Zařízení pro úpravu a regulaci plynů pro spalovací zařízení

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro úpravu a regulaci plynů vyráběných termolýzou z uhlíkatých materiálů a určených jako palivo pro spalovací zařízení.

Dosavadní stav techniky

Tepelným rozkladem bez hoření při zpracování různých uhlíkatých hmot jako komunální organické odpady, průmyslové organické odpady, dřevní štěpky, odpadní ojeté pneumatiky aj., se vyvíjí plynné směsi různého složení. Zařízení pro tepelný rozklad uhlíkatých hmot zpravidla představuje bezplamenová pec s připojeným odvodem plynů, na němž je zařazen kondenzátor s odlučovačem kondenzátu. Pára a netoxické těkavé příměsi z prvních fází tepelného rozkladu se zpravidla využívají pouze jako zdroj tepla, které se ze zařízení odvádí pomocí tepelných výměníků. Pozdější frakce z tepelného rozkladu uhlíkatých hmot, získané při vyšších teplotách rozkladu, představují spalitelné plyny, které mohou být cennou druhotnou surovinou. Při postupu pomalého termického rozkladu se z materiálu uvolňuje maximum uvolnitelných plynů a je možno získávat spalitelné frakce plynů o vysoké výhřevnosti, a o cenných kvalitativních vlastnostech. Současný výzkum v oblasti energetiky se proto zabývá možnostmi, jak využit tyto plyny jako palivo pro spalovací motory a kogenerační jednotky. Širšímu využití zatím brání skutečnost, že v průběhu termického rozkladu výše uvedených hmot je množství i látkové složení vyvíjené plynné směsi velmi proměnlivé. Spalovací motory i kogenerační jednotky však z důvodu spolehlivosti i bezpečnosti provozu nutně vyžadují přívod plynného paliva o standardním složení, ve specifikovaném množství a za předepsaného tlaku. Kvalitativní požadavky na látkové složení plynných paliv jsou velmi přísné, směs nesmí obsahovat vlhkost ani prachové částice, nesmí mít proměnlivé složení a musí splňovat limity pro obsah konkrétních uhlovodíků, mít minimální výhřevnost, aj.

Z výše uvedených důvodů stávající zařízení pro pyrolýzu a jiná zařízení pro termolýzu mají odvod plynů opatřen pouze tepelnými výměníky a po odvodu tepla se přivádějí do hořáku běžného typu, s odvodem spalin do komína a odtud, po případné filtraci průchodem přes filtry, se vypouští do vnějšího prostředí. Takovéto zařízení popisuje například dokument CZ PV 2002-3467.

Jiná zařízení zahrnují bezplamenovou pec pro termolýzu hmot, za níž je připojen chladič s kondenzačním zařízením, přičemž zbytkové plyny po odloučení kondenzátu mají odvod připojený na zásobník v podobě tlakové bomby, která může být odpojitelná a/nebo může být připojena na hořák. Takovéto zařízení popisuje například dokument CZ U 22609.

Podstata technického řešeni

Výše uvedené nevýhody odstraňuje navržené technické řešení. Je vyřešeno zařízení pro úpravu a regulaci plynů určených pro spalovací zařízení, jehož plynový vstup je připojen na odvod plynů z termického zařízení pro tepelný rozklad uhlíkatých materiálů bez hoření, kde za tímto plynovým vstupem následuje plynové potrubí pro odvod spalitelných plynů, opatřené alespoň jednou větví připojenou na hořák s výfukem spalin. Podstatou nového řešení je, že plynové potrubí má alespoň jednu další větev na níž je připojena alespoň jedna primární akumulační komora pro shromažďování a promíchávání vyvíjených plynů, kde tato primární akumulační komora je uspořádána nepropustně pro vodík, má uvnitř vytvořenu akumulační dutinu pro přiváděné hořlavé plyny a je opatřena alespoň jedním tlakovým prvkem pro regulaci tlaku v akumulační dutině, přičemž plynové potrubí následující za primární akumulační komorou, uvažováno ve směru průchodu média, zahrnuje alespoň jednu větev s koncem zaústěným do spalovacího zařízení se spalovacím motorem, například do plynového motoru nebo kogenerační jednotky.

-1 CZ 26507 Ul

Na plynovém potrubí je za primární akumulační komorou připojen s výhodou alespoň jeden kompresor, za nímž je připojen alespoň jeden tlakový zásobník plynu, uvažováno ve směru průchodu média. Kompresor je s výhodou typu pro rozpětí výkonu nejméně 200 kPa až 600 kPa.

Za kompresorem je s výhodou připojen alespoň jeden tlakový zásobník plynu v podobě tlakové nádoby pro tlak 200 až 600 kPa.

Alternativně, nebo přídavně, je za kompresorem s výhodou připojena soustava tlakových zásobníků v podobě tlakových lahví pro tlak 200 kPa až 20 MPa. Jako soustava se rozumí tlakové nádoby v počtu dvě a více, podle kapacity zařízení například i 50 tlakových nádob.

Na plynovém potrubí za alespoň jedním v zařízení obsaženým tlakovým zásobníkem podle předchozích odstavců, je s výhodou zapojena alespoň jedna sekundární akumulační komora. To je výhodné zejména v případě, že spalovací zařízení se spalovacím motorem nacházející se na konci plynového potrubí tvoří alespoň jedna kogenerační jednotka.

Každá obsažená akumulační komora má s výhodou vytvořenu jednak plynovou část pro hořlavé médium v podobě akumulační dutiny, a jednak vzduchovou část, pro atmosférický vzduch. Vzduchová část je opatřena alespoň jedním ventilátorem pro dodávku vzduchu a regulaci jeho tlaku.

Před koncovým spalovacím zařízením se spalovacím motorem jsou na plynovém potrubí s výhodou připojeny prvky úpravny plynů, pro eliminaci nežádoucích příměsí z plynů přiváděných do spalovacího zařízení, jako například filtrační jednotka pro eliminaci prachových částic, kapének a mechanických nečistot a/nebo sušička pro odstranění případně přítomné vlhkosti.

Plynové potrubí je s výhodou cíleně uspořádáno do tras opatřených plynotěsnými termicky odolnými uzávěry, přičemž pomocí těchto tras a uzávěrů jsou alespoň některé prvky připojeny odpojitelně s možností trvání provozu zařízení i při stavu jejich odpojení.

S výhodou má každá obsažená akumulační komora vytvořenu akumulační dutinu o objemu nejméně 5 m³ a je opatřena prvky pro vytvoření tlaku 2 až 5 kPa.

V případě, že je obsažen větší počet akumulačních komor než jedna, tak každá následně zapojená akumulační komora má s výhodou o nejméně třetinu větší objem akumulační dutiny, než předchozí akumulační komora, uvažováno ve směru průchodu média.

Navržené zařízení umožňuje připojení termického zařízení pro tepelný rozklad uhlíkatých materiálů na spalovací zařízení s plynovým motorem. Optimální uplatnění může toto zařízení nalézt po připojení na termické zařízení pro pomalý tepelný rozklad uhlíkatých materiálů připojenou na vstup tohoto zařízení a s kogenerační jednotkou připojenou na konci plynového potrubí. Zařízení umožňuje unifikovat a standardizovat proměnlivé složení plynů z procesů tepelného rozkladu a za potřebného tlaku a v potřebném látkovém složení pak dodávat výsledný palivový plyn ve standardním látkovém složení a pod potřebným tlakem do kogenerační jednotky, pro spalovací motor, pro turbínu, apod. Navržené zařízení je vhodné pro připojení před kogenerační jednotky, spalovací motory, turbíny, duální systém s kombinací motoru na plynné a kapalné palivo, pro mobilní kotelny, apod. Jako výchozí jednotku, na niž se zařízení připojí vstupem, je možno použít bioplynové stanice, bezplamenové pece s chladicím a kondenzačním zařízením, tepelné reaktory, aj. Kompletní navržená varianta sestavy zařízení je optimální pro připojení mezi termické zařízení pomalého tepelného rozkladu uhlíkatých hmot vybavené chladičem s odlučovačem kondenzátu jakožto výchozí jednotku a kogenerační jednotku jakožto koncovou jednotku pro toto zařízení. Na rozdíl od sestav stávajícího typu, toto zařízení umožňuje kontinuální provoz koncového spalovacího zařízení, se sedmidenním pracovním režimem, při němž je výchozí termické zařízení tepelného rozkladu v provozu pouze po dobu pěti nebo šesti dnů. Zařízení je vhodné ke zpracování nestandardních plynů, o složení proměnlivém v čase. Velkou výhodou tohoto zařízení je možnost volby režimu zpracování plynu podle aktuální potřeby tím, že se zprovozní nebo naopak vyřadí některá z větví plynového potrubí, nesoucí právě zvolenou nebo vyřazovanou jednotku. Výhodami tohoto zařízení je i provedení ve formě modulárního systému s možností od

-2CZ 26507 U1 pojení jednotlivých větví a částí během provozu například za účelem údržby nebo čištění, a dále vyměnitelnost jednotlivých částí zařízení. Další výhodou zařízení je možnost dodatečného zvětšování nebo zmenšování kapacity přidáváním a tím znásobením modulů a/nebo odebíráním počtu obsažených modulů a/nebo výměnou obsažených prvků za větší, nebo menší prvky. Zařízení je schopno práce při relativně nízkém tlaku. Jednotlivé větve, nebo celé navržené zařízení, může být uspořádáno jako mobilní jednotka, například ve vagónu na kolejovém podvozku, nebo jako přívěsné vozidlo.

Přehled obrázků na výkresech

Navržené technické řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 jednoduchou variantu navrženého zařízení s jednou primární akumulační komorou, obr. 2 variantu s primární a sekundární akumulační komorou a kompresorem s tlakovou nádobou, obr. 3 variantu s primární a sekundární akumulační komorou a kompresorem se soustavou vysokotlakých tlakových nádob a obr. 4 nej rozsáhlejší variantu, s primární a sekundární akumulační komorou a kompresorem s jednou velkou tlakovou nádobou pro nižší tlak a se soustavou vysokotlakých tlakových nádob.

Příklady provedení technického řešení

Prvním příkladem provedení navrženého řešení je zařízení podle obr. 1.

Zařízení má plynový vstup 1 pro připojení na zdroj plynů, například na termické zařízení pro pomalý tepelný rozklad uhlíkatých materiálů bez hoření podle CZ PV 2013-677, které zahrnuje bezplamenovou pec a chladič s odlučovačem kondenzátu. Za plynovým vstupem 1 následuje plynové potrubí 2 pro průchod, rozvod a odvod spalitelných plynů vedené v rámci některých úseků zařízení ve větvích. Je obsažena také větev známá z dosavadního stavu jako bezpečnostní, v podobě úseku plynového potrubí 2 připojeného jedním koncem na vedení plynů v zařízení a druhým na hořák 3 s výfukem spalin do vnějšího prostředí. Tato větev slouží především pro případ havárie, pro likvidaci tzv. prázdných frakcí při náběhu provozu pece, pro doběh přívodu nevyužitelné zbytkové směsi plynů před odstávkou pece z provozu, apod. Plynové potrubí 2 zahrnuje rovněž větev, na níž je připojena primární akumulační komora 4, která je uspořádána a zde zařazena za účelem shromažďování a promíchávání vyvíjených plynů. Primární akumulační komoru 4 tvoří plynotěsný vak, nepropustný i pro vodík, jenž má uvnitř vytvořenu akumulační dutinu 5 pro hořlavé médium, tedy pro přiváděné hořlavé plyny. Primární akumulační komora 4 je opatřena tlakovými prvky pro regulaci tlaku v její akumulační dutině 5, z nichž jsou na obr. 1 patrné zejména klapka 6 na vstupu a uzávěr 7 na výstupním plynovém potrubí 2. V primární akumulační komoře 4 tvoří akumulační dutina 5 plynovou část, určenou pro hořlavé médium, a kromě toho je zde vytvořena i vzduchová část 8, pro atmosférický vzduch, která je opatřena ventilátorem 9 pro dodávku vzduchu a regulaci jeho tlaku. Vzduchová část 8 tvoří nad akumulační dutinou 5 kapsu, jejíž velikost a tlak reguluje tlak v akumulační dutině 5, a tedy tato vzduchová část 8 s ventilátorem 9 jsou hlavními prvky pro regulaci tlaku plynů v primární akumulační komoře 4.

Plynové potrubí následující za primární akumulační komorou 4, uvažováno ve směru průchodu média, je na konci rozvětveno ve tři větve, jejichž konce jsou spojeny ve společný vývod zaústěný do spalovacího zařízení 10 se spalovacím motorem, například do plynového spalovacího motoru nebo kogenerační jednotky. První z těchto větví nacházejících se před koncovým spalovacím zařízením 10 se spalovacím motorem je přímá, na druhé je připojena filtrační jednotka 11 a na třetí sušička 12 plynů.

Z obr. 1 je zřejmé, že plynové potrubí 2 je prostřednictvím větví uspořádáno do tras, které jsou opatřeny uzávěry 7. Jsou zvoleny uzávěry 7 plynotěsné a termicky odolné. Pomocí těchto tras a uzávěrů 2 jsou všechny zde zapojené prvky odpojitelné, s možností trvání provozu zařízení i při stavu j ejich odpoj ení.

-3CZ 26507 U1

Při provozu zařízení je do plynového vstupu 1 přiváděna směs plynů vytvářených termickou jednotkou, v níž probíhá pomalý termický rozklad uhlíkatých materiálů bez hoření. Jedná se o primární pyrolýzní plyn, přečištěný předběžně pouze kondenzací, mající v průběhu času proměnlivé látkové složení, závislé na výchozím materiálu vsázky, teplotě a tlaku zpracování, a také na rychlosti procesu. Primární pyrolýzní plyn je veden přes klapku 6 do primární akumulační komory 4. Klapku 6 překoná pouze plyn určitého tlaku, například 0,25 kPa. Po překonání klapky 6 se plyn dostává do akumulační dutiny 5. Ta má objem kupříkladu 5 až 25 m³. V průběhu času proudí do akumulační dutiny 5 různé plynné frakce z pyrolýzy probíhající v bezplamenové peci, a tyto frakce se v akumulační dutině 5 shromažďují a promíchávají, čímž dochází po určité době ke vzniku směsi plynů mající složení předepsané pro energetický plyn, nebo blízké tomuto složení. Pomocí tlakových prvků se v akumulační dutině 5 vytváří požadovaný tlak, například 2 až 5 kPa, potřebný pro kogenerační jednotku. Promíchaný a co se týká látkového složení ve značné míře unifikovaný energetický plyn se pak z plynové části akumulační komory 4, tedy z akumulační dutiny 5, vypouští a vede plynovým potrubím 2 v závislosti na čistotě buď přímo do spalovacího zařízení 10 přes první koncovou větev, nebo se vede do spalovacího zařízení 10 přes druhou koncovou větev a přefiltruje se ve filtrační jednotce 11. jsou-li obsaženy prachové částice nebo jiné mechanické nečistoty, nebo se vede přes třetí větev a vysuší v sušičce 12, v případě že je obsažena vlhkost. Část zařízení s filtrační jednotkou 11 a sušičkou 12 slouží jako úpravna plynu. Může a nemusí být obsažena, nebo může být uspořádána jinak, například jen s filtrační jednotkou 11, nebo jen se sušičkou J_2, nebo s oběma za sebou na jedné větvi, apod. Obsažení nebo neobsažení prvků úpravny plynů závisí zejména na druhu zpracovávaného materiálu. Provozovaná trasa plynového potrubí 2 je po celou dobu provozu zařízení připojena na bezpečnostní větev s hořákem 3 zbytkového plynu, kam uniká a kde se likviduje plyn při náběhu a doběhu zařízení a v okamžicích dočasného nedovoleného přetlaku.

Zařízení může být vybaveno na obrázcích neznázoměnými čidly a dalšími prvky měřicí a regulační techniky prvky, které jsou řízeny a ovládány elektronickým systémem s moderní řídící jednotkou.

Toto zařízení umožňuje rychlé smíchání vyvíjených plynů a jejich rychlé spalování, umožňuje využití i pro kogenerační jednotku. Je vhodně zejména pokud je zvolena výchozí surovina o produkci méně znečištěných plynů a je-li nastaven optimální tepelný a tlakový režim termolýzy, nebo pokud není příliš vysoký požadavek na standardnost látkového složení plynu pro spalovací zařízení 10.

Příkladem jiného provedení navrženého řešení je zařízení podle obr. 2.

Jsou obsaženy všechny prvky předchozího zařízení, a kromě toho je obsaženo i několik dalších prvků. Za primární akumulační komorou 4 je na plynovém potrubí 2 připojen kompresor 13 a za ním je připojena větev s tlakovým zásobníkem plynu v podobě tlakové nádoby 14 pro tlak 200 až 600 kPa, mající objem 5 až 40 m³. Kompresor 13 je typu pro tento tlak. Za tlakovou nádobou 14 je na plynovém potrubí 2 zapojena sekundární akumulační komora 15, rovněž tvořená vakem a zahrnující stejné konstrukční prvky jako první akumulační komora 4. Její akumulační dutina 5 má však větší objem, s výhodou nejméně o třetinu větší, optimálně dvojnásobný než akumulační dutina 5 v primární akumulační komoře 4. Spalovací zařízení 10 se spalovacím motorem nacházející se na konci plynového potrubí 2 tvoří kogenerační jednotka.

Při provozu zařízení je primární pyrolýzní plyn veden ze zdrcje do plynového vstupu 1 a odtud do primární akumulační komory 4 stejně, jako u předchozího zařízení. Energetický plyn odváděný z primární akumulační komory 4 je veden plynovým potrubím 2 do kompresoru 13, který energetický plyn napouští do tlakové nádoby 14 a přitom jej stlačuje na tlak 200 až 600 kPa. Přes uzávěr 7 tvořený redukčním ventilem je plyn již pod nižším tlakem 5 kPa přepouštěn do sekundární akumulační komory 15, kde se znovu smísí a promíchá a tím získá potřebné standardní látkové složení. Je použit kompresor 13 pro rozpětí výkonu nejméně 200 kPa až 600 MPa. Ze sekundární akumulační komory 15 je již kvalitně látkově stabilizovaný energetický plyn veden přes úpravnu plynů, představovanou třemi větvemi osazenými obdobně jako u předchozího zaří

-4CZ 26507 U1 zení, do spalovacího zařízení 10. Během provozu zařízení je větev s kompresorem 13 a tlakovou nádobou 14 dočasně odpojena pro dobu, kdy vyrobený plyn odpovídá spotřebě spalovacího zařízení 10, a pokaždé, když výroba plynu přesáhne spotřebu spalovacího zařízení 10, je tato větev zprovozněna a plyn je plněn do tlakové nádoby 14, kde je uchováván do doby, kdy není přebytek, a poté jde přímo do systému plynového potrubí 2 a ke spotřebě. Toto zařízení je vhodné pro připojení na termické zařízení s pouze dočasně provozovaným spalovacím zařízením 10, nebo vyrábějící pouze po určitý časový úsek během provozu přebytek plynů.

Příkladem dalšího provedení navrženého řešení je zařízení podle obr. 3.

Zařízení se od předchozího liší tím, že za kompresorem 13 je připojena soustava tlakových lahví 16 o objemu 52 až 600 litrů, uspořádaných pro tlak 200 kPa až 20 MPa. V tomto případě je obsažen kompresor odpovídající kapacity 13, tedy pro tlak až 20 MPa Toto zařízení je vhodné pro připojení na termické zařízení vyrábějící přebytek plynů. Přebytečný energetický plyn, který se nevyužije pro přímou spotřebu ve spalovacím zařízení 10, se plní do tlakových lahví 16, které se mohou odvézt na vhodné místo za účelem uskladnění k použití v jiné době, nebo za účelem prodeje, například jako pohonné hmoty.

Příkladem dalšího, nej obsáhlejšího a nej výhodnějšího provedení navrženého řešení je zařízení podle obr. 4.

Zařízení v sobě zahrnuje najednou všechny prvky předvedené u předchozích alternativ zařízení. Představuje optimální uspořádání zařízení vhodného pro úpravu a regulaci plynů pro velké spalovací zařízení, zejména pro kogenerační jednotky. Je vytvořeno jako modulární systém, v němž je možno jednotlivé prvky a úseky dočasně odstavovat z provozu, demontovat, vyměňovat apod. Umožňuje dodatečné zvětšení kapacity zvětšením připojených prvků a/nebo znásobením připojených prvků. Umožňuje kontinuální sedmidenní pracovní režim spalovacího zařízení 10, například jako provoz výchozí termické pece po šest pracovních dnů a jeden den odstávka, kdy během dne odstávky je pro spalovací zařízení 10 dodáván plyn z jedné nebo více tlakové nádoby 14, nebo tlakových lahví 16, případně jako provoz termické pece po pět pracovních dnů a dva dny odstávka.