PL B1. DUDYŃSKI MAREK, Warszawa, PL BUP 25/09. MAREK DUDYŃSKI, Warszawa, PL WUP 01/13 RZECZPOSPOLITA POLSKA

Transkrypt

1 PL B1 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 i urządzenie do zgazowania odpadów organicznych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 25/09 (73) Uprawniony z patentu: DUDYŃSKI MAREK, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/13 (72) Twórca(y) wynalazku: MAREK DUDYŃSKI, Warszawa, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do zgazowania odpadów organicznych na drodze niepełnego spalania, a następnie dopalania powstałego węgla organicznego. Układy do zagospodarowania, zgodnie z wymogami przepisów ochrony środowiska, odpadów z przemysłu drzewnego i rolnictwa oraz z produkcji i przetwórstwa zbóż pojawiają się często w literaturze i w publikacjach patentowych: i tak patent PL nr (Dudyński) przedstawia sposób i urządzenie do zgazowania drewna i energetycznego wykorzystania powstałego gazu, US Patent nr (Sunter, Neufeld, Wiles) przedstawia sposób i urządzenie do transformacji odpadów roślinnych z produkcji leśnej i rolnej w gaz i wykorzystania powstałego gazu zarówno do celów energetycznych jak i generacji prądu, lub wykorzystania jako zamiennik gazu naturalnego, w przypadku niemieckiego patentu DE nr (Frohlich i Kleineidam) system gazyfikacji wymaga wstępnego suszenia materiału w celu uzyskanie właściwej wydajności, a opisane US Patent nr urządzenie wymaga peletyzacji paliwa (w tym suszenia do poniżej 12% wilgotności) dla utrzymania właściwych parametrów procesu. Przedstawiona poniżej konstrukcja i proces pozwalający na generację z biomasy lub innych odpadów zawierających związki wodoru i węgla, gazu o niskiej zawartości substancji smolistych i wysokiej zawartości wodoru i tlenku węgla, ma ona zastosowanie zarówno do wytwarzania ciepła, pary wysokoprężnej do wykorzystania w turbinach prądotwórczych, jak i po właściwym oczyszczeniu, energii elektrycznej bezpośrednio poprzez spalenie tego gazu w silnikach prądotwórczych. Od różnych opisanych powyżej konstrukcji i procesów opisanych w literaturze i zgłoszeniach patentowych przedstawione w niniejszej pracy rozwiązanie różni się tym, że pozwala wytwarzać w komorze zgazowania strefy o określonych przedziałach temperaturowych, których ilość i zakres przestrzenny można zmieniać dzięki zastosowaniu układu wielopunktowego i wielostrefowego dozowania gazów reakcyjnych i sterowaniu procesem dozowania powietrza lub tlenu i pary wodnej w czasie rzeczywistym, a wybrane zakresy temperaturowe w strefach są tak wysokie, aby powstające węglowodory złożone rozpadały się do prostych i w rezultacie procesu otrzymywać gaz, w którym zawartość części palnych wynosi powyżej 35%, a zawartość wodoru można utrzymywać na poziomie co najmniej 12%. Istotą procesu jest kontrolowane środowisko reakcji niepełnego spalania pozwalające na dopasowanie lokalnie temperatur i geometrii złoża na różnych poziomach do warunków równowagi Boudouarda przy zachowaniu warunku niedomiaru powietrza i nadmiaru węgla w trakcie trwania procesu. Wysokie temperatury procesu zgazowania i wysoka dynamika konwersji pozwalają na obniżenie zawartości substancji smolistych i w szczególności w działających instalacjach tego typu wykorzystywanych do zgazowania odpadów drewna, zawartość substancji smolistych w gazie palnym można obniżyć do 2 g/m 3 gazu, oznacza to niemal pięćdziesięciokrotną redukcję zawartości smół w stosunku do gazu z klasycznego niskotemperaturowego procesu zgazowania drewna. Sposób zgodnie z wynalazkiem polega na tym, że odpady organiczne, którym mogą być odpady drewna, korka, kory, płyt wiórowych, płyt pilśniowych, skór surowych i garbowanych, odpadów mięsnych, mączek kostno-mięsnych, tłuszczy zwierzęcych, piór, sierści lub ich mieszanin, włóknin i tkanin naturalnych i syntetycznych, folii, pojemników z tworzyw sztucznych tak przygotowanych, aby średnia wartość energetyczna materiału wsadowego nie była mniejsza niż 8,5 MJ/kg, korzystnie powyżej 11 MJ/kg, poddaje się procesowi karbonizacji w ciągłym cyklu spalania w złożu stacjonarnym, w układzie, gdzie załadunek materiału do zgazowania następuje w przeciwprądzie do odpływu gazów powstałych w procesie, gdzie schłodzenie gazów reakcyjnych powoduje podgrzanie i suszenie podawanego materiału. W pierwszym etapie materiał organiczny w temperaturze powyżej 650 C poddaje się karbonizacji z wydzielaniem gazów, tlenku węgla, dwutlenku węgla, pary wodnej kwasów i aldehydów octowych i ich wyższych pochodnych, etanu, metanu, propanu i ich wyższych pochodnych oraz substancji smolistych. Substancje te w wysokiej temperaturze podlegają częściowemu rozkładowi odpowiednio na wodór, tlenek węgla, dwutlenek węgla i parę wodną, metan, etan, pozostawiając złoże węgla organicznego o składzie zmiennym, ale zawierającym konglomeraty o strukturze węglowodorów typu C n H m i strukturze węglowodanów C n H m O p, które w procesie karbonizacji konkretnego materiału pozostają stabilne w wybranych zakresach temperatur i grubości złoża, np. w przypadku, gdy materiałem do karbonizacji jest drewno to typowymi konglomeratami występującymi w złożu oprócz C jest C 22 H 18 O 2 i C 22 H 16. W drugim etapie utworzone złoże węgla organicznego dopala się w temperaturze do 1250 C w silnym strumieniu powietrza lub mieszaniny powietrza z parą wodną lub tlenu z parą wodną, gdzie

3 PL B1 3 udział pary wodnej w mieszance jest tak dobierany, aby temperatura maksymalna warstwy nie spadała poniżej 750 C i nie przekraczała 1250 C. Znajdująca się powyżej warstwy, gdzie następuje najintensywniej zgazowanie, warstwa rozżarzonego węgla organicznego powoduje redukcję przepływającego dwutlenku węgla do tlenku węgla, a tlenków azotu do tlenku węgla i azotu. W czasie podwyższania temperatury powyżej 800 C para wodna zarówno podana z zewnątrz jak i zawarta w podawanym materiale i powstała ze spalania wodoru rozkłada się na wodór i tlen, który wchodzi w reakcję z węglem tworząc tlenek węgla. Na skutek redukcji dwutlenku węgla i rozkładu pary wodnej doprowadza się do powstania gazu palnego kosztem całej warstwy węgla organicznego. Zgodnie z wynalazkiem, urządzenie do zgazowania odpadów organicznych posiada cylindryczną komorę zgazowania, której ściany są utworzone z warstwy ognioodpornej i warstwy izolacyjnej oraz płaszcza zewnętrznego umieszczonych na ramie nośnej. Od góry komora zgazowania zamknięta jest stropem, w którym znajduje się centralnie umieszczony wrzut materiału do zgazowania i umieszczony poniżej wylot gorących gazów reakcyjnych. Poniżej komory zgazowania znajduje się zsyp opadowy utworzony z płaszcza wewnętrznego i płaszcza zewnętrznego, pomiędzy którymi utworzona jest przestrzeń, w której są umieszczone przegrody do kierowania przepływem doprowadzanego powietrza do chłodzenia zsypu, które to ogrzane powietrze wprowadzane jest do komory jako powietrze reakcyjne. W płaszczu zewnętrznym zsypu osadzone są dysze dozujące powietrza do komory. Z komorą spalania współdziałają: zespół transportowo-załadowczy, zespół wysypu oraz instalacja wielopunktowego, wielostrefowego nadmuchu nadmuchu gazów reakcyjnych do wnętrza komory i układ przepływu i mieszania gazów reakcyjnych. Komora zgazowania zaopatrzona jest w sterowane automatycznie, podwójne regulatory doprowadzania i odprowadzania gazów. Do komory spalania dołączony jest kolektor układu rurowego przepływającego gazu. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia bez stosowania kosztownych instalacji oczyszczających w porównaniu ze znanymi dotychczas piecami czadnicowymi uzyskać obniżenie emisji zanieczyszczeń zarówno w gazie palnym generowanym w urządzeniu, jak i w spalinach powstałych po spaleniu gazu w urządzeniach grzewczych. Analiza spalin w procesie według wynalazku po spaleniu wykazuje obecność dwutlenku węgla (CO 2 ), azotu (N 2 ) i pary wodnej oraz ułamka procenta tlenku węgla (CO) oraz obniżenie emisji pyłu i zwłaszcza metali ze względu na redukcyjną atmosferę procesu zgazowania. Wynalazek znajduje wiele zastosowań w przemyśle, gdzie surowiec organiczny jako odpad jest pozyskiwany bezpośrednio w zakładzie. Oczywistym jest, że warunki pozyskiwania surowca w zakładzie eliminują koszty transportu, zakupu oraz składowania. W przypadku wielu materiałów odpadowych ich utylizacja według wynalazku zapewnia pozbycie się często bardzo uciążliwego i kosztownego odpadu (strużyny garbarskie, pióra) jako produkt uboczny pozwalając na wytwarzanie energii, a powstałe popioły stanowią ułamek masy zasypywanego surowca. Przykładowo w urządzeniu próbnym, zastosowanym w garbami w Lesznie Górnym, gdzie testowano współpracę podzespołów i schematy sterowania dla różnych materiałów organicznych, zgazowano ton strużyn garbarskich produkując ton pary wysokoprężnej w kotle gazowym. Powstało przy tym 1000 ton popiołu i żużli (co stanowi tylko 5% masy odpadu poddanego utylizacji) i badania wymywalności pokazały, że jest to odpad nie niebezpieczny mimo zawartości 40% tlenku chromu (III). Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na paliwo alternatywne (fig. 1). Urządzenie w przykładowym wykonaniu jest dostosowane do zgazowania 36 Mg na dobę surowca, co zapewnia moc cieplną około 6 MW. Temperatura gazów palnych uzyskiwanych w procesie zgazowania wynosi 600 C-850 C. Instalację doprowadzającą gaz do komory spalania stanowi układ rurociągu z wyłożeniem ceramicznym. Gaz wraz z powietrzem jest doprowadzony do mieszacza w komorze spalania, gdzie został dodatkowo zastosowany palnik gazowy pomocniczy, pozwalający utrzymywać w komorze spalania temperaturę nie niższą niż 850 C. Urządzenie jest zaopatrzone w zespół zasypowy do zasilania rozdrobnionymi odpadami. Urządzenie wyposażone jest w mechaniczny zespół odbioru odpadów zabezpieczający szczelność komory. Komora jest zaopatrzona w automatyczny układ sterowania pracą w różnych cyklach pracy. W przypadku przekroczenia parametrów w komorze są uruchamiane odpowiednie blokady zatrzymujące proces zgazowywania. Na podstawie przyjętych wielkości zgazowania surowca w ciągu doby pojemność komory zgazowania wynosi w przykładowej realizacji 25 m 3. Całkowita powierzchnia swobodna rozładowania

4 4 PL B1 ewentualnego wybuchu równa jest 0,634 m 2. Wielkości powierzchni spełniają wymagane warunki bezpieczeństwa wynikające z założeń technologicznych i konstrukcyjnych. Urządzenie posiada cylindryczną komorę zgazowania (1), której warstwa ogniotrwała (3) ściany wykonana jest z cegły szamotowej oraz cegły piankowej odizolowanej warstwą izolacyjną (4) z wełny mineralnej. Ściana zabudowana jest na ramie nośnej (6) wykonanej z kształtowników stalowych. Ściany pokryte są zewnętrznym płaszczem (2). Konstrukcja ramy nośnej (6) jest przystosowana do chłodzenia powietrzem. Wloty powietrza i wyloty gazów wykonane są z segmentów żaroodpornych. Komora wyposażona jest w układ pomiaru ciśnienia i gniazda termopar. W stropie (5) zamykającym od góry komorę zgazowania (1) znajduje się szufladowy dozownik (7) do magazynowania i dozowania surowca dostarczanego do zgazowania. Dozownik szufladowy (7) zawiera układ regulatorów w postaci klap połączonych z siłownikami hydraulicznymi, do regulacji ilości powietrza dopływającego do komory (1) i eliminowania wydobywania się gazów z komory. Urządzenie wyposażone jest w umieszczony na zewnątrz zespół transportowy doprowadzający materiał do śluzy załadowczej. U dołu komory zgazowania (1) znajduje się zsyp opadowy (8) utworzony z podwójnego płaszcza i zespołu wygarniania popiołu. Przez płaszcz zewnętrzny do komory wprowadzone są wyloty układu dysz ciśnieniowych (18) służących do wzruszania złoża i likwidowania kanałów powietrznych mogących powstać w trakcie procesu. Płaszcz wewnętrzny (9) zawiera układ dysz (17) do dozowania powietrza i pary w mieszaninie o regulowanym składzie do wnętrza komory (1). Na dnie umocowany jest obrotowy element w formie rusztu stożkowego (16), zamontowanego na osi i wyposażonego w mechanizm obrotowy pozwalający na regulację prędkości obrotowej, przez oś którego podawane jest powietrze do wnętrza stożkowego elementu i poprzez odpowiednie dysze do wnętrza komory. Zespół wysypu zawiera wygarniacz w postaci rynny wypełnionej wodą, w której na łańcuchach jest zawieszony element wygarniający odpady zsypujące się do wypełniającej rynnę wody. Woda poza funkcją gaszenia popiołu spełnia rolę zamknięcia i uszczelnienia zsypu. Do komory zgazowania (1) dołączony jest kolektor rurociągu transportowego gazu powstającego w procesie zgazowania. Rurociąg stanowią dwie współosiowe rury, gazowa i osłonowa ceramiczna. Rura gazowa wykonana jest ze stali żaroodpornej. Urządzenie zawiera instalacje do doprowadzania powietrza do komory zgazowania, do chłodzenia zsypu z jednoczesnym podgrzaniem powietrza i do doprowadzania podgrzanego powietrza do wnętrza komory. Figura 2 przedstawia konfigurację układu o mocy 6 MW przystosowaną do paliwa alternatywnego wraz z układem wytwarzania pary wysokoprężnej i systemem oczyszczania gazów spalinowych. W układzie tym paliwo podawane jest do komory zgazowania (A) w ilości do 1500 kg na godzinę. W trakcie procesu dodajemy do komory powietrze i parę wodną i wyprowadzamy do 4000 m 3 gazu palnego temperaturze 650 C, który doprowadzany jest do komory spalania (B) wyposażonej w układ nadmuchu powietrza, niskoemisyjny palnik do spalania gorącego gazu i pomocniczy palnik na gaz ziemny do stabilizacji temperatury w komorze spalania powyżej 850 C. Gorące spaliny o temperaturze 1000 C w ilości nm 3 są prowadzone są do wymiennika ciepła (C) wytwarzającego parę przegrzaną, a schłodzone spaliny do układu oczyszczania spalin (D) zintegrowanego układu odsiarczania półsuchego z układem odpylania na filtrach workowych skąd spaliny poprzez układ filtrów świecowych z węglem aktywnym (E) są doprowadzane do komina (F). W przykładowej realizacji urządzenie o mocy 6MW cieplnych może zgazować do 1500 kg drewna, paliwa alternatywnego lub odpadów płyty wiórowej na godzinę produkując gaz o następującym uśrednionym składzie: CO 32% H 2 12% CO 2 5% CH 4 2% H 2 O 5% N 2 44% Gaz ten po spaleniu w komorze spalania pozwala zasilać kocioł spalinami o temperaturze co najmniej 1000 C o następujących parametrach: N 2 74% CO 2 12% O 2 9% H 2 O 5%

5 PL B1 5 gdzie zanieczyszczenia występujące w gazach spalinowych osiągają następujące wielkości: CO poniżej 50 mg/m 3 NO x poniżej 200 mg/m 3 SO 2 poniżej 50 mg/m 3 Corg poniżej 1 mg/m 3 A - zgazowarka na paliwo alternatywne B- komora spalania C - kocioł parowy D - instalacja odsiarczania spalin E - oczyszczanie spalin - filtry świecowe F - komin G - silos wapna H - zbiornik popiołu I - wymiennik ciepła J - wentylator promieniowy 1 - paliwo alternatywne 2 - spaliny z zgazowarki 3 - instalacja gazowa 4 - spaliny z komory spalania 5 - spaliny gorące 6 - spaliny zimne 7 - spaliny po odsiarczaniu 8 - spaliny po oczyszczeniu na filtrach świecowych 9 - gazy wylotowe z komina 10 - zasilanie wapna 11 - woda zasilająca wymiennik ciepła (zimna) 12 - woda gorąca 13 - odbiór pary 14 - odbiór popiołu Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zgazowania odpadów organicznych, polegający na generacji gazów w warunkach redukcyjnych i dopalaniu powstałego węgla organicznego w zamkniętym cyklu procesu, znamienny tym, że odpady organiczne poddaje się dwustopniowemu procesowi karbonizacji w ciągłym cyklu spalania, przy kontrolowanym stałym ciśnieniu w komorze zgazowania, w którym w pierwszym etapie odpady w temperaturze powyżej 600 C poddaje się karbonizacji z wydzieleniem gazów: tlenku węgla, dwutlenku węgla, pary wodnej, metanu, kwasów i aldehydów octowych, kwasu mlekowego, etanu, propanu i innych węglowodorów lotnych w temperaturach do 600 C oraz substancji smolistych, które to substancje w wysokiej temperaturze w obecności tlenu i przegrzanej pary wodnej rozkładają się odpowiednio na tlenek węgla, dwutlenek węgla, wodór i parę wodną pozostawiając złoże węgla organicznego o składzie będącym mieszaniną węgla i konglomeratów węglowodorowych w postaci C n H m, natomiast w drugim etapie utworzone złoże węgla dopala się w temperaturze do 1250 C działając nań silnym strumieniem powietrza lub mieszaniny powierza i pary wodnej lub tlenu i pary wodnej, wytworzone gazy złożone głównie z mieszaniny CO i CO 2, H 2 oraz H 2 O, w których mogą występować tlenki azotu i azot z powietrza, przechodząc w górę w wyższych warstwach węgla ulegają redukcji w obecności rozżarzonego węgla do tlenku węgla i azotu, przy czym w czasie podwyższania temperatury powyżej 800 C para wodna, powstała w procesie zgazowania i dostarczona do procesu z zewnątrz, rozkłada się na wodór i tlen, który wchodzi w reakcję z węglem wytwarzając tlenek węgla, natomiast na skutek redukcji dwutlenku węgla węglem powiększa się udział tlenku węgla w gazach i efektywnie zmniejsza złoże węgla, w wyniku tych procesów otrzymujemy gaz o zawartości co najmniej 35% części palnych, z których co najmniej 25% stanowi mieszanina CO i H Urządzenie do zgazowania odpadów organicznych wyposażone w cylindryczną komorę reakcyjną zaopatrzoną w zespoły podawania odpadów i odprowadzania odpadu z procesu zgazowania, z którą to komorą współdziała zespół załadowczy i zespół usuwania popiołów oraz zawierające insta-

6 6 PL B1 lację odprowadzającą wytworzony gaz energetyczny do niezależnej komory spalania lub do instalacji oczyszczającej gaz ze związków smolistych i pyłu i doprowadzającą powietrze lub mieszaninę powietrza i pary wodnej lub mieszaninę tlenu i pary wodnej do procesu, znamienne tym, że posiada umieszczoną na ramie nośnej cylindryczną komorę zgazowania (1), której ściany są utworzone z warstwy ognioodpornej (3) i warstwy izolacyjnej (4) oraz płaszcza zewnętrznego (2), a od góry komora (1) zamknięta jest stropem (5), w którym centralnie znajduje się wlot paliwa zaopatrzony w załadunek szufladowy (7), zaś w dole komory (1) znajduje się zsyp opadowy (8) utworzony z płaszcza wewnętrznego (9) i płaszcza zewnętrznego (10), pomiędzy którymi utworzona jest przestrzeń, w której umieszczone są przegrody (11) do kierowania przepływem doprowadzonego powietrza do chłodzenia zsypu natomiast w płaszczu wewnętrznym (9) zsypu (8) osadzone są dysze (12) dozujące powietrze do komory zgazowania (1). 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że zsyp (8) zaopatrzony jest w sterowany wygarniacz (14) współdziałający z osadnikiem wodnym (13) i obrotowy ruszt w formie stożkowej wygarniający popiół i poprzez który podawane jest powietrze do wnętrza komory dopalające resztki węgla zawarte w popiele. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że doprowadzane jest powietrze do komory reakcyjnej co najmniej dwoma kolektorami pierścieniowymi (15), z których każdy podzielony jest na co najmniej dwie strefy, a sterowanie przepływem powietrza zapewnia automatyczne wyrównanie przepływu w każdej strefie w zależności od oporu warstwy utrzymując jednocześnie zadane podciśnienie w komorze zgazowania. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do komory reakcyjnej doprowadzana jest mieszanina powietrza i pary wodnej, lub mieszaniny tlenu i pary wodnej, króćcami współosiowymi (17), w których wewnętrzny króciec prowadzi parę, a zewnętrzny powietrze, a ilość takich króćców wynosi co najmniej cztery na obwodzie komory zgazowania.

7 PL B1 7 Rysunki

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