(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl.6: C10 B 1/10 Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: F27B 7/20 Rzeczypospolitej Polskiej C1 (54) Piec do obróbki cieplnej materiałów stałych, zwłaszcza odpadów (30) Pierwszeństwo: ,FR,94/06660 (73) Uprawniony z patentu: INSTITUT FRANCAIS DU PETROLE, Rueil-Malmaison, FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/95 (72) Twórcy wynalazku: Gerard Martin, Rueil-Malmaison, FR Erie Marty, Rueil-Malmaison, FR (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/00 (74) Pełnomocnik: Karcz Katarzyna, PATPOL Spółka z o.o. PL B1 (57) 1. Piec do obróbki cieplnej materiałów stałych, zwłaszcza odpadów, zawierający człon obrotowy, w którym krążą materiały stałe, zespół grzewczy do ogrzewania materiałów stałych, umieszczony wzdłużnie w piecu, oraz urządzenie popychające materiały stałe do zespołu grzewczego i wzdłuż przestrzeni między zespołem grzewczym a członem obrotowym, znamienny tym, że zespół grzewczy (9) zawiera nieruchomy układ grzewczych rur (20), rozmieszczonych współosiowo wewnątrz członu obrotowego (1). Fig. 1

2 Piec do obróbki cieplnej materiałów stałych, zwłaszcza odpadów Zastrzeżenia patentowe 1. Piec do obróbki cieplnej materiałów stałych, zwłaszcza odpadów, zawierający człon obrotowy, w którym krążą materiały stałe, zespół grzewczy do ogrzewania materiałów stałych, umieszczony wzdłużnie w piecu, oraz urządzenie popychające materiały stałe do zespołu grzewczego i wzdłuż przestrzeni między zespołem grzewczym a członem obrotowym, znamienny tym, że zespół grzewczy (9) zawiera nieruchomy układ grzewczych rur (20), rozmieszczonych współosiowo wewnątrz członu obrotowego (1). 2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół grzewczy (9) zawiera wiele grzewczych rur (20), mających co najmniej jedno odgałęzienie równoległe do podłużnej osi układu rur, przy czym rury grzewcze (20) połączone są za pomocą ścianek (21), w układ rur o kształcie ogólnie cylindrycznym. 3. Piec według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że grzewcze rury (20) zawierają płynny nośnik ciepła krążący w tych rurach w przynajmniej jednym z dwóch kierunków, przy czym kierunkami tymi są kierunek zgodny z kierunkiem przemieszczania się materiałów stałych w piecu i kierunku do niego przeciwny. 4. Piec według zastrz. 2, znamienny tym, że każda grzewcza rura (20) zaopatrzona jest w niezależny zespół zasilający. 5. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że obrotowy człon (1) połączony jest za pomocą obrotowego, szczelnego łącza (6) z nieruchomą częścią (5), która zawiera wyjście (7) dla gazów powstałych w obrotowym członie (1) oraz wyjście (8) dla materiałów stałych, będących produktem obróbki cieplnej, przy czym nieruchoma cześć (5), położona jest prostopadle do podłużnej osi układu rur (20). 6. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół grzewczy (9) ma kształt ogólnie cylindryczny, przy czym elementy grzewcze zawierają wiele oporników elektrycznych. 7. Piec według zastrz. 5, znamienny tym, że w pobliżu połączenia nieruchomej części (5) z członem obrotowym (1), część układu grzewczych rur (20) otoczona jest izolującym materiałem (14). * * * Przedmiotem wynalazku jest piec do obróbki cieplnej (pirolizy) materiałów stałych, zwłaszcza odpadów wszystkich rodzajów. Omawiane piece są zazwyczaj cylindryczne i obracają się wokół swej osi symetrii. Ciepło niezbędne do pirolizy może być uzyskiwane z materiałów stałych lub gazów, kontaktujących się lub nie z przetwarzanymi materiałami stałymi. W zgłoszeniu patentowym nr FR przedstawiono piec do pirolizy, w którym ogrzewanie może być realizowane na zewnątrz pieca przez palniki zasilane gazem z pirolizy; w innym wariancie wykonania ciepłonośne materiały stałe wchodzą w kontakt z odpadami przeznaczonymi do pirolizy wewnątrz pieca. Wówczas potrzebny jest dodatkowy reaktor do podgrzewania ciepłonośnych materiałów stałych. Ten typ urządzenia ma skomplikowaną konstrukcję i pobiera znaczne ilości energii. Ponadto, liczne połączenia sprawiają, że całe urządzenie jest kosztowne, mniej niezawodne i ma mniejszą sprawność termiczną. Sposobem na rozwiązanie części tych problemów jest zaproponowanie pieca o bardziej zwartej postaci. Dokument DE opisuje zwarty piec obrotowy, w którym przetwarzane odpady przechodzą stopniowo przez pierwszy człon, a następnie przez obrotowy pierścień obracający się współosiowo wewnątrz członu. Odpady są podgrzewane przez gazy ciepłonośne

3 krążące wokół członów. Obrotowa osłona zewnętrzna ogranicza strefę ogrzewania. Pomimo, że taki piec umożliwia, głównie dzięki swej zwartości, zwiększenie sprawności termicznej, urządzenie takie ma w dalszym ciągu złożoną strukturę szczególnie jeśli chodzi o kształt cylindrów. Ponadto w związku z tym, że zespół do ogrzewania i zespół do odprowadzania spalin nie są zamocowane, powstaje ryzyko wystąpienia problemów w zakresie połączeń, zaś wskutek tego, że nacieplejsza strefa jest umieszczona na obrzeżach, nieuniknione są duże straty ciepła. Urządzenie tego typu, tak jest większość znanych pieców obrotowych, jest określane jako piec obrotowy z pośrednim ogrzewaniem zewnętrznym. W opisie patentowym US-A opisano piec do destylacji węgla i innych substancji, zawierający wewnętrzny obrotowy człon, którego zespół grzewczy stanowi jego podwójna ścianka, wewnątrz której krąży nośnik ciepła. W opisie patentowym EP-A przedstawiono rozwiązanie obrotowego pieca do przeprowadzania reakcji chemicznych, obejmującego obrotowy bęben ze środkami grzewczymi otaczającymi go od zewnątrz. Piec do obróbki cieplnej materiałów stałych, zwłaszcza odpadów, zawierający człon obrotowy, w którym krążą materiały stałe, zespół grzewczy do ogrzewania materiałów stałych, umieszczony wzdłużnie w piecu, oraz urządzenie popychające materiały stałe do zespołu grzewczego i wzdłuż przestrzeni między zespołem grzewczym a członem obrotowym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zespół grzewczy zawiera nieruchomy układ grzewczych rur, rozmieszczonych współosiowo wewnątrz członu obrotowego. Korzystnie zespół grzewczy zawiera wiele rur grzewczych, mających co najmniej jedno odgałęzienie równoległe do podłużnej osi układu rur, przy czym rury grzewcze połączone są, za pomocą ścianek, w układ rur o kształcie ogólnie cylindrycznym. Również korzystnie rury grzewcze zawierają płynny nośnik ciepła, krążący w tych rurach w przynajmniej jednym z dwóch kierunków, przy czym kierunkami tymi są kierunek zgodny z kierunkiem przemieszczania się materiałów stałych w piecu i kierunek do niego przeciwny, zaś każda rura grzewcza zaopatrzona jest w niezależny zespół zasilający. Również korzystnie, obrotowy człon połączony jest za pomocą obrotowego, szczelnego łącza z nieruchomą częścią, która zawiera wyjście dla gazów powstałych w obrotowym członie oraz wyjście dla materiałów stałych, będących produktem obróbki cieplnej, przy czym nieruchoma część, położona jest prostopadle do podłużnej osi układu rur. Zespół grzewczy może mieć kształt ogólnie cylindryczny, elementy grzewcze korzystnie zawierają wiele oporników elektrycznych, zaś w pobliżu połączenia nieruchomej części z członem obrotowym, część układu grzewczych rur korzystnie otoczona jest materiałem izolującym. W przypadku pieca według wynalazku unika się problemów związanych z powstawaniem zatorów przy obróbce materiałów stałych o dużych rozmiarach, które jeszcze nie zostały rozłożone termicznie; ryzyko ich zaczepiania się prawie nie istnieje i jest wyraźnie zmniejszone w porównaniu ze znanymi urządzeniami. W końcu, sprawność termiczna jest wyraźnie większa dzięki wyjątkowo dużej zawartości pieca według wynalazku oraz dzięki temu, że najwyższe temperatury są wytwarzane dokładnie w środku pieca. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia uproszczony przekrój podłużny pieca według wynalazku; fig. 2 - przekrój poprzeczny pieca z fig. 1 wzdłuż linii A-A. Piec typu przedstawionego na fig. 1 zawiera obrotowy człon 1 o poziomej lub nieznacznie pochylonej osi, w zależności od stanu i natężenia przepływu materiału stałego. Obrotowy człon jest zamontowany na przykład na krążkach 2, które są zamocowane na podstawie 3, wspierającej cały piec. Wspomniany obrotowy człon 1 jest wyposażony w zestaw 4, który obraca się z prędkością najkorzystniej z przedziału 0,1-20 obrotów na minutę. Człon 1 jest połączony z zamocowaną nieruchomą częścią 5 za pośrednictwem łącza 6, które zapewnia całkowitą szczelność pomiędzy wnętrzem pieca i otoczeniem zewnętrznym.

4 Łącze 6 może być znanym złączem obrotowym. Wspomniana nieruchomo zamocowana część 5 posiada wyjście 7 dla gazów wyprodukowanych w obrotowym członie 1, oraz wyjście 8 dla materiałów stałych będących produktem obróbki. Ta zamocowana nieruchomo część 5 wspiera również zamocowany nieruchomo zespół grzewczy 9 o kształcie zasadniczo cylindrycznym, posiadający kraniec lub wyjście 9a. Korzystne jest, gdy zespół grzewczy 9 rozciąga się na prawie całej długości członu 1. Zespół grzewczy 9 służy do ogrzewania wewnątrz pieca i do kanalizowania odpadów aż do krańca obrotowego członu 1, przeciwległego do krańca, do którego wprowadzane są odpady do obróbki. Odpady są wprowadzane z zasobnika lub z dowolnego innego zespołu pełniącego rolę pojemnika 10. Odpady wprowadzane są do pieca w kontrolowanych porcjach dzięki urządzeniu popychającemu 11, takiemu jak pokazano na fig. 1, lub dzięki dowolnemu innemu odpowiedniemu urządzeniu (jak na przykład śruba ślimakowa). Przenoszenie z zasobnika w stronę pieca odbywa się w przewodzie 12, w którym odpady s ą mniej lub bardziej ścieśniane, jeśli na wstępie miały postać bardziej rozprzestrzenioną. Odpady przesuwają się w zespole grzewczym 9 zgodnie z przepływem tłoczenia w postaci mniej lub bardziej zwartej, będąc jednocześnie wstępnie podgrzewanymi. Na końcu 9a zespołu grzewczego 9, odpady opadają dzięki grawitacji do obrotowego członu 1 i stopniowo przesuwają w kierunku wzdłużnym w stronę wyjścia 8. Odpady odbywają więc wewnątrz pieca drogę tam i z powrotem. Jak pokazano na fig. 2, zespół grzewczy 9 może stanowić zestaw rur grzewczych 20 połączonych między sobą przez ścianki 21, zapewniające ciągłość formy całego zespołu. Korzystne jest, gdy rury grzewcze są zgrupowane po dwie, cztery, sześć, itd., w postaci odgałęzień, w których krąży nośnik ciepła lub w których zachodzi spalanie. Te odgałęzienia połączone są z kolektorem 13 zamocowanym na nieruchomej części 5 lub w pobliżu tej części 5. Kolektor 13 posiada strefę 13a do zasilania odpowiednim nośnikiem ciepła lub materiałem palnym, oraz strefę 13b, której zadaniem jest odprowadzanie ochłodzonego nośnika lub spalin. W żadnym wypadku nie dochodzi do kontaktu pomiędzy nośnikiem ciepła lub spalinami użytymi do ogrzewania rur 20 i gazami zawartymi w obrotowym członie 1 i nieruchomej części 5. W przypadku pokazanym na fig. 2, zespół grzewczy 9 utworzony jest z prostych odgałęzień w postaci dwóch typów rur 20: rury typu 22, w których nośnik ciepła krąży w kierunku przesuwania się odpadów wewnątrz zespołu 9, oraz rury typu 23 umieszczone między rurami 22, w których nośnik krąży w kierunku przeciwnym do kierunku przesuwania się odpadów. Rury mogą być ogrzewane na przykład przez spalanie gazów palnych. Paliwo gazowe może stanowić gaz ziemny lub również gaz powstały w wyniku obróbki termicznej odpadów, przy czym gaz jest odpowiednio przetworzony w celu usunięcia ciekłych pozostałości pirolizy i cząstek stałych, które mogłyby być powodem niepożądanych zjawisk. Niniejszy opis nie jest ograniczający, tak więc na przykład zespół grzewczy 9 może być również utworzony z zasadniczo cylindrycznej rury wyposażonej w zespoły do ogrzewania elektrycznego, jak na przykład przewody oporowe nawinięte w spiralnie wokół lub wewnątrz wspomnianej rury, z wyprowadzonymi na zewnątrz końcówkami podłączanymi do układu zasilania. Piec według niniejszego wynalazku jest przeznaczony do obróbki termicznej odpadów najkorzystniej w temperaturze pomiędzy 50 i 900 C, przy czym temperatura końcowa produktów na wyjściu z pieca najkorzystniej wynosi od 400 do 600 C. Temperatury w zespole grzewczym 9 wynoszą od 100 do 2000 C, a najkorzystniej od 600 do 1000 C. Rury 20, 22 zapewniają pierwsze ogrzewanie (lub podgrzewanie wstępne) odpadów za pośrednictwem wewnętrznej powierzchni zespołu 9, podczas przesuwania się odpadów w jego wnętrzu. Ciepło dostarczane jest nadal do odpadów po opuszczeniu przez nie zespołu 9, za pośrednictwem powierzchni zewnętrznej zespołu 9. Ogrzewanie odpadów jest wówczas realizowane przez powierzchnię zewnętrzną zespołu 9, która emituje energię w postaci ciepła poprzez promieniowanie, bądź bezpośrednio do odpadów, bądź do ścianki wewnętrznej członu 1, która następnie emituje ją do odpadów. Część powierzchni wewnętrznej lub powierzchni zewnętrznej może być zasłonięta materiałem izolacyjnym 14, jak pokazano na fig. 1, w celu kontrolowania i ograniczania ilości ciepła dostarczanego we wszystkich punktach układu.

5 W piecu według wynalazku zakłada się stosowanie jako nośnika energii ciepłych płynów lub odpowiedniego paliwa, takiego jak gaz ziemny lub gaz z pirolizy oczyszczony z ciekłych pozostałości pirolizy i innych cząstek. Nośnikiem ciepła może być na przykład podgrzane powietrze w temperaturze C, w palniku który spala gazy z pirolizy. Z powyższego opisu przykładu realizacji wynalazku wynikają jego zalety w porównaniu ze znanymi piecami, zawierającymi obrotowy człon ogrzewany z zewnątrz przez palniki lub nośnik ciepła, które otaczają ten obrotowy człon. W szczególności: - brak zewnętrznych zespołów do ogrzewania zmniejsza koszty inwestycji i w pewnym stopniu zmniejsza utratę ciepła z przynajmniej dwóch powodów: najgorętsze punkty znajdują się w środku urządzenia, a nie na jego końcach, a zewnętrzna powierzchnia części gorących jest znacznie zmniejszona przy jednoczesnym usunięciu osłony otaczającej obrotowy człon; - piec według wynalazku umożliwia bardzo wyraźny wzrost wydajności energetycznej ponieważ, z jednej strony, straty ciepła są istotnie zmniejszone, a z drugiej strony spaliny i nośnik ciepła używane do ogrzewania, są dokładnie skanalizowane i mogą zostać bez problemu użyte w innym etapie całego procesu, podczas gdy w systemach klasycznych rozproszenie spalin na wyjściu zmniejszało możliwość optymalnego wykorzystania zawartości energetycznej odpadów; - poza tym, zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość kontrolowania i modulowania ogrzewania obrotowego członu, w przypadku niezależnego zasilania poszczególnych rur tworzących zespół grzewczy; - piec według wynalazku posiada mniejszą inercję termiczną w związku z czym umożliwia szybszy rozruch i zwiększa warunki bezpieczeństwa w przypadkach nagłego zatrzymania na przykład, podczas gdy klasyczny piec powinien być zatrzymywany błyskawicznie w razie wypadku w piecu do spalań gazu pirolizy, cała energia zgromadzona w materiale ogniotrwałym powoduje, że obrotowy człon jest w dalszym ciągu ogrzewany, stąd piroliza w dalszym ciągu zachodzi i jej produktem są gazy, które nie mogą być spalone i mogą w związku z tym spowodować eksplozję; według wynalazku, zespół grzewczy ma o wiele mniejszą inercję i zatrzymanie doprowadzania nośnika ciepła lub paliwa gazowego odbywa się w sposób natychmiastowy, przez co proces pirolizy może być zatrzymany w dużo krótszym czasie; - wynalazek oferuje uproszczenie koncepcji i konstrukcji pieca, gdyż, dla zadanej mocy, wielkość obrotowego członu jest mniej sza niż dla pieca klasycznego; z drugiej strony, zamiast dwóch uszczelnień wystarczy zapewnić tylko jedno przez co problem rozpraszania energii cieplnej upraszcza się, obrotowy człon jest połączony z tylko jednym punktem mocowania, podczas gdy montowanie znanych członów obrotowych wymagało zazwyczaj dwóch punktów mocowania.

6 FIG.1 FIG.2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.