CZ22038U1 - Zařízení pro spalování biomasy - Google Patents

Description

Zařízení pro spalování biomasy

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro spalování biomasy tvořeného horkovodním kotlem na spalování biomasy, opatřeným kondenzačním výměníkem, připojených k topnému systému.

Dosavadní stav techniky

Energetické využívání biomasy jejím spalováním nabývá stále na větším významu. Je důležité z několika důvodů. Biomasa se řadí mezi obnovitelné zdroje energie, které jsou prakticky nevyčerpatelné. Spalování biomasy nepřispívá k tzv. skleníkovému efektu, neboť oxid uhličitý, který vzniká jejím spalováním, se ze vzduchu opět spotřebuje při jejím růstu - obnově. Jedná se o do10 máčí zdroje energie, které snižují energetickou závislost našeho státu na dovozu paliv.

V posledních letech se energetické využití biomasy rozšířilo natolik, že kapacita jejích tradičních, snadno dostupných zdrojů již byla prakticky plně využita. Jedná se především o biomasu na bázi dřevní hmoty, produkované ve formě štěpky nebo jako odpad z dřevozpracujícího průmyslu ve formě odřezků a pilin. Je proto třeba hledat nové, dosud nevyužívané méně kvalitní druhy bio15 masy, jejíž přímá použitelnost pro energetické účely je složitější.

Jedním z nej důležitějších parametrů ovlivňujících energetickou kvalitu biomasy je obsah vody, který nepřímo úměrně koresponduje s její výhřevností. Mokrá biomasa má nízkou výhřevnost, proto se obtížněji spaluje a účinnost jejího využití je nižší. Je-li obsah vody v biomase příliš vysoký, řádově nad 50 %, nelze ji samostatně spalovat vůbec. Při tom právě v mokré biomase se skrývá poměrně značný, dosud nevyužívaný potenciál. Jedná se např. o mokrou kůru, zelenou lesní štěpku, čerstvé dřevo, odpady ze zemědělské výroby, ale též odpadní produkty z potravinářského průmyslu, jako jsou lihovamické výpalky, řepné řízky apod. Vysušením těchto materiálů lze získat velmi kvalitní palivo, které je svojí výhřevností srovnatelné s uhlím. Energetická náročnost sušení je však značná a aplikace klasických metod sušení se pro produkci paliva z mokré biomasy ekonomicky nevyplácí. Jsou proto vyvíjeny nové, energeticky úsporné sušicí metody.

Při spalování mokrého paliva se část jeho kalorické hodnoty spotřebuje na odpaření v něm obsažené vody. Takto vzniklá vodní pára pak opouští kotel a odnáší s sebou i skupenské teplo spotřebované na její odpaření. Pokud by se podařilo alespoň část takto ztraceného tepla využít, bylo by možné významně zvýšit účinnost energetického využití paliva. Standardním řešením je aplikace tzv. kondenzační techniky, kdy se získává část kondenzačního tepla ze spalin za kotlem. Podmínkou pro její použití je ochlazení spalin na velmi nízkou teplotu, neboť kondenzace začíná při teplotách řádově pod 60 °C. Zařízení funguje tak, že do spalin na výstup kotle je umístěn kondenzační výměník, který je chlazen vodou. Na jeho povrchu ze strany spalin dochází ke kondenzaci vodní páry, vzniklý kondenzát stéká do jímky umístěné pod výměníkem a je odváděn mimo kotel. Podmínkou fungování tohoto principu je, aby teplota stěny kondenzačního výměníku byla nižší, než je teplota sytosti vodní páry ve spalinách. Ta závisí na parciálním tlaku vodní páry, resp, jejím objemovém podílu, ve spalinách. Vzhledem k tomu, že vodní pára je ve spalinách značně naředěna dalšími plyny, především N₂, CO₂ a částečně i kyslíkem z přebytečného vzduchu přivedeného pro spalování, je teplota rosného body spalin poměrně nízká - u zemního plynu kolem 59 °C, u biomasy podle obsahu vody až 70 °C, pro chlazení kondenzačního výměníku je proto třeba použít vodu s nižší teplotou, se kterou pracují pouze nízkoteplotní systémy vytápění s teplotou ve vratné větvi 30 až 35 °C. Tyto systémy však u nás zatím nejsou běžné, proto aplikace kondenzační techniky na současné systémy vytápění je poněkud problematická. Potenciální přínos lze proto očekávat pouze v přechodovém období, kdy pro dodávku tepla lze snížit teplotu vody v systému, takže průměrné roční zvýšení účinnosti kotle dosahuje obvykle pouze několika % podle lokálních podmínek.

Aplikace této metody při spalování pevných paliv je problematická jednak proto, že spaliny obsahují mechanické částice, které se nalepují na stěny kondenzačního výměníku a způsobují

-1 CZ 22038 Ul jejich zanášení, jednak proto, že vznikající kondenzát má kyselý charakter a je korozně agresivní, proto se aplikace kondenzační techniky při spalování pevných paliv dosud prakticky neuplatnila.

Podstata technického řešeni

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro spalování biomasy tvo5 řeným horkovodním kotlem na spalování biomasy, opatřeným kondenzačním výměníkem, připojených k topnému systému, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že k horkovodnímu kotli je připojena kontaktní suška mokré biomasy, opatřená přívodem horké vody z horkovodního kotle na spalování biomasy a odvodem topné vody, připojeným k topnému systému.

Kontaktní suška je tvořena výhřevnou plochou oddělující prostor pro sušení biomasy od horké vody z kotle.

Kontaktní suška je ve výhodném provedení opatřena odvodem odpadní páry, připojeným ke kondenzačnímu výměníku, chlazenému vratnou vodou z topného systému, přičemž kondenzační teplo páry je předáno do vody před jejím vstupem do kotle.

Nově navržené řešení kombinuje princip kondenzační techniky se sušením mokré biomasy, která je následně použita pro spalování a výrobu užitečného tepla pro vytápění dodávaného v horké vodě.

Princip spočívá v aplikaci kontaktní sušky na biomasu otápěné horkou vodou vyráběnou v kotli na spalování usušené biomasy. Mokrá biomasa je vedena do kontaktní sušky otápěné horkou vodou. Sušení probíhá pouze díky externímu přívodu tepla do biomasy přes výhřevnou plochu oddělující prostor sušené biomasy a topné vody. Při sušení se do sušky nepřivádí podpůrný sušicí vzduch, tím je zajištěno, že vzniká neředěná sytá vodní pára s teplotou odpovídající tlaku v sušce - např. při tlaku atmosférickém je teplota páry cca 100 °C. Usušená biomasa je vedena do kotle ke spálení. Topná voda se v sušce ochladí pouze Částečně, takže ji lze dále použít pro užitečnou dodávku tepla pro vytápění. Odpadní pára ze sušky je vedena do kondenzačního výměníku chla25 zeného vratnou vodou z topného systému. Pára zde kondenzuje a kondenzační teplo se využívá pro předehřev vody před vstupem do kotle. Podmínkou fungování tohoto principu je, že horkovodní kotel musí vyrábět topnou vodu o vyšší teplotě, než je jmenovitá teplota v topném systému, aby bylo možné sušku předřadit. Rovněž vratná voda z topného systému musí mít teplotu nižší, než je teplota páry vystupující ze sušky. Obě tyto podmínky jsou technicky reálné.

Na rozdíl od klasické kondenzační techniky, kde se nechává kondenzovat pára ze spalin po spalování paliva, se v navrhovaném principu získává kondenzační teplo z páry vystupující ze sušky na biomasu. Tato pára nebude obsahovat jemné částice popela a její kondenzací nebudou vznikat silně kyselé kondenzáty, jako je tomu při kondenzaci páry ze spalin. Vzhledem k tomu, že sušení probíhá bez přísunu sušicího vzduchu, bude pára kondenzovat při výrazně vyšší teplotě, takže kondenzační teplo bude možno lépe uplatnit i v současných vysokoteplotních topných systémech.

Kotel bude spalovat usušené palivo, což dává předpoklad pro dosažení vyšší účinnosti a zmenšení jeho velikosti. Kotel proto vyjde jednodušší a levnější. Lze očekávat, že spalování usušeného paliva bude kvalitnější a bude při něm vznikat méně emisí.

Aplikací metody by bylo možné ušetřit 5 až 20 % paliva podle jeho počáteční vlhkosti a stupně vysušení. To vedle ekonomického přínosu snižuje i ekologickou zátěž spojenou s výrobou potřebného množství tepla - snížení emisí, produkce popela, důsledků dopravy paliva apod.

Je možné rozšířit spektrum energeticky využitelných forem biomasy o druhy s vysokým obsahem vody, které mají značný potenciál, jsou však využívány jen velmi omezeně.

-2CZ 22038 Ul

Přehled obrázku na výkrese

Zařízení pro spalování biomasy podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsáno na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde je na obr. 1 znázorněno schéma zapojení.

Příklady uskutečněni technického řešení

Zařízení pro spalování biomasy je tvořené horkovodním kotlem I na spalování biomasy, opatřeným kondenzačním výměníkem 4, které jsou připojeny k topnému systému 3. K horkovodnímu kotli 1 je připojena kontaktní suška 2 mokré biomasy, opatřená přívodem horké vody z horkovodního kotle 1 na spalování biomasy a odvodem topné vody, připojeným k topnému systému 3. ío Kontaktní suška 2 je opatřena výhřevnou plochou 21 oddělující prostor pro sušenou biomasu od horké vody z kotle I. Kontaktní suška 2 je opatřena odvodem odpadní páry, připojeným ke kondenzačnímu výměníku 4, chlazenému vratnou vodou z topného systému 3, přičemž kondenzační teplo je přivedeno ke vstupu vody do kotle 1.

Kotel 1 na spalování biomasy je standardní koncepce. Vyrábí horkou vodu, jejíž teplota je napří15 klad o 30 °C vyšší, než je požadovaná teplota na vstupu do topného systému 3. V kontaktní sušce 2 se voda ochladí o tento rozdíl a získané teplo se může využít na ohřev biomasy na sušicí teplotu a odpaření části její vlhkosti. Sušicí teplota se nastaví podle tlaku v kontaktní sušce 2. Při beztlakém provedení, resp. jen mírně přetlakovém, by byla sušicí teplota na úrovni 100 °C. Teplota vody odváděné z kontaktní sušky 2 do topného systému by proto musela být vyšší např. o 10 °C.

Vodní pára uvolněná v kontaktní sušce 2 s teplotou kolem 100 °C by byla vedena do kondenzačního výměníku 4, který by byl chlazen vratnou vodou z topného systému 3 o teplotě např. 60 °C. Kondenzační výměník 4 by byl řešen jako rekuperační výměník, na jehož výhřevné ploše by docházelo ke kondenzaci páry. Vznikající kondenzát by volně stékal s plochy do jímky ve spodní části kondenzačního výměníku 4 a byl by odváděn mimo kontaktní sušku 2. Uvolněné konden25 začni teplo by bylo převedeno do vratné vody. V teoreticky ideálním případě při úplné kondenzaci páry a bez tepelných ztrát by se teplota vratné vody v kondenzačním výměníku 4 zvýšila o stejnou hodnotu jako bylo ochlazení topné vody v kontaktní sušce 2. Reálně však s ohledem na neúplnost kondenzace a vlivem tepelných ztrát bude její ohřev menší.

Vodou otápěná kontaktní suška 2 na biomasu je novým prvkem, jehož konkrétní konstrukce ani realizace nebyla dosud zjištěna, principiálně by mohlo jít např. o sušku fluidní, bubnovou, žlabovou nebo diskovou. Důležité je, aby sušení probíhalo pouze kontaktním způsobem, tj. přívodem tepla z topné vody do sušeného materiálu přes výhřevnou plochu bez podpory sušicího vzduchu. Průmyslová využitelnost

Zařízení pro spalování biomasy podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především při spalování mokré biomasy, jako je mokrá kůra, zelená lesní štěpka, čerstvé dřevo, odpady ze zemědělské výroby, ale též odpadní produkty z potravinářského průmyslu jako jsou lihovamické výpalky, řepné řízky apod.

Claims (3)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení pro spalování biomasy tvořené horkovodním kotlem na spalování biomasy opatře40 ným kondenzačním výměníkem, kde osy jsou připojené k topnému systému, vyznačující se tím, že k horkovodnímu kotli (1) je připojená kontaktní suška (2) mokré biomasy opatřená přívodem horké vody z horkovodního kotle (1) na spalování biomasy a odvodem topné vody připojeným k topnému systému (3).

-3CZ 22038 Ul

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, Že kontaktní suška (2) je opatřená výhřevnou plochou (21) oddělující prostor pro sušenou biomasu od horké vody z horkovodního kotle (1).

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kontaktní suška (2) je 5 opatřená odvodem odpadní páry připojeným ke kondenzačnímu výměníku (4) chlazenému vratnou vodou z topného systému (3), přičemž kondenzační teplo se přivádí na vstup vody do horkovodního kotle (1).