PL B1. SARRÉ PIOTR, Gliwice, PL BUP 06/09. PIOTR SARRÉ, Gliwice, PL WUP 07/11. rzecz. pat.

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. C10J 3/20 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę oraz linia technologiczna do wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę, a także reaktor do prowadzenia procesu odgazowania (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/11 (73) Uprawniony z patentu: SARRÉ PIOTR, Gliwice, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR SARRÉ, Gliwice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Lampart PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę oraz linia technologiczna do stosowania tego sposobu, zawierająca reaktor do prowadzenia procesu odgazowania, stosowane zwłaszcza przy przetwarzaniu odpadów zmieszanych. Znane są od dawna techniki wytwarzania palnych gazów w procesach odgazowania (wytlewania, suchej destylacji) oraz zgazowania materiałów zawierających węgiel nieorganiczny i organiczny a także wodór w postaci związanej. Często używane jest błędnie wspólne określenie tych różnych procesów nazywanych pirolizą lub termolizą. Proces odgazowania polega na poddaniu substancji z zawartością związków organicznych działaniu wysokiej temperatury, w atmosferze beztlenowej, w sposób pośredni przez ogrzewanie przeponowe lub bezpośrednio gorącym gazem. Substancje złożone ulegają rozpadowi na proste lotne związki tworzące gaz wytlewny oraz wydziela się węgiel nieorganiczny wraz z wszystkimi składnikami mineralnymi i metalicznymi. Proces zgazowania polega na poddaniu węgla lub związków organicznych węgla działaniu czynnikiem zgazowującym, najczęściej powietrzem, tlenem, parą wodną względnie mieszanką tych czynników. Proces niepełnego spalania w połączeniu z reakcją Boudouarda i innymi reakcjami chemicznymi prowadzi do powstania gazu zawierającego jako składniki palne zasadniczo tlenek węgla i wodór, a w specyficznych warunkach także metan. Pozostałość stała po zgazowaniu zawiera praktycznie tylko substancje mineralne i metale. Każdy z tych procesów zastosowany dla przetwarzania odpadów ma swoje wady i zalety. Odgazowanie daje gaz zawierający pewien procent wysoko wrzących składników kondensujących przy obniżeniu temperatury gazu i zatykających rurociągi ale za to w procesie tym możliwe jest wiązanie do 95% zawartego chloru i 60% siarki oraz powstaje wielokrotnie mniejsza ilość dioksyn niż w procesie tlenowym. Zgazowanie daje stabilny składem gaz nadający się do celów energetycznych oraz do syntez, ale zgazowanie zmieszanych odpadów prowadzi do wytwarzania znaczących ilości dioksyn wymagających bardzo drogich instalacji doczyszczających. W przemyśle światowym pracuje wielka ilość urządzeń stosujących zarówno odgazowanie jak i zgazowanie. Jest wiele opatentowanych sposobów realizacji tych dwóch procesów. Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr sposób pt. Gazyfikacja biomasy", który polega na przeciwległym, przeciwprądowym przepływie paliwa i mediów gazyfikowanych przez gazogenerator w celu gazyfikacji biomasy. Jest tu możliwość przemiany smoły, zawierającej gaz na gaz palny oraz łatwe kontrolowanie i pomiar temperatury w strefie gazyfikacji. W gazyfikacji używa się produkty palne pochodzące ze spalania węgla albo węglowodorów. Poprzez spalenie produktów pochodzących z węgla i z węglowodorów dostarcza się większą część energii (50% lub więcej) potrzebnej do procesu gazyfikacji. Jednocześnie dla procesu gazyfikacji potrzebna jest mgła wodna, skierowana do spalania węglowodorów i węgla, która może być dostarczona poprzez wtryskiwanie wody do gazyfikowanych mediów. Woda odparowuje i przed osiągnięciem strefy gazyfikacyjnej wytwarza się przegrzana para. Przy tym systemie gazyfikacji jest dość łatwo kontrolować temperaturę gazyfikacji. W jednym z rozwiązań gazyfikowane media użyte w procesie to również produkty spalania pochodzące ze spalania smoły, która jest skondensowana, wydzielona z gazu. Poprzez spalanie produktów pochodzących ze smoły, dostarcza się główną część energii potrzebnej do podtrzymywania procesu gazyfikacji. Jako media gazyfikowane mogą być także użyte produkty spalania pochodzące ze spalania węgla i węglowodorów w istniejących kotłach elektrowni i ciepłowni. Sposób ten może być użyty jako dopalenie w w/w zakładach, a związki chloru jako bardzo korozyjne winny być usuwane wraz z popiołem z gazogeneratora. Znany jest ze zgłoszenia polskiego opisu patentowego nr sposób zgazowania biomasy odpadów lub paliw w połączeniu ze spalaniem lub innymi procesami egzotermicznymi, w którym jako ciepło potrzebne do reakcji zgazowania biomasy lub odpadów wykorzystuje się ciepło pochodzące z innych procesów egzotermicznych, korzystnie ze spalania, a proces zgazowania prowadzi się przy minimalnym lub zerowym udziale utleniacza doprowadzając do zgazowania oprócz zgazowywanej substancji parę wodną lub wodę ciekłą. Znana jest linia technologiczna Thide, opublikowana pod adresem zrealizowana praktycznie, która zwiera blok suszenia, rozdrabniania i sortowania połączony z układem podawania, a ten z kolei z reaktorem odgazowania. Reaktor odgazowania połączony jest z komorą spalania

3 PL B1 3 powstającego gazu oraz z układem czyszczenia, sortowania i granulowania karbonizatu, przy czym gaz po spaleniu poddawany jest procesowi oczyszczania. Znana jest także linia technologiczna realnie pracująca w Mullpyrolyseanlage w Burgau w Barwarii, która składa się z następujących elementów. Bloku rozdrabniania i dozowania odpadów połączonego z reaktorem odgazowania (znanym z patentu DE ), z którego gazy spalane są w ceramicznej komorze, a karbonizat jest schładzany i oddzielany magnetycznie od części metalowych, natomiast spaliny z komory spalania poddawane są oczyszczeniu i wykorzystaniu w kotle energetycznym. Część spalin wykorzystywana jest do podgrzewania reaktora odgazowywania. Znany jest z europejskiego opisu patentowego EP i równocześnie z polskiego opisu patentowego nr piec obrotowy, który posiada napędzany obrotowy bęben, podparty w pozycji leżącej na podstawie pieca, który od strony załadunku i wyładunku jest zamknięty czołowymi płytami, tworzącymi centralnie usytuowane otwory, załadowczy i wyładowczy i który jest ogrzewany od zewnątrz za pomocą otaczającej płaszcz bębna komory grzejnej, zasilanej medium grzejnym. Bęben pieca składa się z rozmieszczonych na obwodzie jeden obok drugiego profili U, które swoją otwartą stroną są skierowane promieniowo do wewnątrz i są połączone ze sobą na długości stykających się ze sobą końcowych obszarów ramion profili U, a na obwodzie są połączone ze sobą za pomocą części usztywniających, rozstawionych w odstępach w kierunku osiowym i przerzuconych nad wzdłużnymi szczelinami, utworzonymi między środnikami profili. Podstawowym problemem opisanych wyżej technologii jest potrzeba uzyskania dostatecznie bezpiecznej pracy ze zmieszanymi odpadami komunalnymi i komunalno-podobnymi. Dotychczas stosowane instalacje i metody prowadziły do powstawania dużych ilości uciążliwych odpadowych produktów ubocznych. Wymienione wcześniej linie technologiczne charakteryzują się także dość znacznymi stratami potencjału energetycznego odpadów. Istota sposobu według wynalazku charakteryzuje się tym, że wilgotność odpadów poddawanych przetwarzaniu stabilizuje się do określonego poziomu technologicznego odpowiadającego ilości węgla i wodoru w tych odpadach oraz rodzajowi ich związków, a następnie po etapie odgazowania odpadów gaz wytlewny jest nośnikiem pary wodnej do procesu zgazowania parowo-tlenowego oraz nośnikiem części potrzebnej energii. Karbonizat z procesu odgazowania oddziela się na gorąco od metali i podaje się do zgazowania. Zgazowanie odbywa się w układzie współprądowym w urządzeniu obrotowym dwustopniowym, lub wielostopniowym, a temperatura gazu na wylocie utrzymywana jest poniżej 840 C. Popioły ze zgazowania poddaje się stapianiu w oddzielnym piecu wraz z pyłami z odpylania gazu wytlewnego i częścią szlamów wydzielanych w skruberze wodnym oczyszczania spalin, a następnie granuluje się szokowym schłodzeniem. Natomiast azot resztkowy z wytwórni tlenu używa się do wytwarzania beztlenowej atmosfery ochronnej w procesie odgazowania. Linia technologiczna do wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę zawiera suszarnię, która łączy się z układem nadawy, w której atmosfera ochronna wytwarzana jest przez resztkowy azot z wytwórni tlenu. Następnie odpowiednio wilgotne odpady podaje się do reaktora odgazowania. Gaz będący produktem odgazowania poprzez gorący odpylacz podawany jest do reaktora zgazowania, a drugi produkt odgazowania - karbonizat, odsiewany jest na gorąco i podawany jest także do reaktora zgazowania. Do reaktora zgazowania podawany jest tlen z tlenowni. Popiół z reaktora zgazowania podawany jest do pieca topielniczego wraz z pyłami z gorącego odpylacza i szlamami ze skruberów. Po stopieniu podawany jest do granulacji. Spaliny z pieca topielniczego łączone są ze spalinami z reaktora odgazowania, schładzane w rekuperatorze i oczyszczane w skruberach. Ciepło z rekuperacji spalin podawane jest na suszarkę szlamów i suszarkę surowych odpadów. Istotą reaktora odgazowania według wynalazku jest kształt przekroju poprzecznego obrotowego bębna wytlewnego, który składa się z elementów o profilu krzywych gładkich, korzystnie cykloidy. W opisanym sposobie, linii technologicznej i reaktorze odgazowania według wynalazku wykorzystanie potencjału energetycznego odpadów jest nie mniejsze niż 80%, emisja dioksyn jest zdecydowanie poniżej norm dopuszczalnych, rzędu kilku procent normy, a odpady wtórne do ostatecznego deponowania są na poziomie od 1,5 do 3,5% masy wejściowej odpadów. Natomiast konstrukcja reaktora odgazowania umożliwia znacznie większą efektywność cieplną procesu odgazowania, która ma wpływ na wyższą sprawność następnych etapów technologicznych oraz zapewnia samooczyszczanie powierzchni wewnętrznych. Odpowiednio przygotowane przez odsianie i rozdrobnienie nadziarna odpady organiczne z magazynu 1 podawane są do urządzenia suszącego 2, w którym z wykorzystaniem ciepła resztkowego

4 4 PL B1 z instalacji i ewentualnie ciepła ze spalenia części wytwarzanego gazu regulowana jest zawartość wilgoci do poziomu istotnego technologicznie, skorelowanego z ilością zawartego w odpadach węgla i wodoru oraz rodzajem ich związków. Odpady przez system szczelnych śluz nadawy 3 przedmuchiwanych azotem, będącym produktem ubocznym z produkcji tlenu 4, podajnikami zagęszczającymi w nadawie 3, wraz z addytywami (głównie tlenkiem wapnia) wprowadzane są do reaktora odgazowania 5. W reaktorze odgazowania 5, o specyficznym kształcie przekroju złożonym z elementów o profilu z krzywych gładkich, korzystnie cykloidy, odpady ogrzewane są przeponowo do temperatury nie przekraczającej 600 C z wykorzystaniem części produkowanego gazu. Powstający gaz wytlewny odpylany jest na gorąco w gorącym odpylaczu 6 i kierowany jest do reaktora zgazowania 7. Wytwarzany karbonizat zawierający oczyszczone z powłok organicznych elementy metalowe oraz składniki mineralne, jako materiał drobny odsiewany jest na gorąco w odsiewaczu 8 i kierowany do zgazowania. Wydzielone metale stanowiące nadziarno po ochłodzeniu separowane są w znany sposób na metale żelazne i kolorowe. W dwustopniowym lub wielostopniowym reaktorze zgazowania 7 następuje współprądowe zgazowanie karbonizatu przy wykorzystaniu produkowanego tlenu i pary wodnej wnoszonej przez gaz wytlewny. Gaz wytlewny ulega w tych warunkach reformingowi. Temperatura końcowa w reaktorze zgazowania ustalana jest dla danych mieszanek odpadów na poziomie gwarantującym trwałość związanych mineralnie pierwiastków kwasotwórczych i zablokowanie migracji substancji alkalicznych do urządzeń energetycznych korzystnie do 840 C. Gaz po reaktorze 7 poddawany jest schłodzeniu w rekuperatorze 9 do temperatury wymaganej przez technologię jego wykorzystania, i odpylany. Popiół z reaktora 7 łączony jest z pyłami z odpylania gazu wytlewnego 6 i wysuszonymi szlamami ze skruberów oczyszczania spalin 10 i stapiany w odpowiednim piecu 11 w temperaturze płomienia 1500 C. W tych warunkach resztki węgla ulegają pełnemu spaleniu, a powstająca ciekła faza mineralna podawana jest szokowemu schłodzeniu z rozpadem na drobnej granulacji, niewymywalne szkliwo w urządzeniu 12. Spaliny z pieca i z ogrzewania destylatora są schładzane w rekuperatorze 9 i poddawane oczyszczeniu w skruberach 10, przy czym pierwszym stopniem jest skruber wodny, a drugim alkaliczny. W skruberze wodnym wychwytywane są lotne związki metali ciężkich, szczególnie ich postacie tlenkowe. Szlamy te po osuszeniu w suszarce 13 zawracane są częściowo do pieca topienia popiołów 11 dla wbudowywania w tworzące się tam szkliwo. Powstające nadmiarowe ilości związków metali ciężkich nie poddające się wbudowaniu w szkliwo są matrycowane w polimerze siarkowym. Składniki kwaśne usuwane są w skruberze alkalicznym 10 a produktem jest gips wolny od metali ciężkich. Produktem finalnym linii technologiczne jest gaz niosący co najmniej 80% entalpii chemicznej odpadów poddawanych przetworzeniu. Przykład linii technologicznej i przekroju reaktora odgazowania według wynalazku uwidoczniono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy linii technologicznej, a fig. 2 ukazuje przekrój poprzeczny reaktora odgazowania. Magazyn 1 połączony jest urządzeniem suszącym 2. Nadawę 3 przedmuchiwaną azotem z tlenowni 4 łączy się z reaktorem odgazowania 5. Reaktor odgazowania 5 poprzez gorący odpylacz 6 i odsiewacz 8 połączony jest z reaktorem zgazowania 7. Reaktor odgazowania 5 połączony jest także na ciągu spalinowym z rekuperatorem 9. Reaktor zgazowania 7 połączony jest na ciągu gazowym z reaktorem odgazowania 5 oraz odbiorcą finalnego produktu i z piecem topielniczym 11. Piec topielniczy 11 połączony jest poprzez rekuperator 9 na strumieniu spalin ze skruberami 10 oraz z granulatorem 12. Rekuperator 9 połączony jest z suszarką 13 oraz z suszarnią 2. Tlenownia 4 połączona jest z reaktorem 7 oraz piecem 11. Reaktor odgazowania według wynalazku posiada kształt przekroju poprzecznego obrotowego bębna wytlewnego, który składa się z elementów 14 o profilu krzywych gładkich, korzystnie cykloidy. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę w procesie zgazowania i/lub odgazowania tychże odpadów z uprzednim ich wysuszeniem, a także z topieniem substancji mineralnych i oczyszczaniem powstałych produktów gazowych, znamienny tym, że wilgotność odpadów poddawanych przetwarzaniu stabilizuje się do określonego poziomu technologicznego odpowiadającego ilości węgla i wodoru w tych odpadach oraz rodzajowi ich związków, a następnie po etapie odgazowania odpadów gaz wytlewny używa się jako nośnik pary wodnej do procesu zgazowania parowo-tlenowego oraz nośnik części potrzebnej energii, natomiast

5 PL B1 5 karbonizat z procesu odgazowania oddziela się na gorąco od metali i podaje się do zgazowania, przy czym zgazowanie odbywa się w układzie współprądowym w urządzeniu obrotowym dwustopniowym, lub wielostopniowym, a temperatura gazu na wylocie utrzymywana jest poniżej 840 C, natomiast popioły ze zgazowania poddaje się stapianiu w oddzielnym piecu wraz z pyłami z odpylania gazu wytlewnego i częścią szlamów wydzielanych w skruberze wodnym oczyszczania spalin, a następnie granuluje się szokowym schłodzeniem, dodatkowo azot resztkowy z wytwórni tlenu używa się do wytwarzania beztlenowej atmosfery ochronnej w procesie odgazowania. 2. Linia technologiczna do wytwarzania paliwa gazowego z odpadów zawierających związki organiczne i biomasę, która zawiera suszarnię połączoną z układem nadawy, w której atmosfera ochronna wytwarzana jest przez resztkowy azot z wytwórni tlenu, a układ nadawy połączony jest z reaktorem odgazowania, który połączony jest z reaktorem zgazowania, a ten z piecem topielniczym, a popiół z reaktora zgazowania podawany jest do pieca topielniczego wraz z pyłami z gorącego odpylacza i szlamami ze skruberów i po stopieniu podawany jest do granulacji, natomiast spaliny z pieca topielniczego łączone są ze spalinami z reaktora odgazowania, schładzane w rekuperatorze i oczyszczane w skruberach, znamienna tym, że gaz z reaktora odgazowania (5) poprzez gorący odpylacz (6) podawany jest do reaktora zgazowania (7), a drugi produkt odgazowania - karbonizat, odsiewany jest na gorąco na odsiewaczu (8) i podawany także do reaktora zgazowania (7), przy czym do reaktora zgazowania podawany jest tlen z tlenowni (4), natomiast popiół z reaktora zgazowania (7) podawany jest do pieca topielniczego (11) wraz z pyłami z gorącego odpylacza (6) i szlamami ze skruberów (10), przy czym ciepło z rekuperacji spalin podawane jest na suszarkę szlamów (13) i suszarkę surowych odpadów (2). 3. Reaktor do prowadzenia procesu odgazowania, znamienny tym, że kształt przekroju poprzecznego obrotowego bębna wytlewnego składa się z elementów (14) o profilu krzywych gładkich, korzystnie cykloidy.

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)