CZ301513B6

CZ301513B6 - Zpusob prímého získávání energie spalováním biomasy a zarízení k provedení tohoto zpusobu

Info

Publication number: CZ301513B6
Application number: CZ20080471A
Authority: CZ
Inventors: Machac@Pavel
Original assignee: Vysoká škola chemicko technologická v Praze
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-03-31
Also published as: CZ2008471A3

Abstract

Zpusob prímého získávání energie spalováním biomasy v pístovém motoru, kde dochází periodicky k dávkování rozemleté biomasy, jejímu zažehnutí horkým komprimovaným vzduchem a spálení, za soucasné expanze produktu spalování pri níž se koná práce, spocívá podle vynálezu v tom, že se dávka in situ jemne rozemleté biomasy mísí s transportním vzduchem o teplote pod teplotou vznícení biomasy a tlaku vyšším než je tlak komprimovaného vzduchu pred zažehnutím biomasy, tato smes se vstríkne do horkého komprimovaného vzduchu o teplote minimálne 550 .degree.C, v nemž dojde k zažehnutí biomasy s následnou expanzí produktu spalování, pricemž soucasne dochází k separaci popílku od spalin. Zarízení, sestávající ze zásobníku biomasy, šnekového dopravníku, prostoru pro vytvorení dávky biomasy, válcové expanzní spalovací komory a pístu s klikovým mechanizmem, podle vynálezu spocívá v tom, že válcová spalovací komora (26) je rozdelena filtracní prepážkou (3) na dva prostory, spodní prostor je opatren sacím ventilem (9) spojeným se sacím vzduchovým potrubím (13), horní prostor nad filtracní prepážkou (3) je opatren výfukovým ventilem (10) ústícím do výfukového potrubí (12), nad filtracní prepážkou (3) je umístena rozmelnovací a smešovací komora (22), která plní funkci prostoru pro vytvorení dávky biomasy a transportního vzduchu, rozmelnovací a smešovací komora (22) je opatrena tlakovým ventilem (25) pro transportní vzduch, vstupem (6) biomasy tvoreným trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem (4) a dávkovacím ventilem (18) pro vstríknutí smesi rozmelnené biomasy se stlaceným transportním vzduchem do horního prostoru spalovací komory (26) nad filtracní prepážkou

Description

Způsob přímého získávání energie spalováním biomasy a zařízení k provedení tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu spalování biomasy pro přímé získávání mechanické práce a tepelné energie, přičemž jako paliva používá biomasu ve formě jemně rozmělněné - rozemleté, například dřevo ve formě pilin, způsob Spalování biomasy je založen nu principu periodického dávkování jemně rozmělněné suché biomasy do zkomprimovaného vzduchu o vysoké teplotě.

Dosavadní stav techniky

Doposud se biomasa jakožto obnovitelný zdroj energie využívá buď přímo spalováním v kotlích, ale ve vzniklých spalinách jsou přítomny škodlivé aromatické látky mající původ vzniku ve vyvíjeném dehtu, nebo se biomasa převádí chemicky na ušlechtilejší formy energie. Jde o procesy výroby plynné formy zušlechtěné biomasy například bioplynu, vznikajícího z biomasy anaerobním pochodem, nebo se jedná o generátorový plyn vznikající z biomasy cestou zplyňování 20 například patentový spis 291 558 B6. Důležité složky vyprodukovaného plynu jsou CH4, CO, H₂, C_xH_y, které se mohou spalovat a uvolněné teplo se využije. Mohou sloužit jako palivo pro spalovací motory včetně spalovacích turbín, nebo pro palivové články.

Dále je možno z biomasy vyrobit kapalná paliva například bio - ethylalkohol, bionaftu25 methyl/ethyl ester mastných kyselin například z řepkového oleje. Také je možné dospět ke kapalným produktům cestou hydrogenace biomasy a to bud' přímou, nebo hydrogenací produktů karbonizace biomasy - dehtů.

Výše uvedené postupy jsou spojeny s produkcí značného množství ztrátového tepla, s produkcí škodlivin, nebojsou technologicky náročné, spotřebovávají energii například elektrickou energii, teplo a drahé chemikálie například vodík a methylalkohol.

Je také známo využití biomasy podle patentu CN 1563685, spočívající v aplikaci pístového spalovacího motoru pro práškové palivo. Přiváděné palivo je předehříváno. Ve válci je v prostoru nad horní úvrati pístu dávkovači komůrka s dávkou paliva a akumulační komora zkomprimovaného vzduchu. Cyklus plnění komůrky palivem probíhá periodicky, práškové palivo přichází nejprve z kontejneru šnekovým dopravníkem do trubice a v trubici je periodicky posouváno pístovým mechanizmem, poháněným výstředníkem. Pro rozptylování paliva ve fázi jeho zažehnutí a hoření je využito části horkého zkomprimovaného vzduchu, kterým se při kompresi vzdu40 chu pístem plní akumulační komora - prostor nad komůrkou s palivem. Při otevření Časovacího ventilu mezi spodní Částí dávkovači komůrky s náplní paliva a spalovacím prostorem nad pístem a zároveň ventilu mezi horní části dávkovači komůrky a akumulační komorou se palivo uvolní z komůrky a dostává se do kontaktu s horkým stlačeným vzduchem, dojde k zažehnutí paliva. Výše uvedený způsob má následující nevýhody:

- Předehřáté práškové palivo se v komůrce nalepuje na vnitřní stěny, protože dochází ke karbonizaci paliva s vývinem dehtových podílů.

Komůrka s palivem se nedostatečně vyprazdňuje vlivem velmi nízkého tlakového spádu vzduchu mezi akumulační prostorem a spalovacím prostorem nad pístem. Práškové palivo se dostává z komůrky ven pouze velmi „pomalu“ (rychlost vyprazdňování je srovnatelná s rychlostí pohybu pístu) vlivem klesání pístu.

- Tuhé zbytky paliva po jeho shoření, jako popelové částice a tzv. nedopal mohou způsobit zadření pístu ve válci.

-1CZ 301513 Β

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob přímého získávání energie spalováním biomasy, v písto5 vém motoru, kde dochází periodicky k dávkování rozemleté biomasy, jejímu zažehnutí horkým komprimovaným vzduchem a spálení, za současné expanze produktů spalování, kterými jsou horké spaliny a popílek. Při expanzi produktů spalování se koná práce a probíhá vyfukování spalin, nasávání a komprimace vzduchu. Tento způsob podle vynálezu spočívá v tom, že se dávka in šitu jemně rozemleté biomasy mísí s transportním vzduchem o teplotě pod teplotou vznícení biomasy a tlaku vyšším než je tlak komprimovaného vzduchu před zažehnutím biomasy, tato směs se vstříkne do horkého komprimovaného vzduchu o teplotě minimálně 550 °C, v němž dojde k zažehnutí biomasy s následnou expanzí produktu spalování, přičemž současně dochází k separaci popílku od spalin,

Transportní vzduch se obvykle chladí, aby nebyla dosažena teplota vznícení rozmělněné biomasy a zároveň lze jeho množství přizpůsobit typu spalované biomasy.

Množství horkého komprimovaného vzduchu je v přebytku oproti stechiometrickému poměru k dávce biomasy.

Zařízení pro přímé získávání energie spalováním biomasy podle vpředu uvedeného způsobu, sestávající ze zásobníku biomasy se šnekovým dopravníkem, ústícím do prostoru pro vytvoření dávky biomasy, který je propojen s válcovou expanzní spalovací komorou a pístem s klikovým mechanizmem, podle vynálezu spočívá v tom, že válcová spalovací komora je rozdělena filtrační přepážkou na dva prostory, spodní prostor je opatřen sacím ventilem spojeným se sacím vzduchovým potrubím, horní prostor nad filtrační přepážkou je opatřen výfukovým ventilem ústícím do výfukového potrubí, nad filtrační přepážkou je umístěna rozmělňovací a směšovací komora, která plní funkci prostoru pro vytvoření dávky in šitu jemně rozemleté biomasy a transportního vzduchu, rozmělňovací a směšovací komora je opatřena tlakovým ventilem pro transportní vzduch, vstupem biomasy tvořeným trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem a dávkovacím ventilem pro vstříknutí směsi in šitu jemně rozmělněné biomasy se stlačeným transportním vzduchem do horního prostoru spalovací komory nad filtrační přepážkou.

Válcová část zahrnující spalovací komoru, rozmělňovací a směšovací komoru a píst je s výhodou dvouplášťová, do meziplášťového prostoru vstupuje potrubí chladicí vody a z mezipláŠťového prostoru vystupuje potrubí oteplené vody.

Dávkovači ventil je opatřen solenoidem a pružinou a je opatřen přívodem chladicí vody do dávkovacího ventilu a odvodem oteplené vody z dávkovacího ventilu.

Do vstupu biomasy tvořeného trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem, s výhodou poháněným motorkem, ústí zásobník biomasy se šnekovým dopravníkem.

Při dávkování chlazeného transportního vzduchuje dávka biomasy velmi jemně díky vrubovému rotoru rozmělněna a dispergována v transportním vzduchu, přičemž nedochází k napékání biomasy na stěny rozmělňovací a směšovací komory. Směs v rozmělňovací a směšovací komoře je natlakována přetlakem transportního vzduchu, je vzduchotěsně uzavřena dávkovacím ventilem a zátkou biomasy, která se vytváří na vstupu v trubkovém hrdle do rozmělňovací komory tlakem vyvinutým šnekovým dopravníkem. Dále dávkovači ventil je jištěn solenoidem s pružinou.

Množstvím transportního vzduchu a jeho poměrem s komprimovaným spalovacím vzduchem lze regulovat teplotu spalování. Vzduchotěsně oddělená, natíakovaná směs se vstříkne do horkého komprimovaného vzduchu o teplotě minimálně 550 °C do spalovací komory, v níž dojde k zažehnutí biomasy s následnou expanzí produktů spalování, kterými se rozumí horké spaliny a popílek. Píst se dává do pohybu, vykonává práci. Díky filtrační přepážce umístěné nad pístem, pod rozmělňovací komorou současně dochází k separaci popílku od spalin, čímž nemůže dojít

-2CZ 301513 Β k zadření pístu ve válci. V dalším kroku vyfukování spalin se popílek ze spalovací komory odstraní společně se spalinami mimo prostor válce.

Přehled obrázku na výkrese

Na obr. 1 je schematicky znázorněno zařízení podle vynálezu.

io Příklad provedení

Na obr. 1 je znázorněno zařízení podle vynálezu, které sestává ze zásobníku 7 biomasy se šnekovým dopravníkem 5, který ústí do válce 1 se spalovací komorou 26, rozmělňovací a směšovací komorou 22 a pístem 2 s klikovým mechanizmem. Válcová spalovací komora 26 je rozdělena n filtrační přepážkou 3 na dva prostory, spodní prostor je opatřen sacím ventilem 9 spojeným se sacím vzduchovým potrubím 13, horní prostor nad filtrační přepážkou 3 je opatřen výfukovým ventilem 10 ústícím do výfukového potrubí 12, nad filtrační přepážkou 3 je umístěna rozmělňovací a směšovací komora 22, která plní funkci prostoru pro vytvoření dávky biomasy a transportního vzduchu, rozmělňovací a směšovací komora 22 je opatřena ventilem 25 tlakového vzduchu pro transportní vzduch, vstupem 6 biomasy, tvořeným trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem 4 a dávkovacím ventilem 18 pro vstříknutí směsi in sítu jemně rozmělněné biomasy se stlačeným transportním vzduchem do horního prostoru spalovací komory 26 nad filtrační přepážkou 3.

Filtrační přepážka 3 oddělující rozmělňovací a směšovací komoru 22 od spalovací komory 26 ve válci je vyrobena z materiálu, který má tepelně isolaČní vlastnosti.

Válcová část 3 obsahující spalovací komoru 26, rozmělňovací komoru 22 a píst 2 je dvouplášťová, do meziplášťového prostoru vstupuje potrubím 14 chladicí voda a z meziplášťového prostoru vystupuje potrubím 15 oteplená voda.

Dávkovači ventil 18 je opatřen solenoidem 19 a pružinou 24 a přívodem 20 chladicí vody do dávkovacího ventilu 18 a odvodem 21 oteplené vody z dávkovacího ventilu 18.

Vstup 6 biomasy je zaústěn do válce 1, kde je na svém konci opatřen vrubovaným rotorem 4 s výhodou poháněným motorkem. Na opačném konci vstupu 6 biomasy je zaústěn zásobník biomasy 7 se Šnekovým dopravníkem 5.

Vysušená, jemně rozmělněná biomasa se přivádí do spalovacího zařízení, které sestává z válce 1 ve kterém se pohybuje píst 2. Pístem se komprimuje nasátý čistý vzduch, který je v důsledku adiabatické komprese zahřát na vysokou teplotu. Biomasa jakožto tuhé rozemleté palivo je dávkována ze zásobníku biomasy 2 Šnekovým dopravníkem 5, nebo hydraulickým, či pneumatickým systémem do rozmělňovací a směšovací komory 22. Biomasa je postupně zhutňována a je tlačena ve značně zkomprimovaném stavu na vrubovaný rotor 4. Zde se při rotačním pohybu rotoru rozmělní na velmi jemné částečky, které jsou rozptýleny do prostoru rozmělňovací a smě45 šovací komory 22. V tomto prostoru je stlačený avšak relativně chladný transportní vzduch, který je do komory přiváděn z kompresoru 16 a chladiče 1_7 potrubím 23 transportního vzduchu. Vzduch je tak chladný aby nedošlo k zapálení částeček biomasy, ani k jejich změknutí - přechodu do plastického stavu. Jeho tlak je však mnohem vyšší, než maximální tlak horkého zkomprimovaného vzduchu ve spalovací komoře 26 v okamžiku, kdy je píst 2 v horní úvrati. Množství transportního vzduchu je však podstatně menší, než množství vzduchu periodicky nasávaného přes sací ventil 9 a následně adiabaticky komprimovaného ve válci L V časovém intervalu, kdy je píst 1 v oblasti horní úvrati pod filtrační přepážkou 3, a rozmělňovací a směšovací komora 22 je natlakována transportním vzduchem s jemně rozemletou biomasou, se otevře dávkovači ventil 18 solenoidem 19 a do horního prostoru spalovací komory 26 mezi filtrační přepážku 3 a rozměl55 ňovací směšovací komoru 22 se z rozmělňovací a směšovací komory 22 vstřikne přes otevřený

-3CZ 301513 Β dávkovači ventil J_8 přiměřené množství směsi rozmělněné biomasy se stlačeným transportním vzduchem. V rozmělňovací a směšovací komoře 22 však bezprostředně po přepuštění směsi transportní vzduch - biomasa zůstává určité množství vzduchu a rozmělněné biomasy, vzduch má dostatečný tlak, aby mohl při nízkém protitlaku, vyvozovaném pístem v pracovním válci, při vytlačování spalin ven přes otevřený výfukový ventil 10, nebo při nasávání čistého vzduchu přes otevřený sací ventil 9, opět otevřít dávkovači ventil 18. Proto aby k tomuto negativnímu úniku nedocházelo, je dávkovači ventil J_8 v těchto fázích pohybu mimo pružinu 24 ještě přitlaČován solenoidem 19.

io Kompresí do válce přes sací ventil 9 nasátého Čistého vzduchu, který je přiváděn sacím potrubím 13, se vzduch ohřeje na vysokou teplotu. Částice biomasy, které se do něho společně s transportním vzduchem vstřiknou, se zažehnou a spálí. Množství vzduchu převyšuje stechiometrický poměr vzduch/biomasa, tedy takové množství vzduchu, které je zapotřebí k dokonalému spálení biomasy na CO₂ a H₂O. Uvolněné teplo způsobuje rozpínání směsi vzniklých produktů spalování.

Pevné částice popílku, vzniklé spálením částic biomasy, se zachytí na filtrační přepážce 3. Píst 2 je v důsledku rozpínajících se spalin tlačen dolů od horní úvrati ke spodní a při tomto pohybu koná práci. Následně píst 2 opět postupuje od spodní úvrati k horní a vytlačí spaliny, pres otevřený výfukový ventil 10, ven z válce 1. Spaliny procházejí filtrační přepážkou 3, která je tak čištěna od popílkových částic, a Částice z prostoru nad filtrační přepážkou 3 odcházejí otevřeným výfu20 kovým ventilem JO ven do výfukového potrubí 12. Částečky popílku mohou být následně odloučeny.

Jednotlivé fáze: Dávkování částic biomasy (a) přivádění transportního vzduchu (b), adiabatická komprese spalovacího vzduchu (c), otevírání dávkovacího ventilu 18 (D), zavírání dávkovacího ventilu 18 (d), zapalování a spalování směsi vzduch - biomasa (e), expanze konání práce (f), filtrace - zanášení filtrační přepážky (i), vytlačování zplodin (g), regenerace filtrační přepážky (j), sání hlavního spalovacího vzduchu (h), se periodicky opakuji ve smyslu následujícího schématu.

Fáze probíhající současně:

1. krok: (h) - sání spalovacího vzduchu +	(a) - dávkování Částic biomasy + (b) přívod transportního vzduchu
2. krok: (c)	+	(a) + (b)
3.krok:(DV(d)+(eWf)+(i)	+	(a) + (b)
4, krok: (gHj)	+	(a) + (b)

₃₀ Nový cyklus: l.krok: (h)................

Filtrační přepážka 3 je vyrobena z materiálu odolávajícího vysokým teplotám a oxidačnímu prostředí. Její porosita je volena s ohledem na konkrétní velikost popílkových částic. Nejvyšší dosažitelná teplota v prostoru pod rozmělňovací komorou 22 a ve válci Ije limitována bodem měknu35 tí částic popílku z biomasy. Pro dřevo je tato teplota kolem 1150°C. Teplotu při periodickém spalování biomasy lze řídit poměrem vzduch - biomasa. Horké zóny a horké součásti mohou být chlazeny chladicí vodou. Například dávkovači ventil 18 je chlazen průtokem chladicí vody, rovněž vnější povrch válce 2 je chlazen průtokem chladicí vody.

Rozemletá biomasa musí být před naplněním do zásobníku dokonale vysušena. Dále vytříděna, prosta tvrdých, například kovových předmětů a dalších tvrdých příměsí. Pro proces sušení se s výhodou využije teplo výfukových plynů, nebo teplo oteplené chladicí vody.

Pro krytí energetické spotřeby Šnekového dopravníku 5, hydraulického, či pneumatického systé45 mu, kompresoru a pohonu vrubovaného rotoru 4 je možno odebírat část získané mechanické práce. V případě její přeměny na elektrickou energii je možné i napájení solenoidu.

-4CZ 301513 Β

Test těsnosti zhutnělé biomasy proti průniku dusíku přivedeného z tlakové láhve:

Jako palivo byly použity vysušené dřevěné piliny, které se přiváděly pod tlakem šnekovým ústro5 jím přes vstup Q biomasy (D=25 mm; 1=100 mm) na ocelový váleček 40x40 mm. Čelo trubky bylo přizpůsobeno zaoblení válečku. Tlak v ústí vstup 6 biomasy - transportní trubky, před válečkem dosahoval az 25 MPa. Tento tlak byl měřen tenzometrem na konci výstupu ze šnekového ústrojí. Zhuštěné dřevěné piliny utěsnily transportní trubku tak, že nedošlo k průniku tlakového dusíku skrz zhuštěnou zónu pilin ani v případě, kdy tlak dusíku dosahoval 10 MPa. Jako indikáio tor průtoku byly použity mýdlové bubliny na opačném konci šnekového ústrojí. Průnik dusíku byl indikován v počátečním stádiu testu, kdy nebyly piliny ještě dostatečně zhutnělé (tlak v ústi trubky dosahoval 0,5-1 MPa).

i> Pr úmyslu vá využiieinosí

Vynález lze využít pro pohon různých strojů, agregátů a zařízení ve všech oblastech techniky. S výhodou je možné ho použít pro výrobu elektrické energie a tepla z obnovitelného zdroje biomasy. Jedná se o ekologickou výrobu, protože provoz zařízení nepřispívá ke zvyšování emisí

CO₂ do atmosféry. Rovněž je zaručena vysoká kvalita spalování biomasy vzhledem k možnosti nastavení značného přebytku spalovacího vzduchu oproti stechiometrickému poměru. Z odcházejících spalin je možno odlučovat popílek, který neobsahuje organické složky - nedopal a je možné ho použít jako hnojivo. Čisté dřevo má 0,5 - 1 %, ale i více popel a (pro srovnání mazut má 0,1-2 % popela) a výhřevnost dřeva činí 18-20 MJ/kg, což je hodnota vyšší, než u hnědého uhlí. Účinnost využití energie z biomasy je ve porovnání s jinými postupy vyšší, protože se jedná o přímé využití chemické energie biomasy - o její přímou transformaci na užitečnou práci a teplo. Jiné doposud známé způsoby využití chemické energie biomasy na užitečnou práci a teplo, například spalování s následnou výrobou páry pro pohon turbíny, mají nižší účinnost.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob přímého získávání energie spalováním biomasy, v pístovém motoru, kde dochází periodicky k dávkování rozemleté biomasy, jejímu zažehnutí horkým komprimovaným vzduchem a spálení, za současné expanze produktů spalování při níž se koná práce a k vyfukování spalin, nasávání a komprimaci vzduchu, vyznačující se tím, že se dávka in sítu jemně

40 rozemleté biomasy mísí s transportním vzduchem o teplotě pod teplotou vznícení biomasy a tlaku vyšším než je tlak komprimovaného vzduchu před zažehnutím biomasy, a tato směs se vsthkne do horkého komprimovaného vzduchu o teplotě minimálně 550 °C, v němž dojde k zažehnutí biomasy s následnou expanzí produktů spalování, přičemž současně dochází k separaci popílku od spalin.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se transportní vzduch chladí.
3. Zařízení pro přímé získávání energie spalováním biomasy podle nároků 1 a 2, sestávající ze zásobníku biomasy se šnekovým dopravníkem, ústícím do prostoru pro vytvoření dávky bioma50 sy, který je propojen s válcovou expanzní spalovací komorou s pístem s klikovým mechanizmem, vyznačující se tím, že válcová spalovací komora (26) je rozdělena filtrační přepážkou (3) na dva prostory, spodní prostor je opatřen sacím ventilem (9) spojeným se sacím vzduchovým potrubím (13), horní prostor nad filtrační přepážkou (3) je opatřen výfukovým ventilem (10) ústícím do výfukového potrubí (12), nad filtrační přepážkou (3) je umístěna rozmělňovací a směšo55 vací komora (22), která plní funkci prostoru pro vytvoření dávky biomasy a transportního vzdu-5CZ 301513 Β chu, rozmělňovací a směšovací komora (22) je opatřena tlakovým ventilem (25) pro transportní vzduch, vstupem (6) biomasy tvořeným trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem (4) a dávkovácím ventilem (18) pro vstříknutí směsi rozmělněné biomasy se stlačeným transportním vzduchem do horního prostoru spalovací komory (26) nad filtrační přepážkou (3).
4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že válcová část zahrnující spalovací komoru (26), rozmělňovací a směšovací komoru (22) a píst (2) je dvouplášťová, do meziplášťového prostoru vstupuje potrubí (14) chladicí vody a z meziplášťového prostoru vystupuje potrubí (15) oteplené vody.

io
5. Zařízení podle nároků 3a 4, vyznačující se tím, že dávkovači ventil (18) je opatřen solenoidem (19) a pružinou (24) aje opatřen přívodem (20) chladicí vody do dávkovacího ventilu (18) a odvodem (21) oteplené vody z dávkovacího ventilu (18).

15 6. Zařízení podle nároků 3až5, vyznačující se tím, že mezi ústí zásobníku biomasy (7) se šnekovým dopravníkem (5) a rozmělňovací a směšovací komorou (22) je umístěn vstup (6) biomasy tvořený trubkovým hrdlem s vrubovaným rotorem (4) poháněným motorkem.