CZ297852B6

CZ297852B6 - Zpusob a zarízení pro konverzi vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplynováním a vitrifikací

Info

Publication number: CZ297852B6
Application number: CZ20040390A
Authority: CZ
Inventors: T. Do@Robert; L. Leatherman@Gary
Original assignee: Solena Group. Inc.
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2007-04-18
Also published as: EP1419220B1; CZ2004390A3; DE60115109D1; CA2465905A1; ES2253415T3; EP1419220A1; ATE310067T1; WO2003018721A1; PL368039A1; WO2003018721A8; MY131819A; DE60115109T2; DK1419220T3; PL195032B1; CA2465905C

Abstract

Zarízení obsahuje reaktor (10), který má horní sekci (16) a spodní sekci obsahující cást (18) spojenou komolým kuzelovým prechodem s cástí (19) a uzpusobenou pro prijetí uhlíkového katalyzátorového loze (60), pricemz horní sekce (16) má alespon jeden výfukový otvor (30) pro plyn a alespon dva protilehlé vstupní otvory (32, 34) pro vstup vstupního materiálu a je usporádána pro prijetí vstupního materiálu z nekolika míst vzhledem ke spodní sekci, vstupní systém (38, 40) pro vstup plynu, umístený kolem spodní sekce k zajistení prístupu plynu do spodní sekce jedním nebo více vstupními otvory (39,41) ve spodní sekci, a plasmové obloukové horáky (42) upevnené ve spodní sekci a pod uhlíkovým katalyzátorovým lozem (60) pro ohrívání uhlíkového katalyzátorového loze (60) a vstupního materiálu. Dále je popsán zpusob konverze vstupního materiálu v tomto zarízení a zpusob výroby elektrické energie.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu a zařízení pro konverzi vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací. Zejména se vynález týká ekologicky akceptovatelné výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů z paliva jako je odpad, včetně komunálního pevného odpadu (MSW), průmyslového odpadu (včetně odpadu vznikajícího při zpracování uhlí jako je čištění uhlí), nebezpečného odpadu nebo biomasy, pomocí zplyňování a pyrolýzy s využitím technologie ohřevu plasmovým obloukem, a zařízení k provádění způsobu.

Dosavadní stav techniky

Při stále vzrůstající světové industrializaci a narůstání počtu obyvatel v celosvětovém měřítku roste jak poptávka po elektřině, tak i produkce odpadů.

Elektrická energie se dnes typicky vyrábí v elektrárnách, které k výrobě elektřiny spalují pevná paliva jako je uhlí, přírodní plyn nebo těžká nafta. Tyto elektrárny však rovněž významně znečišťují ovzduší. Atomové elektrárny vyrábějí elektřinu čistěji, celosvětově se však od nich ustupuje vzhledem k obecným obavám z rizik a radioaktivní povaze odpadu, který produkují. Vzhledem ke vzrůstajícím nákladům a zmenšujícím se dodávkám pevných paliv si mnoho zemí uvědomuje důležitost výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů s využitím větru, sluneční energie, vodní energie a odpadu/biomasy a tuto výrobu podporují.

Odpad (včetně MSW, průmyslového odpadu, toxického odpadu, uhelného popelu a prachu) se v současné době ukládá na skládky odpadů nebo se spaluje ve společných spalovnách, čímž se tvoří znečišťující látky včetně karcinogenních materiálů jako jsou polotěkavé organické sloučeniny (SVOCs) - dioxiny, furany atd. - které jsou produkty nízkoteplotního spalování.

Skládky se zaplňují a dostupnost nových lokalit pro skládky v blízkosti hustě obydlených oblastí je celosvětově omezená. Kromě toho pokračující znečišťování pozemních vod nebezpečnými výluhy a rovněž zdravotní rizika způsobená zápachy, hlodavci a výpary činí skládky nežádoucími. Tyto a další problémy vedly ke vzniku tzv. NIMBY syndrom („not in my backyard“ volně přeloženo „ne za mým domem“) u většiny obyvatelstva. Z těchto důvodů Evropská unie vyvíjí tlak na uzavření skládek do roku 2002 a zajištění, že existující skládky splňují nové a přísnější standardy týkající se výluhů a znečištění, což značně zvyšuje náklady na skládky.

Spalovny byly mnohými státy rovněž uzavřeny nebo opuštěny z důvodu nebezpečných emisí a produkce popelu. Výsledkem nízkoteplotního spalování, k němuž v těchto spalovnách dochází, nejsou uhlovodíkové řetězce zcela odloučeny a uvolňují se do ovzduší jako SVOCs, které jsou známými karcinogeny a dostávají se k člověku potravinovým řetězcem, například jako dioxiny obsažené v trávě, konzumované s travou dobytkem a poté obsažené v mléce prodávaném lidem. Vázané uhlíky v odpadu jsou také netknuty nízkoteplotním spalovacím procesem a končí v přízemním popelu nebo v polétavém popílku. Tento popel tvoří téměř 25 % odpadu aje považován za nebezpečný vzhledem ke své vyluhovatelnosti, jakmile je jednou umístěn na skládku. Mnoho zemí nyní zakazuje přímé ukládání popelu na skládku.

Existuje tu tak jednak potřeba zdroje snadno obnovitelné elektrické energie a dále zařízení a způsobu pro zpracování různých druhů odpadu, které by řešily shora uvedené problémy. Tato potřeba byla částečně naplněna zařízením a způsobem popsanými a nárokovanými v patentech US 5 544 597 a US 5 634 414 udělených Camacho a nyní převedených na společnost Globál

-1 CZ 297852 B6

Plasma Systems Group, lne. („Camacho patenty“). Camacho patenty popisují systém, v němž je odpad stlačován, aby se odstranily vzduch a voda, a dodáván v postupných množstvích do reaktoru s topeništěm. Jako zdroj tepla pro pyrolýzu organických složek odpadu se pak použije plasmový hořák, zatímco anorganické složky odpadu se odstraní jako zeskelněná škvára.

Zůstává tu však několik nevýhod nebo problémů, které zařízení a způsob popsané a nárokované v Camacho patentech neřeší. Za prvé, zavádění odpadu do reaktoru z jediného směru může vést k nerovnoměrnému nahromadění materiálu na jedné straně reaktoru, což vede k vytváření kanálů a vzniku vážek. Vytváření kanálů znamená nerovnoměrné rozvádění proudu plynu nahoru skrze lože odpadu, které zase vede k nerovnoměrnému ohřevu odpadového lože. To vytváří kapsy nezplyňovaného odpadu, který snižuje celkovou účinnost procesu. Vytváření vážek znamená spojování částí odpadového lože do pevných celků, které blokují nahoru směřující proud plynu a dolů směřující proud odpadu v té části reaktoru. Toto rovněž snižuje účinnost procesu a může zvyšovat rozpadávání vyzdívky reaktoru z žáruvzdorného materiálu. Za druhé, dno reaktoru nerozvádí vždy teplo rovnoměrně skrz lože odpadu zavedeného do reaktoru. Za třetí, jediný plasmový hořák použitý v Camacho patentech někdy nepostačuje k zajištění dostatečného ohřevu. Za čtvrté, bylo by žádoucí zvýšit počet plynových vstupních ventilů a vylepšit jejich umístění, aby se požadované plyny přiváděly k reakci účinněji. A konečně, zařízení použité v Camacho patentech pro stlačování odpadu vyžaduje, aby byl odpad nejdříve oddělen od jeho kontejneru, což snižuje účinnost a zvyšuje náklady.

Celkovým cílem vynálezu je proto navrhnout zdokonalení výše popsaného zařízení a způsobu pyrolýzy, zplyňování a vitrifíkace organických materiálů jako je odpad.

Dalším cílem vynálezu je navrhnout zdokonalený systém přívodu materiálu, aby se dále zvýšila výkonnost způsobu a také flexibilita systému, zvýšila jednoduchost použití systému manipulace s materiálem, a umožnilo, aby reaktor mohl přijímat rozmanitý a proměnlivý proud materiálu.

Dalším cílem vynálezu je navrhnout zdokonalené provedení zařízení, umožňující zvýšení úrovně řízení zplyňování materiálu v rámci procesu, umožňující vznik zplyňovacího procesu v rektoru, zajišťující optimální výkon, zajišťující úplný rozpad všech uhlovodíkových řetězců přivedených do systému, snižující opotřebení a trhliny v ohnivzdorné hmotě a snižující spotřebu obloukového proudu a optimalizující energetický výkon celého procesu.

Dalším cílem vynálezu je navržení zdokonaleného způsobu využití horkého výstupního plynu a jeho lepší přípravy na splnění požadavků plynové turbíny před jeho přivedením do integrovaného kombinovaného cyklového systému plynové turbíny.

Cílem vynálezu je také navrhnout proces plasmové pyrolýzy, zplyňování a vitrifíkace (PPGV) smíšených zdrojů odpadu jako bezpečný a účinný způsob výroby palivového plynu pro přivádění do kombinované cyklové plynové turbíny za účelem výroby obnovitelné elektrické energie.

Konečně, cílem vynálezu je popsat využití procesu PPGV pro organický materiál k výrobě plynu H₂ jako zdroje paliva pro systém palivových článků.

Další cíle a výhody budou patrné z následujícího popisu a připojených patentových nároků.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu splňuje zařízení pro konverzi vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje:

-2CZ 297852 B6 reaktor obecně nálevkového tvaru, který má horní sekci a spodní sekci, kde spodní sekce obsahuje první, širší část spojenou komolým kuželovým přechodem s druhou, užší částí, aje uzpůsobená pro přijetí uhlíkového katalyzátorového lože, přičemž horní sekce má alespoň jeden výfukový otvor pro plyn a alespoň dva protilehlé vstupní otvory pro vstup vstupního materiálu aje uspořádána pro přijetí vstupního materiálu z několika míst vzhledem ke spodní sekci, vstupní systém pro vstup plynu, umístěný kolem spodní sekce k zajištění přístupu plynu do spodní sekce jedním nebo více vstupními otvory ve spodní sekci, a plasmové obloukové hořáky upevněné ve spodní sekci a pod uhlíkovým katalyzátorovým ložem pro ohřívání uhlíkového katalyzátorového lože a vstupního materiálu.

Podle jednoho z výhodných provedení zařízení obsahuje přívodní systém vstupního materiálu pro zajištění přívodu vstupního materiálu do reaktoru vstupními otvory, přičemž přívodní systém obsahuje sběrnou nádrž k přijímání vstupního materiálu, drticí a zhutňovací jednotku uspořádanou pro přijímání vstupního materiálu ze sběrné nádrže a k drcení a zhutňování vstupního materiálu, a transferovou jednotku k dodávání drceného a zhutněného vstupního materiálu do reaktoru v kyslíku zbaveném prostředí.

Podle dalšího z výhodných provedení zařízení obsahuje uhlíkové katalyzátorové lože. Uhlíkové katalyzátorové lože je s výhodou přibližně 1 metr vysoké.

Podle dalšího z výhodných provedení zařízení obsahuje senzory umístěné po celém reaktoru pro snímání jednoho nebo více následujících parametrů: výška uhlíkového katalyzátorového lože, výška materiálového lože vstupního materiálu, teplota reaktoru, rychlost toku plynu v reaktoru a teplota plynu odcházejícího z reaktoru výfukovým otvorem.

Spodní sekce má s výhodou na svém dnu jednu nebo více výpustí.

Zařízení na výrobu elektrické energie podle vynálezu obsahuje shora uvedené zařízení pro konverzi vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací, a dále obsahuje:

zhášedlo nebo tepelný výměník, spojený s výfukovým otvorem pro odstraňování vlastního tepla z plynu odváděného z výfukového otvoru, pračku plynu, spojenou s výstupem ze zhášedla nebo tepelného výměníku, kompresor, spojený s výstupem z pračky plynu pro stlačování plynu, a plynovou turbínu, spojenou s výstupem z kompresoru, pro výrobu elektřiny ze stlačeného plynu.

Cíle vynálezu splňuje rovněž způsob konverze vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzu, zplyňováním a vitrifikací ve shora uvedeném zařízení podle vynálezu, kde podstata způsobu spočívá v tom, že se ve spodní sekci reaktoru vytvoří uhlíkové katalyzátorové lože, zajistí se přívod jednoho nebo více po sobě následujících množství vstupního materiálu z několika míst do horní sekce reaktoru z alespoň dvou protilehlých vstupních otvorů, přičemž horní sekce má alespoň jeden výfukový otvor pro vypouštění plynu, spojený s ventilátorem, a vstupní materiál vytváří materiálové lože na vrchu uhlíkového katalyzátorového lože se ohřejí pomocí několika plasmových obloukových hořáků umístěných ve spodní sekci pod uhlíkovým katalyzátorovým ložem, a do spodní sekce se zavede předem stanovené množství kyslíku nebo kyslíkem obohaceného vzduchu.

-3 CZ 297852 B6

Způsob výroby elektrické energie z odpadu podle vynálezu obsahuje výše uvedený způsob konverze vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací, a navíc se při něm provádí:

ochlazování plynu vypuštěného z výfukového otvoru, mokré čištění plynu, stlačení vyčištěného plynu, a dodání stlačeného plynu k pohánění plynové turbíny k výrobě elektrické energie nebo palivového článku.

Další varianta způsobu výroby elektrické energie z odpadu podle vynálezu obsahuje shora uvedený způsob konverze vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací, a navíc se při něm provádí:

ochlazování plynu vypuštěného z výfukového otvoru, mokré čištění plynu, stlačení vyčištěného plynu, napájení palivového článku s využitím vodíkové složky, a dodání zbytku stlačeného plynu po oddělení vodíkové složky k pohánění plynové turbíny k výrobě elektrické energie.

Při provádění způsobu výroby elektrické energie z odpadu se s výhodou použije jako ventilátor sací ventilátor.

Podle vynálezu se smíšené zdroje odpadu nebo jiného uhlíkového materiálu (jako je uhelný prach), včetně MSW, průmyslových a nebezpečných odpadů, biomasy, ať už v pevné nebo tekuté formě, a/nebo jejich směsi, kombinují a přivádí do přívodního systému materiálu, který smíchává, drtí a stlačuje materiál, včetně jeho zásobníků, do hustého kompaktního bloku materiálu. Tento blok materiálu se plynule tlačí do plasmového reaktoru z několika směrů, například dvěma protilehlými přiváděcími skluzy. Přivádění materiálu je nastaveno na předem stanovenou rychlost na základě složení materiálu, výšky materiálového lože a požadavků na výstupní plyn. Přívodní systém materiálu slouží k homogenizaci přívodního materiálu a jeho zásobníků do bloků o konstantní velikosti a složení za současného odstranění nadbytečného vzduchu a vody.

Bloky stlačeného a rozdrceného materiálu se kontinuálně přivádí na vrchní stranu lože spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru kontinuálně ohřívaného horkým dmýchaným vzduchem generovaným a ohřívaným několika plasmovými hořáky uspořádanými ve stejných vzdálenostech kolem dna reaktoru.

Materiálový blok tvoří lože na vrchu horkého lože spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru, čímž se vytváří vzájemný protiproud dolů směřujícího pohybu chladnějšího materiálu a nahoru směřujícího pohybu horkých plynů a uhlíkových částic ze dna reaktoru.

Organické uhlovodíky v přívodním materiálu se zplyňují a pyrolyzují do požadovaného předem stanoveného složení výstupního vysokopecního plynu, toku, teploty, tepelného obsahu a objemu, zatímco anorganické a neuhlíkové součásti v přívodním materiálu, jako jsou kovy a popel, se taví stoupajícími horkými plyny a stékají dolů jako roztavená tekutina skrz lože uhlíkového katalyzátoru do tavné tekuté (struskové) lázně na dně reaktoru, odkud se kontinuálně vypouští ven z reaktoru a ochlazují na inertní vitrifíkovanou strusku.

V místech podél hřídele reaktoru se do reaktoru přivádí vstupy v řízených množstvích vzduch, kyslík a/nebo kyslíkem obohacený vzduch, aby se zajistilo, že v reaktoru proběhne řádná zplyňovací/pyrolytická reakce pro generování požadovaného výstupního vysokopecního plynu.

-4CZ 297852 B6

Rovněž se přivádějí řízenou rychlostí spotřebovatelný uhlíkový katalyzátor a přívodní materiál, aby se zajistilo, že v reaktoru proběhne řádná zplyňovací/pyrolytická reakce a aby se udržela požadovaná výška materiálového lože a uhlíkového katalyzátorového lože. V řízených množstvích se přívodními skluzy přivádí do reaktoru také vápno a silikátová přísada, aby se řídil vitrifikační proces.

Žádoucí výstupní vysokopecní plyn sestávající v zásadě z CO a H₂ se ochlazuje pomocí chladicího systému a čistí, aby se odstranily všechny kyselé plyny jako je H₂S, HC1 a všechny další nečistoty, které v něm mohou být přítomny. Čistý a ochlazený výstupní plyn se pak stlačí vysokým tlakem do plynové turbíny k výrobě elektřiny. Horký vzduch z turbíny lze využít k výrobě páry, která se může přivádět do parní turbíny k výrobě další elektřiny.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude nyní podrobněji popsán s odkazem na připojené výkresy, na nichž zobrazuje obr. 1 perspektivní pohled na reaktor použitý u provedení vynálezu, obr. 2 pohled v řezu na reaktor z obr. 1, ukázaný ve schematickém spojení s přívodním systémem materiálu, obr. 3 detailní pohled na spodní část reaktoru z obr. 2 s ložem spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru a ložem odpadu, obr. 4 schematické znázornění procesu výroby energie podle provedení vynálezu, a obr. 5 schematické znázornění procesu výroby energie podle druhého provedení vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Nyní bude podrobně pojednáno o vynálezu. Pro zjednodušení se v tomto popisu jako materiál, který má být zpracován zařízením a procesem, uvádí odpad, protože použití tohoto materiálu přináší prospěch jak z hlediska výroby energie, tak i z hlediska likvidace odpadu způsobem vhodným z pohledu ochrany životního prostředí. Zařízení a proces však mohou pracovat s libovolným organickým materiálem.

Reaktor

Typický reaktor použitý v tomto zařízení a způsobu může být navržen pro zpracování 5 až 20 tun smíšených zdrojů odpadu za hodinu, mohou se však použít reaktory větší nebo menší; přesný výkon bude záviset na složení vstupního materiálu a požadovaného celkového výkonu výrobní elektrárny.

Reaktor 10, zobrazený na obr. 1 a 2, je konstruován přednostně z ušlechtilé oceli. V závislosti na požadavcích na jeho provedení může být celá nádoba reaktoru vodou chlazená. Alternativně lze chlazení vodou použít pouze pro horní dvě třetiny reaktoru, zatímco spodní třetina reaktoru je chlazená vzduchem. Reaktor má ohnivzdornou vyzdívku 12 na celém svém vnitřním plášti. Typicky mají horní dvě třetiny reaktoru vyzdívku ze tří vrstev ohnivzdorného materiálu, kde každá vrstva má tloušťku 0,102 m až 0,152 m (4 až 6 palců). Spodní třetina reaktoru, která nemusí být chlazená vodou, má typicky vyzdívku o 5 vrstvách žárovzdomých cihel s celkovou tloušťkou od 0,508 m do 0,762 m (20 do 30 palců). V závislosti na aplikaci lze použít i jiné ohnivzdorné uspořádání. Obě části využívají typické komerční ohnivzdorné výrobky, které jsou v reaktorovém průmyslu známé.

Reaktor 10 má trychtýřový tvar a je rozdělen do tří částí. O horní třetině reaktoru se hovoří jako o pyrolytické/termální štěpící horní sekci 16. Plyn vystupuje z reaktoru typicky jediným výfukovým otvorem 30 ve středu vršku horní sekce 16. Alternativně může být kolem vršku horní sekce 16 vytvořeno několik výfukových otvorů pro výstupní plyn. Horní sekce 16 také obsahuje dva protilehlé vstupní otvory 32 a 34 pro vstupní odpad, může jich však mít i více.

-5CZ 297852 B6

Střední část 18 reaktoru je definována boční stěnou 20, která má menší obvod než je obvod horní sekce 16 a je obklopena dvěma nebo více vzduchovými válci nebo větrnými bubny 38 a 40. Každý větrný buben 38, 40 obsahuje vzduch a/nebo kyslíkem obohacený vzduch (předem určený podle složení odpadu), který se přivádí do reaktoru rovnoměrně rozmístěnými trubicemi nebo vstupními otvory 39 a 41, umístěnými kolem reaktoru. Počet vstupních otvorů 39, 40 se typicky pohybuje od šesti do deseti v závislosti na velikosti reaktoru a výkonu systému, lze však použít větší nebo menší počet. O střední části 18 se hovoří rovněž jako o zplyňovací zóně.

Spodní třetina reaktoru je vitrifikační zóna 19, která je definována boční stěnou 22, jejíž obvod je menší než obvod části 18. Boční stěny 20 a 22 jsou spojeny kónickou částí 24. V části 19 je umístěno 2 až 6 trubicových připojení nebo vstupů 37 umístěných ve stejných vzdálenostech kolem obvodu reaktoru. V každém trubicovém připojení, které je typicky vyrobeno z vodou chlazené mědi, je namontován nepřenesený plasmový obloukový hořák 42, od něhož je teplo přiváděno do části 19 vstupy 37. Plyn pro plasmové obloukové hořáky 42 je dodáván větrným bubnem 36. Ve vitrifikační zóně je také umístěna jedna nebo více výpustí 44, jimž je kontinuálně vypouštěna roztavená strusková tekutina do pohyblivé granulační vodní lázně (není zobrazena), kde se ochlazuje a vitrifikuje na inertní struskový materiál vhodný pro další použití jako konstrukční materiál. (Konstrukčními materiály, pro něž lze tuto strusku využít, jsou například obkládačky, střešní granule, cihly). Tato spodní část (zhruba spodní třetina) reaktoru, která obsahuje roztavenou strusku, může být při určitém uspořádání připojena k reaktoru pomocí přírubového fitinku, aby se umožnilo rychlé nahrazení této části v případě výměny ohnivzdorné hmoty nebo oprav.

Jak popisují Camacho patenty, každý plasmový obloukový hořák 42 je obecně napájen elektrickou energií, dále je přívodními vedeními z vhodných zdrojů (nejsou zobrazeny) zásobován chladicí deionizovanou vodou a plasmovým plynem. Počet hořáků, jmenovitý výkon každého hořáku, kapacita přívodního systému odpadu, množství uhlíkového katalyzátoru, množství tavidla, velikost reaktoru, velikost a kapacita čisticího systému syntézního plynu a velikost systému plynové turbíny s kombinovaným cyklem jsou všechno proměnné, které je třeba stanovit podle typu a objemu odpadu, který má být systémem zpracován.

Reaktor obsahuje po celém hřídeli, přednostně s mezerami 0,914 m (tří stop) nebo menšími, senzory (nejsou zobrazeny) pro detekci tlaku a teploty uvnitř reaktoru, a také plynové vzorkové kanálky a vhodné zařízení pro analýzu plynu v důležitých místech v reaktoru, aby bylo možno monitorovat proces zplyňování. Použití těchto senzorů a zařízení pro analýzu plynuje v technice dobře známo.

Přívodní systém odpadu

V Camacho patentech byl navržen a popsán zhutňovací přívodní systém odpadu, pracující pomocí hydraulických válců, aby se redukoval objem odpadu a odstranily vzduch a voda z odpadu před jeho přivedením do vršku reaktoru.

Aby bylo možno zpracování odpadu z mnoha zdrojů a ze smíšených zdrojů jako je RDF (palivo z odpadů), volný MSW, průmyslový odpad, a toxický odpad uložený v kontejnerech jako jsou ocelové nebo plastové sudy, vaky nebo plechovky, využívá se robustnější přívodní systém než u Camacho patentů. Odpad je možno přijímat v jeho původní podobě a dodávat přímo do přívodního systému bez jeho třídění a odstraňování jeho kontejnerů. Drtiče odpadu a zhutňovače vhodné ke jejich účelu jsou odborníkům v oboru známé. Tento krok eliminuje potřebu přímého kontaktu personálu s odpadem, čímž přispívá k bezpečnosti a ochraně veřejného zdraví. Z přívodu odpadu lze podle potřeby brát vzorky k určení jeho složení před jeho zpracováním.

Veškerý odpadový materiál, včetně kontejnerů, v nichž je někdy umístěn, je drcen, rozmělněn, smíchán, zhutněn a zatlačen do reaktoru jako kontinuální blok odpadu přívodním systémem 50, který je reprezentativně zobrazen na obr. 2 a obsahuje sběrnou nádrž 52, drticí a zhutňovací

-6CZ 297852 B6 jednotku 54 a transferovou jednotku 56. Drticí a zhutňovací jednotka 54 rozdrtí odpad na předem stanovenou velikost k zajištění optimálního výkonu reaktoru. Přiváděči rychlost je také předem nastavena k zajištění optimálního výkonu reaktoru.

Bloky 58 odpadu se přivádějí do reaktoru kontinuálně z několika míst v horní sekci 16 reaktoru při zajištění rovnoměrné distribuce v reaktoru až do dosažení specifické výšky odpadového lože nad ložem spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru. Dva bloky 58 odpadu mohou být přiváděny současně do vstupních skluzů umístěných na průměrově protilehlých stranách reaktoru JO. Lze použít i více než dva skluzy k umožnění přijímání dalších bloků. Alternativně je možno pracovat pouze s jediným skluzem, když je vršek reaktoru uzpůsoben k otáčení k přijímání bloků z několika směrů vzhledem ke dnu reaktoru. Vhodné je jakékoliv takové uspořádání, pokud zabraňuje nerovnoměrnému ukládání odpadu v kterémkoli místě v části 18 reaktoru.

Tlakové senzory a teplotní senzory podél hřídele reaktoru se použijí k měření výšky lože a k řízení rychlosti přivádění odpadu. Jako záložní prostředek lze v určitých místech vytvořit průhledy, umožňující ověřovat situaci uvnitř reaktoru. Veškeré informace ze senzorů se přivádí do digitálního řídicího systému (DCS), který koordinuje činnost celého provozu elektrárny. Jak je konstruováno v Camacho patentech, jsou koordinace a monitorování přiváděcího systému pomocí využití senzorů a DCS jakožto součástí řízení procesu reaktoru normálními opatřeními zřejmými odborníkům v oboru.

Pro jiné materiály je možné použít alternativní uspořádání přívodního systému. Například jemný prach nebo tekutý odpad mohou být přímo vstřikovány do reaktoru. Pro jemné pevné částice jako je uhelný prach lze použít plynový transport. Pro kapaliny lze použít standardní čerpadla. Tyto systémy jsou odborníkům dobře známy.

Činnost PPGV reaktoru

Jak ukazuje obr. 2, rozdrcený a zhutněný odpadový materiál v bloku 58 se přivádí přívodním systémem kontinuálně do reaktoru 10. Pro zjednodušení ukazuje obr. 2 jediný přívodní systém 50 materiálu, zásobující jeden ze vstupních otvorů 32. Pro přivádění odpadu do obou zobrazených přívodních otvorů lze použít druhý přívodní systém 50 nebo výstup pro odpad z přívodního 50 může být rozdělen do dvou drah k zásobování obou vstupních otvorů. Kontinuální přivádění z obou stran reaktoru 10 zajišťuje rovnoměrnou distribuci přívodu odpadu napříč průřezem reaktoru 10. Rovnoměrnost přívodu odpadu, který vytváří odpadové lože 70, zobrazené na obr. 3, zajišťuje rovnoměrný, nahoru směřující tok horkého plynu z plasmového tepla. Na uhlíku založené uhlíkové katalyzátorové lože 60 je směrem ke dnu plasmového reaktoru 10 rovnoměrně rozložené napříč průřezem reaktoru JO. Teplo a horký plyn jsou distribuovány rovnoměrně směrem nahoru, přičemž ohřívají a vysušují dolů proudící odpadové lože a umožňují, aby účinně proběhly procesy pyrolýzy a zplyňování. Rovnoměrný rozvod tepla nahoru a přítomnost uhlíkového katalyzátorového lože rovněž zabraňuje vzniku kanálového efektu u rozvodu tepla, což zase zabraňuje vytváření vážek v přívodu odpadu, což je typický problém, s nímž se setkáváme u jiných tepelných procesů zpracování odpadu.

Trychtýřový tvar reaktoru 10 a stoupající rychlost přívodu plynu (z hořáků a jiných vstupů plynu) jsou navrženy tak, aby vznikala minimální nadbytečná rychlost stoupajících horkých plynů. Tato malá nadbytečná rychlost dovoluje, aby vstupující přívod odpadu kompletně klesl do odpadového lože a nebyl puzen nahoru do vystupujícího plynu jako nezpracovaný odpad nebo částicový přenos. Kromě toho slouží horní sekce 16 reaktoru 10 k tomu, aby bylo zajištěno, že veškeiý uhlovodíkový materiál bude vystaven vysoké teplotě s dobou působení překračující 2 až 3 sekundy předtím, než vystoupí z reaktoru JO. Horní sekce 16 dokončuje tepelný štěpící proces a zajišťuje úplné zplyňování a konverzi vyšších uhlovodíků na CO a H₂.

Jak kontinuálně postupuje studený blok 58 odpadu do plasmového reaktoru 10 a vytváří lože 70 odpadu na vršku předtím ohřátého lože spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru na dně reakto

-7CZ 297852 B6 ru 10, klesající studený odpad a stoupající ohřátý plyn od spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru vytváří vzájemný protiproud, který umožňuje úplné zplyňování/pyrolýzu uhlíkového materiálu rovnoměrně napříč reaktorem 10.

Uhlíkové katalyzátorové lože 60 spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru aplikované a použité v tomto procesu není nepodobné loži používanému v typických metalurgických vysokých pecích a jeho zahrnutí do zplyňovacího procesu slouží pro alespoň následujících několik funkcí: (1) iniciuje zplyňovací reakci tím, že zajišťuje klíčovou komponentu výstupního plynu, tj. CO (oxid uhelnatý), přispívající k výhřevnosti výstupního vysokopecního plynu, (2) umožňuje distribuci plasmou generovaného tepla rovnoměrně napříč plasmovým reaktorem a tak zabraňuje nadbytečnému opotřebení a rozpadávání ohnivzdorného materiálu, s nímž se normálně setkáváme, když se používají intenzivní ohniskové tepelné zdroje jako jsou plasmové hořáky, (3) zajišťuje porézní, ale pevný podpěrný základ na dně reaktoru, na němž je možno ukládat odpad, (4) umožňuje, aby se horké plyny pohybovaly spolu s uhlíkovými částicemi směrem nahoru rovnoměrně do a skrz odpadové lože, přičemž je zároveň umožněno, aby se anorganický materiál v odpadu jako je kov nebo popel tavil a proudil směrem dolů do tavné lázně na dně reaktoru, a (5) zajišťuje vrstvu ochrany uvnitř nejvnitřnější vrstvy ohnivzdorného materiálu a tím snižuje tepelnou ztrátu v reaktoru a současně prodlužuje životnost ohnivzdorného materiálu.

Uhlíkové katalyzátorové lože 60 je konstantně spotřebováváno nižší rychlostí než odpadové lože 70 vzhledem k větší hustotě vázaných uhlíkových atomů uhlíkového katalyzátorového lože 60, vyšší tavící teplotě a tvrdším fyzikálním vlastnostem. Výška spotřebovatelného uhlíkového katalyzátorového lože 60, podobně jako odpadového lože 70, je stále monitorována pomocí teplotních a tlakových senzorů umístěných po obvodě kolem reaktoru JO a v různých výškách podél hřídele. Při spotřebovávání odpadového lože 70 a uhlíkového katalyzátorového lože 60 během procesu senzory detekují teplotní a tlakový gradient napříč reaktorem 10 a automaticky spouští přívodní systém pro zvýšení nebo snížení výšky lože v ustáleném stavu činnosti.

Vzájemná interakce uhlíkového katalyzátorového lože a roztaveného materiálu je velmi dobře známým jevem. V případě roztaveného kovu tekoucího přes horký koks, jako je tomu v případech tavících částí kuplových pecí, roztavený kov neulpí na horkém loži, ale teče přes něj. Stejný jev je možno pozorovat během tavení nekovového materiálu, tj. vitrifikaci strusky. Na rozdíl od tavení kovů strusková vitrifikace nezahrnuje rozpad uhlíku, protože rozpustnost uhlíku z koksu do roztavené strusky je zanedbatelná.

Jak popisují Camacho patenty je uhlovodíková část odpadu pyrolyzována/zplyňována v částečně redukční atmosféře reaktoru v prostředí zbaveném vzduchu/O₂ (vzhledem k úplné oxidaci uhlíku na CO₂). Proto zde nedochází k žádnému spalovacímu procesu v reaktoru, při němž by se produkovaly znečišťující látky, které lze normálně očekávat u spaloven, jako jsou polotěkavé organické sloučeniny SVOCs, dioxiny, a furany, které jsou zásadně částečně spalitelnými materiály. V Camacho patentech bylo popsáno, že uhlovodíkový materiál prochází následující chemickou reakcí:

C_xH_y+H₂O=CO+CO₂+H₂ (1), kde C_xH_y představuje libovolný uhlovodík a H₂O komponenta indikuje recyklovanou páru.

Přestože proces „parního zplyňování“ jak je popsán v uvedeném vzorci (1) je i nadále hlavní chemickou reakcí v průběhu plasmového pyrolyzačního/zplyňovacího vitrifíkačního procesu, nedávné pracovní zkušenosti ukázaly, že energie spotřebovaná při této endotermické reakci je nežádoucím způsobem vysoká. Protože je konečným cílem procesu PPGV produkovat z odpadového materiálu síťovou elektrickou energii, byly provedeny určitá zdokonalení a modifikace s cílem optimalizovat chemickou reakci uvnitř reaktoru, aby se snížila spotřeba energie pro plasmový hořák a tím zvýšila produkce síťové energie. Za tímto účelem se do reakce přidává vstupní-8CZ 297852 B6 mi otvory 39 a 41, umístěnými v části 18 reaktoru 10, řízené množství vzduchu, O₂ a/nebo obohaceného vzduchu k podpoření následujících reakcí:

C_xH_y+O₂=2CO+H₂

2C+O₂=2CO (2) (3)

C+H₂O=CO+H₂ (4).

Reakce 2 a 3 jsou exotermické, zatímco povaha reakcí 1 a 4 je endotermická, což umožňuje, aby inherentní energie odpadu pomocí této řízené oxidační reakce zvýšila výhřevnost výstupního vysokopecního plynu vytvářením více CO a H₂, a snížit spotřebu energie plasmového hořáku pro reakce (1) a (4) tj. rozrušení H₂O vazby s kumulativním výsledným zvýšením produkce síťové energie.

V reaktoru se složkou H₂O, normálně obsaženou v odpadovém loži, bude dále docházet k reakci podle vzorce (1). Vazba H₂O se přirozeně rozruší v důsledku působení horkého plynu stoupajícího skrz odpadové lože na 2H a O, čímž se tyto budou spojovat s molekulou volného C z odpadu a spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru za vytvoření vysoce stabilního (a žádoucího) CO aH₂.

Řízený vstup O₂-obohaceného vzduchu přivádí dostatečné množství O₂ do reaktoru, aby došlo ke shora uvedeným oxidačním reakcím (2) a (3), ne však množství O₂ dostatečné k vytvoření úplné spalovací reakce

C_xH_y+O₂=CO₂+H₂O (5), k níž dochází při mnohem nižší teplotě spalovacího procesu.

Řízené přivádění kyslíkem obohaceného vzduchu do plasmového reaktoru za účelem vyvolání řízené částečné oxidační reakce zplyňování bude vytvářet výstupní vysokopecní plyn s vyšším tepelným obsahem při zmenšení požadavku na specifickou energii, tj. energii spotřebovanou plasmovými hořáky na zplyňování odpadu. To zase povede k vyšší výrobě síťové energie ze zplyňování organického odpadu. To je v kontrastu s poznatky obsaženými v Camacho patentech, podle nichž větší množství kyslík obsahující plasmy nepřináší proporcionální zvýšení účinnosti systému u vztahu vstupní energie-ohřev. Při teplotách v reaktoru za přítomnosti vázaného uhlíku z katalyzátorového lože se následující reakce (6) zcela přesune nalevo a CO se stane dominantním přítomným typem oxidu uhlíku:

CO+1/2O₂=CO₂ (6).

Řízený proces zplyňování s přiváděným kyslíkem, vzduchem a inherentní vlhkostí odpadu může produkovat výstupní vysokopecní plyn s minimálním HHV 3600Kg/Kg (směs plynu obsahující alespoň 40 až 45 % H₂ a 40 až 45 % CO). (Zbývající složky plynu jsou typicky CO₂, CH₄, N₂a stopy kyselých plynů, v závislosti na složení přiváděných výchozích produktů).

Jak bylo již zmíněno, hlavní část výstupu z procesu podle tohoto vynálezu je ve formě plynu, zbytek je roztavený anorganický materiál, který ochlazuje vitrifikovanou inertní strusku.

Odpadové lože 70 se kontinuálně spotřebovává stoupajícími horkými plyny z lože uhlíkového katalyzátorového lože 60 a kontinuálně doplňuje přívodním systémem 50, aby se udržela výška lože. (Je-li potřeba doplnit uhlíkový katalyzátor, jeho přívod se také periodicky zajišťuje pomocí přívodních skluzů). Tato sekvence vede k teplotnímu gradientu od až 4000 až 5000 °C na dnu reaktoru k přibližně 1200 °C ve výstupu výstupního plynu. Tímto způsobem ustavený systém stoupajícího protiproudu slouží k vysušování vstupujícího odpadu a tím umožňuje, aby systém

-9CZ 297852 B6 zpracovával proud odpadu s obsahem vlhkosti až 90 %, aniž by to znamenalo proporcionální nárůst požadavků na spotřebu energie.

Reaktor pracuje při tlaku lehce pod atmosférickým tlakem a výstupní plyny jsou stále odváděny ven z reaktoru sacím ventilátorem 150 (ID ventilátor), umístěným mezi pračkou 140 plynu a kompresorem 160, jak ukazuje obr. 4. Jak již bylo uvedeno, podmínky reaktoru jsou ve své povaze redukční, převážně s pohlcováním nebo zbavováním kyslíku vhodným pro zplyňovací proces.

Nezávislými řídicími proměnnými jsou (1) rychlost přívodu odpadu, (2) výška lože spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru, (3) výkon hořáku, (4) proud plynu vzduch/O₂, a (5) vstup struskotvomé přísady (pro řízení procesu struskování).

Roztavená, anorganická lázeň na dně reaktoru 10 se kontinuálně vypouští ven z reaktoru výpustí 44 strusky do trychtýře s ohnivzdornou vyzdívkou spojeného s uzavřeným vodou plněným řetězovým dopravníkem (není zobrazen). Roztavená hmota se ochladí a ztuhne do podoby sklovitých granulí, které jsou přepravovány do mobilního zásobníku (také není zobrazen) řetězovým dopravníkem. Pára, která se vytváří při prudkém ochlazování strusky v dopravníku může být nasávána do plasmového reaktoru a spotřebována v průběhu reakce zplyňování páry. Alternativně se může struska odlít do velkých bloků, aby se maximálně redukoval objem.

K zajištění rovnoměrně stálého toku strusky a k zabránění ucpávání otvoru struskové výpustí 44 mohou být teplota strusky, reflektovaná v teplotě termočlánkového systému dna reaktoru, a také hustota strusky, nezávisle řízeny výkonem plasmového hořáku a množstvím struskotvomé přísady (CaO + silikát) dodané přiváděcími skluzy pomocí známých vztahů. Tok roztaveného materiálu je také podrobně monitorován průtokoměrem (není zobrazen) umístěným na dně reaktoru.

Všechny tyto monitorované parametry týkající se teploty, tlaku, složení plynu, a rychlostí toku plynu a roztaveného materiálu se přivádí jako vstupy do počítačového DCS systému, který je sám uzpůsoben pro procesní řízení nezávislých proměnných jako je výkon hořáku, tok vzduchu/plynu, přívodní rychlosti odpadu a katalyzátoru, atd.

V závislosti na předtím analyzovaném přívodu odpadu se předem určí specifické podmínky zplyňování a vitrifikace a parametry přednastavené DCS řídicím systémem. Dodatečné a optimalizační podmínky jsou generovány a nastaveny během spouštění provozu, když se do systému přivedou konkrétní odpadové materiály.

Provozní principy

Zde popsaný proces plasmové pyrolýzy-zplyňování-vitrifikace a zařízení k provádění procesu obecně fungují a pracují na základě několika hlavních principů.

Odchylky v přívodu odpadu nepříznivě ovlivňují výsledek procesu a vyžadují seřízení nezávislých řídicích proměnných. Například předpokládáme-li konstantní rychlost přívodu materiálu, vyšší obsah vlhkosti v přiváděném materiálu bude snižovat teplotu výstupního vysokopecního plynu; výkon plasmového hořáku se musí zvýšit, aby došlo ke zvýšení teploty výstupního vysokopecního plynu na stanovenou hodnotu. Rovněž nižší uhlovodíkový obsah odpadu povede ke snížení obsahu CO a H₂ výstupního plynu a tím k nižšímu HHV výstupního vysokopecního plynu; musí se zvýšit faktor obohacování vstupního plynu a/nebo výkon plasmového hořáku, aby se dosáhlo požadované hodnoty HHV. Kromě toho vyšší anorganický obsah odpadu povede ke zvýšení množství produkované strusky a tím ke zvýšenému toku strusky a nižší teplotě roztavené strusky; musí se zvýšit výkon hořáku, aby byl teplota strusky na své cílové hodnotě. Seřízením různých nezávislých proměnných se reaktor přizpůsobí odchylce vstupujícího přívodu materiálu při udržení požadovaných stanovených hodnot pro různé řídicí faktory.

-10CZ 297852 B6

Spouštění

Cílem definované spouštěcí procedury je vytvoření postupného ohřevu plasmového reaktoru, aby se ochránil a prodloužil život ohnivzdorného materiálu a zařízení reaktoru, a také příprava reaktoru na přijetí odpadového přívodního materiálu. Spouštění reaktoru je podobné spouštění kteréhokoliv komplexního vysokoteplotního zpracovávacího systému a odborníkům v tepelném zpracovávacím průmyslu by bylo zřejmé. Hlavní kroky jsou: (1) spuštění plynové turbíny na přírodní plyn k výrobě elektřiny, (2) spuštění systému čištění plynu, přičemž se nejdříve spustí indukovaný sací ventilátor, a (3) pomalý ohřev reaktoru s využitím minimální energie dostupné v plasmových hořácích (děje se tak především proto, aby se maximalizovala životnost ohnivzdorného materiálu tím, že se minimalizuje tepelný ráz). Pak se vytvoří uhlíkové katalyzátorové lože 60 přidáváním materiálu. Lože se bude na začátku tvořit na dně reaktoru 10, když se však původní katalyzátor, který je nejblíže hořákům, spotřebuje, vytvoří se konečně lože jako vrstva nad plasmovými hořáky u kónické části 24 nebo blízko kónické části 24 reaktoru, jak ukazuje obr. 3.

Pak se může dodat odpad nebo jiný přívodní materiál. Z bezpečnostních důvodů je přednostním režimem provozu omezit obsah vody v odpadu na méně než 5 %, dokud se nevytvoří vhodné odpadové lože 70. Výška jak uhlíkového katalyzátorového lože 60 tak odpadového lože 70 závisí na velikosti reaktoru 10, fyzikálně-chemických vlastnostech přívodního materiálu, na nastavených provozních hodnotách a na požadované rychlosti zpracování. Jak bylo však již uvedeno, přednostním provedením zůstává lože spotřebovatelného uhlíkového katalyzátoru nad úrovní vstupů plasmového hořáku.

Ustálený stav provozu

Dosáhnou-li jak odpadové lože 70, tak i uhlíkové katalyzátorové lože 60 požadované výšky, systém se považuje za připravený na ustálený provoz. V této době může operátor začít nakládat smíšený odpad z elektrárny do přívodního systému, který je nastaven na předem určenou výkonovou rychlost. Nezávislé proměnné jsou rovněž nastaveny na úrovních založených na předem určeném složení přívodu odpadu. Typickými nezávislými proměnnými při provozu PPGV reaktoru jsou:

A. Výkon plasmového hořáku

B. Rychlost toku plynu

C. Rozvod toku plynu

D. Výška lože odpadu a uhlíkového katalyzátoru

E. Rychlost přívodu odpadu

F. Rychlost přívodu uhlíkového katalyzátoru

G. Rychlost přívodu struskotvomé přísady

Během ustáleného stavu provozu operátor monitoruje závislé parametry systému, k nimž patří:

A. Teplota výstupního vysokopecního plynu (měřenou na výstupu výstupního plynu)

B. Složení výstupního vysokopecního plynu a rychlost toku (měřené ze vzorků plynu a průtokoměrem na shora uvedeném výstupu)

C. Tavící teplota strusky a rychlost toku

D. Výhřevnost výstupního vysokopecního plynu

E. Vyluhovatelnost strusky

F. Viskozita strusky

-11 CZ 297852 B6

Operátor může během provozu a na základě shora popsaných principů seřídit nezávislé proměnné na základě odchylek od závislých proměnných. Tento proces může být zcela automatizován s předběžným seřízením na základě vstupů a výstupů z řídicích monitorů reaktoru programovaných do DCS systému plasmového reaktoru a celé elektrárny. Přednastavené úrovně se normálně optimalizují během uvádění elektrárny do provozu, když se nakládá konkrétní přívod odpadu do systému a měří se a zaznamenávají výsledný výstupní vysokopecní plyn a chování strusky. DCS se nastaví tak, aby pracovalo v režimu ustáleného stavu pro vytvoření specifických podmínek pro výstupní plyn a strusku za specifických rychlostí přívodu paliva. Odchylky od složení přívodu paliva povedou k odchylkám monitorovaných závislých parametrů a DCS a/nebo operátor provedou odpovídající seřízení nezávislých proměnných k zachování ustáleného stavu.

Ochlazování a čištění výstupního vysokopecního plynu z plasmového reaktoru

Jak bylo shora uvedeno je jedním cílem činnosti PPGV reaktorového systému výroba palivového plynu se specifickými vlastnostmi (tj. složením, tepelnou výhřevností, čistotou a tlakem) vhodnými pro přivádění do plynové turbíny pro výrobu obnovitelné elektrické energie.

Protože je palivo vyráběno pyrolýzou/zplyňováním organického odpadového materiálu zde popsaným procesem, budou zde existovat jistá množství odpadových nečistot, částic a/nebo kyselých plynů, které nejsou vhodné pro normální a bezpečný provoz plynových turbín. V Camacho patentech byla popsána velmi zjednodušená procedura čištění výstupního plynu. Nyní bude představena podrobnější a specifická procedura.

Nejdříve za podmínek podtlakové extrakce se sacím ventilátorem 150 kontinuálně odvádí horký výstupní plyn z reaktoru výfukovým otvorem (otvory) 30 pro výstupní plyn z reaktoru. Tento plyn je třeba předtím, než vstoupí do kompresoru a plynové turbíny, ochladit a čistit.

Jak ukazuje obr. 4 syntézní plyn z plasmového reaktoru 100 se nejdříve zchladí přímým odpařováním vody ve výpamíku jako je tepelný výměník 130. To je jednoduché, spolehlivé a nákladově efektivní. V případě, že z reaktoru unikají prachové částice, odstraní se z plynu elektrofiltrem 135, který je známý jako účinný a spolehlivý prostředek k odstranění prachu. Alternativní provedení mohou využívat jiná standardní zařízení k odstraňování částicového materiálu (jako je venturiho čistič nebo textilní vakový filtr), které jsou dobře známé v oblasti techniky čištění plynu. Alternativní provedení také mohou měnit pořadí různých čisticích kroků pro efektivnější využití vlastností alternativních čisticích zařízení plynu. Prach se pak shromáždí a může poslat zpátky do plasmového reaktoru, aby se v čisticím systému plynu neprodukoval žádný nebezpečný pevný odpad. Alternativně se může použít pánev na strusku, kovový/ocelový plášť s ohnivzdornou vyzdívkou, v němž je také umístěn netransferovaný plasmový obloukový hořák, k vitrifikaci pevných částic, které prošly čištěním, na nevylouhovatelnou strusku. V některých případech v závislosti na podmínkách elektrárny a místních předpisech mohou být pevné částice z čisticího systému odvedeny pryč z provozu k bezpečnému odstranění.

Syntézní plyn se pak zpracuje ve dvou krocích: nejdříve se odstraní složky jako je chlor v plynové/kapalinové pračce 140 s vysokou účinností. Mycí kapalina se recykluje zpátky do první chladicí sekce: opět, v tomto kroku se neprodukuje žádný odpad, a spotřeba vody se omezuje na nutné minimum. V tomto prvním krokuje možné použít sodu.

Pro odpad, který obsahuje vysoké množství síry může být vytvořen syntézní plyn s vysokým obsahem síry. Pro odstranění sloučenin síry ze syntézního plynu se použije druhá fáze kapalného promývacího procesu. Elementární síra je jediným zbytkem, který se získá z tohoto procesu a tuto síru lze využít jako hnojivo. Promývací kapalina se recykluje zpět do procesu po regeneraci: během tohoto kroku nevznikají žádné kapalné odpady. Tento proces se velmi osvědčil a je velmi účinný, umožňuje, aby byl zpracovaný syntézní plyn dále poslán do kompresoru/turbíny.

- 12CZ 297852 B6

Komprese a přivádění palivového plynu

Syntézní plyn vyrobený z přivedeného odpadu bude normálním palivem pro konvenční elektrárnu s kombinovaným cyklem. Elektrárna však musí být spuštěna s přírodním plynem a poté převedena na syntézní plyn. Palivový plyn se musí tlakovat, aby mohl být dodáván do plynové turbíny v elektrárně s kombinovaným cyklem.

Syntézní plyn vstupuje do kompresoru 160 a je stlačen přibližně na 36 barů. Při stlačení syntézního plynu dojde kjeho zahřátí. Horký, tlakovaný syntézní plyn se mezi kompresními fázemi ochladí a poté po závěrečné fázi zkondenzuje zbývající voda v plynu, čímž se zlepší výhřevnost plynu. Zkondenzovaná voda ze syntézního plynu se shromáždí v separátoru vlhkosti a recykluje pro použití ve zplyňovací elektrárně. Po poslední fázi se ochlazení dosáhne částečně v rekuperátoru, který převádí teplo z vlhkého syntézního plynu na suchý syntézní plyn. Závěrečné ochlazení se provede v tepelném výměníku s chladicí vodou.

Rekuperátor se použije proto, že přídavné teplo v syntézním plynu zlepšuje účinnost elektrárny s kombinovaným cyklem a přitom minimalizuje zátěž systému s chladicí vodou. Ohřev je rovněž potřeba k udržení palivového plynu bezpečně nad rosnou teplotou, aby se zajistil řádný provoz palivového systému plynové turbíny a řízení.

Předtím, než syntézní plyn vstoupí do plynové turbíny 170, tlakovaný syntézní plyn se filtruje, aby se zachytila všechna stopová množství částicového materiálu, která by mohla být sebrána provozním zařízením a potrubím.

Přírodní plyn v lokálním potrubí se natlakuje na 34 barů pomocí recipročního kompresoru. Přírodní plyn pak proudí standardním filtrem/separátorem, aby se odstranily stopy vodních kapek nebo pevných částic předtím, než se vede do palivového skluzu plynové turbíny.

Plynová turbína s kombinovaném cyklem produkuje elektřinu z palivového plynu generovaného plasmovým reaktorem. Přibližně 25 % generované elektřiny se využije zařízením elektrárny, jako jsou plasmové hořáky, plasmový reaktor, kompresor, a různá jiná zařízení jako čerpadla, a zajišťuje tak soběstačnost systému. Zbylé množství je pak prodáno místní rozvodné síti jako výnos pro elektrárnu.

Rozvaha produkce elektřiny

Jak popisují Camacho patenty, získaná tepelná energie sestává z (1) citlivého tepla a (2) teplotvomého tepla. Zde popsaný vynález objasňuje, že celkové získané teplo je úhrnem tepelného obsahu odpadu, obsahu tepelné energie z uhlíkového katalyzátoru a O₂ a vzduchu zavedeného do systému, a tepelné energie z plasmového ohřívacího systému, méně představují tepelné ztráty z reaktoru.

Dále, vezmeme-li v úvahu, že palivový plyn se musí čistit a stlačovat, přičemž každá z fází vyžaduje určitou spotřebu energie, úhrnný zisk energie z celé PPGV elektrárny využívající turbínu s kombinovaným cyklem má tepelnou účinnost mezi 36 % až 40 %. Syntézní plyn generovaný PPGV procesem však obsahuje v průměru 45 až 55 % plynu H₂. Po vyčištění a ochlazení (jak to bylo popsáno v tomto popisu) lze H₂ oddělit od syntézního plynu pomocí řady komerčně dostupných technologií. Přednostní provedení využívá komerčně dostupnou membránovou technologii jako je membránový separátor 260, jak ukazuje obr. 5. Čistý, takto separovaný plyn H₂ pak může být uložen a transportován mimo výrobní provoz k prodeji. Alternativně může být H₂ přiváděn přímo do systému s palivovým článkem 270 k výrobě elektřiny a vody na místě, v závislosti na rozvoji vhodných komerčně dostupných stacionárních palivových článcích. Syntézní plyn (bohatý na CO), který zůstane po oddělení H₂, může být využit pro generování přídavné elektřiny pomocí turbínového generátoru 280 nebo jiného plynem poháněného motoru pomocí konvenční technologie tepelných motorů.

-13 CZ 297852 B6

Účinnost systému bude záviset na použitém zařízení, aplikovaném systému, a na operátorových schopnostech a zkušenosti. Tento vynález popisuje zdokonalený proces pyrolýzy a zplyňování v plasmovém reaktoru, vedoucí k podstatnému snížení spotřeby plasmové tepelné energie na tunu zpracovaného odpadu. Předchozí Camacho patenty uváděly vztah energie na tunu v úrovni 500 kwh/tunu pro odpad typu MSW; tento vynález při zkouškách provedených v souladu s různými svými aspekty vyžaduje pouze 150 kwh/tunu, což je úspora 350 kwh/tunu.

Jak zde bylo popsáno, zdokonalený přiváděči systém, zdokonalený proces plasmové pyrolýzy, zplyňování a vitrifíkace se specifickým a definovaným provozním řídicím systémem, zdokonalený proces ochlazování a čištění plynu a podrobně definované přivádění tohoto plynu do ICG systému pro výrobu energie zajišťují efektivnější prostředky pro získání tepelné energie z odpadu, biomasy nebo jiného přiváděného materiálu ve formě obnovitelné elektrické energie a soběstačný způsob likvidace odpadu, čímž se dosáhne toho, že energie produkovaná procesem je minimálně čtyřnásobná ve srovnání se spotřebovanou energií. Vlastní poměr celkové nutné energie k čisté vyprodukované energii závisí na řadě faktorů, včetně složení přiváděného odpadu, uspořádání elektrárny a provozní praxe. Tento vynález rovněž navrhuje z pohledu životního prostředí bezpečný proces neutralizace nebezpečných složek odpadu na stabilní inertní vitrifikovaný struskový materiál a eliminuje kontinuální pohyb odpadu z jedné formy do druhé, k němuž dochází při ukládání odpadu do země a jeho spalováním.

Přestože byl vynález popsán s odkazem na jeho specifická provedení, je zřejmé, že je možno realizovat řadu variací, modifikací a provedení a v souladu s tím je třeba všechny takové variace, modifikace a provedení považovat za spadající do rozsahu vynálezu, tak jak je definován následujícími patentovými nároky.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro konverzi vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací, vyznačující se tím, že obsahuje:

reaktor (10) obecně nálevkového tvaru, který má horní sekci (16) a spodní sekci, kde spodní sekce obsahuje první, širší část (18) spojenou komolým kuželovým přechodem s druhou, užší částí (19), a je uzpůsobená pro přijetí uhlíkového katalyzátorového lože (60), přičemž horní sekce (16) má alespoň jeden výfukový otvor (30) pro plyn a alespoň dva protilehlé vstupní otvory (32, 34) pro vstup vstupního materiálu a je uspořádána pro přijetí vstupního materiálu z několika míst vzhledem ke spodní sekci, vstupní systém (38, 40) pro vstup plynu, umístěný kolem spodní sekce k zajištění přístupu plynu do spodní sekce jedním nebo více vstupními otvory (39, 41) ve spodní sekci, a plasmové obloukové hořáky (42) upevněné ve spodní sekci a pod uhlíkovým katalyzátorovým ložem (60) pro ohřívání uhlíkového katalyzátorového lože (60) a vstupního materiálu.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje přívodní systém (50) vstupního materiálu pro zajištění přívodu vstupního materiálu do reaktoru (10) vstupními otvory (32, 34), přičemž přívodní systém (50) obsahuje sběrnou nádrž (52) k přijímání vstupního materiálu, drticí a zhutňovací jednotku (54) uspořádanou pro přijímání vstupního materiálu ze sběrné nádrže (52) a k drcení a zhutňování vstupního materiálu, a transferovou jednotku (56)

- 14CZ 297852 B6 k dodávání drceného a zhutněného vstupního materiálu do reaktoru (10) v kyslíku zbaveném prostředí.
3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje uhlíkové katalyzátorové lože (60).
4. Zařízení podle nároku 3, v y z n a ě uj í c í se t í m , že uhlíkové katalyzátorové lože (60) je přibližně 1 metr vysoké.
5. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se t í m , že dále obsahuje senzory umístěné po celém reaktoru (10) pro snímání jednoho nebo více následujících parametrů: výška uhlíkového katalyzátorového lože (60), výška materiálového lože (70) vstupního materiálu, teplota reaktoru (10), rychlost toku plynu v reaktoru (10) a teplota plynu odcházejícího z reaktoru (10) výfukovým otvorem (30).
6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že spodní sekce má na svém dnu jednu nebo více výpustí (44).
7. Zařízení na výrobu elektrické energie, vyznačující se tím, že obsahuje zařízení podle nároku 1 a dále obsahuje:

zhášedlo nebo tepelný výměník (130), spojený s výfukovým otvorem (30) pro odstraňování vlastního tepla z plynu odváděného z výfukového otvoru (30), pračku (140) plynu, spojenou s výstupem ze zhášedla nebo tepelného výměníku (130), kompresor (160), spojený s výstupem z pračky (140) plynu pro stlačování plynu, a plynovou turbínu (170), spojenou s výstupem z kompresoru (160), pro výrobu elektřiny ze stlačeného plynu.
8. Způsob konverze vstupního materiálu, obsahujícího odpad, biomasu nebo jiný uhlíkový materiál, plasmovou pyrolýzou, zplyňováním a vitrifikací v zařízení podle nároku 1, v y z n a čující se tím, že se ve spodní sekci reaktoru (10) vytvoří uhlíkové katalyzátorové lože (60), zajistí se přívod jednoho nebo více po sobě následujících množství vstupního materiálu z několika míst do horní sekce (16) reaktoru (10) z alespoň dvou protilehlých vstupních otvorů (32, 34), přičemž horní sekce (16) má alespoň jeden výfukový otvor (30) pro vypouštění plynu, spojený s ventilátorem (150), a vstupní materiál vytváří materiálové lože (70) na vrchu uhlíkového katalyzátorového lože (60), uhlíkové katalyzátorové lože (60) a materiálové lože (70) se ohřejí pomocí několika plasmových obloukových hořáků (42) umístěných ve spodní sekci pod uhlíkovým katalyzátorovým ložem (60), a do spodní sekce se zavede předem stanovené množství kyslíku nebo kyslíkem obohaceného vzduchu.
9. Způsob výroby elektrické energie z odpadu, vyznačující se tím, že obsahuje způsob podle nároku 8 a navíc se při něm provádí:

ochlazování plynu vypuštěného z výfukového otvoru (30), mokré čištění plynu, stlačení vyčištěného plynu, a dodání stlačeného plynu k pohánění plynové turbíny (170) k výrobě elektrické energie nebo palivového článku (270).

- 15 CZ 297852 B6
10. Způsob výroby elektrické energie z odpadu, v y z n a č u j í c í se t í m , že obsahuje způsob podle nároku 8 a navíc se při něm provádí:

5 ochlazování plynu vypuštěného z výfukového otvoru (30), mokré čištění plynu, stlačení vyčištěného plynu, napájení palivového článku s využitím vodíkové složky, a dodání zbytku stlačeného plynu po oddělení vodíkové složky k pohánění plynové turbíny k výro10 bě elektrické energie.
11. Způsob výroby elektrické energie z odpadu obsahující způsob podle nároku 8, kde ventilátorem (150) je sací ventilátor.