CZ29923U1 - Reaktor zařízení na zpracování materiálů, zejména organických, termickým rozkladem - Google Patents

Description

Technické řešení spadá do oblasti odpadního hospodářství a týká se konstrukce reaktoru zabudovávaného do zařízení na zpracování organických odpadních materiálů termickým rozkladem, a to zejména materiálů na bázi biomasy, čistírenských kalů, tříděného komunálního odpadu apod. Dosavadní stav techniky

V současné době je vyvíjeno mnoho září zem a technologií zaměřených na využívání obnovitelných zdrojů energie při náhradě fosilních paliv, mezi které je možno zařadit i nové technologie pro termické zpracování biomasy. Jedná se o technologie vysokoteplotního zpracování, které dokážou efektivně nakládat s odpadními materiály, a tím výraznou mírou přispívat k ochraně životního prostředí. Hlavním produktem vznikajícím při procesu termického rozkladu je procesní plyn či olej, který je dále zpracováván a je využíván k výrobě elektrické a tepelné energie. Tuhým zbytkem vznikajícím při procesuje materiál na bázi koksu, který je možno využít jako certifikované hnojivo nebo jako součást hnojivá v zemědělství.

Zařízení, používaná na termické zpracování biomasy se obecně dělí na vsázková a kontinuální. Vsázková zařízení jsou postavena na principu vyměnitelných kontejnerů nebo nádob, které se spolu se zpracovávaným materiálem vkládají do pece a po ukončení procesu se vymění za druhou naplněnou nádobu. Jsou to například řešení známá ze spisů CZ 22609 Ul nebo CZ21515U1. Jiné řešení zařízení sázkového principu pro termický rozklad je popsáno ve spise CZ 26301 Ul, kde je v termické peci vertikálně umístěn minimálně jeden trubkový reaktor opatřený shora otevíratelným víkem pro umožnění vsázky materiálu shora a v dolní části vybavený poklopem pro zajištění pro výsypu tuhého zbytku. Tato řešení vykazují značné provozní a procesní nevýhody, jimiž jsou zejména nekontinuální provoz se složitou a časově náročnou obsluhou a dále nákladné řešení případné automatizace. Dalšími procesními nevýhodami jsou značné energetické ztráty způsobené jednotlivými cykly mezi vsázkami, když materiál Uvnitř reaktoru není promícháván, je zapékán a není rovnoměrně prohříván, čímž se prodlužuje doba jeho setrvám v reaktoru a snižuje se účinnost celého procesu. V součtu těchto nevýhod jsou vsázková zařízení považována za zastaralá řešení, která prošla svým vývojem a nikdy se neuplatnila jako řešení v průmyslovém provozu.

V kontinuálním řešení zařízení podle spisu CZ 25790 Ul je reaktor tvořen izolovanou skříní, ve které jsou uspořádány trubkové reaktory obsahující reaktorové šneky, přičemž trubkové reaktory a reaktorové šneky jsou ohřívány tepelnými spirálami, uloženými mezi trubkovými reaktory. Nevýhodou tohoto provedení je uložení topných spirál mezi trubkovými reaktory, které jsou tak nahřívány nerovnoměrně, a dále dochází ke komínovému efektu uvnitř izolované skříně, což zapříčiňuje značné rozdíly v teplotách mezi jednotlivými retortami, na základě čehož je proces obtížně regulovatelný, nestabilní a neefektivní. Jako další nevýhoda tohoto řešení je použití reaktorových šneků, které mají svá uložení uvnitř reaktoru a jejich pohony jsou tak umístěny v blízkosti působení vysokých teplot procesu, což následně musí řešit složitá konstrukční řešení spojená se zajištěním utěsnění reaktorů a chlazením pohonů ajejich uložení. Pro zpracování biomasy byla rovněž vyvinuta technologie BTG (Biomass Technology Group), u níž rychlá pyrolýza probíhá v rotujícím kuželovém reaktoru, kde je promíchávána s teplosměnným médiem, kterým je písek. Pyrolýzní jednotka je určena pro zpracování dřeva, slámy, energetických plodin a jejím účelem je získávání bio-oleje používaného jako náhrada za topný olej a pyrolýzní plyn je spalován a uvolněné teplo se využívá k výrobě páry. Další známá technologie Biolig je určena ke zpracování slámy, při jejíž realizaci pyrolýza probíhá ve dvojitém šnekovém reaktoru, kde se míchá s teplosměnným médiem tvořeným pískem nebo ocelovými kuličkami. Hlavním produktem této technologie je rmut, který je následně konvertován zplyňováním na syntézní plyn. U technologie BiOTherm určené pro zpracování dřevních pilin probíhá pyrolýza ve fluidním loži tvořeném jemným pískem a získaný bio-olej je spalován v plynové turbíně používané k výrobě elektrické energie. Dále je známa technologie BTO (Biomas-to-Oil) pro zpracování dřevního odpadu využívající ablativní pyrolýzu, u níž přenos tepla probíhá přes pevnou překážku, kterou je

-1 CZ 29923 Ul rotující ocelový kotouč. Kondenzace bio-oleje je realizována jako kombinace rozprašovací kolony a elektrostatického filtru a pyrolýzní plyn je spalován a uvolněné teplo se využívá k vysoušení suroviny. V žádném ze známých řešení se nepočítá s rekuperaci odpadního tepla z procesního plynu nebo z pevného zbytku zpět do oblasti reaktoru, čímž by docházelo ke snížení množství energie potřebné pro kontinuální ohřev reaktoru.

Úkolem předkládaného řešení je představit novou originální konstrukci reaktoru na zpracování biomasy termickým rozkladem, který je plně kontinuálním zařízením efektivně zpracovávajícím daný materiál, například čistírenské kaly, komunální odpad nebo jiný materiál na bázi biomasy, a využívá v maximální možné míře jeho energetický potenciál k výrobě elektrické a tepelné energie.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je reaktor zařízení na zpracování materiálů, zejména organických, termickým rozkladem, tvořený skříní, jejíž vnitřní prostor je tepelně odizolován od vnějšího prostředí a je v něm zabudována minimálně jedna dvojice nad sebou souběžně umístěné a horizontálně uložené vstupní retorty a výstupní retorty, které jsou v koncových částech vzájemně propojeny sesypem, jehož podstata spočívá v tom, že vstupní retorta a výstupní retorta jsou jednak vybaveny spirálovými dopravníky opatřenými pohonnými motory a jednak jsou vyvedeny vně skříně, když alespoň výstupní retorta je opatřena primárním výměníkem, vstupní retorta je opatřena násypným hrdlem a výstupní retorta je opatřena výsypným hrdlem, přičemž ve vnitřním prostoru skříně je výstupní retorta v oblasti přilehlé vstupnímu čelu skříně opatřena směrem nahoru situovanou výměníkovou komorou, která obepíná vstupní retortu a je vyvedena přes hrdlo výstupu procesního plynu vně skříně, a podél bočních stěn skříně jsou ve vnitřním prostoru oboustranně zabudována vertikální topná tělesa, mezi nimiž a retortami jsou umístěny rozvaděče topného média, nad kterými jsou umístěny ventilátory.

Ve výhodném provedení jsou vstupní retorta a/nebo výstupní retorta vně skříně opatřeny sekundárním výměníkem, který je tvořen olejovým výměníkem, přičemž primánu výměník je tvořen vodním výměníkem a hrdlo výstupu procesního plynu je vně skříně vyvedeno vertikálně nebo bočně.

Novou konstrukcí reaktoru se díky zabudovaným výměníkům a výměníkové komory pro výstup plynu dosahuje zvýšení účinnosti celého zařízení. Použitím spirálových dopravníků dochází k neustálému promíchávání materiálu, který se tak nezapéká a je neustále rovnoměrně dopravován. Konstrukce reaktoru pak zabezpečuje proudění topného média, tj. vzduchu či inertního plynu, mezi topnými tělesy a retortami. Toto řešení má výhody v rozložení teploty v celé akční zóně a nedochází tak ke komínovému efektu ani k významným teplotním rozdílům v různých částech zóny. Celá délka reaktorových retort uvnitř akční zóny je efektivně využita a proces je tak stabilní a dobře regulovatelný.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na přiložených výkresech kde:

obr. 1 je podélný řez schematickým znázorněním základního provedení reaktoru, obr. 2 je příčný řez reaktorem z obr. 1 v oblasti umístění topného tělesa, obr. 3 je příčný řez reaktorem z obr. 1 v oblasti výměníkové komory, obr. 4 je příčný řez reaktorem v oblasti výměníkové komory s alternativním provedením hrdla výstupu procesního plynu, obr. 5 je podélný řez schematickým znázorněním alternativního provedení reaktoru vybaveného jedním primárním výměníkem, obr. 6 je příčný řez reaktorem v oblasti výměníkové komory pri alternativním provedení se dvěma dvojicemi retort a hrdlem výstupu procesního plynu vyvedeným vzhůru a

-2CZ 29923 Ul obr. 7 je příčný řez reaktorem v oblasti výměníkové komory při alternativním provedení se dvěma dvojicemi retort a hrdlem výstupu procesního plynu vyvedeným bočně.

Výkresy znázorňující představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Reaktor podle technického řešení je v základním provedení tvořen skříní 1, jejíž plášť je opatřen neznázoměnou kompozitní izolací zabraňující prostupu tepla z jejího vnitřního prostoru H do okolí. Ve skříni 1 jsou zabudovány dvě nad sebou souběžně umístěné retorty 21, 22. které jsou uloženy horizontálně a jsou vyvedeny vstupním čelem 12 vně skříně i, čímž jsou v podstatě rozděleny na dopravníkovou zónu a akční zónu. Ve vnitřním prostoru H skříně 1, tedy v akční zóně, jsou retorty 21, 22 v oblasti svých koncových částí vzájemně propojeny sesypem 23 a vně skříně I je homí vstupní retorta 21 ve své koncové části opatřena vzhůru směrovaným násypným hrdlem 211 a výstupní retorta 22 je v koncové části opatřena dolů směrovaným výsypným hrdlem 221, přičemž ve vnitřním prostoru li skříně I je výstupní retorta 22 v oblasti přilehlé vstupnímu čelu 12 skříně I opatřena směrem nahoru situovanou výměníkovou komorou 222, která obepíná vstupní retortu 21 a je vyvedena přes hrdlo 223 výstupu procesního plynu vně skříně I, jak je patrné z obr. 3. Podél bočních stěn 13 skříně 1 jsou ve vnitřním prostoru 11 oboustranně zabudována vertikální topná tělesa 3, mezi nimiž a retortami 21, 22 jsou umístěny rozvaděče 4 topného média, například vzduchu nebo inertního plynu, realizované s výhodou ve formě labyrintů, nad kterými jsou umístěny ventilátory 5 upevněné v homí stěně 14 skříně I a opatřené pohony 51 umístěnými vně skříně 1, jak je znázorněno na obr. 2. Obě retorty 21, 22 jsou vybaveny spirálovými dopravníky 6 opatřenými pohonnými motory 61. Na retortách 21 a 22 je v části jejich vyvedení vně skříně 1 umístěný sekundární výměník 8, s výhodou olejový, zajišťující přenos tepla z výstupní retorty 22 do vstupní retorty 21 a dále jsou před násypným hrdlem 211 a výsypným hrdlem 221 umístěny primární, s výhodou vodní, výměníky 7, které slouží k chlazení pohonů 61 spirálových dopravníků 6.

Popsaná konstrukce reaktora není jediným možným provedením podle technického řešení, ale retorty 21, 22 mohou být uloženy ve stejném uspořádání i vedle sebe, tzn., že může být reaktor opatřen více dvojicemi retort 21, 22. jak je znázorněno na obr. 6 nebo obr. 7. Provedení primárních výměníků 7 a sekundárního výměníku 8 může být rovněž v závislosti na druhu zpracovávaného materiálu odlišné, když primární výměník 7 může být umístěn pouze na výstupní retortu 22, jak je znázorněno na obr. 5. Rovněž tak nemusí být hrdlo 223 výstupu procesního plynu situováno vzhůru ale bočně, jak je patrné z obr. 4 nebo obr. 6. Konečně pak násypné hrdlo 211 a výsypné hrdlo 221 nemusí být umístěny v koncových částech dopravníkové zóny retort 21, 22, ale i v její střední části a nemusí být situovány nad sebou, jak je znázorněno na obr. 5.

Při procesu termického rozkladu je zpracovávaný materiál přiváděn bez přístupu vzduchu násypným hrdlem 211 do dopravníkové zóny vstupní retorty 21, v níž je pomocí spirálových dopravníků 6 směrován do akční zóny, tedy do vnitřního prostoru 11, skříně 1. V této dopravníkové zóně je materiál předehříván v sekundárním výměníku 8, ve kterém využívá energetického potenciálu tuhého zbytku již zpracovaného materiálu dopravovaného výstupní retortou 22 k výsypnému hrdlu 221. Ve vnitřním prostoru 11 skříně 1 je materiál v obou retortách 21, 22 nahříván podle požadavků na daný proces topnými tělesy 3 na teplotu 300 až 1100 °C, přičemž homogenní ohřev celého povrchu retort 21, 22 je zajišťován cirkulací topného média vyvolávanou ventilátory 5, které směrují topné médium do rozvaděčů 4. Při zahřívání materiálu se v retortách 21,22 generuje procesní plyn, který obtéká část vstupní retorty 21 ve výměníkové komoře 222 a zvyšuje tak efektivitu činnosti zařízení, jelikož nepřímo předehřívá materiál dopravovaný ve vstupní retortě 21. Plyn po předání části ze svého energetického potenciálu ve výměníkové komoře 222 dále odchází hrdlem 223 výstupu procesního plynu. Na konci procesu odchází výsypným hrdlem 221 z výstupní retorty 22 tuhý zbytek zpracovávaného materiálu, přičemž jeho hmotnost je vzhledem k původní hmotnosti zredukována až o 95 %.

-3CZ 29923 Ul

Průmyslová využitelnost

Reaktor konstruovaný podle technického řešení je určen pro zabudování do různých druhů zařízení určených k likvidaci odpadu na bázi biomasy. Zejména je vhodný na likvidaci čistírenských kalů přímo na čistírnách odpadních vod a komunálního odpadu na skládkách. Je také mimořádně vhodný pro likvidaci čistírenských kalů průmyslového původu.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (6)

1. Reaktor zařízení na zpracování materiálů, zejména organických, termickým rozkladem, tvořený skříní (1), jejíž vnitřní prostor (11) je tepelně odizolován od vnějšího prostředí a je v něm zabudována minimálně jedna dvojice nad sebou souběžně umístěné a horizontálně uložené vstupní retorty (21) a výstupní retorty (22), které jsou v koncových částech vzájemně propojeny sesypem (23), vyznačující se tím, že vstupní retorta (21) a výstupní retorta (22) jsou jednak vybaveny spirálovými dopravníky (6) opatřenými pohonnými motory (61) a jednak jsou vyvedeny vně skříně (1), když alespoň výstupní retorta (22) je opatřena primárním výměníkem (7), vstupní retorta (21) je opatřena násypným hrdlem (211) a výstupní retorta (22) je opatřena výsypným hrdlem (221), přičemž ve vnitřním prostoru (11) skříně (1) je výstupní retorta (22) v oblasti přilehlé vstupnímu čelu (12) skříně (1) opatřena směrem nahoru situovanou výměníkovou komorou (222), která obepíná vstupní retortu (21) a je vyvedena přes hrdlo (223) výstupu procesního plynu vně skříně (1), a podél bočních stěn (13) skříně (1) jsou ve vnitřním prostoru (11) oboustranně zabudována vertikální topná tělesa (3), mezi nimiž a retortami (21, 22) jsou umístěny rozvaděče (4) topného média, nad kterými jsou umístěny ventilátory (5).

2. Reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupní retorta (21) a/nebo výstupní retorta (22) jsou vně skříně (1) opatřeny sekundárním výměníkem (8).

3. Reaktor podle nároku 2, vyznačující se tím, že sekundární výměník (8) je tvořen olejovým výměníkem.

4. Reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že primární výměník (7) je tvořen vodním výměníkem.

5. Reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že hrdlo (223) výstupu procesního plynuje vně skříně (1) vyvedeno vertikálně.

6. Reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že hrdlo (223) výstupu procesního plynuje vně skříně (1) vyvedeno bočně.