CZ28026U1 - Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Navržené technické řešení se týká zařízení pro tepelný rozklad různých organických materiálů bez hoření v kontinuálním provozu.

Dosavadní stav techniky

V současné době se věda a technika ve značné míře zaměřují na výzkum a rozvoj různých zařízení pro tepelný rozklad organických hmot bez hořem', s cílem takto zpracovávat zejména různé odpadní hmoty. Je snaha o ekologický tepelný rozklad uhlíkatých materiálů tak, aby se získaly využitelné druhotné suroviny s minimálními materiálovými a energetickými ztrátami. Pomocí tepelného rozkladu bez hoření a za omezeného přístupu vzduchu se z různých organických surovin jako kaly, dřevařské štěpky, otruby, obilný šrot aj, vyrábí spalitelný plyn, kapalné mazivo a/nebo olejnatý spalitelný produkt a uhlíkatý zbytek.

V současné době existují různé typy zařízení používaných pro tepelný rozklad. CZ U 26056 popisuje zařízení zaměřené na výrobu uhlíkatého materiálu pro průmyslové použití, které obsahuje trojici termických komor zahrnujících vzduchovou komoru, za jejíž druhou stěnou jsou umístěna topná tělesa, dále jednu nebo více pracovních dutin a vlastní plynové odvody. Plynové odvody mají vlastní odlučovač a společný chladič. Zařízení je vybaveno otevřenými mobilními zásobníky pro všechny pracovní dutiny.

Nevýhodou uvedeného zařízení je nežádoucí spékání materiálu nacházejícího se v oblasti povrchu mobilního zásobníku a nedostatečný rozklad materiálu nacházejícího se uvnitř dávky materiálu v mobilním zásobníku. Tepelný rozklad v zařízení probíhá poměrně překotně a je značný problém seřídit a provozovat zařízení tak, aby se udržel kontinuální provoz pro několik fází po sobě. Problém něčím pouze možnost udržet kontinuální provoz, ale také jsou nemalé problémy s výtěžností a s kvalitou produktů.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje ve značné míře navržené řešení. Je navrženo zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů jež zahrnuje alespoň jednu trojici vyhřívaných dutin opatřených izolačním pláštěm a vybavených bezplamenovými topnými tělesy, dále zahrnuje plynové vývody připojené na plynové potrubí jež vede dále přes chladič. Za chladičem je připojen alespoň jeden olejový zásobník pro shromažďování olejnatého kondenzátu odloučeného z plynů uvolňovaných ze zpracovávaného materiálu. Toto zařízení dále zahrnuje i potrubí pro odvod a následně prvky obvyklé pro další zpracování zbytkových plynů. Podstatou nového řešení je, že uvnitř každé vyhřívané dutiny je vytvořena množina horizontálních dutých trub, které vymezují pracovní prostor pro uložení nádob otevřeného typu se zpracovávaným materiálem a oddělují tento pracovní prostor vzduchotěsně od ostatního prostoru ve vyhřívané dutině. Například mohou být tyto trouby vytvořeny jako trubice. Každá horizontální trouba je vpředu opatřena přístupovými dvířky a vzadu plynovým vývodem. Na každý z těchto plynových vývodů je připojena jedna potrubní větev, jež dále prochází přes chladič. Tyto potrubní větve jsou vytvořeny jako přímé bezbariérové průchody, mají průběh ve tvaru přímky bez ohybů a konce těchto potrubních větví jsou zaústěny do sběrného potrubí se spádem a dole situovaným alespoň jedním olejovým zásobníkem. Pro každou ze tří obsažených vyhřívaných dutin je uspořádáno vlastní sběrné potrubí. Vyhřívané dutiny mohou být uspořádány jako jedna tříkomorová bezplamenová pec, což však není podmínkou, mohou to být i například tři samostatné pece.

Nádoby pro zpracovávaný materiál jsou s výhodou ve formě perforovaných pouzder. S další výhodou je pro každou troubu navrženo pouze jedno perforované pouzdro, jež je však uzpůsobené tvarem a rozměry pro horizontální uložení v troubě a efektivní provoz. Například v případě trouby tvořené trubicí o kruhovém průřezu to je s výhodou pouzdro mající tvar perforovaného

-1 CZ 28026 Ul otvíratelného válce o průměru a délce menšími než vnitřní průměr a délka válcové stěny trouby, ale většími než dvě třetiny vnitřního průměru a délky válcové trouby. Perforování, tvořené soustavou malých otvorů ve stěnách nádoby, umožňuje naplnění nádoby a její uzavření víkem se zachováním funkce otevřené nádoby, neboť jejich prostřednictvím dochází k otevření vnitřního prostoru v nádobě vůči pracovnímu prostoru uvnitř trouby.

Potrubní větve jsou připojeny vůči troubám i vůči sběrnému potrubí s výhodou bezbariérově, například pomocí rovného přímého spoje přes příruby.

Topná tělesa jsou s výhodou v každé vyhřívané dutině tvořena dvěma elektricky vyhřívanými deskami, které se nachází na bocích v odstupu vůči množině trub, například v podobě keramických desek se zabudovanými elektrickými spirálami

Množina trub je v každé z trojice vyhřívaných dutin s výhodou vytvořena jako řada nad sebou v odstupech umístěných trub, obsahující tři nebo více trub.

Každá vyhřívaná dutina je s výhodou opatřena alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým přívodem, alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým vývodem a alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým přívodem-vývodem, přičemž vzduchové přívody-vývody všech tří vyhřívaných dutin v trojici jsou navzájem propojeny vzduchovým potrubím, a to uzavíratelně s možností volby směru průtoku. Vzduchové přívody jsou s výhodou připojeny na společný vzduchový kanál s ventilátory a vnějším zdrojem chladicího vzduchu a vzduchové vývody jsou připojeny na prvky pro jímání a/nebo odvod vzduchu, ze zařízení.

Zařízení jsoucí v provozním stavu má s výhodou takové propojení stavů otevřeno a zavřeno, že vždy jedna z trojice vyhřívaných dutin má svůj vzduchový přívod-vývod, vzduchový přívod a vzduchový vývod zapojeny pro nahřívání, jedna pro tepelný rozklad a jedna pro ochlazování.

Za olejovým zásobníkem je plynové potrubí s výhodou rozvětveno na alespoň jednu primární větev a alespoň jednu sekundární větev. Z toho primární větev plynového potrubí je připojena na primární plynový zásobník pro inertní plyny a sekundární větev je připojena na sekundární plynový zásobník pro spalitelné plyny.

Plynové zásobníky obou výše uvedených druhů mají každý výhodou připojeno zařízení pro stlačeni, například kompresor, a za ním tlakovou nádobu.

Pomocí zařízení podle navrženého řešení je možno provádět tepelný rozklad organických materiálů kontinuálně, a to s vysokou výtěžností a minimálními ztrátami energií a materiálu. Proces tepelného rozkladu materiálu je možno provádět s méně strmou teplotní křivkou a v delším časovém úseku. Nedochází ke spékání nebo vzniku nepropustné skořápky na povrchu zpracovávaného materiálu, což umožňuje jednak vytěžit více kvalitního plynového produktu a oleje, a jednak získat vysoce kvalitní finální produkt z tuhých zbytků. Podle volby výchozí suroviny a konkrétních podmínek rozkladu může tuhý zbytek tvořit i čistý nebo téměř čistý uhlík. Navržené zařízení by mohlo být provozováno v menším i větším měřítku. Například může být využito většími nebo menšími závody ke zpracování jejich odpadů na druhotné suroviny. Tyto závody by pak nemusely platit za odvoz a likvidaci odpadu a naopak by mohly mít přínos z prodeje druhotných surovin nebo pomocí navrženého zařízení získané druhotné suroviny využívat. Zařízení podle navrženého řešení může být využito například ke zpracování slámy, dřevních štěpků, pilin, odpadního obilí, otrub, zbytků ovoce nebo zeleniny, kompostu, aj.

Přehled obrázků na výkresech

Navržené řešení je objasněno pomocí výkresů, kde znázorňují obr. 1 schematický pohled z boku na svislý řez přes celé zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů, obr. 2 schematický pohled zepředu na svislý řez vedený přes trojici vyhřívaných dutin a obr. 3 pohled shora na celé zařízení s odříznutou horní částí, na řez vedený nahoře přes trojici vyhřívaných dutin a přes chladič.

-2CZ 28026 U1

Příklady provedení technického řešení

Příkladem provedení navrženého řešení jsou zařízem podle obrázků Obr. 1 až Obr. 3.

Příkladné zařízem pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů zahrnuje jako první technologickou část bezplamenovou pec i s trojicí vyhřívaných dutin 2, 3, 4 nacházejících se uvnitř. Každá z trojice vyhřívaných dutin 2, 3, 4 je opatřena izolačním pláštěm 5 a vybavena bezplamenovými topnými tělesy 6 z keramických desek s vnitřními topnými elektrickými spirálami. Desky topných těles 6 jsou v každé vyhřívané komoře dvě, jsou v nich umístěny plošně na bocích. Uvnitř každé vyhřívané dutiny 2, 3, 4 je uspořádána množina horizontálních dutých trub 7 v podobě trubic, v nichž se uvnitř nachází pracovní prostor 8 pro uložení nádob 9 otevřeného typu se zpracovávaným materiálem. Jako nádoby 9 otevřeného typu se zde rozumí jakékoliv beztlakové nádoby 9 opatřené alespoň jedním otvorem, propojujícím vnitřní prostor nádoby 9 s prostorem vně nádoby 9. Trouby 7 svými vnitřními rozměry a tvarem vymezují individuální pracovní prostory 8, které jsou vzduchotěsně odděleny od ostatního prostoru nacházejícího se ve vyhřívané dutině 2, 3, 4. Každá horizontální trouba 7 má vpředu přístupová dvířka 10 pro vkládání nádoby 9 se zpracovávaným materiálem a vzadu má vlastní plynový vývod H pro odvod plynů vyvíjených tepelným rozkladem materiálu. Na každý plynový vývod lije přes příruby 12 připojena jedna potrubní větev 13, jež je odtud vedena dále přes chladič 14. Potrubní větve 13 jsou přímé, mají průběh ve tvaru přímky bez ohybů a jejich konce jsou zaústěny do sběrného potrubí 15. Sběrné potrubí 15 je uspořádáno jako separační kondenzátor, je vedeno se spádem a dole je opatřeno alespoň jedním olejovým zásobníkem 16 pro jímání ochlazením odlučovaného olejnatého kondenzátu. Každá ze tří obsažených vyhřívaných dutin 2, 3, 4 má vlastní sběrné potrubí 15.

Nádoby 9 pro zpracovávaný materiál jsou mobilní a beztlakové. Mají podobu perforovaných pouzder, například jako tubus s víkem. Zařízení má vytvořeno pro každou troubu 7 optimálně jen jednu takovou nádobu 9, tyto nádoby 9 jsou uzpůsobené tvarem a rozměry pro horizontální uložení v troubě 7. V případě trouby 7 tvořené trubicí o kruhovém průřezu jako v tomto příkladném provedení, je nádoba 9 vytvořena s výhodou jako pouzdro mající tvar perforovaného otvíratelného válce s rozměry o trochu menšími, než jsou rozměry pracovního prostoru 8. Průměr a délka nádoby 9 jsou u výhodného provedení tedy menší než vnitřní průměr a délka válcové stěny trouby 7, ale větší než dvě třetiny vnitřního průměru a délky válcové trouby 7. Toto tvarové a rozměrové uzpůsobení je výhodou kvůli efektivitě předávám energií, ale není podmínkou pro realizaci navrženého technického řešení. Takže i pokud má například trouba 7 v jiném případě průřez o tvaru čtyřúhelníku, může být nádoba 9 například jedna nebo dvě či více, ve tvaru válce nebo hranolu, nebo může mít jiný tvar.

Potrubní větve 13 jsou v případě optimálního provedení, jako je tento demonstrovaný příklad, připojeny vůči troubám 7 i vůči sběrnému potrubí 15 bezbariérově. Každá vyhřívaná dutina 2, 3, 4 je opatřena dvěma topnými tělesy 6 z elektricky vyhřívaných desek, které se nachází na jejich bocích a jsou v odstupu vůči množině trub 7, takže jsou vytvořeny vzduchové mezery po stranách u trub 7. Množina trub 7 je v každé z trojice vyhřívaných dutin 2, 3, 4 tvořena jednou řadou nad sebou v odstupech umístěných trub 7. Pro ekonomiku provozu zařízení je optimální jedna řada a počet trub 7 nejméně tři. Odstupy mezi nimi umožňují proudění a prostup ohřátého nebo chladicího vzduchu, podle toho ve které fázi procesu daná pracovní dutina 2, 3,4 právě pracuje.

Každá vyhřívaná dutina 2, 3, 4 má vzduchový přívod 17, vzduchový vývod 18 a vzduchový přívod-vývod 19, všechny uzavíratelné pomocí ventilů. Vzduchové přívody-vývody 19 všech tří vyhřívaných dutin 2, 3, 4 jsou navzájem propojeny vzduchovým potrubím 20. Uzavíratelné propojení přívodů-vývodů 19 dává možnost uzavření i otevření toku vzduchu mezi zvolenými vyhřívanými dutinami 2, 3, 4, z toho v případě otevření i s možností volby směru průtoku vzduchu. Také vzduchové přívody 17 jsou propojeny, a to pomocí připojení na společný vzduchový kanál 21 s ventilátory 22 připojenými na neznázorněný vnější zdroj chladicího vzduchu. Vzduchové vývody 18 jsou připojeny na neznázoměné obvyklé prvky pro odvod vzduchu, buď ze zařízem, nebo do zásobní nádrže apod. Při provozním stavu zařízení má vždy jedna z trojice vyhřívaných

-3CZ 28026 U1 dutin 2, 3, 4 svůj vzduchový přívod-vývod 19, vzduchový přívod 17 a vzduchový vývod 18 pomocí ventilů ovládaných neznázoměnou automatickou řídicí jednotkou zapojeny pro nahřívání, jedna pro tepelný rozklad a jedna pro ochlazování.

Za olejovým zásobníkem 16 je plynové potrubí rozvětveno na primární větev 24 a sekundární větev 25. Primární větev 24 je připojena na primární plynový zásobník 26 pro inertní plyny, obsažené v počátečních frakcích plynů z tepelného rozkladu materiálu. Sekundární větev 25 je připojena na sekundární plynový zásobník 27 pro spalitelné plyny, získávané z pozdějších frakcí plynů z tepelného rozkladu materiálu. Oba plynové zásobníky 26, 27 jsou připojeny na vhodné zařízení pro stlačení, v tomto příkladu na kompresor 28, a za ním k tlakové nádobě 29, 30.

Zařízení je dále vybaveno neznázorněnými vhodnými prostředky pro kontrolu, ovládání a automatický provoz, jako jsou regulační prvky ventilů, časové spínače, tlakoměry, teplotní čidla, tlakové pojistky, řídicí jednotka aj.

Zařízení umožňuje provozovat kontinuální tepelný rozklad organických materiálů tak, že se materiál podrobuje tepelnému rozkladu bez hoření a za přirozených tlakových podmínek ve třech fázích o stejném časovém úseku. V první fázi se vsázka organického materiálu umístí do uzavřeného pracovního prostoru 8 s připojeným plynovým vývodem H pro vyvíjené plyny a pracovní prostor 8 se zahřeje na stanovenou teplotu, ve druhé fázi se provozuje tepelný rozklad při nesnížené teplotě a ve třetí fázi se zbytková hmota postupně ochlazuje. Zahřívání materiálu se uskutečňuje v trojici tepelně izolovaných vyhřívaných dutin 2, 3, 4, pomocí sálání tepla z topných těles 6 umístěných mimo jejich trouby 2 s pracovním prostorem 8, pomocí prostupu tepla od těchto topných těles 6 přes vzduchovou mezeru a přes stěny trub 7 situovaných ve vyhřívaných dutinách 2, 3,4. Během všech těchto tří fází se plyny uvolňované ze vsázky odvádějí z vyhřátých pracovních prostorů 8 do chladiče 14. Ochlazením odloučený kondenzát se jímá a zbytkové plyny se odvádějí k dalšímu zpracování. Po skončení třetí fáze se tuhé zbytky zpracovávaného materiálu z pece vyjmou a již mimo uvedené tři fáze dochladí na pokojovou teplotu a využijí jako druhotná surovina, například jako palivo nebo uhlík. Tepelný rozklad se provozuje kontinuálně pomocí použití a seřízení trojice vyhřívaných dutin 2, 3, 4 tak, že každá pracuje v daném časovém úseku v jiné z výše uvedených tří fází. To je zatímco například první vyhřívaná dutina 2 se nahřívá a provozuje první fázi, druhá vyhřívaná dutina 3 se dohřívá a provozuje druhou fázi a třetí vyhřívaná dutina 4 se ochlazuje a provozuje třetí fázi. Produkty z druhé fáze jímají odděleně od produktů z ostatních fází. Pro první fázi se vsázka umístí do pracovního prostoru 8 například předehřátého na 220 až 240 °C a během první fáze se nahřeje, například na 450 °C. Ve druhé fázi se zpracovávaný materiál podrobuje tepelnému rozkladu a přitom se dohřívá, a to například v rozmezí teplot 450 °C až 630 °C. Ve třetí fázi se zbytková hmota ochlazuje, například na 240 °C až 220 °C. Časový úsek trvání každé fáze má dobu trvání například 180 až 240 minut. Zbytkové plyny i kondenzát se z každé fáze jímají odděleně.

Celková vsázka materiálu se na počátku rozdělí na menší dávky do množiny nádob 9 a ty se uloží najednou do jedné z vyhřívaných dutin 2, 3, 4, do té z nich jež je určena pro první fázi. V ní jsou nádoby 9 rozmístěny do množiny vůči sobě oddělených pracovních prostorů 8, uspořádaných ve společné vyhřívané dutině 2, 3, 4 a majících horizontální průběh. Při ohřevu se bezbariérově odvádí tepelným rozkladem uvolňované plyny pryč z vyhřívaných pracovních prostorů 8 a vedou se dále přímou cestou po přímce, s využitím rovných potrubních větví 13, přes chladič 14, přičemž se vedou a ochlazují plyny z každého pracovního prostoru 8 zvlášť a až za chladičem 14 se v ochlazeném stavu teprve směšují. Smísení se provádí prostřednictvím sběrného potrubí 15 se spádem, a přitom se z tohoto sběrného potrubí 15 odvádí a jímá odlučovaný kondenzát.

Vyhřívané dutiny 2, 3, 4 se ve třetí fázi ochlazují pomocí přivádění proudu chladicího vzduchu do jejich vzduchových mezer, nacházejících se kolem dokola trub 7.

Trojice vyhřívaných dutin 2, 3, 4 je navzájem uzavíratelné propojena pomocí vzduchových přívodů-vývodů 19 a při přechodu na jinou fázi je možno vyhřátý vzduch z momentálně nejteplejší vyhřívané dutiny 2, 3, 4 vhánět dočasné do právě nej chladnější vyhřívané dutiny 2, 3, 4.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů zahrnující alespoň jednu trojici vyhřívaných dutin (2, 3, 4) opatřených izolačním pláštěm (5) a vybavených bezplamenovými topnými tělesy (6), a dále zahrnující plynové vývody (11), chladič (14), alespoň jeden olejový zásobník (16) a plynové potrubí (23), vyznačující se tím, že uvnitř každé vyhřívané dutiny (2, 3,4) se nachází množina horizontálních dutých trub (7) vymezujících pracovní prostor (8) pro uložení nádob (9) otevřeného typu se zpracovávaným materiálem, kde tyto trouby (7) oddělují v nich se nacházející pracovní prostor (8) vzduchotěsně od ostatního prostoru ve vyhřívané dutině (2, 3, 4), například jsoucích v podobě trubic, přičemž každá horizontální trouba (7) je vpředu opatřena přístupovými dvířky (10) a vzadu vlastním plynovým vývodem (11), na každý z těchto plynových vývodů (11) je připojena potrubní větev (13) procházející přes chladič (14), tyto potrubní větve (13) mají průběh ve tvaru přímky bez ohybů a konce těchto potrubních větví (13) jsou zaústěny do sběrného potrubí (15) se spádem a dole situovaným alespoň jedním olejovým zásobníkem (16), přičemž pro každou ze tří obsažených vyhřívaných dutin (2, 3, 4) je uspořádáno vlastní sběrné potrubí (15).
2. 2. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároku 1, vyznačující se tím, že nádoby (9) pro zpracovávaný materiál jsou ve formě perforovaných pouzder, pro každou troubu (7) jedno perforované pouzdro uzpůsobené tvarem a rozměry pro horizontální uložení v troubě (7), například v případě trouby (7) tvořené trubicí o kruhovém průřezu pouzdro mající tvar perforovaného otvíratelného válce o průměru a délce menšími než vnitřní průměr a délka válcové stěny trouby (7), ale většími než dvě třetiny vnitřního průměru a délky válcové trouby (7).
3. 3. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že potrubní větve (13) jsou připojeny vůči troubám (7) i vůči sběrnému potrubí (15) bezbariérově.
4. 4. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že topná tělesa (6) jsou tvořena v každé vyhřívané dutině (2, 3, 4) dvěma elektricky vyhřívanými deskami, které se nachází na bocích v odstupu vůči množině trub (7).
5. 5. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároku 4, vyznačující se tím, že množina trub (7) je v každé z trojice vyhřívaných dutin (2, 3, 4) tvořena řadou z nad sebou v odstupech umístěných alespoň tří trub (7).
6. 6. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že každá vyhřívaná dutina (2, 3, 4) je opatřena alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým přívodem (17), alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým vývodem (18) a alespoň jedním uzavíratelným vzduchovým přívodem-vývodem (19), přičemž vzduchové přívody-vývody (19) všech tří vyhřívaných dutin (2, 3, 4) v trojici jsou navzájem propojeny vzduchovým potrubím (20), a to uzavíratelně s možností volby směru průtoku, vzduchové přívody (17) jsou připojeny na společný vzduchový kanál (21) s ventilátory (22) a vnějším zdrojem chladicího vzduchu, a vzduchové vývody (18) jsou připojeny na prvky pro jímání a/nebo odvod vzduchu ze zařízení.
7. 7. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároku 6, vyznačující se tím, že při provozním stavu zařízení má vždy jedna z trojice vyhřívaných

   -5CZ 28026 U1 dutin (2, 3, 4) svůj vzduchový přívod-vývod (19), vzduchový přívod (17) a vzduchový vývod (18) zapojeny pro nahřívání, jedna pro tepelný rozklad a jedna pro ochlazování.
8. 8. Zařízení pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že za olejovým zásobníkem (16) je plynové potrubí (23) rozvětveno na alespoň jednu primární větev (24), připojenou na primární plynový zásobník (26) pro inertní plyny, a alespoň jednu sekundární větev (25), připojenou na sekundární plynový zásobník (27) pro spalitelné plyny.
9. 9. Zařízeni pro kontinuální tepelný rozklad organických materiálů podle nároku 8, vyznačující se tím, že plynové zásobníky (26, 27) mají každý připojen alespoň jedno zařízení pro stlačení, například kompresor (28), a za ním tlakovou nádobu (29,30).