CZ30970U1

CZ30970U1 - A device for utilizing an organic material and waste heat

Info

Publication number: CZ30970U1
Application number: CZ2017-33725U
Authority: CZ
Inventors: Jan Káňa; Josef Matoušek
Original assignee: Aivotec S.R.O.; Pharmix, S.R.O.
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2017-09-05

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká zařízení pro využití organického materiálu a odpadního tepla, zejména v bioplynových stanicích, čistírnách odpadních vod a odplyňovaných skládkách komunálního odpadu.The technical solution concerns equipment for the utilization of organic material and waste heat, especially in biogas stations, waste water treatment plants and degassed municipal waste dumps.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V bioplynových stanicích, čistírnách odpadních vod a odplyňovaných skládkách komunálního odpadu se využívá vyvíjený bioplyn k pohonu stacionárních spalovacích plynových motorů nebo turbín, k nimž jsou připojeny generátory elektrické energie. Uvedené typické instalace spalují bioplyn z anaerobní fermentace biomasy, případně metan vyvíjený přirozenými procesy v tělech skládek odpadů. V těchto instalacích nebývá možnost využít veškerou tepelnou energii, která při provozu spalovacích motorů nebo turbín vzniká. Teplo se využívá typicky na ohřev fermentačních nádrží, případně pro vytápění objektů v těsné blízkosti. Potřeba tepla pro vytápění je ale omezena podle klimatických podmínek maximálně na jednu třetinu kalendářního roku. Navíc zpravidla pro ohřev postačuje teplená energie z chlazení bloku motoru. Teplená energie spalin, tedy výfukových plynů, je ve velké většině pouze mařena nuceným chlazením.In biogas stations, sewage treatment plants and degassed municipal waste landfills, the biogas developed is used to power stationary internal combustion gas engines or turbines to which power generators are connected. These typical installations burn biogas from anaerobic fermentation of biomass or methane produced by natural processes in landfill bodies. In these installations it is not possible to use all the thermal energy generated by the operation of internal combustion engines or turbines. The heat is typically used for heating fermentation tanks or for heating objects in close proximity. However, the heat demand for heating is limited to a maximum of one third of the calendar year, depending on climatic conditions. Moreover, as a rule, the heat energy from cooling the engine block is sufficient for heating. The thermal energy of the flue gas, that is to say the exhaust gas, is largely thwarted by forced cooling.

Tato skutečnost představuje významné mrhání primární energií z obnovitelných zdrojů. Například bioplynové stanice v České republice mají celkový instalovaný elektrický výkon 358 MW. Vyrábějí z bioplynu elektrickou energii, která je dotována formou provozní podpory. Pro zajištění výroby tohoto množství elektrické energie je ale jejich energetická spotřeba téměř 950 MW primární energie. To znamená, že při nominálním výkonu vyprodukují a spotřebují bioplynové stanice v České republice každou hodinu 950 MWh obnovitelné energie z bioplynu. Z toho však asi dvě třetiny zmaří nuceným chlazením.This represents a significant waste of primary energy from renewable sources. For example, biogas plants in the Czech Republic have a total installed electrical capacity of 358 MW. They produce electricity from biogas, which is subsidized in the form of operating aid. However, to ensure the production of this amount of electricity, their energy consumption is almost 950 MW of primary energy. This means that at nominal output, biogas stations in the Czech Republic produce and consume 950 MWh of renewable biogas energy every hour. However, about two thirds of it is thwarted by forced cooling.

Dalším potenciálním zdrojem energie je organický odpad, který zůstane po anaerobním procesu probíhajícím v uvedených instalacích. Využití této biomasy k produkci biouhlí řeší např. dokument CZ 29122 U. V něm popsané zařízení je tvořeno zplyňovací retortou zevně ohřívanou spalinami ze spalování dřevoplynu vyvíjeného v retortě. Toto zařízení má na výstupu zuhelnatělý zbytek biomasy biouhlí a zbytkové teplo ve spalinách využité např. k sušení biomasy. Uvedené zařízení produkuje biouhlí s využitím tepelné energie obsažené v odpadu, ponechává však nevyužit další potenciální zdroj energie nacházející se na místě, a to teplo ve spalinách motorů spalujících bioplyn. Tím je omezena kapacita zařízení a možnost jeho kontinuálního provozu.Another potential source of energy is organic waste that remains after the anaerobic process taking place in these installations. The use of this biomass for the production of bio-coal is solved, for example, by the document CZ 29122 U. The apparatus described therein consists of a gasification retort externally heated by combustion gases from the combustion of wood gas produced in the retort. This plant has at the outlet a charred biomass biomass residue and residual heat in the flue gas used eg for biomass drying. The plant produces biochar using the thermal energy contained in the waste, but leaves no other potential on-site energy source available, namely the heat in the flue gas of the biogas engines. This limits the capacity of the device and the possibility of its continuous operation.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout zařízení, které by komplexně a kontinuálně využívalo k produkci biouhlí odpadní materiál a odpadní teplo kumulované typicky v provozech bioplynových stanic, čistíren odpadních vod a komunálních skládek, tedy v zařízeních, určených zejména k anaerobní fermentaci s produkcí a energetickým využitím bioplynu.The aim of the technical solution is to design a plant that would use biogas waste material and waste heat accumulated in the operation of biogas stations, waste water treatment plants and municipal landfills in a complex and continuous way, ie in plants intended mainly for anaerobic fermentation with production and energy using biogas.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedený úkol řeší zařízení pro využití organického materiálu a odpadního tepla, jehož součástí je pyrolýzní retorta ohřívaná teplem ze spalování pyrolýzního plynu a spalovací komora, jehož podstata spočívá v tom, že pyrolýzní retorta, která má plášť uzpůsobený pro vedení topných spalin, je opatřena zařízením pro posun zpracovávaného materiálu a její výstup pyrolýzního plynuje propojen s hořákem ve spalovací komoře, do níž jsou zaústěny výfukové plyny kogenerační jednotky nebo plynové turbíny, přičemž směs výfukových plynů a spalin pyrolýzního plynu je ze spalovací komory vedena do pláště pyrolýzní retorty.The object of the present invention is to provide an apparatus for the utilization of organic material and waste heat, comprising a pyrolysis retort heated by heat from pyrolysis gas combustion and a combustion chamber, which comprises a pyrolysis retort having a jacket adapted to carry combustion gases. the feed of the material being processed and its pyrolysis gas outlet communicates with a burner in the combustion chamber into which the exhaust gases of the cogeneration unit or gas turbine are connected, the mixture of exhaust gas and pyrolysis gas fumes from the combustion chamber leading to the pyrolysis retort jacket.

Přívod výfukových plynů do spalovací komory může být propojen přes ohřívák spalovacího vzduchu s pláštěm pyrolýzní retorty.The exhaust gas supply to the combustion chamber may be connected via a combustion air heater to the pyrolysis retort jacket.

Plášť pyrolýzní retorty může být opatřen výstupem spalin propojeným k dalšímu využití odpadního tepla se sušičkou zpracovávaného materiálu.The pyrolysis retort jacket may be provided with a flue gas outlet interconnected to further utilize the waste heat with the dryer of the material to be treated.

- 1 CZ 30970 Ul- 1 CZ 30970 Ul

Objasnění výkresuClarification of the drawing

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresu, na němž obr. 1 představuje schematický řez předmětným zařízením pro využití organického materiálu a odpadního tepla.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an apparatus for utilizing organic material and waste heat.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Zařízení podle obr. 1 je tvořeno pyrolýzm retortou i, spalovací komorou 2 a ohřívákem 3 spalovacího vzduchu. Retorta 1 má plášť 4 vytvářející prostor pro vedení spalin ohřívajících vnitřní prostor retorty L Uvnitř retorty 1 je zařízení 5 pro posuv zpracovávaného materiálu. Do vnitřního prostoru retorty i je na jednom konci přiváděn materiál z výsypky 6 a z něj na druhém konci vypadává biouhlí 7. Vnitřní prostor retorty 1 je plynovodem 8 propojen s hořákem 9 ve spalovací komoře 2. Do hořáku 9 je dále přes ohřívák 3 přiváděn ohřátý vzduch. Do spalovací komory 2 je zaústěn přívod 10 výfukových spalin z kogenerační jednotky nebo plynové turbíny. Na přívodu 10 se nachází trojcestný ventil H, který umožňuje přesměrovat část výfukových spalin přes ohřívák 3 vzduchu do pláště 4 pyrolýzm retorty i. Spalovací komoru 2 s pláštěm 4 retorty i propojuje spalinovod 12.The device according to FIG. 1 is formed by pyrolysis of the retort 1, the combustion chamber 2 and the combustion air heater 3. The retort 1 has a housing 4 forming a space for guiding the flue gases heating the inner space of the retort 1. Inside the retort 1 there is a device 5 for feeding the material to be processed. The interior of the retort 1 is fed with material from the hopper 6 at one end and the bio-charcoal 7 is discharged from the other end. The interior of the retort 1 is connected to the burner 9 in the combustion chamber 2 via a pipeline 8. . The inlet 10 of the exhaust gas from the cogeneration unit or gas turbine is connected to the combustion chamber. At the inlet 10 there is a three-way valve 11 which allows to divert a part of the exhaust gas through the air heater 3 to the jacket 4 by retort pyrolysis.

Při náběhu zařízení byly spaliny z plynového motoru na bioplynové stanici zavedeny do cyklónové spalovací komory 2 na spalování pyrolýzního plynu, napojené přes spalinovod 12 na plášť 4 pyrolýzní retorty i. Množství spalin bylo 2,900 m³ za hodinu, teplota 415 °C. Procházející spaliny postupně během 26 hodin prohřály prostor spalovací komory 2 na 415 °C a následně vnitřní prostor pyrolýzní retorty I na 361 °C. Při dosažení těchto teplot byl zahájen provoz kontinuálním dávkováním vysušeného separátu z digestátu. Bylo dávkováno 370 kg separátu za hodinu.When the device startup exhaust gas from the gas engine to the biogas introduced into the cyclonic combustor 2 for burning the pyrolysis gas through the exhaust pipes 12 connected to the casing 4 and the retort pyrolysis. The amount of flue gas was 2,900 m ³ per hour, temperature was 415 ° C. The passing flue gas gradually warmed the combustion chamber 2 space to 415 ° C over the course of 26 hours and subsequently the internal space of the pyrolysis retort I to 361 ° C. Upon reaching these temperatures, operation was started by continuous dosing of the dried digestate separate. 370 kg of separate per hour were dosed.

Pyrolýzní plyn se odtahoval do hořáku 9 spalovací komory 2, spaliny z pyrolýzního plynu se průběžně mísily se spalinami z plynového motoru. Směs spalin o teplotě 647 °C se odtahovala prostorem mezi pláštěm 4 a mezi vnitřním prostorem pyrolýzní retorty i. Ve vnitřním prostoru pyrolýzní retorty 1 byl průběžně posouván zařízením 5 pro posun vysušený separát po dobu patnácti minut. Výtěžnost zařízení po průchodu materiálu retortou i byla zjištěna 130 kg biouhlí za hodinu. Následnou laboratorní analýzou vzorku uhlíku bylo zjištěno, že uhlík v biouhlí má spalné teplo 28 MJ na kilogram a obsahuje 57 % fixního uhlíku.The pyrolysis gas was drawn into the burner 9 of the combustion chamber 2, the flue gas from the pyrolysis gas being continuously mixed with the flue gas from the gas engine. The flue gas mixture at a temperature of 647 ° C was withdrawn through the space between the jacket 4 and the interior of the pyrolysis retort 1. In the interior of the pyrolysis retort 1, the dried separator was continuously moved by the dried separator for 15 minutes. The recovery of the equipment after passing the material through the retort 1 was found to be 130 kg of biochar per hour. Subsequent laboratory analysis of the carbon sample revealed that the carbon in the biochar had a gross calorific value of 28 MJ per kilogram and contained 57% fixed carbon.

Předkládané řešení nabízí způsob energetického zhodnocení odpadní teplené energie spalin plynových motorů nebo turbín pro výrobu uhlíku z odpadní a zbytkové biomasy, například digestátů nebo kompostů. Odpadní nebo zbytková biomasa se zpracovává procesem pyrolýzy s cílemThe present solution offers a method of energy recovery of waste heat energy of flue gas gas engines or turbines for producing carbon from waste and residual biomass, for example digestates or compost. Waste or residual biomass is processed by a pyrolysis process with a target

- redukce celkového objemu- reduction of total volume

- dokonalé hygienizace a zneškodnění všech potenciálně nevhodných nebo nebezpečných látek, které by mohly ohrozit životní prostředí- perfect hygiene and disposal of any potentially unsuitable or dangerous substances that could endanger the environment

- zachování původního uhlíku z biomasy ve stabilní formě, nepodléhající oxidaci - výroby kvalitního stabilního uhlíku z biomasy, využitelného jako průmyslová surovina nebo pomocná půdní látka, doplňující půdní uhlík a zlepšující půdní vlastnosti.- preservation of indigenous carbon from biomass in a stable, non-oxidative form - production of high-quality stable carbon from biomass, useful as an industrial raw material or soil improvers, complementing soil carbon and improving soil properties.

Všechny popsané důvody a cíle mohou být aplikovány na různé typy biomasy nebo procesy, při nichž tyto odpady vznikají. Příkladem jsou kaly z čištění odpadních vod. Ty v posledních letech obsahují velké množství tzv. endokrinních disruptorů, tedy látek, pocházejících z léků a hormonálních přípravků. Současně jsou ale kaly zdrojem původních živin a stopových látek, vhodných pro hnojení a výživu rostlin. V České republice i dalších Evropských státech nyní platí výrazné omezení nebo zákaz aplikace kalů na zemědělskou půdu. Jediným způsobem, jak eliminovat rizika pro životní prostředí a současně zachovat a recyklovat potřebné látky pro výživu rostlin, je zpracování kalů nízkoteplotní pyrolýzou. Zbytkový pyrolýzní popel a uhlík obsahuje právě pouze tyto cenné látky a živiny. Rizikové látky se termickým procesem zcela eliminují.All the reasons and objectives described can be applied to different types of biomass or the processes in which these wastes are generated. An example is sewage sludge. In recent years, these have contained a large number of so-called endocrine disruptors, ie substances derived from drugs and hormonal preparations. At the same time, sludge is a source of original nutrients and trace substances suitable for fertilization and plant nutrition. The Czech Republic and other European countries now have a significant limitation or ban on the application of sludge to agricultural land. The only way to eliminate the risks to the environment while preserving and recycling the necessary plant nutrients is by treating the sludge by low-temperature pyrolysis. The residual pyrolysis ash and carbon contain only these valuable substances and nutrients. Hazardous substances are completely eliminated by the thermal process.

Předkládané řešení tak ideálně kombinuje využití obnovitelné energie s recyklací původních látek a primárního uhlíku. Nadto lze pyrolýzu biomasy produkující pyrolýzní uhlík považovat za proces zachycování a ukládání atmosférického oxidu uhličitého. Uhlík byl zachycen procesem fotosyntézy v těle biomasy a po jejím odumření je procesem pyrolýzy fixován a uložen do půdy. TakThe present solution thus ideally combines the use of renewable energy with the recycling of primary materials and primary carbon. In addition, pyrolysis of biomass producing biomass can be considered as a process of capturing and storing atmospheric carbon dioxide. Carbon was captured by the process of photosynthesis in the body of biomass and after its death it is fixed by the pyrolysis process and stored in the soil. So

-2CZ 30970 Ul se přírodní proces dokončí, podobně jako třeba přirozenými stepními požáry. Spaliny z plynového motoru nebo turbíny jsou využity jako sekundární zdroj teplené energie při nízkoteplotní pyrolýze biomasy. Pyrolýza je redukční termochemický proces, při kterém se zpracovávaná biomasa ohřívá nepřímo, tedy přes plášť primárního reakčního prostoru. Zdrojem teplené energie pro ohřev jsou spaliny ze spalování pyrolýzního plynu, který se při reakci uvolňuje.The natural process is completed, similar to natural steppe fires. The combustion gases from a gas engine or turbine are used as a secondary source of thermal energy in low-temperature pyrolysis of biomass. Pyrolysis is a thermochemical reduction process in which the processed biomass is heated indirectly through the mantle of the primary reaction space. The source of thermal energy for heating is flue gases from the combustion of the pyrolysis gas which is released during the reaction.

Pro správný průběh procesu pyrolýzy, a zejména procesu hoření pyrolýzního plynu, jsou zásadní teploty v pracovních prostorech. Pyrolýzní plyn se typicky spaluje ve spalovací komoře, kam je přiváděn z prostoru, kde probíhá pyrolýza. Pro správné hoření je nutné předem vyhřát spalovací komoru na teplotu vyšší, než 400 °C.Working temperatures are essential for the proper operation of the pyrolysis process, and especially the pyrolysis gas combustion process. The pyrolysis gas is typically combusted in a combustion chamber where it is supplied from the pyrolysis space. For proper combustion it is necessary to pre-heat the combustion chamber to a temperature higher than 400 ° C.

Spaliny ze spalování pyrolýzního plynu mají při přebytku spalovacího vzduchu teplotu kolem 900 °C.The combustion gases of the pyrolysis gas have a temperature of about 900 ° C with an excess of combustion air.

Pro energetické zhodnocení odpadního tepla spalin z plynových motorů nebo turbín se spaliny využívají v procesu pyrolýzy odpadní nebo zbytkové biomasy takto:For energy recovery of waste heat of flue gases from gas engines or turbines, flue gases are used in the process of pyrolysis of waste or residual biomass as follows:

- v první fázi zahájení provozu zařízení pro pyrolýzu pro předehřátí technologických prvků, zejména prostoru spalovací komory a také reakčního prostoru tak, že jsou zavedeny do spalovací komory a následně procházejí trasou v plášti pyrolýzní retorty- in the first phase of the start of operation of the pyrolysis device for preheating of technological elements, especially the combustion chamber space as well as the reaction space, so that they are introduced into the combustion chamber and subsequently pass through the route in the pyrolysis retort jacket

- ve druhé fázi provozu zařízení pro pyrolýzu se využívají postupně- in the second phase of operation of the pyrolysis plant, they are used gradually

- pro ohřev spalovacího vzduchu, přiváděného do spalovací komory spolu s pyrolýzním plynem- to heat the combustion air supplied to the combustion chamber together with the pyrolysis gas

- pro regulaci teploty spalin ze spalování pyrolýzního plynu tak, že se oboje spaliny mísí dohromady ve vhodném poměru- to control the temperature of the flue gas from the combustion of the pyrolysis gas by mixing the two flue gas together in a suitable ratio

- pro zvýšení výkonu předsušení pyrolyzované biomasy.- to increase the pre-drying performance of the pyrolyzed biomass.

Claims

Apparatus for the use of organic material and waste heat, comprising a pyrolysis retort (1) heated by heat from combustion of pyrolysis gas and a combustion chamber (2), characterized in that the pyrolysis retort (1) having a jacket (4) adapted is provided with a device (5) for conveying the material to be processed and its pyrolysis gas outlet communicates with a burner (9) in a combustion chamber (2) into which the exhaust gases of the cogeneration unit or gas turbine are connected; The flue gas of the pyrolysis gas flows from the combustion chamber (2) to the jacket (4) of the pyrolysis retort (1).

Device according to claim 1, characterized in that the exhaust gas supply (10) to the combustion chamber (2) is connected via the combustion air heater (3) to the jacket (4) of the pyrolysis retort (1).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the jacket (4) of the pyrolysis retort (1) is provided with a flue gas outlet connected for further utilization of the waste heat with the dryer of the material to be processed.