CZ14193U1 - Třízonový zplyňovač biomasy rostlinného původu s obchvatem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Obecně je za biomasu považována organická hmota rostlinného nebo živočišného původu, která vzniká jako produkt zemědělské, průmyslové, komunální nebo živočišné výroby. Biomasa rostlinného původu se tvoří v procesu fotosyntézy, biomasa živočišného původu se vytváří biologickou přeměnou při konzumaci biomasy rostlinného původu.

Rostlinná biomasa jako směs uhlovodíků je zdrojem energie. Díky fotosyntéze při které vzniká se také jeví jako transportní médium solární energie v přirozeném řetězci přeměny hmoty a energie. Je to tedy obnovitelný zdroj energie.

Získávání energie z rostlinné biomasy lze provést buď termickými, nebo biochemickými procesy. Mezi termické procesy patří spalování, zplyňování, pyrolýza a zkapalňování.

Zplyňování je částečně oxidační proces, při kterém dochází napřed ke spálení vsázky - zde rostlinné biomasy, aby pak vzniklé spaliny rekombinovaly průchodem ještě nespálenou, avšak již teplem rozloženou vsázkou na plyn s dominantním obsahem kysličníku uhelnatého. Proces zplyňování probíhá ve čtyřech fázích. Jsou to fáze hoření, fáze redukce, fáze tepelného rozkladu či destilace a fáze sušení. Ve fázi sušení je vsázka zbavována volné vody. Ve fázi destilace dochází k odplynění a zuhelnatění vsázky procesním teplem. Vzniklá hmota obsahuje vysoké procento volného uhlíku, tak zvaného karbonu. Ve fázi hoření a ve fázi redukce dochází k vývinu energeticky využitelného plynu.

Zplyňováním vsázky vzniká nízkokalorický plyn, teplo a popel. Zplyňování probíhá v uzavřeném prostoru zplyňovače tak, aby bylo možno zajistit řízený přívod okysličovadla, obvykle vzduchu. Volná voda ve vsázce je procesu na závadu, protože odnímá procesu teplo. Naopak vodní pára cíleně přidávaná ve fázi redukční je přínosná, protože na žhavém karbonu se rozkládá a dodává procesu vedle kyslíku též žádaný vodík a metan.

Protože je zplyňování endotermickým procesem, část vsázky spotřebovaná spálením působí jako vnitřní zdroj tepla.

Dosavadní stav techniky

V procesu zplyňování je přínosný hlavně plyn vyvinutý ve fázi redukční a teplo nespotřebované v procesu. Z energetického hlediska je žádoucí, aby vyvinutý plyn měl co největší objem spalitelných složek a co nejmenší objem oxidu uhličitého, vody a dalších sloučenin jako je např. dehet, čpavek, kyselina octová, kyselina mravenčí, simé sloučeniny, prach a podobně. Tyto nežádoucí komponenty vznikají při nižších reakčních teplotách, především ve fázi sušicí a ve fázi destilační a u dosud známých provedení zplyňovačů se samovolně přimíchávají k plynu vyvinutému ve fázi redukční při jeho odvádění ze zplyňovače. Pokud je hlavním účelem zplyňování zisk energeticky hodnotného plynu, je to děj nežádoucí.

Proces zplyňování je z minulosti dobře znám. Byl používán hlavně pro zplyňování dřeva, uhlí nebo koksu. V současnosti je znovu využíván ke zplyňování dřeva, nebo ke zplyňování hnědého uhlí v paroplynových elektrárnách. Využívání procesu zplyňování pro ostatní rostlinnou biomasu s výjimkou dřeva je ve stádiu pokusů.

Dosud známé zplyňovače jsou konstruovány buď s pevným ložem, s pohyblivým (rotačním, nebo posuvným) ložem, fluidním (čeřeným) ložem, nebo zplyňování probíhá ve vznosu. Jsou známy konstrukce zplyňovačů s kontinuální, nebo přerušovanou funkcí.

U dosud známých konstrukcí zplyňovačů probíhá proces tak, ze všechny čtyři procesní fáze nejsou výrazně rozděleny, probíhají v bezprostřední návaznosti na sebe a v závislosti na lokálních teplotních poměrech, takže získaný plyn je směsí plynů jak vzniklých ve fázi redukční, tak z plynů vzniklých ve fázi destilační a sušicí. Taková situace vzniká u všech zplyňovačů s tak zva-1 CZ 14193 Ul ným přímým tahem. Získaný plyn je pak nutno dále upravovat filtrací, mokrou vypírkou, krakováním nebo dalšími metodami, abychom z něj nežádoucí komponenty odstranili. To je mnohdy (na příklad u mobilních zařízení) velkou nevýhodou.

K přímému odstranění nežádoucích komponent z vyvíjeného plynu uvnitř samotného zplyňovače dochází u zplyňovačů s tak zvaným obráceným tahem. U těchto zplyňovačů plyny vznikající ve fázi sušicí a ve fázi destilační proudí souběžně s postupem vsázky do prostoru hoření karbonu kde dochází k jejich dodatečnému spálení a redukci na užitné plynné komponenty. Značnou nevýhodou těchto typů zplyňovačů je však velká tepelná ztráta vzniklá mechanickým dohoříváním a špatným okysličováním vsázky a zhoršené šíření tepla uvnitř zplyňovače.

Podstata technického řešení

Nevýhody spojené se získáváním plynu bez nežádoucích komponent, kterými jsou dehet, čpavek, voda a další, se odstraní využitím zplyňovače, konstruovaného podle předloženého užitného vzoru.

Zplyňovač patří do kategorie zplyňovačů s pohyblivým ložem a přímým tahem. Je vertikálně orientovanou konstrukcí. Tvoří jej tři, vzájemně do sebe vnořené, válcové, ze spodní strany otevřené komory 3, 4, 5, přičemž komora 3 má menší průměr než komora 4 a ta má menší průměr než komora 5. Komora 5 je opatřena vnějším vodou chlazeným pláštěm 6.

Vodou chlazený plášť 6 může být též nahrazen žáruvzdornou vyzdívkou. Závisí to na konkrétní konstrukci komoiy 5 a na tom, zda je žádoucí využívat části ztrátového tepla pro jiné účely. Shora je do komory 3 zaústěn dávkovač 2, napojený na zásobník 1, nebo jiné obdobné zařízení na dopravu vsázky tak, aby bylo zaručeno kontinuální doplňování vsázky do zplyňovače při současném zajištění hermetičnosti. Komora 5 a její chladicí plášť 6 jsou pevně spojeny se zásobníkem popela 12 a podpěrnou konstrukci 14. Zásobník popela je zespoda uzavřen dávkovačem 13, navazujícím na odsun popela. Pod spodní okraj komory 5 je umístěn otočný stůl 7, uložený přes axiální ložisko na nosnou a vodicí desku 9. Otočný stůl je opatřen kuželovým ozubeným věncem, do kterého zapadá pastorek pohonu 8, umístěného vně zásobníku popela 12. Otočný stůl 7 je jednak zespoda v ose otáčení opatřen dutým vodicím čepem, jednak shora, rovněž v ose otáčení je opatřen perforovaným kuželem. Vodicí čep stolu 7 zapadá do ložiska s ucpávkou, pevně spojeného s nosnou a vodicí deskou 9. Tímto řešením je zajištěno, že ložiskem nosné a vodicí desky 9, dutým vodicím čepem a perforovaným kuželem stolu 7 může do prostoru komory 5 proudit zplyňovací médium. Zplyňovací médium je nositelem okysličovadla, nutného pro proces zplyňování.

Příklady provedení

Po zaplnění komor 3, 4, 5 vsázkou, zaplní vsázka jednotlivé komory pod přirozeným sypným úhlem, jehož horní bod je vždy určen spodním okrajem komor 3, 4, 5. Tím se nad úrovní vsázky, mezi stěnou komory 3 a 4, nebo komory 4 a 5 vytvoří volný prostor, do něhož se bude při procesu shromaždovat plyn. Hloubka zanoření komory 3 do komory 4 je zvolena tak, aby teplotní poměry uvnitř komory 3 odpovídaly fázi sušení, poměry uvnitř komory 4 pak fázi destilace. Obdobně hloubka zanoření komory 4 do komory 5 je zvolena tak, aby teplotní poměry uvnitř komory 5 odpovídaly fázi redukce a hoření. Tím jsou uvnitř zplyňovače jednoznačně vymezeny tři zóny, kde prostor uvnitř komory 3 vymezuje zónu sušicí, prostor komory 4 vymezuje zónu destilační a prostor komory 5 vymezuje zónu redukční a spalovací. Hloubku zanoření komor do sebe a tím vymezení objemu zón je nutno stanovit pokusně s ohledem na druh zplyňované vsázky.

V dolní části komory 5, v okolí kuželu dojde po styku vsázky se zplyňovacím médiem k hoření a vývinu oxidu uhličitého. Plyn nutně musí stoupat vzhůru a vzhledem k odporům při proudění se bude shromaždovat v prostoru mezi komorou 4 a 5. Protože se jedná o plyn vzniklý ve fázi redukční, jde o plyn suchý, horký a neobsahující nežádoucí komponenty. Tento plyn je odčerpáván

-2CZ 14193 Ul k vnějšímu použití jako užitkový plyn. Naproti tomu směs tvořená plynem z komory 4 a par z komory 3, která obsahuje nežádoucí komponenty se obdobně bude shromažďovat v prostoru mezi komorou 4 a 3. S výhodou můžeme takto oddělenou směs plynů a par odčerpávat a zavést do prostoru komory 5, kde v zóně spalovací a redukční dojde k jejímu spálení a redukci na užitkové složky plynu. Intenzita čerpání je při tom regulovatelná.

K odčerpávání směsi plynu zvaného též vratný plyn z meziprostoru komory 4 ajeho dopravu do kužele otočného stolu 7 lze s výhodou provést pomocí proudového vzduchového injektoru 11. K tomu účelu je meziprostor komory 4 propojen s injektorem 11 a výstup injektoru 11 pak propojen s ložiskem nosné a vodicí desky 9. Vzduch dodávaný z ventilátoru 10 do injektoru 11 je čerpacím médiem. Přeměnou části své kinetické energie způsobí odsávání vratného plynu a jeho dopravu. Vzduch se při tom smísí s vratným plynem a vytvoří tak zvanou zplyňovací směs. Vzduch ve zplyňovací směsi působí též jako zdroj okysličovadla, nutného pro hoření vsázky.

Pokud vratný plyn neobsahuje velké množství vodní páry a pokud to druh vsázky a teplotní poměry uvnitř zplyňovače dovolí, může být do zplyňovacího média přidávána též vodní pára. Je to výhodné proto, že výstupní plyn se obohatí volným vodíkem a metanem. Vodní pára může být přivedena z vnějšího zdroje. Lze také s výhodou využít vlastní vodní páry, získané odparem vody v chladicím plášti 6 komory 5.

Průmyslová využitelnost

Rostlinná biomasa, jako obnovitelný zdroj energie, použitá ve zplyňovači vyrobeného podle užitného vzoru poskytne nízkokalorický, avšak pro energetické účely využitelný plyn. Díky konstrukci zplyňovače je vyráběný plyn suchý, horký a neobsahuje nežádoucí komponenty, které se jinak běžně vyskytují u jiných známých konstrukcí zplyňovačů. Tím zplyňovač, konstruovaný podle užitného vzoru umožní využít jako vsázky řady přebytečných nebo nevyužitelných zemědělských surovin, jako jsou na příklad obilná sláma,-řepková sláma, kůra stromů, stonky a lusky luštěnin, stonky a plevy olejnin, seno z travin a především záměrně pěstované, energeticky významné rostliny jako je na příklad krmný šťovík, křídlatka, konopí, rákos a další. Význam pěstovaných energeticky významných rostlin je o to větší, že je lze pěstovat na půdách, které nejsou využitelné pro intenzivní zemědělskou výrobu.

Plyn získaný ze zplyňovače je známými a běžně užívanými způsoby využitelný jako plynné palivo k vytápění, k přípravě teplé užitkové vody, k výrobě vodní páry, nebo k pohonu plynových motorů a turbín. Pokud jsou tyto pohony spojeny s generátorem elektrického proudu, získá se levný lokální zdroj elektrické energie. U kogeneračních jednotek může vyráběný plyn nahradit užívaný zemní plyn, který je sice vysoce kalorickým, avšak neobnovitelným a ekologicky škodlivým palivem.

Běžnými a známými způsoby je využitelné i teplo, unášené vyvíjeným plynem. Popel, získaný z vyvíječe jako vedlejší produkt zplyňování obsahuje minerální látky a sloučeniny dusíku, které jsou významné a využitelné jako zemědělské hnojivo. Popel může být s výhodou využit k rekultivaci půd s nízkou bonitou.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zplyňovač rostlinné biomasy, vertikální, s otočným stolem (7), s horním uzávěrem vsázky (2), se zásobníkem popela (12), s uzávěrem popela (13) a s vodou chlazeným pláštěm (6), kde užitkový plyn je odváděn z komory (5), vyznačující se tím, že komora (3) je vnořena do komory (4) a taje vnořena do komory (5), přičemž zanoření spodního okraje komory (3) ohraničuje oblast zóny sušicí, zanoření spodního okraje komory (4) ohraničuje oblast zóny destilační a spodní okraj komory (5) ohraničuje zónu redukční a spalovací.

   -3CZ 14193 Ul
2. 2. Zplyňovač podle nároku 1, umožňující vyvést vratný plyn z prostoru mezi komorami (3) a (4), vyznačující se tím, že prostor mezi komorami (3) a (4) je prostřednictvím obchvatu se vřazeným vzduchovým injektorem (11) propojen s otočným stolem (7).
3. 3. Zplyňovač podle nároků 1 a 2, umožňující využití vlastní vodní páry vyvinuté v plášti (6), 5 vyznačující se tím, že chlazený plášť (6) je potrubím se vřazeným regulačním ventilem propojen do obchvatu pod vzduchový injektor (11).