CZ13850U1 - Zařízení k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů - Google Patents

Description

Technické řešení se týká zařízení k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů.

Dosavadní stav techniky

Kaly, včetně spalitelných kalů, vznikají jako odpad při nejrůznější lidské, průmyslové i zemědělské činnosti. Jsou jednak odpadem, který při skládkování zatěžuje životní prostředí, ale současně mnohé z nich mohou být významným zdrojem tepelné energie, protože obsahují spalitelný podíl.

Spalitelné kaly (dále jen kaly) se spalují mnoha známými způsoby v řadě známých zařízení. K nej rozšířenějším patří přímé spalování, zejména v ohništích s fluidní vrstvou, nebo v rotačních, cementářských či vysokých pecích. Též se často používá jejich spalování po smísení s palivem výhřevnějším, než jsou samotné kaly. Takovým palivem může být uhlí, oleje, dřevní odpad apod. K neobvyklým způsobům patří spalování v plazmových hořácích, na povrchu roztavených kovů nebo pulzační spalování. Je též známo spalování chemicky a tepelně upravených kalů, jakož i tepelný rozklad kalů s následným spalováním jejich plynných i tuhých složek. U mnoha těchto způsobů předchází procesu spalování fáze předsušení, případně vysušení kalu, což je proces, který je energeticky velice náročný. Uvedená energetická náročnost v předspalovací fázi patří k největším nevýhodám známých způsobů a zařízení ke spalováni kalů.

Spalovací i přípravná zařízení, jimiž se způsoby spalování realizují, jsou též zpravidla velice složitá, tudíž investičně i provozně náročná. Často vyžadují složitou dopravu mezi jednotlivými uzly zařízení. Z důvodů složitosti konstrukce se jedná o zařízení s obtížnou obsluhou, případně s náročnou automatizací, což je též nevýhodné.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody jsou podstatně zmenšeny zařízením k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů, podle technického řešení, jehož podstatou je, že obsahuje odpařovák, zejména fluidního typu, do něhož je zaústěn jednak kalový vstup a jednak vstup nosného plynu a z něhož je vyveden plynový výstup, který je spřažen s plynovým vstupem předehřívače. Plynový výstup předehřívače je spojen s plynovým vstupem fluidního reaktoru, jehož spalinový výstup je spojen se spalinovým vstupem předehřívače. Mezi spalinový výstup předehřívače a výstupní ústrojí spalin, uzpůsobené pro výstup spalin do ovzduší, je vřazena sériová kombinace dmychadla a ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku, přičemž je přivrácen sací vstup dmychadla k předehřívači a tlakový výstup dmychadla k výstupnímu ústrojí spalin.

Zařízení podle technického řešení je relativně jednoduché, přitom ale energeticky účinné tím, že dokáže využít jednou vzniklého tepla k předehřívání kalů a hořlavé směsi. K jednoduchosti přispívá též to, že zařízení obsahuje jen velmi málo dopravních cest. To má za následek nízké pořizovací a provozní náklady, což všechno jsou výhody zařízení podle technického řešení, stejně jako spolehlivost při provozu.

Ke spolehlivosti zařízení přispívá též to, že nedojde k brzkému zanesení vnitřních částí zařízení popelem. Proto je před dmychadlo vřazen odlučovač popela tak, že jeho spalinový výstup je spojen se sacím vstupem dmychadla a jeho popelový výstup je zaústěn k odtahovému ústrojí popela.

Část tepla spalinové směsi je před odchodem do ovzduší možno převést do chladicí tekutiny, jíž může být např. užitková voda. Za tím účelem je před výstupním ústrojím spalin předřazen vodní výměník tepla, jenž je s výstupním ústrojím spalin spřažen spalinovým výstupem, přičemž vodní výměník teplaje dále opatřen ústrojím pro průchod chladicí tekutiny.

-1 CZ 13850 Ul

Za účelem regulace množství předávaného tepla z proudu spalinové směsi proudu hořlavé směsi, kteréžto předávání se uskutečňuje v předehřívači, je ke spalinovému vstupu a spalinovému výstupu předehřívače paralelně připojena první klapka.

Aby spaliny, vystupující do ovzduší, měly požadovanou teplotu, je ke spalinovému výstupu předehřívače připojen teplý vstup spalinového výměníku tepla, jehož studený výstup je spojen s výstupním ústrojím spalin.

Jedno z výhodných provedení zařízení spočívá v tom, že odpařovák je tvořen kondenzační odparkou s fluidní vrstvou a spalinovou odparkou s fluidní vrstvou. Kondenzační odparka obsahuje kalový vstup, vstup nosného plynu a připojovací výstup a spalinová odparka připojovací vstup a plynový výstup odpařováku. Připojovací vstup spalinové odparky je spojen s připojovacím výstupem kondenzační odparky. Ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku je tvořeno jednak ve fluidní vrstvě kondenzační odparky vloženým prvním teplosměnným ústrojím, jehož vstup je spojen s tlakovým výstupem dmychadla a jehož výstup je spřažen s výstupním ústrojím spalin, a jednak ve fluidní vrstvě spalinové odparky vloženým druhým teplosměnným ústrojím, jehož vstup je spřažen se spalinovým výstupem předehřívače a jehož výstup je spřažen se sacím vstupem dmychadla.

Pro regulování množství předávaného tepla z proudu spalinové směsi nosnému plynu a kalu je ke vstupu a výstupu druhého teplosměnného ústrojí paralelně připojena druhá klapka.

Jiné výhodné uspořádání zařízení spočívá v tom, že odpařovák je tvořen spalinovou odparkou s fluidní vrstvou a kondenzační odparkou s fluidní vrstvou. Spalinová odparka obsahuje kalový vstup, vstup nosného plynu a připojovací výstup a kondenzační odparka připojovací vstup a plynový výstup odpařováku. Připojovací výstup spalinové odparky je spojen s připojovacím vstupem kondenzační odparky. Ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku je tvořeno jednak ve fluidní vrstvě spalinové odparky uloženým druhým teplosměnným ústrojím, jehož vstup je spřažen se spalinovým výstupem předehřívače a jehož výstup je spřažen se sacím vstupem dmychadla, a jednak ve fluidní vrstvě kondenzační odparky uloženým prvním teplosměnným ústrojím, jehož vstup je spojen s tlakovým výstupem dmychadla a jehož výstup je spřažen s výstupním ústrojím spalin.

Zařízení, u něhož odpařovák je tvořen jedinou nádobou, má ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku upraveno v nádobě, kde ve fluidní vrstvě je uloženo třetí teplosměnné ústrojí, jehož vstup je spojen s tlakovým výstupem dmychadla a jehož výstup je spřažen s výstupním ústrojím spalin. Ve fluidní vrstvě odpařováku je též uloženo čtvrté teplosměnné ústrojí, napojené na energetický obvod obsahující ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry a kondenzační turbínu tak, že vstup čtvrtého teplosměnného ústrojí je spojen s výstupem kondenzační turbíny a výstup čtvrtého teplosměnného ústrojí je napojen na vstup vodního zásobníku. Výstup vodního zásobníku je přes první čerpadlo spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru, přičemž výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem kondenzační turbíny.

Za účelem předávání tepla z proudu spalinové směsi nosnému plynu a kalu je výstup třetího teplosměnného ústrojí přes třetí klapku spojen se vstupem nosného plynu.

Další alternativa zařízení s odpařovákem v jedné nádobě spočívá v tom, že ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku obsahuje jednak třetí klapku, vřazenou mezi tlakový výstup dmychadla a vstup nosného plynu a jednak čtvrté teplosměnné ústrojí, jehož vstup je spojen s odběrem odběrové turbíny a jehož výstup je napojen na vstup vodního zásobníku. Výstup vodního zásobníku je přes první čerpadlo spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru. Výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem odběrové turbíny, přičemž tlakový výstup dmychadla je současně spřažen s výstupním ústrojím spalin.

-2CZ 13850 Ul

Aby se zachoval koloběh vody, je výstup odběrové turbíny přes kondenzátor a třetí čerpadlo spřažen s přívodem kondenzátu do vodního zásobníku.

Další varianta zařízení, která umožňuje dvojí využití energeticky upotřebitelné páry, spočívá v tom, že ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku je tvořeno třetím teplósměnným ústrojím, uspořádaným ve fluidní vrstvě nádoby odpařováku, kde vstup třetího teplosměnného ústrojí je spojen s tlakovým výstupem dmychadla, uspořádaného jako turbosoustrojí a kde výstup třetího teplosměnného ústrojí je přes turbosoustrojí spřažen s výstupním ústrojím spalin.

První využití energeticky upotřebitelné páry je založeno na tom, že ve fluidním reaktoru je uspořádána výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výstup je spojen se vstupem kondenzační turbíny, přičemž výstup kondenzační turbíny je přes kondenzátor spřažen s přívodem kondenzátu vodního zásobníku. Výstup vodního zásobníku je přes první čerpadlo spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry.

Druhé využití energeticky upotřebitelné páry spočívá v tom, že zařízení obsahuje ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páiy, jehož výstup je spojen s odběrní sítí páry, jehož vstup je napojen na externí síť upravené vody a jehož výměníková část je upravena ve fluidním reaktoru.

Za účelem oběhu inertních částic v základních částech zařízení jsou odpařovák, předehřívač a fluidní reaktor spojeny propojovacím ústrojím, uzpůsobeným pro oběh inertních částic mezi fluidní vrstvou odpařováku a fluidní vrstvou fluidního reaktoru.

Ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je s výhodou provedeno tak, že má na vstupu uspořádán vodní vstup odlučovače par, přičemž výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je uspořádán na výstupu druhého výměníku tepla, uloženého spolu s prvním výměníkem tepla ve fluidní vrstvě fluidního reaktoru, kde prvním výměníkem tepla i druhým výměníkem teplaje tvořena výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, přičemž současně vstup prvního výměníku teplaje přes druhé čerpadlo spřažen s vodním výstupem odlučovače par, výstup prvního výměníku tepla je spojen s parovodním vstupem odlučovače par a vstup druhého výměníku teplaje spojen s parním výstupem odlučovače par.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech je na obr. 1 až 6 schematicky znázorněno šest příkladů zařízení k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů podle technického řešení, kde značí obr. 1 a 2 zařízení, jehož odpařovák je tvořen kondenzační odparkou a spalinovou odparkou, přičemž rozdíl mezi oběma zařízeními spočívá v odlišném propojení kondenzační a spalinové odparky a dmychadla, obr. 3 až 6 zařízení, jehož odpařovák je tvořen jedinou nádobou a jehož fluidní reaktor obsahuje výměníkovou část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, přičemž rozdíly mezi jednotlivými provedeními spočívají v odlišném zapojení spolupracujících prvků s tím, že zařízení podle obr. 5 napájí připojenou kondenzační turbínu, zatímco zařízení podle obr. 6 je připojeno k odběrní síti páry.

Příklady provedení technického řešení

Všechna zařízení v příkladech provedení jsou založena na shodném principu, pročež jejich základní uspořádání je též shodné. Všechna zařízení obsahují odpařovák i, zejména fluidního typu, do něhož je zaústěn jednak kalový vstup 11 a jednak vstup 12 nosného plynu. Nosným plynem může být vzduch, spalinová směs spolu se vzduchem apod. Z odpařováku 1 je vyveden plynový výstup 13, který je spřažen s plynovým vstupem 41 předehřívače 4. Plynový výstup 42 předehřívače 4 je spojen s plynovým vstupem 51 fluidního reaktoru 5, přičemž spalinový výstup 52 fluidního reaktoru 5 je spojen se spalinovým vstupem 43 předehřívače 4. Označení, že prvek je s druhým prvkem spřažen, znamená, že tyto dva prvky jsou spolu buď přímo spojeny, nebo častěji, že jsou spojeny prostřednictvím prvku dalšího. Označení, že prvky jsou spolu spojeny, značí, že jsou spojeny bezprostředně. Mezi spalinový výstup 44 předehřívače 4 a výstupní ústrojí 8 spalin je vřazena sériová kombinace dmychadla 7 a ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do

-3 CZ 13850 Ul odpařováku L Sací vstup 71 dmychadla 7 je přivrácen k předehřívači 4 a tlakový výstup 72 dmychadla 7 k výstupnímu ústrojí 8 spalin. Výstupní ústrojí 8 spalin je uzpůsobeno pro výstup spalin do ovzduší, nejčastěji se jedná o neznázoměný komín.

U takto sestaveného zařízení se v prvním stadiu k proudu kalu přivádí do odpařováku I proud nosného plynu, např. vzduchu, obsahujícího kyslík v množství převyšujícím stechiometrické množství kyslíku pro spálení kalu. V druhém stadiu se při zahřátí z kalu uvolňují rozpuštěné plyny a vodní pára, přičemž se vytváří proud a hořlavé směsi obsahující nosný plyn, rozpuštěné plyny, vodní páru z odvodněného kalu, odvodněné částice kalu a/nebo inertní částice. Proud a hořlavé směsi se ve třetím stadiu ohřívá v předehřívači 4 na teplotu o hodnotě o v rozmezí 5 až 15 % nižší, než je spalovací teplota. Ve čtvrtém stadiu se tento proud a hořlavé směsi ve fluidním reaktoru 5 spaluje. Spalováním vzniká spalinová směs, obsahující spaliny ze spalitelné části kalu, vodní páru a popel, přičemž tato spalinová směs vystupuje z fluidního reaktoru 5 ve formě proudu b. Tímto proudem b spalinové směsi se ohřívá v předehřívači 4 ve třetím stadiu se nacházející proud a hořlavé směsi. Proudem b spalinové směsi, ochlazené o teplo předané proudu a hořlavé směsi v předcházejícím stadiu, se ohřívá nosný plyn a kal nacházející se ve druhém stadiu. Teplem spalinové směsi se popřípadě ohřívá chladicí a/nebo pracovní tekutina, přičemž alespoň část spalinové směsi, viz obr. 3 a 4, se vypouští do ovzduší. Podle obr. 1, 2, 5 a 6 se do ovzduší vypouští veškerá spalinová směs, která prošla zařízením, podle obr. 3 a 4 se část spalinové směsi přivádí ke vstupu 12 nosného plynu. Pohyb proudu a hořlavé směsi i proudu b spalinové směsi j e zaj ištěn dmychadlem 7.

Pro všechna zařízení z obr. 1 až 6 je příznačné, že před dmychadlo 7 je vždy vřazen odlučovač 6 popela tak, že jeho spalinový výstup 62 je spojen se sacím vstupem 71 dmychadla 7 a jeho popelový výstup 63 je zaústěn k odtahovému ústrojí popela. Naproti tomu spalinový vstup 61 odlučovače 6 popela je v jednotlivých alternativách připojen k různým částem zařízení.

U většiny zařízení, obr. 1 až 4, se tepla spalin využívá k ohřevu chladicí tekutiny, jíž může být jak voda z přírodního toku, tak ekonomičtěji užitková voda, kterou lze využít např. k vytápění. Pro tento účel je před výstupním ústrojím 8 spalin předřazen vodní výměník 81 tepla, jenž je s výstupním ústrojím 8 spalin spřažen spalinovým výstupem 812, přičemž vodní výměník 8J_ tepla je dále opatřen ústrojím 813 pro průchod chladicí tekutiny. Ústrojí 813 pro průchod chladicí tekutiny je s výhodou uzpůsobeno pro připojení k teplovodnímu vytápěcímu zařízení.

Kaly mají různou schopnost hoření. Je proto velice důležité zajistit, aby proud a hořlavé směsi měl před vstupem do fluidního reaktoru 5 odpovídající teplotu. Toho se dosáhne tím, že množství předávaného tepla z proudu b spalinové směsi proudu a hořlavé směsi je regulovatelné. Technickým prostředkem k dosažení tohoto cíle je první klapka 45, která je paralelně připojena ke spalinovému vstupu 43 a spalinovému výstupu 44 předehřívače 4.

Aby spalinová směs, vstupující do výstupního ústrojí 8 spalin, měla požadovanou teplotu, je možno spalinovou směs přihřát. K tomu účelu slouží na obr. 1 a 2 znázorněný spalinový výměník 82 tepla, jehož teplý vstup 821 je připojen ke spalinovému výstupu 44 předehřívače 4 a jehož studený výstup 824 je spojen s výstupním ústrojím 8 spalin. Podle příkladů provedení je studený vstup 823 spalinového výměníku 82 tepla spojen se spalinovým výstupem 812 vodního výměníku 81 tepla a teplý výstup 822 spalinového výměníku 82 tepla se spalinovou odparkou 3 odpařováku 1.

Pro najíždění je fluidní reaktor 5 u všech zařízení opatřen přívodem 57 pomocného paliva. Pomocným palivem je s výhodou zemní plyn.

Vedle společných znaků vykazují jednotlivá konkrétní provedení některé odlišnosti. U provedení podle obr. 1 odpařovák 1 je tvořen kondenzační odparkou 2 s fluidní vrstvou 23 a spalinovou odparkou 3 s fluidní vrstvou 34. Kondenzační odparka 2 obsahuje kalový vstup 11, vstup 12 nosného plynu a připojovací výstup 21. Spalinová odparka 3 obsahuje připojovací vstup 31 a plynový výstup 13 odpařováku 1, přičemž připojovací vstup 31 spalinové odparky 3 je spojen s připojovacím výstupem 21 kondenzační odparky 2. Ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi

-4CZ 13850 Ul do odpařováku 1 je tvořeno jednak ve fluidní vrstvě 23 kondenzační odparky 2 vloženým prvním teplosměnným ústrojím 22 ajednak ve fluidní vrstvě 34 spalinové odparky 3 vloženým druhým teplosměnným ústrojím 32. Vstup 221 prvního teplosměnného ústrojí 22 je spojen s tlakovým výstupem 72 dmychadla 7 a výstup 222 prvního teplosměnného ústrojí 2 je přes vodní „výměník tepla a spalinový výměník 82 tepla spřažen s výstupním ústrojím 8 spalin. U druhého teplosměnného ústrojí 32 je spřažen jeho vstup 321 přes spalinový výměník 82 tepla se spalinovým výstupem 44 předehřívače 4 a jeho výstup 322 přes odlučovač 6 popela se sacím vstupem 71 dmychadla 7. Tak je vytvořena sériová kombinace dmychadla 7 a ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku 1 a současně je provedena orientace sacího vstupu 71 a tlakového výstupu 72 dmychadla 7. V rámci regulovaného předávání tepla z proudu b spalinové směsi do proudu a hořlavé směsi a/nebo nosnému plynu a kalu je ke vstupu 321 a výstupu 322 druhého teplosměnného ústrojí 32 paralelně připojena druhá klapka 33.

Pro vysvětlení činnosti zařízení z obr. 1 je vzat v úvahu kal s obsahem sušiny v rozmezí 7,5 až 30 % a s výhřevností sušiny v rozmezí 15 až 18 MJ/kg. Do kondenzační odparky 2 se prostřednictvím vstupu 12 nosného plynu nasává vzduch a kalovým vstupem 11 se přivádí proud kalu. Vzduchu musí být tolik, aby množství kyslíku ve vzduchu obsaženém převyšovalo stechiometrické množství kyslíku pro spálení kalu. Prvním teplosměnným ústrojím 22 protéká proud b spalinové směsi, přičemž při přenosu tepla mezi povrchem prvního teplosměnného ústrojí 22, fluidní vrstvou 23, tvořenou nej častěji pískem a kalem, rozptýleném ve fluidní vrstvě 23, se z kalu uvolňují rozpuštěné plyny a vodní pára, přičemž se vytváří proud a hořlavé směsi, obsahující vzduch jakožto nosný plyn, rozpuštěné plyny, vodní páru z odvodněného kalu, odvodněné částice kalu a/nebo inertní částice, a to jak z kalu, tak z fluidní vrstvy 23. Proud a hořlavé směsi se sacím účinkem dmychadla 7 dostane do spalinové odparky 3, v níž účinkem druhého teplosměnného ústrojí 32 a fluidní vrstvy 34 dochází k téměř úplnému odvodnění kalu. Ze spalinové odparky 3 vystupující proud a hořlavé směsi má teplotu těsně pod 100 °C, načež tento proud a hořlavé směsi se v předehřívači 4 ohřeje působením proudu b spalinové směsi na teplotu blízkou teplotě spalování kalu. Optimální hodnota teploty hořlavé směsi vystupující z předehřívače 4 leží okolo 10 % pod spalovací teplotou. Příznivého spalování se dosáhne při hodnotě této teploty v rozmezí 5 až 15 %. Ve fluidním reaktoru 5 se při teplotě 850 °C úplně spálí všechny plynné i tuhé spalitelné látky. Při najíždění fluidního reaktoru 5 na provozní teplotu se do něho přívodem 57 přivádí pomocné palivo. Spalováním hořlavé směsi vzniká spalinová směs, obsahující spaliny ze spalitelné části kalu, vodní páru a popel.

Spalné teplo se využije k již uvedenému ohřevu proudu a hořlavé směsi. Za tím účelem se proud b spalinové směsi po opuštění fluidního reaktoru 5 dostává do předehřívače 4, kde předá část svého tepla, čímž se spalinová směs ochladí na teplotu okolo 600 °C. Při kolísání obsahu vody v proudu a hořlavé směsi se požadovaná teplota ve fluidním reaktoru 5 dosáhne obtokem spalinové směsi vně předehřívače 4 pomocí první klapky 45. Po smíšení proudu b spalinové směsi z předehřívače 4 a z obtoku od první klapky 45 prochází spalinová směs spalinovým výměníkem tepla, ve kterém se ohřívají spaliny před výstupem do ovzduší na teplotu 140 °C, když předtím ze spalinové směsi byly odloučeny popel a vodní pára. Ve spalinovém výměníku 82 tepla se proud b spalinové směsi ochladí na teplotu pod 600 °C, optimálně na 590 °C. Následně se proud b spalinové směsi zavede do druhého teplosměnného ústrojí 32, kde se proud b spalinové směsi ochladí na 120 °C. V připojeném odlučovači 6 popela se odloučí popel, který je přes popelový výstup 63 a neznázoměné odtahové ústrojí popela kontinuálně odstraňován. Při najíždění ze studeného stavu se v rámci regulovaného předávání tepla z proudu b spalinové směsi otevře druhá klapka 33, čímž se omezí kondenzace par v odlučovači 6 popela před jeho vyhřátím na provozní teplotu. Dmychadlo 7 nasává do zařízení vzduch a umožňuje pohyb proudu a hořlavé směsi i proudu b spalinové směsi tím, že od kalového vstupu 11 a vstupu 12 nosného plynu až k sacímu vstupu 71 dmychadla ]_ udržuje podtlak vzhledem k okolnímu ovzduší, přitom v sacím vstupu 71 dmychadla 7 je optimální podtlak 0,5.10⁵ Pa (0,5 bar). V prvním teplosměnném ústrojí 22 nedojde k úplné kondenzaci par z proudu b spalinové směsi. Proto je za výstupem 222 prvního teplosměnného ústrojí 22 zařazen vodní výměník 81 tepla, ve kterém lze ohřát užitkovou vodu na teplotu v rozmezí 60 až 80 °C.

-5 CZ 13850 Ul

V zařízení podle obr. 2 odpařovák Ije tvořen spalinovou odparkou 3 s fluidní vrstvou 34 a kondenzační odparkou 2 s fluidní vrstvou 23. Spalinová odparka 3 obsahuje kalový vstup 11, vstup 12 nosného plynu a připojovací výstup 35 a kondenzační odparka 2 připojovací vstup 24 a plynový výstup 13 odpařováku I. Připojovací výstup 35 spalinové odparky 3 je spojen s připojovacím vstupem 24 kondenzační odparky 2. Ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku Ije tvořeno jednak ve fluidní vrstvě 34 spalinové odparky 3 uloženým druhým teplosměnným ústrojím 32 ajednak ve fluidní vrstvě 23 kondenzační odparky 2 uloženým prvním teplosměnným ústrojím 22. U druhého teplosměnného ústrojí 32 je spřažen jeho vstup 321 přes spalinový výměník 82 tepla se spalinovým výstupem 44 předehřívače 4 a jeho výstup 322 přes odlučovač 6 popela v rámci sériové kombinace se sacím vstupem 71 dmychadla 7. U prvního teplosměnného ústrojí 22 je jeho vstup 221 spojen s tlakovým výstupem 72 dmychadla 7 a jeho výstup 222 spřažen s výstupním ústrojím 8 spalin. Připojení vodního výměníku 81 tepla a jeho spojení se spalinovým výměníkem 82 tepla jsou shodné s předchozím provedením.

Činnost tohoto zařízení je obdobná jako v předcházejícím případě s tím rozdílem, že proud b spalinové směsi o teplotě pod 600 °C je nejdříve zaveden do druhého teplosměnného ústrojí 32, ve kterém se ochladí na teplotu 120 °C a po odloučení popela v odlučovači 6 popela je dmychadlem 7 protlačován prvním teplosměnným ústrojím 22 a dále jako v předcházejícím případě vodním výměníkem 81 tepla a spalinovým výměníkem 82 tepla do ovzduší.

Ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku I podle příkladu provedení na obr. 3 je upraveno v nádobě 14, kde ve fluidní vrstvě 15 je uloženo třetí teplosměnné ústrojí 16 a čtvrté teplosměnné ústrojí 17. V rámci sériové kombinace ústrojí pro převod tepla a dmychadla 7 je vstup 161 třetího teplosměnného ústrojí 16 spojen s tlakovým výstupem 72 dmychadla 7 a výstup 162 je spřažen přes vodní výměník 81 tepla s výstupním ústrojím 8 spalin. Pro převod části tepla z proudu b spalinové směsi nosnému plynu a kalu je výstup 162 třetího teplosměnného ústrojí 16 přes třetí klapku 18 spojen se vstupem 12 nosného plynu. Protože je žádoucí část tepla ze spalování, probíhajícího ve čtvrtém stadiu, převést na energeticky upotřebitelnou páru, jakožto příklad pracovní tekutiny, je čtvrté teplosměnné ústrojí 17 napojeno na energetický obvod 9, obsahující ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry a kondenzační turbínu 99 tak, že vstup 171 čtvrtého teplosměnného ústrojí 17 je spojen s výstupem 992 kondenzační turbíny 99 a výstup 172 Čtvrtého teplosměnného ústrojí 17 je napojen na vstup 921 vodního zásobníku 92, jehož výstup 922 je přes první čerpadlo 93 spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry. Výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je uspořádána ve fluidním reaktoru 5. Výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem 991 kondenzační turbíny 99. Kondenzační turbína 99 je spřažena s generátorem G. Pro účel doplňování vody do energetického obvodu 9 je vodní zásobník 92 opatřen přítokem 923 upravené vody. Ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry má na vstupu uspořádán vodní vstup 941 odlučovače 94 par, přičemž výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je uspořádán na výstupu 542 druhého výměníku 54 tepla, uloženého spolu s prvním výměníkem 53 tepla ve fluidní vrstvě 56 fluidního reaktoru 5. Vstup 531 prvního výměníku 53 teplaje přes druhé čerpadlo 95 spřažen s vodním výstupem 943 odlučovače 94 par a výstup 532 prvního výměníku 53 teplaje spojen s parovodním vstupem 942 odlučovače 94 par, přičemž vstup 541 druhého výměníku 54 teplaje spojen s parním výstupem 944 odlučovače 94 par.

Při činnosti zařízení podle obr. 3 se do odpařováku I vstupem 12 nosného plynu nasává proud vzduchu a spalin. Současně se kalovým vstupem 11 přivádí proud kalu. Ve čtvrtém teplosměnném ústrojí 17 kondenzuje energeticky upotřebitelná pára z kondenzační turbíny 99 a v třetím teplosměnném ústrojí 16 pára z proudu b spalinové směsi. Kondenzačním teplem se uvolňuje pára z kalů, která sytí proud nosného plynu, sestávajícího tentokrát zejména ze vzduchu a spalin. Vzniklá hořlavá směs, mající na plynovém výstupu 13. z odpařováku I teplotu pod 100 °C, optimálně 96 °C, se v předehřívači 4 ohřeje na 750 °C proudem b spalinové směsi, která do předehřívače 4 vstupuje s teplotou 850 °C. Po ohřátí proudu a hořlavé směsi v předehřívači 4 a po jejím vstoupení do fluidního reaktoru 5 dojde ve fluidní vrstvě 56 fluidního reaktoru 5 k uvolnění spalného tepla sušiny kalu, a to při teplotě 850 °C. Tato teplota se řídí množstvím tepla, které

-6CZ 13850 Ul se odvádí prvním výměníkem 53 tepla a druhým výměníkem 54 tepla. Po průtoku proudu b spalinové směsi předehřívačem 4 se v odlučovači 6 zbaví spalinová směs popela. Dmychadlo 7, zařazené za odlučovačem 6 popela, nasává do zařízení vzduch a přisává spaliny z mechanicky vyčištěného proudu b spalinové směsi. Množství přisávaných spalin se nastavuje třetí klapkou 5

18. Při výrobě energeticky upotřebitelné páry se voda na bodu varu dopravuje druhým čerpadlem F z odlučovače 94 par do prvního výměníku 53 tepla, ve kterém vzniká směs vody a vodní páry. i Tato směs se vede do odlučovače 94 par, z něhož se pára přivádí do druhého výměníku 54 tepla, kde se přehřívá s výhodou na 500 °C při tlaku 50.10⁵ Pa (50 bar).

Přehřátá pára se přivádí do kondenzační turbíny 99, v níž se její tlak sníží z 50.10⁵ Pa (50 bar) na ío 2.10⁵Pa (2 bary). Vlhká pára pak kondenzuje ve čtvrtém teplosměnném ústrojí 17. Vzniklý kondenzát se odvádí do vodního zásobníku 92. Ztráty vody a vodní páry v energetickém obvodu

9, způsobené případnými netěsnostmi, se doplňují prostřednictvím přítoku 923 upravené vody do vodního zásobníku 92. Stejně jako v předcházejících případech pára ze spalinové směsi, vystupující tentokrát z třetího teplosměnného ústrojí 16, kondenzuje ve vodním výměníku 81 tepla, ve kterém podle potřeby ohřívá užitkovou vodu na teplotu v rozmezí 60 až 80 °C.

V příkladu provedení podle obr. 4 ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku 1 obsahuje jednak třetí klapku 18, vřazenou mezi tlakový výstup 72 dmychadla 7 a vstup 12 nosného plynu a jednak čtvrté teplosměnné ústrojí 17, jehož vstup 171 je spojen s odběrem 913 odběrové turbíny 91 a jehož výstup 172 ie napojen na vstup 921 vodního zásobníku 92, přičemž výstup 922 vodního zásobníku 92 je přes první čerpadlo 93 spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru 5. Výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem 911 odběrové < turbíny 91, přičemž tlakový výstup 72 dmychadla 7 je současně spřažen přes vodní výměník 81 ; tepla s výstupním ústrojím 8 spalin. Výstup 912 odběrové turbíny 9i je přes kondenzátor 96 a 25 třetí čerpadlo 97 spřažen s přívodem 924 kondenzátu do vodního zásobníku 92. Ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je shodného provedení jako v předcházejícím případě.

Rozdíl v činnosti od předcházejícího případu spočívá jednak v tom, že proud a hořlavé směsi se získá v odpařováku 1 působením jediného, a to čtvrtého teplosměnného ústrojí 17, do něhož se z odběrové turbíny 91 odebírá jen část výstupní páry o tlaku 2.10⁵ Pa (2 bar), zatímco zbývající část výstupní páry se mění na vodu v kondenzátoru 96, z něhož se třetím čerpadlem 97 dopravuje do vodního zásobníku 92. Do vodního zásobníku 92 se dopravuje též kondenzát z výstupu 172 čtvrtého teplosměnného ústrojí 17. Funkce ostatních částí zařízení je shodná s předchozím příkladem.

U zařízení znázorněného na obr. 5 je ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku i tvořeno třetím teplosměnným ústrojím 16, uspořádaným ve fluidní vrstvě 15 nádoby 14 odpařováku 1, kde vstup 161 třetího teplosměnného ústrojí 16 je spojen s tlakovým výstupem 72 dmychadla 7, uspořádaného jako turbosoustrojí, a kde výstup 162 třetího teplosměnného ústrojí 16 je přes turbosoustrojí spřažen s výstupním ústrojím 8 spalin. Před dmychadlo 7 je známým způsobem zapojen odlučovač 6 popela. Na rozdíl od předcházejících příkladů provedení je v tomto případě energetický obvod 9 zcela uzavřen do sebe a nedochází zde k míšení obíhající tekutiny, tj. vody a vodní páry s proudem a hořlavé směsi, ani proudem b spalinové směsi. Zařízení je uspořádáno tak, že ve fluidním reaktoru 5 je upravena již dříve popsaná výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páiy, jehož výstup je spojen se vstupem 991 kondenzační turbíny 99, přičemž výstup 992 kondenzační turbíny 99 je přes kondenzátor 96 spřažen s přívodem 924 kondenzátu vodního zásobníku 92. Výstup 922 vodního zásobníku 92 je přes první čerpadlo 93 spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry. Další rozdíl oproti předcházejícím příkladům spočívá v tom, že odpařovák l, předehřívač 4 a fluidní reaktor 5 jsou spojeny propojovacím ústrojím 55, uzpůsobeným pro oběh inertních částic mezi fluidní vrstvou 15 odpařováku i a fluidní vrstvou 56 fluidního reaktoru 5.

Činnost zařízení podle obr. 5 je obdobná činnosti zařízení na obr. 4 s tím rozdílem, že proud b spalinové směsi, ale již bez popela, se v turbosoustrojí stlačuje na tlak 5.10⁵ Pa (5 bar) a po

-7 CZ 13850 Ul kondenzaci par v třetím teplosměnném ústrojí 16 se v turbosoustrojí tlak proudu b spalinové směsi sníží na 1,5.10⁵ Pa (1,5 bar) a spaliny se odvedou do ovzduší. Zařízení tohoto provedení umožní zvýšit výkon kondenzační turbíny 91 a současně se lépe využije teplo spalinové směsi k odvodnění kalu. U tohoto zařízení, je-li opatřeno propojovacím ústrojím 55, dochází mezi fluidní vrstvou 15 odpařováku I a fluidní vrstvou 56 fluidního reaktoru 5 k oběhu inertních částic, který vede přes předehřívač 4, Tento proud inertních částic jednak přenáší teplo mezi odpařovákem 1 a fluidním reaktorem 5 a jednak čistí příslušné teplosměnné povrchy.

Nepropojenost tekutin energetického obvodu 9 s proudem a hořlavé směsi a proudem b spalinové směsi umožňuje úpravu, znázorněnou na obr. 6. V rámci této úpravy je ve fluidním reaktoru 5 uspořádána výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výstup je spojen s odběrní sítí 98 páry a jehož vstup je napojen na externí síť 945 upravené vody. Odběrní síť 98 páry i externí síť 945 upravené vody mohou být buď lokálními sítěmi 98, 945, nebo mohou být zaintegrovány do veřejných sítí. Činnost zařízení podle obr. 6 je v podstatě shodná jako na obr. 5.

Průmyslová využitelnost

Zařízení k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů podle technického řešení lze upotřebit ve všech provozech, které chtějí odpadní kaly ekologicky i ekonomicky zneškodnit. Zvlášť významné uplatnění však nalezne v čistírnách odpadních vod, zejména velkých měst, a dále při zneškodňování kalů v zemědělských podnicích.

Claims (17)

1. Zařízení k získávání tepelné energie ze spalitelných kalů, vyznačující se tím, že obsahuje odpařovák (1), zejména fluidního typu, do něhož je zaústěn jednak kalový vstup (11) a jednak vstup (12) nosného plynu a z něhož je vyveden plynový výstup (13), který je spřažen s plynovým vstupem (41) předehřívače (4), jehož plynový výstup (42) je spojen s plynovým vstupem (51) fluidního reaktoru (5), přičemž spalinový výstup (52) fluidního reaktoru (5) je spojen se spalinovým vstupem (43) předehřívače (4), mezi jehož spalinový výstup (44) a výstupní ústrojí (8) spalin, uzpůsobené pro výstup spalin do ovzduší, je vřazena sériová kombinace dmychadla (7) a ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1), přičemž je přivrácen sací vstup (71) dmychadla (7) k předehřívači (4) a tlakový výstup (72) dmychadla (7) k výstupnímu ústrojí (8) spalin.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že před dmychadlo (7) je vřazen odlučovač (6) popela tak, že jeho spalinový výstup (62) je spojen se sacím vstupem (71) dmychadla (7) a jeho popelový výstup (63) je zaústěn k odtahovému ústrojí popela.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že před výstupním ústrojím (8) spalin je předřazen vodní výměník (81) tepla, jenž je s výstupním ústrojím (8) spalin spřažen spalinovým výstupem (811), přičemž vodní výměník (81) teplaje dále opatřen ústrojím (813) pro průchod chladicí tekutiny.

4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke spalinovému vstupu (43) a spalinovému výstupu (44) předehřívače (4) je paralelně připojena první klapka (45).

5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke spalinovému výstupu (44) předehřívače (4) je připojen teplý vstup (821) spalinového výměníku (82) tepla, jehož studený výstup (824) je spojen s výstupním ústrojím (8) spalin.

-8CZ 13850 Ul

6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že odpařovák (1) je tvořen kondenzační odparkou (2) s fluidní vrstvou (23) a spalinovou odparkou (3) s fluidní vrstvou (34), kde obsahuje kondenzační odparka (2) kalový vstup (11), vstup (12) nosného plynu a připojovací výstup (21) a spalinová odparka (3) připojovací vstup (31) a plynový výstup (13) odpařováku (1), přičemž připojovací vstup (31) spalinové odparky (3) je spojen s připojovacím výstupem (21) kondenzační odparky (2), přičemž dále ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1) je tvořeno jednak ve fluidní vrstvě (23) kondenzační odparky (2) vloženým prvním teplosměnným ústrojím (22), jehož vstup (221) je spojen s tlakovým výstupem (72) dmychadla (7) a jehož výstup (222) je spřažen s výstupním ústrojím (8) spalin, a jednak ve fluidní vrstvě (34) spalinové odparky (3) vloženým druhým teplosměnným ústrojím (32), jehož vstup (321) je spřažen se spalinovým výstupem (44) předehřívače (4) a jehož výstup (322) je spřažen se sacím vstupem (71) dmychadla (7).

7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že ke vstupu (321) a výstupu (322) druhého teplosměnného ústrojí (32) je paralelně připojena druhá klapka (33).

8. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že odpařovák (1) je tvořen spalinovou odparkou (3) s fluidní vrstvou (34) a kondenzační odparkou (2) s fluidní vrstvou (23), kde obsahuje spalinová odparka (3) kalový vstup (11), vstup (12) nosného plynu a připojovací výstup (35) a kondenzační odparka (2) připojovací vstup (24) a plynový výstup (13) odpařováku (1), přičemž připojovací výstup (35) spalinové odparky (3) je spojen s připojovacím vstupem (24) kondenzační odparky (2), přičemž dále ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1) je tvořeno jednak ve fluidní vrstvě (34) spalinové odparky (3) uloženým druhým teplosměnným ústrojím (32), jehož vstup (321) je spřažen se spalinovým výstupem (44) předehřívače (4) a jehož výstup (322) je spřažen se sacím vstupem (71) dmychadla (7), a jednak ve fluidní vrstvě (23) kondenzační odparky (2) uloženým prvním teplosměnným ústrojím (22), jehož vstup (221) je spojen s tlakovým výstupem (72) dmychadla (7) a jehož výstup (222) je spřažen s výstupním ústrojím (8) spalin.

9. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1) je upraveno v nádobě (14), kde ve fluidní vrstvě (15) je uloženo třetí teplosměnné ústrojí (16), jehož vstup (161) je spojen s tlakovým výstupem (72) dmychadla (7) a jehož výstup (162) je spřažen s výstupním ústrojím (8) spalin, přičemž ve fluidní vrstvě (15) odpařováku (1) je též uloženo čtvrté teplosměnné ústrojí (17), napojené na energetický obvod (9) obsahující ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry a kondenzační turbínu (99) tak, že vstup (171) čtvrtého teplosměnného ústrojí (17) je spojen s výstupem (992) kondenzační turbíny (99) a výstup (172) čtvrtého teplosměnného ústrojí (17) je napojen na vstup (921) vodního zásobníku (92), jehož výstup (922) je přes první Čerpadlo (93) spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru (5), přičemž výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem (991) kondenzační turbíny (99).

10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že výstup (162) třetího teplosměnného ústrojí (16) je přes třetí klapku (18) spojen se vstupem (12) nosného plynu.

11. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1) obsahuje jednak třetí klapku (18), vřazenou mezi tlakový výstup (72) dmychadla (7) a vstup (12) nosného plynu a jednak čtvrté teplosměnné ústrojí (17), jehož vstup (171) je spojen s odběrem (913) odběrové turbíny (91) a jehož výstup (172) je napojen na vstup (921) vodního zásobníku (92), přičemž výstup (922) vodního zásobníku (92) je přes první čerpadlo (93) spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru (5), a výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je spojen se vstupem (911) odběrové turbíny (91), přičemž tlakový výstup (72) dmychadla (7) je současně spřažen s výstupním ústrojím (8) spalin.

-9CZ 13850 Ul

12. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že výstup (912) odběrové turbíny (91) je přes kondenzátor (96) a třetí čerpadlo (97) spřažen s přívodem (924) kondenzátu do vodního zásobníku (92).

13. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ústrojí pro převod tepla ze spalinové směsi do odpařováku (1) je tvořeno třetím teplosměnným ústrojím (16), uspořádaným ve fluidní vrstvě (15) nádoby (14) odpařováku (1), kde vstup (161) třetího teplosměnného ústrojí (16) je spojen s tlakovým výstupem (72) dmychadla (7), uspořádaného jako turbosoustrojí a kde výstup (162) třetího teplosměnného ústrojí (16) je přes turbosoustrojí spřažen s výstupním ústrojím (8) spalin.

14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že ve fluidním reaktoru (5) je uspořádána výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výstup je spojen se vstupem (991) kondenzační turbíny (99), přičemž výstup (992) kondenzační turbíny (99) je přes kondenzátor (96) spřažen s přívodem (924) kondenzátu vodního zásobníku (92), jehož výstup (922) je přes první čerpadlo (93) spřažen se vstupem ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry.

15. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že obsahuje ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, jehož výstup je spojen s odběrní sítí (98) páry, jehož vstup je napojen na externí síť (945) upravené vody a jehož výměníková část je uspořádána ve fluidním reaktoru (5).

16. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že odpařovák (1), předehřívač (4) a fluidní reaktor (5) jsou spojeny propojovacím ústrojím (55), uzpůsobeným pro oběh inertních částic mezi fluidní vrstvou (15) odpařováku (1) a fluidní vrstvou (56) fluidního reaktoru (5).

17. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 9, 11, 14 a 15, vyznačující se tím, že ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry má na vstupu uspořádán vodní vstup (941) odlučovače (94) par, přičemž výstup ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry je uspořádán na výstupu (542) druhého výměníku (54) tepla, uloženého spolu s prvním výměníkem (53) tepla ve fluidní vrstvě (56) fluidního reaktoru (5), kde prvním výměníkem (53) tepla i druhým výměníkem (54) tepla je tvořena výměníková část ústrojí pro výrobu energeticky upotřebitelné páry, přičemž současně vstup (531) prvního výměníku (53) teplaje přes druhé čerpadlo (95) spřažen s vodním výstupem (943) odlučovače (94) par, výstup (532) prvního výměníku (53) teplaje spojen s parovodním vstupem (942) odlučovače (94) par a vstup (541) druhého výměníku (54) teplaje spojen s parním výstupem (944) odlučovače (94) par.