dodaje się do strumienia powietrza wtórnego (9).
17. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że stosuje się poprzeczną iniekcję naddźwiękową.
18. Sposób według zastrz. 14, znamienny tym, strumień tlenu wtórnego doprowadza się w ten sposób do strefy dopalania (13) lub komory spalania, że zawartość tlenu w spalinach za strefą dopalania (13) lub komorą spalania ustala się na poziomie co najmniej 6% objętościowo.
19. Urządzenie do spalania odpadów organicznych wyposażone w komorę spalania, w której znajduje się warstwa odpadów organicznych, wyposażoną w urządzenie do doprowadzania odpadów organicznych do przestrzeni spalania i doprowadzenie gazu, i która obejmuje również urządzenie fluidyzacyjne do wprowadzania gazu fluidyzującego wytwarzającego warstwę sfluidyzowanych cząstek, i urządzenie pomiarowe do mierzenia koncentracji gazu w przestrzeni spalania ponad warstwą fluidalną cząstek, znamienne tym, że zawiera doprowadzenie (16, 21) strumienia gazu zawierającego tlen do złoża fluidalnego (3), i tym, że urządzenie pomiarowe obejmuje co najmniej dwa, usytuowane w wolnej przestrzeni (6), w pewnej odległości od siebie stanowiska pomiarowe tlenu do ciągłego pomiaru w każdym z nich zawartości tlenu w wolnej przestrzeni (6), i tym, że urządzenie pomiarowe połączone jest z urządzeniem (19) tworzącym wartość średnią obliczoną z pomierzonych wartości zawartości tlenu, i z urządzeniem regulacyjnym służącym do regulowanego doprowadzania odpadów organicznych (7) i/lub do doprowadzania strumienia gazu (16, 21) zawierającego tlen do złoża fluidalnego (3).
20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że zawiera dysze o wysokiej prędkości wypływu gazu.