Печи для переработки и сжигания ТБО с переталкивающими решетками

Переталкивающие решетки как с прямой, так и с обратной подачей материала представляют собой систему, состоящую из подвижных и не­подвижных колосников для перемещения и перемешивания отходов. Колосниковые решетки с прямой подачей (поступательно-переталкива- ющие решетки) имеют малый угол наклона (6-12,5°) и переталкивают материал в сторону выгрузки шлака (в направлении перемещения мате­риала). Колосниковые решетки с обратной подачей (обратно-переталки- вающие решетки) имеют большой угол наклона (обычно 21 -25°) и переталкивают материал (нижний слой отходов) в сторону, противополож­ную выгрузке шлака и перемещению отходов. При этом часть горящего слоя отходов возвращается к началу решетки, что интенсифицирует процесс горения.

1-система «Steinтиller», 2-система «Noell», 3-система «Martin»

Примеры принципиальной конструкции переталкивающих решеток трех ведущих европейских фирм («Steinmuller», «Noell» и «Martin GMBH») приведены на рис. 5.112.

Современные переталкивающие колосниковые решетки с прямой подачей материала (см. рис. 5.112, I и 2) имеют в длину до 5 секций; каждой секции принадлежит элемент колосниковой решетки и зона по­дачи первичного воздуха. Каждый элемент решетки состоит из череду­ющихся подвижных и неподвижных колосников, расположенных внах­лестку (подобно черепице на крыше). Подвижные колосники собраны на решетчатой раме (телеге), которая приводится в движение с помо­щью гидроцилиндра (рис. 5.113). Максимальный ход шага колоснико­вой решетки - 350 мм. Колосники изготавливают литьем из высокожа­ропрочной хромистой стали; в ряде случаев дополнительная механиче­ская обработка колосников не требуется.

На крупных установках решетки компонуются по ширине из двух или трех линий. Для перевала отходов с целью их рыхления предусма­триваются одна или две ступени по длине колосниковой решетки (в за­висимости от числа секций). Высота рыхлящих перепадов небольшая и не приводит к повышенному выбросу пыли. Торцовые поверхности пе­репадов решетки охлаждаются.

На современных установках движение каждой секции решетки можно регулировать независимо от других секций (как следствие - оп­тимальное регулирование толщины слоя отходов и времени их пребы­вания на решетке) и осуществлять позонное регулирование подачи пер­вичного воздуха в каждую секцию решетки (каждая секция решетки имеет свою собственную зону ввода дутья, что весьма важно для ТБО переменного состава).

В последнее время нашли применение водоохлаждаемые колосни­ковые элементы, использование которых значительно уменьшает износ покрытия решетки в зоне основного горения и повышает срок ее экс­плуатации.

Колосниковые решетки устанавливаются в топке, стенки которой экранированы испарительными поверхностями - рядами труб, по которым циркулируют вода и пар (вода в трубах закипает, когда их обтекают поднимающиеся горячие газы). Ряды труб в определенной степени являются дополнительным изоляционным слоем (наряду с шамотом), что оптимизирует рекуперацию тепла и несколько упрощает запуск оборудования после останова.

Камера сжигания и нижняя часть первого хода котла обмуровыва­ются набивной массой.

1 - ходовая тяга (привод колосника); 2 — колосниковое устройство (сани); 3 — ось качения; 4 - передвижной подшипник; 5 - щеки трения; 6 — колосниковая ступень или конец колосника; 7 —элемент колосника (подвижный); 8 — элемент колосника (неподвижный)

Сопла подачи вторичного воздуха располагаются у выхода из каме­ры сжигания; скорость подачи воздуха обеспечивает тщательное пере­мешивание и хорошее выгорание вредных газообразных веществ.

В газоходах котлоагрегата последовательно устанавливаются состо­ящий из стальных труб пароперегреватель (элемент парового котла, по­вышающий температуру пара сверх температуры насыщения) и эконо­майзер (теплообменник) для предварительного подогрева питательной воды за счет тепла отходящих газов.

В зависимости от конкретной площадки проектируются котлоагре- гаты вертикального или горизонтального типа (рис. 5.114). Вертикаль­ные бойлеры более компактны и занимают меньшую площадь.

Продольные разрезы вертикального (1) и горизонтального (2) котла смену в течение 40 минут) приводит к повышенным выбросам диокси­нов и фуранов (установлено, что около 20% суточных выбросов диок­синов и фуранов связано именно с операцией обслуживания теплооб­менников с помощью обдува).

Конвективные поверхности нагрева располагаются либо в верти­кальном ходе (в этом случае для очистки горизонтально расположенных в нем пучков труб устанавливаются обдувочные аппараты, что приво­дит к увеличению объема отходящих газов), либо в горизонтальном хо­де (свободно висящие пучки труб очищаются с помощью ударного ме­ханизма). Рекомендуется ультразвуковая очистка поверхностей тепло­обменников от сажи; очистка от сажи методом выдувания (один раз в смену в течение 40 минут) приводит к повышенным выбросам диоксинов и фуранов (установлено, что около 20% суточных выбросов дноксинов и фуранов связано именно с операцией обслуживания теплообменников с помощью обдува).

Возможно несколько вариантов технических решений для органи­зации подачи воздуха в топочное пространство. Часто на торцевой по­верхности колосников предусматривают специальные отверстия (см. рис. 5.112,2), коническая форма которых предотвращает их забивание тонким материалом при ходе колосника вперед. Иногда в головной час­ти колосников для подачи воздуха предусматривают узкие щели. Эф­фективно создание в топочном пространстве постоянной воздушной сетки, что достигается, если колосники не собираются в монолитное полотно, а между соседними колосниками предусматриваются отвер­стия (зазор) размером 1,5-2 мм (рис. 5.115).

Подача дутьевого воздуха регулируется в зависимости от качества сжигаемого материала. При низкой теплотворной способности отходов пламя растягивается по длине решетки и значительная часть первичного дутья подается в середине и конце колосниковой решетки. Расход возду­ха на первичное дутье - 60-70% от общего расхода. Вторичное дутье по­дается через сопла у входа в первую тягу котла. Взамен вторичного воз­духа могут подаваться дымовые газы (особенно при сжигании высокока­лорийных отходов), при этом газы предварительно очищаются от пыли и имеют температуру около 200°С. Использование отработанных дымовых газов снижает содержание кислорода без превышения концентрации СО и уменьшает количество отходящих газов, подлежащих очистке.

Гибкая система подачи дутьевого воздуха (и частичная рециркуля­ция дымовых газов) предохраняет стенки топки от перегрева и автома­тически перестраивается под качество сжигаемого материала. Автома­тическая система регулирования обеспечивает поддержание на задан­ном уровне количества производимого пара и высоты пламени (факел контролируется при помощи малоинерционных оптических датчиков) по всему сечению колосниковой решетки.

Оригинальная колосниковая решетка системы «8е§Ьегз», установ­ленная в топках на нескольких заводах в Нидерландах, Бельгии и Япо­нии, представлена на рис. 5.116 (в последних разработках фирма ис­пользует конструкции топок, аналогичные «8іеіпти11ег» и «Ыое11» - со средним потоком газов).

а — стадия перемещения материала; б — стадия перемешивания и ин­тенсивной аэрации материала

Поступательно-переталкивающая решетка имеет угол наклона 21°, что более характерно для обратно-переталкивающих решеток. Это объ­ясняется тем, что решетка фирмы «Seghers» состоит из чередующихся подвижных, качающихся и неподвижных колосников (на рис. 5.116, а показано положение колосников в стадии перемещения материала, на рис. 5.116, б - в стадии перемешивания и интенсивной аэрации матери­ала). Подача воздуха осуществляется через отверстия в передней торце­вой части колосников (аналогично конструкции «Noell»); использование качающихся колосников, хотя и усложняет конструкцию решетки, интенсифицирует процесс сжигания за счет более интенсивного пере­мешивания материала и его дополнительной аэрации при подъеме этих колосников в верхнее положение. Применение решеток «Seghers» сво­дит к минимуму выход недожога. Производительность топок (котель­ное оборудование фирма не выпускает) - от 1,5 до 25 т/час.

Примером обратно-переталкивающей решетки одной из ведущих фирм-производителей топочной техники для сжигания отходов — фир­мы «Мartin» (Германия) - является решетка, конструкция которой пред­ставлена на рис. 5.112. Эта решетка используется на заводах во Фран­ции, в Австрии, Японии, Китае, США Великобритании, Германии, России и некоторых других странах.

Решетка системы «Мartin» построена по модульному принципу. Ширина одного модуля - от 1,5 до 2,5 м. Вся решетка может быть смон­тирована из 7 таких модулей и иметь ширину до 15м.

По длине решетка разделяется на 3-6 секций для подачи дутьевого воздуха

Первичный воздух подается в топку через узкие щели в головной части колосников. Вторичное дутье осуществляется через переднюю и заднюю стенки топки, причем воздух подается в пространство над сло­ем горящих отходов. После подачи вторичного воздуха отходящие газы, сжигаемые при температуре 1000-1200°С, остаются в печи более 2 се­кунд при температуре 850°С, что достаточно для разрушения органиче­ских соединений (в том числе опасных) до безвредных и нейтральных.

Горение отходов начинается в начале решетки и стабилизируется при 1000°С во второй ее половине. В конце решетки расположен мед­ленно вращающийся вал, регулирующий высоту слоя сжигаемых отхо­дов и транспортирующий шлак в шлаковую ванну.

Угол наклона обратно-переталкивающей решетки достаточно боль­шой - около 25° в сторону перемещения материала и разгрузки шлака. Каждая секция решетки, приводимая в движение от одного гидроци­линдра, состоит из чередующихся подвижных и неподвижных колосни­ков, изготовленных из жаропрочной хромистой стали, состав которой разработан фирмой «Мartin». Боковые поверхности колосников отшли­фованы и с помощью специального устройства прижимаются друг к другу, образуя монолитное полотно (узкие щели для подачи первичного воздуха предусмотрены в головной части как подвижных, так и непо­движных колосников). Подвижные колосники оказывают на перемеща­ющийся в сторону разгрузки шлака материал обратно-перетапкивающее действие, что позволяет подавать 15-20% горящей массы отходов навстречу движущемуся слою, создавая очаги нижнего зажигания. Срок службы колосников - 5-6 лет.

Различие в форме и движении отдельных колосников конструкции ведущих мировых фирм наглядно видно из рис. 5.112: поступательно- переталкивающие решетки системы «Steinmuller» и «Noell» по характе­ру воздействия на перемещаемый материал аналогичны (отходы пере­талкиваются только вперед, в сторону разгрузки шлака), но отличаются формой колосников, системой распределения воздуха и принципами объединения колосников в решетку; обратно-переталкивающая решет­ка системы «Мartin» отличается, кроме того, характером воздействия на перемещаемый материал (часть отходов возвращается назад, интенси­фицируя горение).

При прочих равных условиях большое значение имеет количество и распределение дутьевого воздуха, во многом зависящее от площади жи­вого сечения колосниковых решеток. Наиболее эффективную аэрацию, судя по данным практики, обеспечивают топочные устройства герман­ской фирмы «Steinmuller» с площадью живого сечения решетки 1,5-2,5% (для сравнения: площадь живого сечения решеток германской фирмы «Martin» - 1,2-1,7%, швейцарской фирмы «Von Roll» - 1,5%). Кроме то­го, в топке системы «Steinmuller» при сжигании ТБО создается посто­янная воздушная сетка.

На рис. 5.117 представлен общий вид завода, на котором реализовано слоевое сжигание ТБО в топке с наклонно-переталкивающей решеткой.

Как видно из рисунка, исходные ТБО доставляются мусоровозами в приемное отделение и разгружаются в углубленный бункер прямоуголь­ного сечения, обслуживаемый грейферным краном (обычно устанавли­ваются два крана). Назначение грейферного крана - подача отходов из бункера в процесс сжигания, удаление так называемых негабаритов (хо­лодильники, матрацы и т.п.) и усреднение отходов (последнее крайне неэффективно, так как исходные ТБО по своему составу и свойствам малопригодны для усреднения).

Независимо от типа устанавливаемой в топке решетки ТБО из бун­кера подаются с помощью крана в загрузочную воронку (рис. 5.118), ко­торая отделяет камеру сгорания от окружающей среды (образуется сво­еобразный затвор из подпрессованных отходов, препятствующий неор­ганизованному поступлению воздуха в топку).

На приемной воронке предусматривается запорное устройство (рис. 5.119) - заслонка, которая автоматически закрывается в случае аварии, выполняя функцию защитного приспособления.

Из приемной воронки ТБО подаются в топку на колосниковую ре­шетку обычно с помощью гидравлического толкателя (рис. 5.120). Тем­пература сжигания отходов - 850-1000°С.

В конце колосниковой решетки шлак через охлаждаемую водой шахту попадает в гидрошлакоудалитель с толкательным устройством (рис. 5.121).

Под колосниковой решеткой (по всей ее длине) устанавливается скребковое устройство для сбора просыпи между колосниками (рис. 5.122). Водяной затвор в золоудалителе предотвращает неорганизован­ное поступление воздуха в топку и отделяет воронки для нижнего дутья друг от друга. При утилизации тепла отходящих газов на мусоросжига­тельных заводах возможно получение как электрической, так и тепло­вой энергии. Паропроизводительность парогенераторов мусоросжига­тельных установок в 3-4 раза ниже по сравнению с энергетическими установками, работающими на ископаемом топливе (как следствие отно­сительно низкой теплотворной способности отходов).

На рис. 5.123 представлена типичная диаграмма сжигания ТБО в топке с колосниковой решеткой. Из рисунка видно, что вырабатываемая тепловая мощность (МВт) зависит от производительности печи по твер­дому топливу (т/час ТБО) и калорийного потенциала отходов (ккал/кг).

1 - приемное отделение, 2 - бункер исходных ТБО, 3 - грейферный кран, 4 - загрузочная воронка, 5 - толкатель, 6 - наклонно-переталкивающая решетка, 7 - дутьевой вентилятор, 8 - система гилакоудаления, 9 - бункер шлака, 10 - грейферный кран, 11 - котел-утилизатор отходящего тепла, 12 и 13 - система газоотчистки, 14 - дымосос, 15 - труба, 16- турбогенератор

1 - загрузочная воронка; 2 - запорное устройство (клапан); 3 - зонд контроля уровня загрузки; 4 - шахта подачи мусора; 5 - устройство регулируемой подачи мусора

При сжигании отходов с теплотворной способностью менее 2000 ккал/кг требуется подача дополнительного тепла (дополнительный расход природ­ного газа). Области стабильной работы печи (автогенный процесс) соответ­ствует теплотворная способность отходов в пределах 2000-3100 ккал/кг. При неизменной вырабатываемой тепловой мощности повышение теп­лотворной способности приводит к снижению производительности ус­тановки по ТБО. Оптимальной представляется теплотворная способ­ность отходов - 2800 ккал/кг (величина, характерная для отсортирован­ной горючей фракции ТБО) - в этом случае максимально вырабатываемой тепловой мощности соответствует максимальная производитель­ность по количеству сжигаемых отходов. В случае пониженной теплот­ворной способности сжигаемых отходов уменьшается производство па­ра (увеличение потока отходов приведет к увеличению недожога).

На современных заводах используется эффективная автоматическая система регулирования процесса сжигания на основе инфракрасной термографии, обеспечивающая оптимальное его протекание даже при заметных колебаниях состава отходов (в известных пределах). Стабили­зация процесса сжигания снижает выбросы газообразных веществ. Со­стояние процесса горения определяется путем измерения температуры слоя отходов с помощью инфракрасного датчика, установленного на по­толке топки (рис. 5.124) По информации, полученной от датчика, рас­считываются два параметра - позиция огня на решетке и длина факела (растяжение по длине); регулируется также количество производимого пара. По этим параметрам регулируется подача дутьевого воздуха, по­зиция и форма огня.