CZ28062U1 - Zařízení na zplyňování biomasy a následné čištění energoplynu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení na zplyňování biomasy v přetlakovém souproudém reaktoru s hermeticky uzavřeným zásobníkem paliva a dvojitým šnekovým dopravníkem, médiem obsahujícím více než 21 objemových procent O₂ a následného čištění vyrobeného energoplynu technologií odstranění nečistot v podobě polycyklických aromátů na kombinovaném filtru a následně se plyn vyčistí absorpcí ve Venturiho pračkách kapalným mediem obsahujícím neionoaktivní a nepěnivé tenzidy. Technické řešení přímo navazuje na patentový spis číslo 303 367 autorů Svobody K., Smetany J., Štojdla J., Šulce J. a Vacka J.

Dosavadní stav techniky

Se snižujícími se zásobami světových zásob fosilních paliv vzrůstá zájem o využití biomasy pro energetické účely. Kromě známých klasických postupů vycházejících ze spalování biomasy, tedy oxidací s mírně vyšším množstvím vzduchu, nežli je určeno stechiometrickým poměrem, je v současnosti věnována pozornost předními evropskými výzkumnými týmy technologii zplyňování, tedy oxidaci biomasy s podstechiometrickým množstvím oxidačního média za vzniku energoplynu, který, po dočištění na požadovanou kvalitu obsahu od tuhých částic a polycyklických aromátů, je dále využíván zejména v kogeneračních jednotkách za společné výroby elektrické energie a tepla. Jako paliva se využívá upravená biomasa, zejména dendromasa ve formě peletek. Při zplyňování upravené dendromasy vzniká plyn o výhřevnosti okolo 5 MJ/Nm³. Vzhledem k malé výhřevnosti je výhodné použít tento plyn pro mikrokogeneraci, kde zplyňovací reaktor má termický výkon v rozmezí 100 až 200 kW, resp. elektrický výkon v rozmezí 30 až 50 kW.

Surový plyn vyrobený ve zplyňovacím reaktoru bude vždy obsahovat určité množství tuhých částí s velkým obsahem uhlíku a polycyklických aromátů a fenolů, resp. jejich derivátů, a malé množství dusíkatých sloučenin, zejména čpavku NH₃, který z dusíkatých sloučenin vznikne v redukčním prostředí zplyňovacího procesu. Z toho důvodu je nutné vyrobit plyn s co s největším obsahem hořlavých permanentních plynů a nejnižším obsahem dehtů. Toho lze dosáhnout novou konstrukcí reaktoru, dále pak podmínkami zplyňovacího procesu a následně vypírkou vyrobeného plynu ve vhodném médiu.

V zahraničních recenzovaných časopisech jsou uvedena rozdílná technologická řešení zplynovacích reaktorů, kromě známé technologie Viking uvedené v literatuře: „časopis Energy vol. 31 str. 1542 až 1553 (2006)“. Je zde popsáno zařízení o výkonu asi 100 kW tepelných, které je založeno na předpyrolýze dřeva. Další publikovanou prací je dvoustupňový reaktor, který je uveden v publikaci Šulc J. et kol. Waste management 32 (2012) str. 692-700, v kterém zplyňování probíhá ve dvou stupních. V prvém stupni se vyrobí surový energoplyn, ve kterém se dalším přídavkem oxidačního média ve druhém stupni zplyňovače spálí znečišťující polycyklické aromáty. Toto řešení sice vede k podstatnému snížení nežádoucích dehtů, ale vede také k podstatnému snížení výhřevnosti takto vyrobeného plynu, který je již nevhodný pro spalování v kogenerační jednotce.

Dalším úskalím výroby vhodného energoplynu pro kogenerační jednotku je způsob purifikace, tedy čištění plynu na požadovanou kvalitu. Velmi známý je nizozemský systém „Olga“, kde se jako absorpční médium využíval metylester řepkového oleje (MEŘO). Slabinou tohoto postupu jsou vysoké náklady na spotřebu MEŘO, resp. nemožnost jeho vracení do absorpce, protože oddělení nečistot, zejména polycyklických aromátů, z MEŘO je téměř nemožné, což vede k jeho velké spotřebě. Proto se jeví jako nejvýhodnější způsob purifikace vyrobeného plynu odstranění zejména tuhých částic v cyklonu, zachycení jemných podílů úletu nedopalu a částečný katalytický rozklad dehtů v kombinovaném filtru. A po ochlazení ve výměníku tepla následující absorpce zbytků polycyklických aromátů ve vodném roztoku s obsahem vhodných nepěnivých neionoaktivních tenzidů.

-1 CZ 28062 U1

Podstata technického řešení

Podstata zařízení na zplyňování biomasy v přetlakovém souproudém reaktoru s hermeticky uzavřeným zásobníkem paliva a dvojitým šnekovým dopravníkem spočívá v regulovatelnosti podávání paliva a složení energoplynu za účelem dosažení stabilní produkce energie, což odstraňuje nedostatky uvedeného stavu techniky.

Podstata zařízení na čištění energoplynu v čisticí lince spočívá ve využití kombinovaného filtru skládajícího se z granulátu vápence nebo dolomitu a vláknitého minerálního materiálu, ochlazení energoplynu pomocí výměníku/výměníků tepla, a následně koncové odstranění polycyklických aromatických sloučenin ve Venturiho pračkách pomocí neionoaktivních tenzidů rozpuštěných ve vodě.

Podstata zařízení zplyňování biomasy a následné čištění energoplynu výše popsaných technických řešení spočívá v systému detekce a regulace provozních rizik a plynulé regulaci podávání paliva a zplyňovacího média v závislosti na parametrech plynu a informací z čidel jednotlivých komponent soustavy.

Objasnění výkresu

Technické řešení je blíže popsáno pomocí výkresu, který představuje schéma jednoho z možných provedení technického řešení.

Příklad uskutečnění technického řešení

Technologické schéma linky na výrobu energoplynu se skládá z dílčích technologických aparátů. Upravená biomasa, zejména peletky o průměru 6 až 12 mm, je z hermeticky uzavřeného zásobníku 1 suroviny dávkována do zplyňovacího reaktoru 2 horizontálním šnekem 3, který může být vytápěný teplem vyprodukovaného plynu, dále pak jsou peletky dopravovány do vlastní reakční zóny zplyňovače vertikálním šnekem 4. Zplynovací reaktor je ocelová nádoba, jejíž vestavba se skládá z přívodního podávacího vertikálního šneku, který je veden v ocelové trubce. Oxidační médium je přiváděno rozdělovačem 5 do vlastní reakční zóny 6 zplyňování. Reakční zóna zplyňovacího reaktoru se vyznačuje kuželovým rozšířením 7, kde dochází k efektu fluidizace. Reaktor je shora ukončen tepelným štítem 8 s keramickou vyzdívkou. V horní části reaktoru je potrubí 9 na odvod vzniklého plynu. Vzniklý plyn je veden nejprve do cyklonu 10, kde se z něho odloučí většina tuhých částí vzniklých nedopalem vstupní biomasy. Za cyklonem je zařazen kombinovaný filtr 11, skládající se z keramického dílu 12 filtru, vyplněného granulovaným minerálním materiálem různé zrnitosti (0,2 až 2 mm), a dále z filtrační přepážky 13, která je tvořena vláknitým materiálem. Takto předčištěný energoplyn, zbavený většiny tuhých částí, je veden do výměníku 14 tepla plyn-vzduch a následně do výměníku 15 tepla plyn voda. Ochlazený energoplyn je dále veden do Venturiho pračky 16, kde se absorpcí zbavuje zbytků polycyklických aromátů, fenolů a amoniaku. Za Venturiho pračkou je umístěn demister 17, který z vyrobeného plynu odloučí zbytky nečistot v podobě jemných kapek. Za Venturiho pračkou je zpravidla zařazena ještě absorpční skrápěná kolona 18. Následně je již plyn dávkován do kogeneračního motoru 19, který slouží ke kombinované výrobě elektřiny a tepla.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení lze komerčně využít na mikrokogeneračních zařízeních pro zpracování biomasy, nejlépe peletek, pro energetické účely pro společnou výrobu elektrické energie a tepla. Vyrobený plyn ve zplyňovacím zařízení je vhodný pro využití v plynových spalovacích motorech nebo plynových turbínách. Zařízení s využitím topného plynu vyrobeného z biomasy je vhodné zejména pro malé kogenerační jednotky s tepelným výkonem od 100 do 200 kW, resp. s elektrickým výkonem do 50 kW.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení na zplyňování biomasy složené ze souproudného vertikálního reaktoru, vyznačující se tím, že je tvořeno hermeticky uzavřeným zásobníkem (1) biomasy, spojeným s vlastním zplyňovacím reaktorem (2) dvěma na sobě kolmými šnekovými dopravníky, vertikálním šnekovým dopravníkem (4), který navazuje na horizontální šnekový dopravník (3), zplyňovací reaktor je tvořen ocelovou nádobou, jejíž vestavba se skládá z přívodního šnekového vertikálního dopravníku (4) pro dávkování paliva, a v reakční zóně (6) se vyznačuje kuželovým rozšířením (7) a rozdělovačem (5) oxidačního média, reaktor je shora ukončen tepelným štítem (8) s keramickou vyzdívkou a v jeho horní části je potrubí (9) na odvod vznikajícího energoplynu do cyklonu (10).
2. 2. Zařízení na zplyňování biomasy podle nároku 1, vyznačující se tím, že za cyklonem (10) pro zachycení nejhrubších částic nedopalu je zařazen kombinovaný filtr (11), který se skládá z keramického dílu (12) filtru, vyplněného granulovaným keramickým materiálem různé zrnitosti, a dále z filtrační přepážky (13), která je tvořena filtračním vláknitým materiálem.
3. 3. Zařízení na zplyňování biomasy podle nároků la2, vyznačující se tím, že za kombinovaným filtrem (11) pro odloučení tuhých částic a výměníkem (14) tepla plyn-vzduch je zařazena mokrá vypírka skládající se z venturiho pračky (16), ve které je vodný roztok neionoaktivních nepěnivých tenzidů k absorpci polycyklických aromátů a fenolů, za venturiho pračku (16) je umístěn demister (17) k odloučení zbytků nečistot a za demisterem (17) je zařazena skrápěná absorpční kolona (18).
4. 4. Zařízení na zplyňování biomasy podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že součástí zařízení je systém elektronické regulace dávkování paliva a zplyňovacího média.