Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro výrobu elektrické energie a tepla z biomasy, pracujícího na principu organického Rankinova cyklu a kogenerační jednotky.

Dosavadní stav techniky

Jsou známa zařízení, která spalováním biomasy vyrábí elektrickou energii a vytváří komplexní soustavy pro zužitkování odpadního tepla, které takovým procesem vzniká.

Jedním typem takových zařízení např. jsou zařízení na výrobu elektrické energie pomocí organického Rankinova cyklu (ORC). Např. dvoustupňový systém ORC zařízení využívá k ohřevu pracovního média tepla ze skláren nebo jiných provozů, kde vzniká velké odpadní teplo. Ohřáté pracovní médium je přivedeno do pracovního okruhu, kde pohání turbínu za účelem výroby elektrické energie. Po té pracovní médium, např. difenyl nebo difenylether, předá teplo pracovnímu médiu druhého, chladnějšího okruhu a celý proces se takto může kaskádovitě opakovat.

Jiné zařízení využívá pro ohřev pracovního média pro pohon turbíny v ORC cyklu teplo z přímé15 ho spalování biomasy. Odpadní teplo z turbíny je vedeno do sušičky čistírenských kalů, kde vysouší kaly, které se následně využijí ke spalování v kotli a ohřevu pracovního média pro prvotní využití pro pohon turbíny. Sušením ochlazené pracovní médium je odvedeno do spalovacího kotle, aby v něm předehřálo vzduch pro maximální účinnost spalování.

Další možností výroby elektrické energie jsou turbíny poháněné horkým plynem, který se získá spalováním v kotli. Teplý vzduch z turbíny přechází do prvního boileru, kde ohřívá vodu, která jako vodní pára pohání parní turbínu a současně přechází do druhého boileru, odkud společně s odpadním teplem z parní turbíny ohřívá vzduch v první a druhé sušičce.

K výrobě elektrické energie se dále využívají turbíny poháněné spalovacími motory na plyn, který je získán pyrolýzním spalováním biomasy.

Nakonec je známo zařízení, které je učeno speciálně k využití čistírenských kalů, které se mísí s rostlinným nebo biologickým materiálem. Fermentovaná a vysušená směs se spaluje ve fluidním kotli, teplo ze spalování se využívá v ORC k výrobě elektrické energie a tepla. Zároveň se kaly skladují ve vyhnívací nádrží, kde se zachycuje vznikající bioplyn, který se používá k pohonu kogenerační jednotky, tj. k další výrobě elektrické energie. Teplo z fluidního kotle i z kogenerač30 ní jednotky se využívá pro ohřev vzduchu v sušičce. Teplo spalin z kogenerační jednotky se využívá při fermentací kalů. Nevýhoda tohoto zařízení spočívá v tom, že je určeno pro zpracování čistírenských kalů, které nejsou vždy dostupné a jako palivo nejsou nej vhodnější, neboť obsahují těžké kovy a jiné škodlivé látky (biologický materiál může být infikovaný apod.). Kromě toho, fluidní kotel i vyhnívací nádrž na výrobu bioplynu z kalů jsou investičně, stavebně i prostorově náročné technologie, které nelze realizovat ve všech lokalitách a musí splňovat náročné podmínky pro ochranu životního prostředí.

Úkolem technického řešení je vytvoření zařízení pro energetické využití biomasy, zejména ve formě pelet z rostlinné biomasy, které by odstranilo nedostatky výše uvedených známých zařízení.

Podstata technického řešení

Tento úkol je vyřešen vytvořením zařízení pro výrobu elektrické energie a tepla z biomasy podle tohoto technického řešení.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že plynovou sekci pro kogenerační jednotku a zároveň zdroj tepla pro ORC zařízení tvoří alespoň jeden pyrolýzní reaktor pro pyrolýzní spalování pelet nebo briket, který je připojen na vstup plynového spalovacího motoru nebo turbíny, že pyrolýzní reaktor zahrnuje olejový okruh, který je propojen s přívodem do ORC zařízení, a že vý-1 CZ 19731 Ul stup tepla ze spalin plynového spalovacího motoru je přiveden do okruhu prvního tepelného výměníku, který je propojen s přívodem do ORC zařízení.

Toto uspořádání slouží k tomu, že se pyrolýzní reaktor současně využívá jak pro kogenerační jednotku, tak pro ORC zařízení a navíc se využívá pro ORC zařízení i teplo ze spalin plynového spalovacího motoru.

Ve výhodném provedení výstup tepla ze spalin plynového spalovacího motoru je dále veden z prvního tepelného výměníku do druhého tepelného výměníku pro vytápění sušičky, takže je možno spaliny, které stále mají dostatečnou teplotu, využít pro sušení různých materiálů (biomasy), které mají příliš velkou vlhkost pro přímé spalování,

Dále je výhodné, že pyrolýzní reaktor zahrnuje vodní okruh a plynový spalovací motor zahrnuje vodní okruh, přičemž oba vodní okruhy jsou propojeny s okruhem třetího tepelného výměníku, který je propojen s druhým tepelným výměníkem pro vytápění sušičky, a plynový spalovací motor zahrnuje vzduchový okruh, který je propojen s třetím tepelným výměníkem. Tímto způsobem se dále využívá teplo vznikající v zařízení pro účinné sušení vlhké biomasy.

Ve výhodném provedení je výstup sušičky přiveden na vstup zhutňovacího lisu pro výrobu pelet nebo briket, takže je možno z biomasy přímo vyrábět pelety nebo brikety.

Je výhodné, že sušička biomasy a/nebo zhutňovací lis propojený se sušičkou jsou napojeny na výstup elektrické energie z ORC zařízení a kogenerační jednotky.

Podstatná výhoda zařízení podle technického řešení spočívá v tom, že využívá z první fáze výro20 by elektřiny (z kogenerační jednotky) odpadní teplo pro výrobu elektřiny v druhé fázi (ORC zařízení).

Další výhoda spočívá v tom, že teplo zbylé po druhé fázi výroby elektřiny (v ORC zařízení) se použije k předsušení biomasy pro pyrolýzu.

Celková účinnost zařízení podle technického řešení se díky tomu pohybuje mezi 80 až 90 %, což významně přesahuje účinnosti dosahované u dosud známých podobných zařízení.

Přehled obrázku na výkrese

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresu, kde obr. 1 znázorňuje blokové schéma zařízení podle technického řešení.

Příklady provedení technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení technického řešení na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následují35 cích nároků na ochranu.

Zařízení pro výrobu elektrické energie a tepla z biomasy podle příkladu provedení znázorněného na obr. 1 sestává z kogenerační jednotky 2, jejíž součástí je pyrolýzní reaktor 8, plynový spalovací motor 3 a generátor 4. Pyrolýzním spalováním pelet a briket 1 v pyrolýzním reaktoru 8 vzniká dřevoplyn. Výstup dřevoplynu z pyrolýzního reaktoru 8 se přivádí jako palivo přes plynovou sekci úpravy plynu do plynového spalovacího motoru 3. Spalováním dřevoplynu v plynovém spalovacím motoru 3 a následném roztočení generátoru 4 dochází k výrobě elektrické energie, která je výstupem 6 z kogenerační jednotky 2 vedena do veřejné sítě.

Výstup tepla 17 ze spalin plynového spalovacího motoru 3 přivádí teplo do prvního tepelného výměníku 9, odkud je teplo předané olejové kapalině přiváděno na přívod 16 do ORC zařízení 5, kde tepelným roztažením kapaliny dochází k roztáčení turbíny a výrobě elektrické energie, která je přes výstup 6 z ORC zařízení 5 vedena do veřejné sítě.

-2CZ 19731 Ul

Zařízení na výrobu elektrické energie a tepla obsahuje celkem čtyři tepelné výměníky 9, 10, 12 a 14, pro využití tepla vznikajícího při výrobě elektrické energie. První tepelný výměník 9 využívá teplo odebrané ze spalin plynového spalovacího motoru 3 a zajišťuje ohřívání olejového média v ORC zařízení 5.

Druhý tepelný výměník JO využívá teplo ze spalin plynového spalovacího motoru 3, které jsou vedeny výstupem J_7 přes první tepelný výměník 9 do druhého tepelného výměníku 10 pro vytápění sušičky 7. Takto získané teplo je vedeno do sušičky 2 pro sušení biomasy.

Třetí tepelný výměník B získává teplo z vodního okruhu 18 pyrolýzního reaktoru 8, z vodního okruhu 19 plynového spalovacího motoru 3, a dále ze vzduchového okruhu 20 plynového spaloio vacího motoru 3, kteiý je míchán s přiváděným venkovním vzduchem 21.

ORC zařízení 5 je napojeno na nízkoteplotní okruh čtvrtého tepelného výměníku 12, kam je svedeno odpadní teplo z ORC zařízení 5, tzn. teplo kapaliny po roztočení turbíny, které je tak zužitkováno pro dálkové vytápění budov. Čtvrtý tepelný výměník 12 je uzpůsoben i pro případné ochlazování kapaliny, cirkulující v okruhu v době, kdy teplo není odebíráno pro potřeby vytápěli ní, např. v létě.

Podle příkladu provedení znázorněného na obr. 1 je sušička 7 na vysoušení biomasy napojena na zhutňovací lis li, a jak sušička 7 tak zhutňovací lis li jsou napojeny na výstup elektrické energie 6 z ORC zařízení 5 a z kogeneraČní jednotky 2.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro výrobu elektrické energie a tepla z biomasy podle tohoto technického řešení lze využít pro kombinovanou výrobu elektrické energie pro veřejné sítě a tepla pro vytápění budov.