PL 222331 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222331 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 406139 (51) Int.Cl. F23G 5/027 (2006.01) F23G 7/06 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 20.11.2013 (54) Sposób termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel i urządzenie do termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel (43) Zgłoszenie ogłoszono: 25.05.2015 BUP 11/15 (73) Uprawniony z patentu: JODKOWSKI WIESŁAW APLITERM SPÓŁKA CYWILNA, Wrocław, PL SZUMIŁO BOGUSŁAW APLITERM SPÓŁKA CYWILNA, Oborniki Śląskie, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.07.2016 WUP 07/16 (72) Twórca(y) wynalazku: WIESŁAW JODKOWSKI, Wrocław, PL BOGUSŁAW SZUMIŁO, Oborniki Śląskie, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Wiesław Wosik
2 PL 222 331 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego przetwarzania substancji palnych i urządzenie do termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel. Znany jest sposób termicznego przetwarzania substancji palnych na przykład w postaci koksiku z opisu patentowego nr PL 207207, w którym źródłem ciepła dla zapewnienia autotermicznego przebiegu procesu jest egzotermiczna reakcja zgazowania koksiku, powstałego po wysuszeniu i odgazowaniu przetwarzanego materiału pierwotnego w postaci odpadów organicznych, gdzie produkty z odgazowania spala się w komorze wylotowej w temperaturze powyżej 850 C. Znany jest również ze stosowania sposób przetwarzania materiałów zawierających dużo wilgoci, gdzie zapotrzebowanie energii jest większe i ilość ciepła uzyskanego ze zgazowania koksiku jest niewystarczająca do podtrzymania procesu i wtedy spala się część wytworzonego gazu w trakcie odgazowania przetwarzanych substancji palnych, tak aby utrzymać odpowiednio wysoką powyżej 350 C temperaturę w komorze reakcyjnej, natomiast przy przetwarzaniu materiału zawierającego ilość węgla mineralnego pozwalającego na uzyskanie większej ilości ciepła niż jest wymagana do prawidłowego prowadzenia procesu, wówczas część koksiku odprowadza się wraz z popiołem z komory reakcyjnej aby nie nastąpił nadmierny wzrost temperatury procesu. Opisane sposoby pozwalają na skuteczne przetwarzanie substancji palnych ale mają tę niedogodność, że konieczność wytwarzania ciepła w strefie zgazowania ogranicza możliwość zastosowania innych niż powietrze lub tlen czynników zgazowujących, co jest przyczyną wytwarzania gazu procesowego o niskiej wartości opałowej, gdyż gaz ten jest rozcieńczony spalinami oraz dużą ilością azotu. Znane są urządzenia ze stosowania jak i z opisu patentowego PL 207207 posiadające piec obrotowy z komorą, której ściana wewnętrzna cylindrycznego płaszcza wykonana jest z żaroodpornych materiałów ceramicznych pozwalających na ograniczoną intensywność wymiany ciepła. Celem wynalazku jest opracowanie sposobu termicznego przetwarzania substancji palnych i urządzenia do termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel pozwalającego na uzyskiwanie większej intensywności wymiany ciepła i dużych wydajności termicznego przetwarzania substancji palnych bez konieczności zwiększania gabarytów urządzenia, a także pozwalających na prowadzenie procesu zgazowania z użyciem czynników zgazowujących powodujących endotermiczny przebieg reakcji w komorze urządzenia. Cel został osiągnięty przez opracowanie sposobu termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel, z suszeniem, odgazowaniem i zgazowaniem tych materiałów w temperaturze powyżej 400 C w komorze reakcyjnej oraz spalaniem produktów zgazowania w komorze wylotowej w temperaturze powyżej 850 C, charakteryzuje się tym, że przy przetwarzaniu termicznym zawierającego węgiel materiału w komorze reakcyjnej i spaleniu powstałych w procesie zgazowania tego materiału gazów o temperaturze od 400 C do 550 C, w komorze wylotowej z nadmiarem powietrza poza komorą reakcyjną, doprowadzanych poprzez kanał łączący ją z komorą reakcyjny kieruje się część spalin o temperaturze od 850 C do 1000 C powstałych ze spalania gazów z termicznego przetwarzania substancji palnych w komorze reakcyjnej, poprzez kanał doprowadzający do wnętrza nieruchomej izolowanej cieplnie obudowy płaszcza komory reakcyjnej, gdzie doprowadza się przeponowo zawarte w nich ciepło do komory reakcyjnej poprzez ścianę płaszcza stalowego wypełnionego ciekłym metalem, dla zintensyfikowania procesu zgazowania, a następnie schłodzone spaliny odprowadza się poza komorę reakcyjną poprzez kanał doprowadzający najkorzystniej do kotła odzysknicowego lub do innego wykorzystania, natomiast ciekły metal wprowadza się do komory wewnętrznej płaszcza obudowy komory reakcyjnej tak, że następuje równomierne rozprowadzenie ciepła na całej powierzchni ściany wewnętrznej płaszcza obracającej się komory reakcyjnej, a powstały karbonizat w postaci koksiku zgazowuje się korzystnie w strefie dysz doprowadzających czynnik zgazowujący w dowolnej postaci, w końcu komory reakcyjnej w sąsiedztwie zsypu popiołu, a nadmiar gorących spalin z komory wylotowej odprowadza się poprzez kanał z przepustnicą regulacyjną, korzystnie do kotła odzysknicowego lub do innego wykorzystania i ostatecznie spaliny kieruje się kanałem do komina. Sposób według wynalazku posiada taką zaletę, że pozwala na uzyskiwanie większej intensywności wymiany ciepła, przy zwiększeniu temperatury w komorze na całej jej długości co zapobiega powstawaniu substancji smolistych, i uzyskiwanie dużych wydajności termicznego przetwarzania substancji palnych, bez konieczności zwiększania gabarytów urządzenia, a także pozwala na prowadze-
PL 222 331 B1 3 nie procesu zgazowania materiałów z użyciem czynników zgazowujących powodujących endotermiczny przebieg reakcji w komorze urządzenia, co pozwała na obniżenie kosztów eksploatacyjnych. Urządzenie według wynalazku posiadające nachyloną do poziomu cylindryczną obrotową komorę reakcyjną: suszenia, odgazowania i zgazowania tych materiałów w temperaturze powyżej 400 C, połączoną na jednym końcu poprzez wylot gazów ze zgazowania substancji palnych, kanałem łączącym z komorą wylotową spalania produktów zgazowania w temperaturze powyżej 850 C, i z przenośnikiem doprowadzającym materiały do termicznego przetwarzania, a na przeciwnym końcu posiadającą zsyp popiołu z zamknięciem wodnym, gdzie komory: reakcyjna i wylotowa posiadają niezbędną aparaturę kontrolno-pomiarową płomienia, temperatury i ciśnienia spalin oraz inny niezbędny osprzęt jak analizator spalin, wentylatory, silniki elektryczne itd. charakteryzuje się tym, że posiada nachyloną do poziomu cylindryczną obrotową komorę reakcyjną od strony wlotu materiału do przetworzenia ograniczoną na części jej długości od wlotu materiału do termicznego przetwarzania, a najkorzystniej na około 2/3 części jej długości podwójnym stalowym płaszczem wypełnionym ciekłym metalem, a na pozostałej 1/3 części jej długości, aż do jej końca przy zsypie popiołu, posiada ścianę wewnętrzną wykonaną z ceramicznej żaroodpornej wykładziny osłoniętej od zewnątrz ścianą zewnętrzną płaszcza stalowego, połączoną na jednym końcu poprzez uszczelnienie ślizgowe z nieruchomą głowicą wyposażoną w wylot gazów ze zgazowania substancji palnych, połączony poprzez kanał z komorą wylotową, i z przenośnikiem ślimakowym doprowadzającym na wylocie materiały do termicznego przetwarzania w komorze reakcyjnej, natomiast na przeciwnym końcu, komora reakcyjna współpracuje poprzez uszczelnienie ślizgowe z nieruchomą głowicą wyposażoną w zsyp popiołu korzystnie z zamknięciem wodnym oraz dysze czynnika zgazowującego, przy czym w komorze wewnętrznej podwójnego płaszcza stalowego są zabudowane kształtowe prowadnice, które w czasie ruchu obrotowego komory powodują równomierny przepływ i wymieszanie ciekłego metalu co pozwala na wyrównanie temperatury na całej powierzchni ściany wewnętrznej płaszcza komory, gdzie płaszcz komory jest zabudowany poprzez uszczelnienia ślizgowe w nieruchomej izolowanej cieplnie obudowie, której wnętrze poprzez kanał doprowadzający jest połączone z komorą wylotową, z której część gorących spalin o temperaturze od 850 C do 1000 C, powstałych ze spalanych z nadmiarem powietrza gazów z termicznego przetwarzania materiału w komorze obrotowej, jest doprowadzana do wnętrza tej obudowy a poprzez kanał odprowadzający schłodzone spaliny, jest połączona z kotłem odzysknicowym, do którego są odprowadzane schłodzone spaliny, przy czym komora wylotowa jest połączona poprzez kanał z przepustnicą regulacyjną przepływu z kotłem odzysknicowym, do którego jest podawany nadmiar gorących spalin z komory wylotowej, gdzie są schładzane i ostatecznie spaliny odprowadza się do komina. Zarówno schłodzone spaliny z obudowy płaszcza komory reakcyjnej jak i nadmiar gorących spalin z komory wylotowej mogą być skierowane do wykorzystania także w innym urządzeniu lub instalacji niż kocioł odzysknicowy. Urządzenie według wynalazku posiada taką zaletę, że pozwala na długotrwałe bezawaryjne prowadzenie termicznego przetwarzania substancji palnych i uzyskiwanie dużych wydajności procesu przy zachowaniu standardowych gabarytów urządzenia, co pozwala na obniżenie kosztów eksploatacyjnych i uzyskanie poważnych oszczędności ekonomicznych. Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego przetwarzania substancji palnych oraz urządzenie do jego realizacji pokazane w przykładzie wykonania na rysunku schematycznie w przekroju podłużnym. Sposób według wynalazku polega na tym, że do nachylonej do poziomu cylindrycznej obrotowej komory reakcyjnej 1 doprowadza się substancję palną w postaci materiałów zawierających węgiel, suszy ją w początkowej części tej komory, odgazowuje w środkowej jej części i ostatecznie zgazowuje w jej części końcowej w temperaturze powyżej 400 C, a powstałe w procesie zgazowania produkty doprowadza się do komory wylotowej 21 i spala z nadmiarem powietrza, a z niej kieruje się część spalin o temperaturze 850 C powstałych ze spalania gazów z termicznego przetwarzania substancji palnych w komorze reakcyjnej, do wnętrza 19 obudowy 18 płaszcza stalowego 2 komory reakcyjnej 1, gdzie doprowadza się przeponowo zawarte w nich ciepło do komory reakcyjnej 1 poprzez ścianę zewnętrzną 4 płaszcza stalowego 2 wypełnionego ciekłym metalem 26, gdzie schłodzone spaliny odprowadza się poza komorę reakcyjną 1 i najkorzystniej do kotła odzysknicowego 38, a nadmiar gorących spalin z komory wylotowej 21 odprowadza się do kotła odzysknicowego 38 lub do innego wykorzystania i ostatecznie spaliny kieruje się do komina 40, natomiast ciekły metal 26 wprowadza się do komory wewnętrznej 3 płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 dla zintensyfikowania procesu zgazowania tak, że następuje równomierne rozprowadzenie ciepła na całej powierzchni ściany wewnętrznej 5 płaszcza 2
4 PL 222 331 B1 obracającej się komory reakcyjnej 1, a powstały karbonizat w postaci koksiku zgazowuje się w strefie dysz 8 doprowadzających czynnik zgazowujący w dowolnej postaci w końcu 10 komory reakcyjnej 1 w sąsiedztwie zsypu 15 popiołu, a doprowadzanie powietrza niezbędnego w procesie technologicznym i odprowadzanie spalin realizuje się za pomocą znanych wentylatorów 35, 36 i 37. Urządzenie według wynalazku posiada nachyloną do poziomu cylindryczną obrotową komorę reakcyjną 1 od strony wlotu 29 materiału do przetworzenia termicznego z przenośnika ślimakowego 28 w nieruchomej głowicy 11, ograniczoną na 2/3 części jej długości podwójnym stalowym płaszczem 2 wypełnionym ciekłym metalem 26, a na 1/3 części jej długości posiadającą ścianę wewnętrzną 7 wykonaną z ceramicznej żaroodpornej wykładziny osłoniętej od zewnątrz ścianą zewnętrzną 4 płaszcza stalowego 2, połączoną na jednym końcu 9 poprzez uszczelnienie ślizgowe 13 z nieruchomą głowicą 11 wyposażoną w wylot 12 gazów ze zgazowania substancji palnych, połączony poprzez kanał 22 z komorą wylotową 21, a na przeciwnym końcu 10, komora reakcyjna 1 współpracuje poprzez uszczelnienie ślizgowe 17 z nieruchomą głowicą 14 wyposażoną w zsyp 15 popiołu z zamknięciem wodnym 16 oraz dysze powietrza 8 jako czynnika zgazowującego, przy czym w komorze wewnętrznej 3 podwójnego płaszcza stalowego 2 ze ścianą wewnętrzną 5, są zabudowane prowadnice kierujące 6, które w czasie ruchu obrotowego komory 1 powodują równomierny przepływ i wymieszanie ciekłego metalu 26, co pozwala na wyrównanie temperatury na całej powierzchni ściany wewnętrznej 5 płaszcza komory 1, współpracującego poprzez uszczelnienia ślizgowe 20 w nieruchomej izolowanej cieplnie obudowie 18, której wnętrze 19 poprzez kanał doprowadzający 23 jest połączone z komorą wylotową 21, a poprzez kanał odprowadzający 24 jest połączone z kotłem odzysknicowym 38, natomiast komora wylotowa 21 poprzez kanał 39 z przepustnicą regulacyjną 27 jest połączona z kotłem odzysknicowym 38, do którego jest podawany nadmiar gorących spalin o temperaturze 850 C, ze spalanych z nadmiarem powietrza gazów z termicznego przetwarzania materiału w komorze reakcyjnej 1, gdzie są schładzane i ostatecznie spaliny odprowadza się poprzez kanał 25 do komina 40. Urządzenie jest wyposażone w analizator spalin 30, termometry 31, 32 do pomiaru temperatury i manometry 33, 34 do pomiaru ciśnienia gazów i spalin oraz wentylatory powietrza 35, 36 i wentylator spalin 37. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel, z suszeniem, odgazowaniem i zgazowaniem tych materiałów w temperaturze powyżej 400 C w komorze reakcyjnej oraz spalaniem produktów zgazowania w komorze wylotowej w temperaturze powyżej 850 C, znamienny tym, że przy przetwarzaniu termicznym materiału zawierającego węgiel w komorze reakcyjnej (1) i spaleniu powstałych w procesie zgazowania tego materiału gazów o temperaturze od 400 C do 550 C w komorze wylotowej (21) z nadmiarem powietrza poza komorą reakcyjną (1), doprowadzanych poprzez kanał łączący (22) ją z tą komorą (1), kieruje się z komory wylotowej (21) część spalin o temperaturze od 850 C do 1000 C powstałych ze spalania gazów z termicznego przetwarzania substancji palnych w komorze reakcyjnej (1), poprzez kanał doprowadzający (23) do wnętrza (19) nieruchomej izolowanej cieplnie obudowy (18) stalowego płaszcza (2) komory reakcyjnej (1), gdzie doprowadza się przeponowo zawarte w nich ciepło do komory reakcyjnej (1) poprzez ścianę zewnętrzną (4) tego płaszcza (2) wypełnionego ciekłym metalem (26), a następnie schłodzone spaliny odprowadza się poprzez kanał odprowadzający (24) poza komorę reakcyjną (1), a najkorzystniej do kotła odzysknicowego (38). 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że dla zintensyfikowania procesu zgazowania w komorze reakcyjnej (1), ciekły metal (26), wprowadza się między prowadnice kierujące (6) komory wewnętrznej (3) płaszcza (2) obudowy (18) obracającej się komory reakcyjnej (1) i równomiernie rozprowadza się ciepło na całej powierzchni ściany wewnętrznej (5) płaszcza (2) tej komory (1). 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że nadmiar gorących spalin z komory wylotowej (21) odprowadza się do kotła odzysknicowego (38) lub do innego wykorzystania. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że powstały w trakcie termicznego przetwarzania substancji palnych w komorze reakcyjnej (1) karbonizat w postaci koksiku zgazowuje się w strefie dysz (8) doprowadzających czynnik zgazowujący w dowolnej postaci w końcu (10) tej komory (1) w sąsiedztwie zsypu popiołu (15).
PL 222 331 B1 5 5. Urządzenie do termicznego przetwarzania substancji palnych w postaci materiałów zawierających węgiel, z komorą reakcyjną i komorą wylotową, znamienne tym, że posiada nachyloną do poziomu cylindryczną obrotową komorę reakcyjną (1) od strony wlotu (29) materiału do przetworzenia, ograniczoną na części jej długości podwójnym stalowym płaszczem (2) wypełnionym ciekłym metalem (26), a na pozostałej części jej długości posiada ścianę wewnętrzną (7) wykonaną z wykładziny ceramicznej żaroodpornej, natomiast ograniczony ścianą zewnętrzną (4) płaszcz (2) komory (1) jest zabudowany poprzez uszczelnienia ślizgowe (20) w nieruchomej izolowanej cieplnie obudowie (18), której wnętrze (19) poprzez kanał doprowadzający (23) jest połączone z komorą wylotową (21), a poprzez kanał odprowadzający (24) jest połączone z kotłem odzysknicowym (38). 6. Urządzenie, według zastrz. 5, znamienne tym, że komora reakcyjna (1) jest ograniczona stalowym płaszczem (2) na 2/3 części jej długości od wlotu materiału do termicznego przetwarzania, a na pozostałej 1/3 części jej długości aż do końca (10) przy zsypie popiołu (15), posiada ścianę wewnętrzną (7) wykonaną z wykładziny ceramicznej. 7. Urządzenie, według zastrz. 6, znamienne tym, że w komorze wewnętrznej (3) płaszcza (2) komory reakcyjnej (1) są zabudowane prowadnice kierujące (6). 8. Urządzenie, według zastrz. 5, znamienne tym, że kanał (39) łączący komorę wylotową (21) z kotłem odzysknicowym (38) jest wyposażony w przepustnicę regulacyjną (27) przepływu spalin. 9. Urządzenie, według zastrz. 5 albo 6 albo 7, znamienne tym, że płaszcz (2) komory reakcyjnej (1) na końcach (9, 10) tej komory współpracuje odpowiednio poprzez uszczelnienia ślizgowe (13, 17) z nieruchomymi głowicami (11, 14). Wykaz oznaczeń rysunkowych 1 komora reakcyjna obrotowa 2 płaszcz stalowy komory reakcyjnej obrotowej 1 3 komora wewnętrzna płaszcza stalowego 2 komory reakcyjnej 1 4 ściana zewnętrzna płaszcza stalowego 2 komory reakcyjnej 1 5 ściana wewnętrzna płaszcza stalowego komory reakcyjnej 1 6 prowadnica kierująca komory wewnętrznej 3 płaszcza stalowego 2 komory 1 7 ściana wewnętrzna ceramiczna płaszcza stalowego 2 komory reakcyjnej 1 8 dysza czynnika zgazowującego ściany wewnętrznej 7 płaszcza 2 komory 1 9 koniec komory reakcyjnej 1 sąsiadujący z nieruchomą głowicą 11 z wylotem 12 gazów ze zgazowania z komory reakcyjnej 1 10 koniec komory reakcyjnej 1 sąsiadujący z nieruchomą głowicą 14 ze zsypem 15 popiołu z komory reakcyjnej 1 11 głowica nieruchoma z wylotem 12 gazów z komory reakcyjnej 1 12 wylot gazów z komory reakcyjnej 1 głowicy nieruchomej 11 do kanału 22 13 uszczelnienie ślizgowe głowicy nieruchomej 11 i płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 14 głowica nieruchoma ze zsypem 15 popiołu z komory reakcyjnej 1 15 zsyp popiołu głowicy nieruchomej 14 z komory reakcyjnej 1 16 zamknięcie wodne zsypu 15 popiołu głowicy nieruchomej 14 17 uszczelnienie ślizgowe głowicy nieruchomej 14 i płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 18 obudowa płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 19 wnętrze obudowy 18 płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 20 uszczelnienie ślizgowe obudowy 18 i płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 21 komora wylotowa 22 kanał łączący wylot 12 głowicy nieruchomej 11 z komorą wylotową 21 23 kanał doprowadzający spaliny grzewcze do wnętrza 19 obudowy 18 płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 24 kanał odprowadzający schłodzone spaliny grzewcze z wnętrza 19 obudowy 18 płaszcza 2 komory reakcyjnej 1 do komory wylotowej 21 25 kanał odprowadzający schłodzone spaliny grzewcze z kotła odzysknicowego 38 do komina 40 26 ciekły metal 27 przepustnica regulacyjna przepływu spalin
6 PL 222 331 B1 28 przenośnik ślimakowy materiału do termicznego przetwarzania 29 wlot materiału do termicznego przetwarzania z przenośnika ślimakowego 28 do komory reakcyjnej 1 30 analizator spalin 31, 32 termometr 33, 34 manometr 35 i 36 wentylator powietrza 37 wentylator spalin 38 kocioł odzysknicowy 39 kanał spalin z przepustnicą dławiącą 27 40 komin Rysunek Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)