Пальникові пристрої для обладнання термічного перероблення відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пальникові пристрої для обладнання термічного перероблення відходів

Олексій Сезоненко

науковий співробітник, відділ проблем промислової теплотехніки, Інститут газу НАН України, м. Київ, Україна

Віктор Алексеєнко

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, відділ проблем промислової теплотехніки,

Інститут газу НАН України, м. Київ, Україна

Анотація

Здійснено огляд конструкцій пальникових пристроїв, що використовуються в складі обладнання для утилізації відходів. На підставі наявного практичного досвіду, проведено порівняльний аналіз щодо практичної доцільності застосування пальників різних типів та виробників. В наведеному огляді увага сконцентрована на важливості правильного вибору пальника з точки зору технології термічної утилізації, що забезпечує повноту деструкції органічної частини відходів з мінімальним сумарним впливом на навколишнє природне середовище. При розробці і конструюванні нових агрегатів в частині високотемпературної вогневої камери, необхідно враховувати геометричні та аеродинамічні показники факелу пальника. Конструктивна стійкість і надійність пальників залежить також від правильного вибору місця розташування, захисту вогневої частини пальника від випромінювання та від механічного пошкодження. Показані технічні і конструктивні рішення, що дозволяють значно скоротити витрати пального, витрачаючи тільки необхідну кількість для підтримання температури процесу. При цьому враховується енергетичний потенціал самих відходів та можливість рекуперації теплової енергії від продуктів згоряння, що відходять. Важливо, що в якості палива, окрім стандартно застосовуваних природного газу та дизельного пального, розглянута більшість так званих альтернативних палив: піролізного масла, синтез-газів, пеллет, RDF. Останнім часом значна світова увага приділяється процесам оброблення техногенних відходів - як цінного джерела видобутку металів. Затронуті питання перспектив використання синтез-газу в пірометалургічних процесах оброблення таких відходів із застосуванням пальникових пристроїв спеціальної конструкції. Підкреслена необхідність вдосконалення існуючих і розроблення нових систем опалення термотехнологічних агрегатів утилізації відходів як на базі існуючих пальників, так і з розробленням нового обладнання.

Ключові слова. Пальниковий пристрій, інсінератор, вуглеводневмісні відходи, термічна утилізація, процес, паливо.

Abstract

Oleksii Sezonenko

Corresponding author, Department of Problems of Industrial Heat Engineering, The Gas Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

Viktor Aleksyeyenko

PhD, Senior Research Scientist, Department of problems of industrial heat engineering The Gas Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

BURNERS FOR THERMAL WASTE PROCESSING EQUIPMENT

Keywords. Burning device, incinerator, hydrocarbon-containing waste, thermal utilization, process, fuel.

Постановка проблеми

Останнім часом широкий розвиток отримали різні типи обладнання для поводження з відходами як муніципальними, так і промисловими. Світова тенденція к подорожчанню енергоносіїв призводить до необхідності пошуку нових технологій по переробленню вуглеводневмісних відходів (в першу чергу пластиків) в газоподібні та рідкі види палив. Використання так званих «техногенних» ресурсів, наприклад, шламів і інших відходів металургійних комбінатів для відновлення з їхнього складу широкого спектру металів є економічно оправданим та дозволяє економити природні ресурси та у сукупності зменшувати навантаження на навколишнє природне середовище. Таким чином, спектр палив для використання в різних сферах розширюється, викликаючи в свою чергу необхідність розроблення нових чи адаптації існуючих пальникових пристроїв.

Пальником є спеціальний пристрій, що забезпечує повне та безпечне згоряння різних видів палив для забезпечення завданих параметрів, а саме - рівня температур та теплового навантаження [1]. З точки зору технологічного застосування пальник це інструмент для здійснення певного термотехнологічного процесу, а саме - утилізації відходів у відповідних агрегатах.

Метою статті є предметний порівняльний огляд та аналіз існуючих, стандартних і нестандартних пальникових систем опалення обладнання термічного перероблення відходів. Ціль порівняння - оптимізація вибору обладнання з точки зору ефективності виконання визначених термотехнологічних завдань.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Для здійснення узагальненого аналізу, обмежимось системою «пальник - робоча камера агрегату (топка, камера згоряння)». Робоча камера - геометрично замкнутий об'ємний простір, в якому технологічними вимогами процесу завдані певні умови (стаціонарні, квазістаціонарні, змінні за певним алгоритмом) - температурні, аеродинамічні, термохімічні, за інтенсивністю теплового потоку, різні співвідношення перелічених показників тощо. На рис. 1 наведено загальний вигляд робочої камери інсінератору.

Рис. 1. Камера згоряння інсинератору в режимі розігріву: модульно- блочний пальник EcoFlam, камера згоряння конструкції Інституту газу НАН Украині

Своєю роботою саме пальник забезпечує створення цих умов, одночасно на його роботу накладаються додаткові вимоги та обмеження, пов'язані, наприклад, з геометричною формою факелу (видимої частини, високотемпературної зони), якістю згоряння палива, яке може бути перемінного складу, в різному фізичному, агрегатному стані, перемінної початкової вологості та температури тощо. Таким чином, можемо стверджувати, що пальник - це основна складова сучасного термотехнологічного комплексу, що забезпечує стале ведення паливовикористовуючого процесу утилізації відходів, максимально повного і безпечного до навколишнього природного середовища.

В якості пального для утилізації відходів можуть застосовуватися наступні види [2-5]:

- газоподібне паливо (природний газ, пропан-бутанові суміші, технологічні синтез-гази різного складу і походження)

- рідке паливо (дизельне, бензинове, мазутне, пічне, піролізне, спиртове)

- тверде паливо (дрова, пеллети, брикети, пиловугільне паливо)

Обладнання для термічного знешкодження відходів за своїм конструктивом і функціональним призначенням можна розділити на:

- Установки для термічного знищення відходів, що відносяться до небезпечних (печі-інсинератори, стаціонарні і механізовані);

- Установки для термічної деструкції вуглеводневмісних відходів з ціллю отримання корисного товарного продукту;

- Енергетичні сміттєспалювальні установки з системою високотемпературного допалювання;

- Установки перероблення шламових металургійних відходів;

- Установки комбінованої дії.

Параметри роботи такого обладнання досить чітко регламентовані в плані рівнів температур, тиску/розрядження у внутрішніх робочих камерах. Як правило, такі установки мають газоплотну камеру згоряння або газифікації (рівень температур 800.. .1000 °С), з механізованою або немеханізованою подовою частиною, куди здійснюється завантаження відходів. В ході термічного оброблення, відбувається інтенсивна газифікація, заповнення об'єму камери продуктами розкладання відходів (рис. 2), різке підвищення тиску, наявність механічних перешкод на шляху факелу пальників. Камери згоряння можуть працювати як в періодичному, так і в постійному режимах.

Рис. 2. Закінчення циклу спалювання небезпечних відходів: пальники Riello, конструкція мобільної інсинераторної установки - Інституту газу НАН України

Для інтенсивної газифікації при завданому рівні температур, обмежується кількість вільного кисню, пальники при цьому працюють в режимі недопалу. Періоди газифікації змінюються періодами допалювання, при цьому подається необхідна за стехіометрією кількість повітря.

Такі технологічні режими роботи накладають на пальники наступні вимоги:

- компактний, блочний, модульно-блочний принцип конструкції;

- надійність як при безперервній роботі, так і за умови постійних пусков/зупинок;

- висока ремонтоздатність, взаємозамінність;

- простота і технологічність обслуговування.

На рис. 3-4 наведено спеціальні пальники, що використовуються в технологіях утилізації відходів.

Рис. 3. Блочний пальник, що працює на синтез-газі. Пальник SIB Unigas, будівництво заводу перероблення полімерів та відходів мастил - за участю Інституту газу НАН України

Рис. 4. Пальники SIB Unigas у складі універсальної системи опалення установки термодеструкції на рідкому і газовому паливі, конструювання технологічного обладнання для термодеструкції відходів - за участю Інституту газу НАН України

Особливості роботи. Вогнева частина пальників в камері згоряння працює у важких умовах, враховуючи механічне пересування відходів. Вогнева частина, яка піддається впливу випромінювання з розігрітої робочої камери, обов'язково захищається міцною вогнетривкою керамікою, як показано в [6]. В іншому варіанті, для збереження конструкційної цілісності, організовується постійний обдув частиною повітря спалювання, що рівномірно розподіляється по зовнішній частині соплового апарату пальника [7], що пред'являє додаткові вимоги до блоку керування пальником.

В практичному застосуванні найбільш відомі блочні дифузійні пальникові системи підприємств-виробників Ecostar, SIB Unigas, Riello, ECOFlam, Lamborghini.

Для захисту вразливої вогневої частини блочних і модульно-блочних пальників, розробники обладнання застосовують прибудовані футеровані форкамери. В них забезпечуються процеси стабільного згоряння палива у відсутності впливу як насипного матеріалу (для печей-інсинераторів), так і аварійних ситуацій (розрив реторти установки термодеструкції) [8]

Термічна деструкція небезпечних відходів, що мають рідкий агрегатний стан, може відбуватися в спеціальних камерах, де створюються необхідні умови термічної обробки речовин.

В якості прикладу, наведемо установку, розроблену Інститутом газу НАН України, призначену для знешкодження рідких небезпечних відходів лікарняних закладів, зокрема фтизіатричних та пульмонологічних відділень, а також для деструкції надлишкового біологічного мулу від систем біологічного очищення стокових вод. Такі установки пройшли практичну апробацію в складі комплексу очищення стоків протитуберкульозних диспансерів (рис.5)

Рис.5 Загальний вигляд установки для знешкодження рідких небезпечних відходів лікарняних закладів розробки Інституту газу НАН України

Основними елементами конструкції такої установки є пальник індивідуального розроблення (часткового попереднього змішування) типу ГНБ(м)-100 та «жарова» труба, при цьому відходи вприскуються безпосередньо в коріння факелу.

Таким чином, всі технологічні процеси оброблення рідини (нагрів, випаровування, розкладання органіки, допалювання залишків) відбуваються під час знаходження в жаровій трубі, в якій організовано високотурбулентний паро-газовий потік [9].

Пальник в цій системі забезпечує температуру, імпульс, направлення потоку, відповідний склад газового середовища, крім того - нормативні питомі показники концентрацій шкідливих речовин в джерелі викидів.

Серед «спеціальних» систем опалення установок утилізації відходів слід відмітити іноваційну перспективну розробку, що передбачає використання теплової енергії димових газів для підігріву дуттьового повітря перед пальниками двокамерної печі-інсинератору [10].

Запатентована розробка передбачає встановлення в складі обладнання високотемпературного радіаційного рекуператору, в якому повітря підігрівається до 350...400 °С. В якості пальників використовуються спеціально дороблені пальники напорні безтунельні часткового попереднього змішування, які працюють з плавним пропорційним регулюванням потужності. При цьому, значно скорочуються витрати палива на технологію. Температура продуктів згоряння на виході з рекуператору складає не менш як 700 °С, що, з урахуванням подальшого різкого охолодження до рівня температури 250 °С, не дозволяє створити умови ддя повторного утворення діоксинів і фуранів.

На сучасному ринку поводження з відходами, як України, так і інших Європейських країн, стрімко розвивається особий сегмент - перероблення шламових відходів металургійних комбінатів. Ціль перероблення - відновлення зі складу шламів металів (залізо, цинк, хром, мідь тощо). Основою такого перероблення є складні, багатокомпонентні гідрометалургійні та пірометалургійні процеси [11]. Основне розповсюдження отримав процес ITmk3, де в якості теплового агрегату використовується кільцева піч, а в якості відновлювача заліза з шламів використовується малосірчаний вуглець [12].

Для дослідження процесу відновлення металів зі складу шламів в Інституті газу НАН України було побудовано експериментальний стенд (рис. 6), на якому змодельовані процеси відновлення заліза з шламів металургійного комбінату. Це, так звана, група «техногенних відходів». Вміст оксидів заліза в таких шламах складає від 64 %. Технологія відновлення дозволяє отримати до 98 % заліза.

Рис. 8 Загальний вид стенду для дослідження переробки шламів

Технологічний процес в агрегаті забезпечується двома експериментальними пальниками часткового попереднього змішування типу ГНБ(м)-80, які, завдяки вдосконаленій вогневій частині, стабільно працюють на суміші: синтез-газ+природний газ і синтез-газ+пропан. При цьому газ отримується від роботи установки термічної деструкції вуглеводновмісних відходів. Температура в робочій камері стенда підтримується на рівні 1480.. .1510 °С. Для можливості безпечного встановлення пальників в склепінні робочої камери, їхня вогнева частина захищена високотемпературним керамоблоком і додатково організований обдув повітрям зовнішньої кромки стабілізуючої вогневої насадки. Завдяки наявності в складі синтез-газу значної кількості Н2 та СО, вдається добитись сталого процесу відновлення при економії природніх енергоресурсів. Роботи з вдосконалення даної технології продовжуються рядом науково-дослідницьких організацій.

Підсумовуючи огляд, основні параметри систематизації обладнання і систем опалення термічної утилізації відходів можно звести до наступної таблиці.

Таблиця

Висновки

2. Важливими супровідними елементами розробки, проектування, реконструкції обладнання термічної переробки є моделювання та дослідження складних фізико-хімічних перетворень, одним з основних факторів впливу на які є правильний вибір пальникового пристрою. За екологічними показниками, також слід враховувати додаткові вимоги та обмеження щодо якості роботи теплових агрегатів з точки зору питомих показників забруднюючих речовин, що утворюються.

Література

1. Винтовкин А.А.,Ладыгичев М.Г.,Гусовский В.П.,Калинова Т.В. - Горелочные устройства промышленных печей и топок (констр. и тех. характеристики) Справочное издание.zip, [2001] Винтовкин А.А.,Ладыгичев М.Г.,Гусовский В.П.,Усачев А.Б. - Современные горелочные устройства (конструкции и технические характеристики) Справочное издание.фуи].

2. Алексеєнко В.В., Сезоненко О.Б., Васечко O.O., Нікітін В.Ю. Установка для знешкодження відходів лікарняних закладів / Матеріали конференції в рамках Міжнародного форуму «INNOVATION MARKET» 21-24 листопада 2017 р., Міжнародний виставковий центр, м. Київ. [7030],

3. Патент на винахід. Установка для термічної очистки рідких біоорганічних відходів. № 115715 (Україна). Б.в. №23, 2017. Алексеєнко В.В. Васечко O.O. Нікітін В.Ю. Сезоненко О.Б. Сорока В.О., В.В. Алексєєнко, О.О. Васечко, О.Б. Сезоненко, К. Самокатов.

4. Досвід поводження із відпрацьованими мастилами / Зб. тез науково-технічної конференції молодих вчених та спеціалістів Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, м. Київ, 16 травня 2018 р. / ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України. - 2018. - С. 89-91.

5. Алексеенко В.В., Сезоненко О.Б., Васечко O.O. Рекуперація теплоти інсинераторів для знешкодження відходів лікувальних закладів // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2018. № 2. - C. 31-38]:

6. Карп И.Н., Васечко А.А., Алексеенко В.В., Сезоненко А.Б. Технологии утилизации медицинских отходов / Энерготехнологии и ресурсосбережение, №3, 2011. - с. 43-48

7. Васечко О.О., Сезоненко О.Б., Алексєєнко В.В., Самокатов К.А. (2019). Утилізація полімерних та рідких медичних спиртомісних відходів. Зб. тез науково- технічної конференції молодих вчених та спеціалістів Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, м. Київ, 15 травня 2019 р. ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова НАН України, 65-67

8. Патент на корисну модель «Установка для утилізації відходів, що містять вуглеводень» № 148052 (Україна). Публікація відомостей 30.06.2021, бюл. 26. Алексєєнко В.В., Васечко О.О., Сезоненко О.Б.

9. Алексеєнко В.В., Сезоненко О.Б., Васечко O.O., Нікітін В.Ю. Термічне знешкодження рідких відходів лікарняних закладів / Матеріали Національного форуму «Проблеми та перспективи формування Стратегії поводження з небезпечними відходами в Україні» (Київ, 22-23 листопада 2016 року)

10. Алексеєнко В.В., Сезоненко О.Б., Васечко O.O. Рекуперація теплоти інсинераторів для знешкодження відходів лікувальних закладів // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2018. № 2. - C. 31-38

11. Hydrometallurgical Recovery of Cr(III) from Tannery Waste: Optimization and Selectivity Investigation Evgenios Kokkinos * and Anastasios Zouboulis * Laboratory of Chemical & Environmental Technology, Department of Chemistry, Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki, Greece * Correspondence: kokkinosevgenios@yahoo.gr (E.K.); zoubouli@chem.auth.gr (A.Z.) Received: 21 December 2019; Accepted: 3 March 2020; Published: 6 March 2020Takuya Negami. ITmk3 - Premium Ironmaking process for the new Millenium/Direct from MIDREX, March 2001 (2001-03), pp. 7- 9.

12. Разаз Юнес, И.А. Опрышко, канд.техн.наук, П.И. Лобода, д-р техн.наук АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЕЧЕЙ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОДОМ

References

1. Vintovkin, A.A.,Ladygichev, M.G.,Gusovskij, V.P.,Kalinova, T.V. (2001). Gorelochnye ustrojstva promyshlennyh pechej i topok (konstr. i teh. harakteristiki) Spravochnoe izdanie.zip. - Sovremennye gorelochnye ustrojstva (konstrukcii i tehnicheskie harakteristiki) Spravochnoe izdanie.djvu] [Burning devices of industrial furnaces and furnaces (construction and technical characteristics) Reference edition.zip.- Modern burner devices (construction and technical characteristics) Reference edition.djvu]] [in Russian].

2. Alekseєnko, V.V., Sezonenko, O.B., Vasechko, O.O., ЩИйп, V.Ju. (2017). Ustanovka dlja zneshkodzhennja vіdhodіv Hkarnjanih zakladw [Installation for disposal of hospital waste]. Proceedings from: Konferenciya v ramkah Mizhnarodnogo forumu « INNOVATION MARKET » - The conference within the International Forum "INNOVATION MARKET". (pp. 21-24). Kiev: Mlzhnarodnij vistavkovij centr [in Ukrainian].

3. Alekseєnko, V.V. Vasechko, O.O. Nikitin, V.Ju. Sezonenko, O.B. Soroka, V.O. Patent na vinahid. Ustanovka dlja termichno'i ochistki ridkih bioorganichnih vidhodiv. № 115715 (Ukrama). B.v. №23, 2017 [Patent for an invention. Installation for thermal treatment of liquid organic waste. No. 115715 (Ukraine). B.v. No. 23, 2017] [in Ukrainian].

4. Dosvid povodzhennja iz vidprac'ovanimi mastilami / Zb. tez naukovo-tehnichnoi konferencii molodih vchenih ta specialistiv Institutu problem modeljuvannja v energetici im. G.C. Puhova NAN Ukraini, m. Kiiv, 16 travnja 2018 r. / IPME im. G.C. Puhova NAN Ukraini. - 2018. - S. 89-91 [in Ukrainian].

5. Alekseenko, V.V., Sezonenko, O.B., Vasechko, O.O. (2018). Rekuperacija teploti insineratoriv dlja zneshkodzhennja vidhodiv likuval'nih zakladiv [Heat recovery of incinerators for disposal of waste from medical institutions]. Jenergotehnologii i resursosberezhenie - Energotehnologii i resursosberezhenie, 2, 31-38 [in Ukrainian].

6. Karp, I.N., Vasechko, A. A., Alekseenko, V.V., Sezonenko, A.B. (2011). Tehnologii utilizacii medicinskih othodov [Medical waste utilization technologies]. Jenergotehnologii i resursosberezhenie - Energy technologies and resource conservation, 3, 43-48 [in Ukrainian].

7. Vasechko, O.O., Sezonenko, O.B., Alekseenko, V.V., Samokatov K.A. (2019). Utilizacija polimernih ta ridkih medichnih spirtomisnih vidhodiv. Zb. tez naukovo-tehnichnoi konferencii molodih vchenih ta specialistiv Institutu problem modeljuvannja v energetici im. G.C. Puhova NAN Ukraini, m. Kiiv, 15 travnja 2019 r. IPME im. G.C. Puhova NAN Ukraini, 65-67 [in Ukrainian].

8. Patent na korisnu model' «Ustanovka dlja utilizacii vidhodiv, shho mistjat' vuglevoden'» № 148052 (Ukraina). Publikacija vidomostej 30.06.2021, bjul. 26. Alekseenko V.V., Vasechko O.O., Sezonenko O.B. [in Ukrainian].

9. Alekseenko V.V., Sezonenko O.B., Vasechko O.O., Nikitin V.Ju. Termichne zneshkodzhennja ridkih vidhodiv likarnjanih zakladiv / Materiali Nacional'nogo forumu «Problemi ta perspektivi formuvannja Strategii povodzhennja z nebezpechnimi vidhodami v Ukraini» (Kiiv, 22-23 listopada 2016 roku) [in Ukrainian].

10. Alekseenko, V.V., Sezonenko, O.B., Vasechko, O.O. (2018). Rekuperacija teploti insineratoriv dlja zneshkodzhennja vidhodiv likuval'nih zakladiv [Heat recovery of incinerators for disposal of waste from medical institutions]. Jenergotehnologii i resursosberezhenie - Energotehnologii i resursosberezhenie, 2, 31-38 [in Ukrainian].

11. Hydrometallurgical Recovery of Cr(III) from Tannery Waste: Optimization and Selectivity Investigation Evgenios Kokkinos * and Anastasios Zouboulis * Laboratory of Chemical & Environmental Technology, Department of Chemistry, Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki, Greece * Correspondence: kokkinosevgenios@yahoo.gr (E.K.); zoubouli@chem.auth.gr (A.Z.) Received: 21 December 2019; Accepted: 3 March 2020; Published: 6 March 2020Takuya Negami. ITmk3 - Premium Ironmaking process for the new Millenium/Direct from MIDREX, March 2001 (2001-03), pp. 7- 9 [in English].

12. Razaz, Junes, I.A. Opryshko, kand.tehn.nauk, P.I. Loboda, d-r tehn.nauk ANALIZ TEHNOLOGIJ PRJaMOGO VOSSTANOVLENIJa OKSIDOV METALLOV S PRIMENENIEM PEChEJ S VRAShhAJuShhIMSJa PODOM [in Ukrainian].

„Q„p„x„}„u„‹„u„~„Ђ „~„p Allbest.ru