PL B1. Sposób i gazogenerator do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności, zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C10J 3/10 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób i gazogenerator do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności, zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT ENERGETYKI, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 21/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 02/13 (72) Twórca(y) wynalazku: TOMASZ GOLEC, Warszawa, PL JANINA ILMURZYNSKA, Warszawa, PL KRZYSZTOF REMISZEWSKI, Warszawa, PL DARIUSZ TALAROWSKI, Świdnik, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Danuta Jankowska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i gazogenerator do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności, zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności, znajdujące zastosowanie w nowoczesnym ciepłownictwie stosującym jako paliwo odpady płyt wiórowych, kawałki drewna, śmieci wysypiskowe, węgiel brunatny. Znane ze stosowania gazogeneratory ze złożem stałym, dzielą się na gazogeneratory przeciwprądowe i współprądowe. Gazogeneratory przeciwprądowe charakteryzują przeciwne kierunki przepływu biomasy i gazu. Gorący gaz ze strefy utleniania, pirolizy i zgazowania zapewnia dobre wysuszenie biomasy zapewniając stosunkowo wysoką sprawność gazogeneratora ponieważ niewielkie są wymagania co do rozdrobnienia biomasy a gaz wysuszający biomasę wewnątrz gazogeneratora jest przed wylotem wychładzany wewnątrz gazogeneratora. Wadą przeciwprądowego zgazowania i opartych na tym sposobie gazogeneratorów jest duża ilość smół unoszonych przez strumień gazu wylotowego. Znane są gazogeneratory współprądowe amerykańskiego koncernu BECHTEL we współpracy z indyjską firmą ASET oraz firmy WAMSLER wykorzystywane w przemyśle. Gazogeneratory współprądowe charakteryzują te same kierunki przepływu biomasy i gazu w dolnej części gazogeneratora. Biomasa po wysuszeniu w sposobie współprądowym trafia do sfery pirolizy a następnie do strefy utleniania. Wytworzony w procesie pirolizy gaz o temperaturze rzędu 1000 łączy się z gazem wytworzonym w strefie zgazowania. Ze względu na wysoką temperaturę gazu wylotowego rzędu sprawność gazogeneratorów współprądowych jest niska. Cechuje je ponadto skłonność do szlakowania. Znany jest ponadto z polskiego opisu patentowego wynalazku patent Nr sposób i gazogenerator do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności posiadający wewnątrz komory zgazowania wstępny odgazowywacz paliwa, którego dolna część jest obsadzona we wnętrzu skrzyni gorącego powietrza umieszczonej w leju komory pod skośnym rusztem. Dolny wlot rury wstępnego odgazowywacza jest połączony z podajnikiem paliwa a górny wylot wstępnego odgazowywacza jest usytuowany poniżej wlotu powietrza zasilającego do komory wyposażonego w podgrzewacz. Niedogodnością rozwiązania opisanego w polskim opisie patentowym nr jest konieczność użycia do załadunku komory zgazowującej paliwem, ciśnienia tłoczącego. Istota sposobu zgazowania paliwa o niskiej kaloryczności zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności polega na tym, że po wstępnej ocenie reaktywności paliwa i jego wilgotności znanymi metodami, paliwo wprowadza się górnym wlotem do komory pirolitycznej osadzonej centrycznie w komorze zewnętrznej, w której paliwo poddawane jest suszeniu i pirolizie pod wpływem ciepła dostarczanego przez ścianę komory pirolitycznej a następnie pozostałość procesu pirolizy w postaci złoża stałego zgromadzonego w dolnej części gazogeneratora w przestrzeni nad rusztem szczelinowym, którego wysokość jest kontrolowana i utrzymywana na poziomie zależnym od wilgotności i reaktywności paliwa, zgazowuje się przy pomocy czynnika zgazowującego podawanego pod ruszt szczelinowy w przypadku użycia paliwa o wilgotności większej od 30%, gdy wysokość złoża stałego jest mniejsza od odległości między końcem komory pirolitycznej a dolną krawędzią rusztu szczelinowego a w przypadku zastosowania paliwa o wilgotności mniejszej od 20% czynnik zgazowujący doprowadza się dyszami czynnika zgazowującego, umieszczonymi w ścianie rury komory pirolitycznej na wysokości ustalonej na podstawie pomiaru reaktywności paliwa a następnie do pozostałości w postaci złoża między rusztem szczelinowym a wylotem komory pirolitycznej doprowadza się dodatkowy strumień czynnika zgazowującego poprzez szczeliny rusztu spalając pozostały pierwiastek węgla. Ponadto w przypadku użycia paliwa którego wilgotność jest zawarta w przedziale 20%-30%, czynnik zgazowujący doprowadza się zarówno dyszami czynnika zgazowującego umieszczonymi na ścianie rury komory pirolitycznej jak i pod ruszt szczelinowy, w ilościach proporcjonalnych do wilgotności paliwa i szybkości przebiegu procesu pirolizy. Istota gazogeneratora do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności polega na tym, że komora pirolityczna korzystnie w postaci rury pionowej z wlotem górnym paliwa jest umieszczona centrycznie w komorze zewnętrznej korzystnie w postaci rury pionowej w której wnętrzu poniżej końca rury komory pirolitycznej jest wbudowany osiowo ruszt szczelinowy w kształcie ściętego stożka o kącie nachylenia ściany w stosunku do poziomu od 20 do 80 a dolna część komory zewnętrznej stanowi skrzynię powietrza, ponadto w ścianie komory pirolitycznej umieszczone są dysze czynnika zgazowującego, przy czym wysokość na której usytuowane są dysze czynnika zgazowującego, ich ilość oraz całkowita powierzchnia otworów dysz, zależą od rodzaju oraz granulacji paliwa i są ustalane odrębnymi metodami korzystnie eksperymentalnie.

3 PL B1 3 Zaletą sposobu zgazowania paliwa stałego zwłaszcza biomasy charakteryzującej się dużym rozrzutem zawartości wilgoci jest możliwość jej zgazowania w jednym procesie i w jednym gazogeneratorze po uprzednim dokonaniu oceny reaktywności paliwa i zawartości wilgoci w paliwie, na podstawie których dokonuje się wyboru warunków zgazowania w zależności czy wilgotność paliwa przekracza 30%, jest mniejsza od 20% czy też zawiera się w przedziale 20%-30% wilgotności. Zaletą gazogeneratora według wynalazku jest zapewnienie doprowadzenia dwu czynników zgazowujących na różnych etapach procesu pirolizy oraz podawanie paliwa do górnego wlotu komory pirolitycznej, co znacznie ułatwia załadowanie komory pirolitycznej i wyklucza awarie. Wynalazek został uwidoczniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie gazogenerator zgazowania biomasy o zawartości wilgoci 5-40% a fig. 2 przedstawia przekrój podłużny dolnej części gazogeneratora, uwidaczniający budowę rusztu szczelinowego. Na początku procesu zgazowania według wynalazku dokonuje się oceny reaktywności i wilgotności biomasy, która następnie jest zasypywana ze zbiornika paliwa za pomocą podajnika nie pokazanego na rysunku do wnętrza rury komory pirolitycznej 1 przez wlot górny 2, gdzie ulega suszeniu i pirolizie pod wpływem ciepła dostarczanego przez ścianę komory pirolitycznej 1. Stała pozostałość po reakcji pirolizy tworzy złoże Z zgromadzone w dolnej części gazogeneratora powyżej rusztu szczelinowego 4. Wysokość złoża Z jest kontrolowana w trakcie procesu i utrzymywana na poziomie zależnym od wilgotności i reaktywności biomasy. W przypadku stosowania biomasy o dużej zawartości wilgoci powyżej 30% stwierdzone zostało eksperymentalnie, że najlepsze rezultaty osiąga się, gdy wysokość złoża Z jest mniejsza od odległości h 3 między końcem rury pirolitycznej 1 i dolną krawędzią rusztu szczelinowego 4 a czynnik zgazowujący podawany jest pod ruszt szczelinowy 4. Para wodna wynoszona jest z rury komory pirolitycznej 1 do przestrzeni między ścianami komory pirolitycznej 1 i komory zewnętrznej 3 z pominięciem przepływu przez złoże Z, co zapobiega endotermicznej reakcji pary wodnej z pierwiastkiem węgla zawartym w materiale złoża Z mogącej być przyczyną niekorzystnego obniżenia jego temperatury złoża i zmniejszenia szybkości reakcji zgazowania prowadzącego w konsekwencji do wygaszenia procesu pirolizy i zgazowania. Niskie umieszczenie wylotu dolnego rury komory pirolitycznej 1 nad rusztem szczelinowym 4 zapewnia kierowanie gazu pirolitycznego do strefy wysokiej temperatury panującej nad rusztem szczelinowym 4 zapobiegając tworzeniu się smół wtórnych. Wytworzony gaz palny o wysokiej temperaturze przykładowo 800 C przepływa przez przestrzeń pomiędzy ścianą rury komory pirolitycznej 1 i ścianą rury komory zewnętrznej 3 przekazując ciepło do komory pirolitycznej 1 i jako produkt końcowy jest odbierany króćcem 10 w górnej części gazogeneratora. W przypadku stosowania biomasy o zawartości wilgoci mniejszej od 20% biomasa po załadowaniu komory przez wlot górny 2 wypełnia wnętrze rury komory pirolitycznej 1 a proces zgazowania biomasy polega według wynalazku na doprowadzeniu czynnika zgazowującego do wnętrza rury komory pirolitycznej 1 przez układ dysz czynnika zgazowującego 8 umieszczonych na ścianie rury komory pirolitycznej 1 na wysokości h 2. Złoże biomasy w rurze komory pirolitycznej 1 w części usytuowanej nad dyszami czynnika zgazowującego 8 ogrzewane jest ciepłem gazu palnego wytworzonego w procesie pirolizy i zgazowania, co zapewnia suszenie i pirolizę biomasy. W strefie dysz czynnika zgazowującego 8 na wysokości h 2 komory pirolitycznej 1 zachodzi spalanie smolistych produktów pirolizy z wydzieleniem ditlenku węgla i wody oraz wydzieleniem ciepła reakcji. Stała pozostałość po pirolizie ulega zgazowaniu w wyniku reakcji z ditlenkiem węgla i wodą wewnątrz rury komory pirolitycznej 1 poniżej dysz czynnika zgazowującego 8. Stała pozostałość po reakcji zgazowania zawierająca głównie związki nieograniczone, tworzy złoże żużla Z pomiędzy rusztem szczelinowym 4 a wylotem rury komory pirolitycznej 1. Do złoża Z doprowadza się według wynalazku dodatkowy strumień przykładowo powietrza poprzez szczeliny 11 rusztu szczelinowego 4 zapewniając spalenie pozostałego pierwiastka węgla. W przypadku użycia biomasy, której wilgotność jest zawarta w przedziale 20%-30% czynnik zgazowujący doprowadza się zarówno dyszami czynnika zgazowującego 8 umieszczonymi na ścianie komory pirolitycznej 1 na wysokości h 2 liczonej od dolnej krawędzi rusztu szczelinowego 4, jak i pod ruszt szczelinowy 4, co zapewnia utrzymanie minimalnej temperatury na ruszcie 4, przykładowo 800 C. W trakcie procesu dokonuje się pomiaru temperatury na ruszcie szczelinowym 4 a w przypadku stwierdzenia obniżenia temperatury poniżej 800 C zwiększa się ilość czynnika zgazowującego podawanego pod ruszt szczelinowy 4, co zapewnia właściwa szybkość procesu. Czynnikiem zgazowującym jest powietrze lub mieszanina powietrza i pary wodnej, ewentualnie mieszanina tlenu i pary wodnej w ilości 0,2-0,4 ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa.

4 4 PL B1 Gazogenerator składa się z cylindrycznej komory pirolitycznej 1 w postaci rury, do której od góry przez wlot górny 2 w sposób ciągły zasypywane jest paliwo pobierane ze zbiornika paliwa przy pomocy podajnika, nie pokazanych na rysunku. Według wynalazku komora pirolityczna 1 w postaci rury umieszczona jest koncentrycznie wewnątrz rury, stanowiącej cylindryczną komorę zewnętrzną 3. We wnętrzu rury komory zewnętrznej 3 poniżej końca rury pirolitycznej 1 wbudowany jest osiowo ruszt szczelinowy 4 ze stożkowymi szczelinami 11 jak pokazano na fig. 2. Według wynalazku ustalono eksperymentalnie, że korzystna jest mała odległość między końcem rury pirolitycznej 1 a górną krawędzią rusztu szczelinowego 4 od 100 mm do 300 mm, przykładowo 200 mm, co zapewnia swobodny przepływ gazowych produktów pirolizy z wnętrza rury pirolitycznej 1 do wnętrza rury komory zewnętrznej 3. Według wynalazku ruszt szczelinowy 4 posiada kształt ściętego stożka skierowanego do dołu o kącie nachylenia ściany w stosunku do poziomu od 20 do 80 przykładowo 45 co zapewnia zwiększenie szybkości reakcji między materiałem złoża Z i czynnikiem zgazowującym oraz ułatwia spływ popiołu. Usytuowanie szczelin 11 rusztu szczelinowego 4 w płaszczyźnie ściany stożka zapewnia kierowanie strumienia czynnika zgazowującego równolegle w kierunku osi gazogeneratora. Pod rusztem szczelinowym 4 znajduje się cylindryczna komora odbioru popiołu 5 zamontowana tak, że dolna krawędź rusztu szczelinowego 4 połączona jest z górną krawędzią cylindrycznej komory odbioru popiołu 5. Dolna część komory odbioru popiołu 5 zamocowana jest w wannie zamknięcia wodnego 6 w odległości 50 mm do 200 mm przykładowo 100 mm od dna wanny. Popiół z wanny zamknięcia wodnego 6 usuwany jest mechanicznie na przykład za pomocą przenośnika zgrzebłowego 9. Dolna część komory zewnętrznej 3 poniżej rusztu szczelinowego 4 stanowi skrzynię powietrza 7. Rura komory pirolitycznej 1 wyposażona jest w układ 4-30 dysz czynnika zgazowującego 8 umieszczonych na wysokości h 2 od dolnej krawędzi rusztu szczelinowego 4, wysokość ta jest dobrana eksperymentalnie w zależności od reaktywności paliwa. Przykładowo dla paliwa w postaci zrębków drzew liściastych o średnim wymiarze ziarna do 30 mm wysokość h 2 wynosi 200 mm, ilość dysz wynosi 16, całkowita powierzchnia dysz wynosi 6079 mm 2. Całkowita ilość dysz czynnika zgazowującego 8 i powierzchnia otworów dysz jest dobrana w zależności od rodzaju i granulacji paliwa zapewniając skuteczną penetrację złoża. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności, wykorzystujący zgazowanie wstępne w komorze pirolitycznej ogrzewanej zewnętrznie przy pomocy gazu powstałego w procesie zgazowania w którym czynnik zgazowujący jest przepuszczany przez biomasę współprądowo lub przeciwprądowo, znamienny tym, że dokonuje się wstępnej oceny reaktywności i wilgotności paliwa stałego znanymi metodami po czym wprowadza się paliwo górnym wlotem (2) do komory pirolitycznej (1) usytuowanej pionowo centrycznie w komorze zewnętrznej (3) w której paliwo jest poddawane suszeniu i pirolizie pod wpływem ciepła dostarczonego przez ścianę komory pirolitycznej a następnie pozostałość procesu pirolizy w postaci złoża stałego (Z) zgromadzonego w dolnej części gazogeneratora w przestrzeni nad rusztem szczelinowym (4) którego wysokość jest utrzymywana na poziomie zależnym od wilgotności i reaktywności paliwa, zgazowuje się przy pomocy czynnika zgazowującego podawanego pod ruszt szczelinowy (4) w przypadku użycia paliwa stałego o wilgotności większej od 30%, gdy wysokość złoża stałego (Z) jest mniejsza od odległości (h 3 ) między końcem komory pirolitycznej i dolną krawędzią rusztu szczelinowego (4) a w przypadku użycia paliwa stałego o wilgotności mniejszej niż 20% czynnik zgazowujący doprowadza się dyszami czynnika zgazowującego (8) umieszczonymi w ścianie komory pirolitycznej (1) na wysokości (h 2 ) wysokości komory, ustalonej na podstawie pomiaru reaktywności paliwa a następnie do pozostałości w postaci złoża (Z) umiejscowionego między rusztem szczelinowym (4) a wylotem rury komory pirolitycznej (1) doprowadza się dodatkowy strumień czynnika zgazowującego przez szczeliny (11) rusztu szczelinowego (4) spalając pozostały pierwiastek węgla. Ponadto w przypadku użycia paliwa stałego którego wilgotność jest zawarta w przedziale od 20% do 30% czynnik zgazowujący doprowadza się zarówno dyszami czynnika zgazowującego (8) umieszczonymi na ścianie komory pizolitycznej (1) jaki i pod ruszt szczelinowy (4) w ilościach proporcjonalnych do wilgotności paliwa jak i kontrolowanej szybkości przebiegu procesu. 2. Gazogenerator do zgazowania paliwa stałego o niskiej kaloryczności zwłaszcza biomasy o szerokim spektrum wilgotności, zawierający podajnik paliwa, komorę pirolityczną z rusztem szczelinowym, wstępny odgazowywacz paliwa, skrzynię powietrza dolnego, znamienny tym, że komora

5 PL B1 5 pirolityczna (1) korzystnie w kształcie rury pionowej z wlotem górnym (2) paliwa jest umieszczona centrycznie w komorze zewnętrznej (3) korzystnie w kształcie rury pionowej której dolna część stanowi skrzynię powietrza (7) w której wnętrzu poniżej końca rury komory pirolitycznej (1) jest wbudowany osiowo ruszt szczelinowy (4) w kształcie ściętego stożka o nachyleniu ściany w stosunku do poziomu pod kątem ( ) od 20 do 80, pod którym znajduje się komora odbioru popiołu (5) której dolna część jest zamontowana w wannie zamknięcia wodnego (6) ponadto ściany rury komory pirolitycznej (1) znajdują się dysze czynnika zgazowującego (8) umieszczone na wysokości (h 2 ) od dolnej krawędzi rusztu szczelinowego (4) przy czym ilość dysz czynnika zgazowującego (8) całkowita powierzchnia otworów dysz (8) i wysokość (h 2 ) na której są umiejscowione zależy od rodzaju i granulacji paliwa i jest ustalana osobnymi metodami, korzystnie eksperymentalnie.

6 6 PL B1 Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)