CZ28354U1 - Generátor plynu na zplyňování biopaliva, zejména dřevní štěpky - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká generátoru na zplyňování biopaliva, zejména dřevní štěpky. Dřevní štěpka vzniká v lesnictví jako směs drobných částic dřeva a ostatní biomasy, jako je kůra a zelené části. Vzniká beztřískovým dělením řezem napříč směru vláken, takzvaným štěpkováním. Dřevní štěpka je významným zdrojem energie. Energie se může získat například termickými procesy, jako je spalování, zplyňování, pyrolýza a zkapalňování. Toto technické řešení se týká zplyňování s použitím pyrolýzy. Výsledkem příslušného procesuje dřevní plyn, kterýje využíván v kogenerační ch jednotkách na výrobu elektrické a tepelné energie.

Dosavadní stav techniky

V tuzemské i zahraniční odborné, a zejména patentové, literatuře existuje řada příkladů zařízení na zplyňování biopaliva, s cílem získání plynu, který se dále využívá k získání energie.

V domácí patentové literatuře byl nalezen, již zaniklý, patent č. 295171 Třízonový zplyňovač biomasy rostlinného původu s obchvatem. Tři, do sebe částečně zasunuté, komory vymezují definované rozhraní zón. Ve všech komorách se vyvíjí plyn, přičemž ve spodní komoře je údajně vyvíjen plyn bez nežádoucích komponent. Plynnou směs z obou horních komor lze odvodem odvést do spodní komory k dodatečné redukci na žádoucí komponenty užitkového plynu.

Dále byl nalezen platný užitný vzor č. 26592 Zařízení pro vícestupňové zplyňování uhlíkatých paliv. Zařízení obsahuje svislou nádobu s pyrolýzní komorou, dále parciálně oxidační komoru a redukční zónu. Je chráněno uspořádání, kde redukční zóna je uspořádána pod pláštěm parciálně oxidační komory uvnitř nádoby tvořící retardér pro zpomalení postupu karbonizovaného pyrolýzního zbytku paliva nádobou svisle orientovaným směrem do redukční zóny, a dále že odvod produkovaného plynu je uspořádán za redukční zónou ve směru postupu produkovaného plynu ven ze zařízení.

Obě zařízení jsou poměrně jednoduchá, a tedy poměrně snadno vyrobitelná, ale mají své nevýhody. Jednou z nevýhod je, že při použití dřevní štěpky má dřevní štěpka při svém zpracování a postupném pohybu komorami, nebo komorou svisle dolů, tendenci vytvářet klenbu, která blokuje pohyb zpracovávané štěpky směrem dolů, a tím negativně ovlivňuje proces zplyňování.

Další podstatnou nevýhodou je, že vyrobený plyn obsahuje značné množství dehtu, který po několika hodinách zkušebního provozu zcela zanese následné čisticí a zchlazovací zařízení. Jako čisticí zařízení je regenerovatelný filtr s pulzním proplachem, chladicím zařízením jsou trubkové výměníky a zařízením pro kondenzování vlhkosti z vyrobeného plynu je mokrá pračka, kde dochází ke značnému zadehtování chladicí vody. Zařízení, resp. zplyňovací linku, jejíž součástí je tento vyvíječ plynu, je nutno odstavit a zbavit dehtu.

To se týká zejména druhého zmíněného zařízení. Bez dodatečných podstatných konstrukčních úprav, které byly provedeny výrazně nad rámec ochrany, nebylo možno toto zařízení bezchybně provozovat.

Z tuzemských spisů zahraničních přihlašovatelů je známa zveřejněná patentová přihláška PV 2012-493 firmy BOSS engineering. Souprava pro energetické využití dřevní hmoty, zejména dřevní štěpky. Ze zahraničních spisů je znám japonský patent JP 2004076968, COMBUSTION METHOD AND SYSTEM USING BIOMASS AS FUEL AND GENERATING METHOD AND SYSTEM (Způsob a systém spalování za použití biopaliva jako paliva a způsob a systém pro vytváření), dále mezinárodní přihláška WO 2014168004, BIOMASS PYROLYSIS APPARATUS AND POWER GENERATION SYSTEM (Pyrolýzní přístroj na biomasu a systém na vytváření energie).

Tato zařízení vytvářejí složité soustavy, tvořené souborem zpracovatelských jednotek, málo vhodných pro tuzemské použití.

-1 CZ 28354 U1

Podstata technického řešení

Technické řešení vychází z dosavadního stavu techniky. Cílem technického řešení je odstranění uvedených nevýhod a vytvoření spolehlivého zařízení na zplyňování biopaliva rostlinného původu, zejména dřevní štěpky.

Uvedené nedostatky odstraňuje generátor plynu na zplyňování biopaliva, zejména dřevní štěpky, ve tvaru vertikální kombinované válcové tlakové nádoby, jejíž horní část je opatřena přívodem paliva do násypky, přičemž tlaková nádoba je tvořena vnějším pláštěm, v němž je koaxiálně umístěn vnitřní plášť, přičemž ve vnitřním plášti je uspořádána kruhová pyrolýzní komora, přičemž ve spodní části pyrolýzní komory je uspořádána žáruvzdorná klenba, která odděluje pyrolýzní komoru od parciálně oxidační komory, tvořící současně spalovací komoru, uspořádanou pod pyrolýzní komorou, přičemž pod oxidační komorou ve spodní části vnitřního pláště je uspořádáno redukční lože, pod nímž je uspořádán pohyblivý rošt, a pod roštem je dále umístěn odvod směsi popela a dřevního uhlí, podle technického řešení, jehož podstatou je, že pyrolýzní komora, tvořící součást palivového výměníku tepla, je rozdělena pomocí radiálně uspořádaných průchozích přepážek alespoň do třech dílčích komor, jejichž průřez tvoří navzájem propojené kruhové výsece, přičemž redukční lože, umístěné pod parciálně oxidační komorou, má ve své střední části zasazen homogenizační válec.

Ve výhodném provedení technického řešení palivového výměníku, který je součástí pyrolýzní komory, se každá z průchozích přepážek, vymezujících uvedené dílčí komory, směrem dolů zužuje, přičemž každá z dílčích komor pyrolýzní komory se ve směru shora dolů postupně rozšiřuje, pro zabránění vzniku klenby ze zpracovávaného paliva, zejména dřevní štěpky.

V dalším výhodném provedení vymezuje homogenizační válec mezikruží mezi svým vnějším povrchem a vnitřním povrchem vnitřního pláště.

V dalším výhodném provedení je násypka opatřena robustním, mechanicky zesíleným míchačem paliva turniketového typu pro rovnoměrný přívod paliva do jednotlivých dílčích komor pyrolýzní komory.

V dalším výhodném provedení je na jeho horní části uspořádán gravitační ventil k bezpečnostnímu vývodu surového plynu při výpadku elektromechanických pojistných ventilů.

V dalším výhodném provedení obsahuje zavěšení pomocí konzol v horní studené části vnějšího pláště generátoru, na stojkách obvodově uspořádaných kolem generátoru.

Výhody tohoto technického řešení budou následně podrobně popsány v kapitole „Příklad provedení technického řešení“.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže vysvětleno podle příkladu konkrétního provedení a podle přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno v osovém řezu celkové provedení generátoru plynu podle technického řešení a na obr. 2 je v řezu A-A zobrazen příčný řez pyrolýzní komorou a dále je zde v řezu B-B, odvozeného od řezu A-A, zobrazen podélný řez částí pyrolýzní komory. Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je znázorněno v osovém řezu celkové provedení generátoru plynu podle technického řešení. Generátor plynu je vytvořen ve tvaru vertikální kombinované válcové tlakové nádoby, která je tvořena vnějším pláštěm i, tvořícím nosnou část generátoru. Koaxiálně ve vnějším plášti i je umístěn vnitřní plášť 2, opatřený ve spodní vnější části vnitřní keramickou vyzdívkou 3. V prostoru uvnitř vnitřního pláště 2 je uspořádána kruhová pyrolýzní komora 7, tvořící součást palivového výměníku tepla. Pyrolýzní komora 7 je dále podrobněji popsána podle obr. 2. V prostoru pod vnitřním pláštěm 2 je umístěn pohyblivý rošt, kteiý má horní díl 4 a dolní díl 5 pohyblivého roštu. Na horní části generátoru je umístěna násypka 6 paliva se vstupem 11 paliva, které

-2CZ 28354 Ul je navíc označeno slovem PALIVO. Ve spodní části násypky 6 nad pyrolýzní komorou 7 je umístěn robustní, mechanicky zesílený, míchač 10 paliva, zajišťující promíchávání a rovnoměrnou distribuci do všech komor pyrolýzní komory 7 přiváděného paliva, kterým je biomasa, a zejména dřevní štěpka. Pod spodní částí pyrolýzní komory 7 je uspořádána žáruvzdorná klenba 21, opatřená průduchy, která odděluje prostor pyrolýzní komory 7 od prostoru parciálně oxidační komory 8, uspořádané pod pyrolýzní komorou 7. Parciálně oxidační komora 8 tvoří současně spalovací komoru. Pod oxidační komorou 8, ve spodní části vnitřního pláště, nad pohyblivým roštem, je uspořádáno redukční lože 9. Do pyrolýzní komory 7 ústí přívod 12 primárního spalovacího vzduchu, a do parciálně oxidační komory 8 ústí přívod 13 sekundárního spalovacího vzduchu. Oba přívody vzduchu jsou navíc označeny slovem VZDUCH. Generátor je dále opatřen odvodem 14 směsi popela a dřevního uhlí. Tento výstup je navíc označen slovy POPEL DŘEVNÍ UHLÍ. Horní část vnějšího pláště 1 generátoru je opatřena alespoň jedním výstupem 15 čistého vyrobeného plynu. Na obr. 1 jsou zobrazeny dva výstupy 15 vyrobeného plynu, které jsou navíc označeny slovem PLYN. Na nej vyšším místě vnějšího pláště I generátoru je uspořádán gravitační ventil 16 k bezpečnostnímu vývodu surového plynu. Pyrolýzní komora 7 je ve své spodní polovině opatřena kompenzátorem 17 teplotní délkové roztažnosti.

Do parciálně oxidační komory 8 jsou zavedeny teplotní snímače 18. V ose redukčního lože 9 je v jeho spodní části uspořádán homogenizační válec 19. Na obr. 1 je dále znázorněn systém 20 zavěšení generátoru plynu, pomocí konzol na stojkách obvodově uspořádaných kolem vnějšího pláště 1 generátoru.

Na obr. 2 je v řezu A-A zobrazen příčný řez pyrolýzní komorou 7 a dále je zde v řezu B-B, odvozeného od řezu A-A, zobrazen podélný řez částí pyrolýzní komory 7. Pyrolýzní komora 7 je z tepelně technických důvodů navržena ve tvaru válce, rozděleného pomocí radiálně uspořádaných průchozích přepážek, umožňujících průchod vyráběného plynu oběma radiálními směry, alespoň do třech dílčích komor, jejichž průřez tvoří navzájem propojené kruhové výseče. Na obr. 2, v řezu A-A je zobrazeno šest takových dílčích komor, přičemž jejich počet se může lišit, podle momentálního konstrukčního provedení.

Dále budou podrobněji popsány důležité součásti generátoru plynu a jejich funkce a výhody proti dosavadnímu stavu techniky.

Pyrolýzní komora 7, která je součástí palivového výměníku, je prostor, do kterého z prostoru násypky 6, plněné vstupem Π. paliva, cyklicky vstupuje palivo, zejména dřevní štěpka, přes mechanicky zesílený míchač 10 paliva. V pyrolýzní komoře 7 dochází k postupnému prohřívání paliva, a tím k jeho postupnému tepelnému rozkladu na dřevní uhlí, popel a surový pyrolýzní plyn, nasycený především takzvanými primárními dehty. Vestavba pyrolýzní komory 7 je konstruována tak, aby styčná plocha mezi palivem, dřevní štěpkou, a vyráběným plynem, který je odváděn z generátoru, umožnila maximální přenos tepelné energie z horkého plynu do předehřívaného paliva. Tím je vytvářena funkce palivového výměníku. Předávané teplo, z nahřátého vnitřního pláště 2 generátoru, má i druhotný význam při gravitačním sesouvání paliva do spodní části pyrolýzní komory 7, ve které dochází při vysoké teplotě ke spalování dosahovanému rovnoměrně přiváděným primárním vzduchem ze vstupu 12 spalovacího primárního vzduchu.

Pyrolýzní komora podle dosavadního stavu techniky měla válcový tvar, ve kterém docházelo k vytváření klenby ze zpracovávaného paliva, a při prolomení klenby docházelo kjeho nekontrolovatelnému sesuvu. Tento sesuv vyvolával prudký výron plynu, který začal unikat přes násypku z generátoru, přičemž v okolí generátoru byla překročena bezpečnostní mez koncentrace CO. Dále nastávaly samodestrukční účinky, které se projevovaly cyklickým prohýbáním stěn pyrolýzní komory 7, a současně výměníku, a které následně vedly k jejich protržení. Tyto závažné nedostatky byly odstraněny novou konstrukcí pyrolýzní komory 7, jejíž nový tvar respektuje zásadu tzv. negativních úhlů. Jak je znázorněno na obr. 2, v řezu B-B, každá z průchozích přepážek, vymezujících uvedené dílčí komory, se směrem dolů zužuje. To znamená, že každá z dílčích komor pyrolýzní komory 7 se ve směru shora dolů postupně rozšiřuje, a tím je zabráněno vzniku klenby ze zpracovávaného paliva, zejména dřevní štěpky.

-3 CZ 28354 U1

Parciálně oxidační komora 8, a současně spalovací komora, je uspořádána pod žáruvzdornou klenbou 21, opatřenou průduchy, oddělující prostor pyrolýzní komory 7 od prostoru parciálně oxidační komory 8. Žáruvzdorná klenba 21 může mít sice libovolný tvar, ale výhodný je zobrazený vydutý tvar, který musí splňovat následující podmínky:

a) aby dřevní štěpka tepelně rozložená na dřevní uhlí a popel mohly po ní volně stékat do prostoru pod parciálně oxidační komorou 8, tj. do redukčního lože 9, a plyn do parciálně oxidační komory 8;

b) aby bezpečně oddělila pyrolýzní komoru 7 od redukčního lože 9, a vytvořila tak prostor pro parciálně oxidační komoru 8.

V parciálně oxidační komoře 8 dochází k oxidaci volně přitékajícího surového dřevního plynu z pyrolýzní komory 7. Tlakově vháněným, rovnoměrně přiváděným sekundárním vzduchem ze vstupu 13 spalovacího sekundárního vzduchuje zde surový plyn spalováním ohříván až na teplotu 1 100 °C. Při této teplotě dochází k redukci primárních dehtů v surovém pyrolýzním plynu na dehty sekundární a následně terciální.

Redukční lože 9 je prostor, do kterého stéká nerovnoměrně gravitačním způsobem směs dřevního uhlí a popela, a dále plyn, upravený v parciálně oxidační komoře 8. Redukční lože 9 muselo být konstrukčně upraveno. Vzhledem k tomu, že sypný úhel uvedené směsi je značně vysoký, nebylo možno, podle dosavadního stavu techniky, zajistit její rovnoměrnou výšku v celém prostoru redukčního lože 9. Výškový rozdíl uvedené směsi mezi středovou částí redukčního lože 9 a jeho okrajových částí je tak veliký, že tlaková ztráta plynu procházejícího redukčním ložem 9 se negativně projeví ve značné nerovnoměrnosti plynu procházejícího redukční zónou. Středovou oblastí prochází rozhodující množství vyrobeného plynu, neboť vzhledem k nízké vrstvě dřevního uhlí a popela je tlaková ztráta plynu výrazně nižší než po obvodě. A protože průchodem plynu, vyrobeného v parciálně oxidační komoře 8, redukčním ložem 9 dochází k velice žádané endotermní reakci, k redukci nehořlavého CO₂ na CO, čímž se ještě zvýší výhřevnost vyrobeného plynu, je nezbytné, aby vrstva dřevního uhlí a popela byla nej vyrovnanější, a tím aby nedocházelo k rychlé degradaci dřevního lože ve středové části redukčního lože 9, zatímco na jeho okraji dřevní uhlí téměř nevstupuje do žádané reakce. Tím je, podle dosavadního stavu techniky, znemožněno, vyrábět dřevní plyn s nízkým obsahem dehtů. Vzhledem k tomu, že veškerý plyn vyrobený v pyrolýzní komoře 7, následně chemicky vyčištěný v parciálně oxidační komoře 8, musí být fyzikálně-chemicky dodatečně upraven v redukčním loži 9, je nutno zajistit tlakově rovnoměrný, tj. homogenní, průchod směsi dřevního uhlí a popela.

Z toho důvodu, pro zajištění rovnoměrného uspořádání výšky sesouvané směsi dřevního uhlí s popelem v celé části aktivního redukčního lože 9, je do jeho střední části zasazen homogenizační válec 19. Tím se zajistí, že středová část redukčního lože 9 zůstane neaktivní a směs dřevního uhlí a popela se začne sesouvat pouze do nově vzniklého mezikruží, vymezeného homogenizaěním válcem 19. V tomto mezikruží se nerovnoměrnost směsi dřevního uhlí a popela nemůže projevit tak výrazně, a to vzhledem k celkové výšce této vrstvy. Tlakové ztráty plynu touto vrstvou jsou pak velmi vyrovnané.

Kompenzátor 17 teplotní délkové roztažnosti, jak je naznačeno na obr. 1, je vytvořen jako přepážka ve tvaru misky, která se pružně deformuje působením tepla, a tím eliminuje délkové dilatace, způsobené rozdílnými teplotami. Bez tohoto kompenzátoru vznikaly v pyrolýzní komoře 7 často praskliny. Těmito prasklinami pronikal hrubý pyrolýzní plyn do čistého vyrobeného plynu, vystupujícího z generátoru.

Dále byla provedena konstrukčního úprava míchače 10 paliva jeho mechanickým zesílením a vhodným dimenzováním hnacího elektromotoru a úpravou kotvení rozhmovacích hrabic.

Gravitační ventil 16 k bezpečnostnímu vývodu surového plynu chrání generátor před zvýšeným tlakem vyrobeného plynu, při výpadku nevyznačených elektromechanických pojistných ventilů.

-4CZ 28354 U1

Do parciálně oxidační komory 8 jsou zavedeny teplotní snímače 18, vytvářející současně funkci teploměrů a termostatů. Působením vysokých teplot docházelo k deformování jejich ukotvení. Proto byly opatřeny podpěrnými konstrukcemi.

Na obr. 1 je dále znázorněn systém 20 zavěšení generátoru plynu, pomocí konzol v horní studené části vnějšího pláště i generátoru, na stojkách obvodově uspořádaných kolem generátoru. Tím bylo odstraněno nevýhodné provedení podle stavu techniky, kde stojky byly přivařeny ke spodní, tj. horké, části vnějšího pláště 1 generátoru.

Pro lepší přehled je závěrem proveden stručný souhrnný technický popis funkce generátoru plynu.

ío Do vstupní části generátoru plynu umístěné v jeho nejvyšší části je přes tlakově uzavírací podavač turniketového typu přiváděné palivo. Vstupní část je součástí pyrolýzní komory 7. V pyrolýzní komoře 7 se palivo zvolna zahřívá a se zvyšujícím se zahříváním dochází k jeho pyrolyzaci, resp. k přeměně na dřevní uhlí a popel, za současného vývinu dřevního plynu, bohatého na nežádoucí primární dehty. Tyto primární dehty se následně při průchodu parciálně oxidační komorou

8 transformují na dehty sekundární a následně na terciální, které jsou nejméně škodlivé. Tato transformace primárních dehtů je provázena snížením výhřevnosti vyrobeného plynu. Následným průchodem takto vyčištěného plynu redukčním ložem 9, tvořeným směsí dřevního uhlí a popela, dochází k endotermické reakci, kdy významné množství oxidu uhličitého CO₂ se obohacuje z dřevního uhlí uvolněným uhlíkem C a vzniká oxid uhelnatý CO. Tím dochází ke značnému zvý20' šení výhřevnosti plynu, za současného chemického dočištění od uhlovodíků, souhrnně nazývaných dehty.

Takto vyrobený a upravený plyn je odváděn z generátoru plynu a vstupuje do nevyznačené zóny mechanického čištění, do vysokoteplotních filtrů, a zchlazování, do trubkových výměníků, tj. chladičů, a kondenzační mokré pračky, kde je zbavován vysokého podílu vodních par. Ve spodní části generátoru plynuje pod pohyblivým roštem, sestávajícím z horního dílu 4 a z dolního dílu 5, umístěno nevyznačené odpopelňovací zařízení, které řízeným způsobem prostřednictvím popelových klapek zajišťuje cyklický odvod 14 směsi dřevního uhlí a popela.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, zejména dřevní štěpky, ve tvaru vertikální kom30 binované válcové tlakové nádoby, jejíž horní část je opatřena přívodem (11) paliva do násypky (6), přičemž tlaková nádoba je tvořena vnějším pláštěm (1), v němž je koaxiálně umístěn vnitřní plášť (2), přičemž ve vnitřním plášti (2) je uspořádána kruhová pyrolýzní komora (7), přičemž ve spodní části pyrolýzní komory (7) je uspořádána žáruvzdorná klenba (21), která odděluje pyrolýzní komoru (7) od parciálně oxidační komory (8), tvořící současně spalovací komoru, uspořá35 danou pod pyrolýzní komorou (7), přičemž pod oxidační komorou (8) ve spodní části vnitřního pláště je uspořádáno redukční lože (9), pod nímž je uspořádán pohyblivý rošt, a pod roštem je dále umístěn odvod (14) směsi popela a dřevního uhlí, vyznačující se tím, že pyrolýzní komora (7), tvořící součást palivového výměníku tepla, je rozdělena pomocí radiálně uspořádaných průchozích přepážek alespoň do třech dílčích komor, jejichž průřez tvoří navzájem

   40 propojené kruhové výsece, přičemž redukční lože (9) umístěné pod parciálně oxidační komorou (8), má ve své střední části zasazen homogenizační válec (19).
2. 2. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, podle nároku 1, vyznačující se tím, že každá z průchozích přepážek, vymezujících uvedené dílčí komory, se směrem dolů zužuje, přičemž každá z dílčích komor pyrolýzní komory (7) se ve směru shora dolů postupně rozšiřuje,

   45 pro zabránění vzniku klenby ze zpracovávaného paliva, zejména dřevní štěpky.

   -5CZ 28354 Ul
3. 3. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, podle nároků laž2, vyznačující se tím, že homogenizační válec (19), vymezuje mezikruží mezi svým vnějším povrchem a vnitřním povrchem vnitřního pláště (2).
4. 4. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že násypka (6) je opatřena robustním, mechanicky zesíleným míchačem (10) paliva turniketového typu pro přívod paliva do pyrolýzní komory (7).
5. 5. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, podle nároků laž4, vyznačující se tím, že na jeho horní části je uspořádán gravitační ventil (16) k bezpečnostnímu vývodu surového plynu při výpadku elektromechanických pojistných ventilů.
6. 6. Generátor plynu na zplyňování biopaliva, podle nároků laž4, vyznačující se tím, že obsahuje systém (20) zavěšení pomocí konzol v horní studené části vnějšího pláště (1) generátoru, na stojkách obvodově uspořádaných kolem generátoru.