CZ36578U1 - Zařízení k zuhelňování biomasy - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro výrobu zuhelněné biomasy - biouhlu, jakožto aditiva ke zlepšení vlastností zemědělských půd.

Dosavadní stav techniky

Běžným typem zařízení pro zplynování biomasy, resp. získání stabilního uhlíku z biomasy, jsou tzv. retortové reaktory s nepřímým ohřevem. Jsou zpravidla řešeny jako dva souosé válce, přičemž vnitřním válcem prochází biomasa a vnějším je veden proud spalin ze spalování plynu vznikajícího při termické redukci biomasy. Energie pro ohřev biomasy je dodávána ohřevem stěny vnitřního válce, tedy přestupem tepla přes jeho kovovou stěnu. Toto řešení je vhodné pro zpracování biomasy, u níž velikost částic nepřesahuje 5 milimetrů. Distribuce tepla do větších fragmentů by vyžadovala neúměrnou prodlevu takové biomasy v zařízení. V těchto zařízeních se zpracovává drobnozrnná biomasa typu drcené slámy, řezanky, plev, nebo pilin či hoblin.

Ze spisu JP 2014224168 A je známo ohniště ke karbonizaci drobné biomasy, jako rýžových slupek nebo štěpky, které má ve spalovací komoře umístěn šikmý pohyblivý rošt se vstupem biomasy na horním konci a s odběrem biouhlu na spodním konci. Vstupující biomasa je zapálena plynovým hořákem, hořící se posouvá po roštu a postupně se mění v biouhel. Pod rošt je přiváděn pod tlakem spalovací vzduch, což podporuje hoření, nicméně má za následek spálení podstatného podílu biouhlu před dosažením konce roštu.

Jednoduchým zařízením, ve kterém vzniká biouhel, je otevřené ohniště, využívající princip tzv. plamenné clony. V něm se spaluje kusová dřevní biomasa, a právě v důsledku působení plamenné clony a specifické geometrie ohniště je omezen přístup vzduchu do procesu hoření. Nedostatek vzduchu k prohoření uhlíku způsobuje, že namísto popela se tvoří biouhel. Typickým příkladem jsou různě konstruované tzv. kon-tiki pece, oregonské pece a podobné, funkčně vycházejících z principu zemní jámy. Nedokonalým spálením určitého množství biomasy se na dně otevřené nádoby vytvoří vrstva žhnoucích uhlíků, nad kterou se postupným přikládáním obnovuje hořící vrstva biomasy. Z ní se nedokonale spálený podíl - biouhel ukládá na vrstvu uhlíků na dně. Pokračuje se do zaplnění pece biouhlem.

Přitom dno a stěny nádoby brání přístupu vzduchu do vrstvy biouhlu. Po zaplnění nádoby je nutno žhnoucí biouhel uhasit a z nádoby vysypat.

Takto lze do formy stabilního uhlíku přeměnit biomasu v podobě větví nebo odřezků ze zpracování kmenů stromů. Pokud by byla použita biomasa ve formě tzv. dřevní štěpky, což jsou fragmenty dřevní hmoty typicky o šířce 5 až 10 mm a délce 10 až 50 mm, případně drobnozrnná biomasa, nedojde k požadovanému prouhelnění. Důvodem je nedostatečná vnitřní distribuce spalovacího vzduchu v povrchové hořící vrstvě.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout kontinuálně fungující technicky a provozně jednoduché a investičně dostupné zařízení pro výrobu stabilního uhlíku z biomasy v široké škále zrnitostí a tvarů.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol řeší zařízení k zuhelňování biomasy tvořené uzavřeným ohništěm o obdélníkovém půdorysu s tepelně izolovaným pláštěm opatřeným žárovou vyzdívkou, mezi jehož bočními

- 1 CZ 36578 U1 stěnami je umístěn svažitý přesuvný rošt, nad jehož horním koncem se nachází vstup biomasy určené k zuhelnění a iniciační zdroj tepla a pod jehož spodním koncem se nachází sběrné místo biouhlu, přičemž v plášti nad roštem je otvor pro vstup spalovacího vzduchu a otvor pro výstup spalin. Podstatou zařízení je, že ohniště je vytvořeno bez přívodu spalovacího vzduchu pod rošt.

Vstup biomasy do ohniště je s výhodou opatřen prostředky k rozložení vstupující biomasy na celou šířku roštu.

Sběrné místo biouhlu může být opatřeno vynášecím šnekovým dopravníkem.

Ke zvýšení teploty roštu může být prostor pod roštem propojen s prostorem nad roštem pro přívod části horkých spalin do prostoru pod roštem.

V pokročilém provedení zařízení je ohniště opatřeno uzavřenou nástavbou, v níž jsou v proudu spalin řazeny: výměník tepla a/nebo sušička biomasy, jejíž výstup je napojen na vstup biomasy do ohniště, přičemž výstup spalin z nástavby je opatřen ventilátorem.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresů, na nichž je na obr. 1 schematicky zobrazeno základní provedení zařízení k zuhelňování biomasy v podélném svislém řezu; na obr. 2 zařízení v řezu A-A podle obr. 1; a na obr. 3 pokročilé provedení zařízení s nástavbou. Plnými šipkami je znázorněn průtok spalin nástavbou.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení k zuhelňování biomasy v základním provedení podle obr. 1 a 2 je tvořeno uzavřeným ohništěm 1 o obdélníkovém půdorysu s tepelně izolovaným pláštěm opatřeným žárovou vyzdívkou. Mezi bočními stěnami 2 ohniště 1 je umístěn svažitý stupňovitý přesuvný rošt 3, jehož výklopné roštnice 4 jsou neseny a ovládány příčnými otočnými tyčemi 5. Nad horním koncem roštu 3 se nachází zařízení k navážení biomasy 6, které je tvořeno šikmou šachtou 7 a dopravníkem 8 biomasy určené k zuhelnění. V šachtě 7 jsou usměrňovací žebra 9, která zajišťují rovnoměrné rozložení biomasy 6 po šířce roštu 3. Nad horním koncem roštu 3 se dále nachází iniciační zdroj tepla v podobě plynových hořáků 10, přičemž v jiném provedení může k zapálení biomasy sloužit např. infrazářič. Pod spodním koncem roštu 3 se nachází sběrné místo biouhlu 11 opatřené vynášecím šnekovým dopravníkem 12. V plášti nad roštem 3 je otvor 13 pro vstup spalovacího vzduchu a otvor 14 pro výstup spalin.

V tomto uspořádání ohniště 1 nepřekračuje tlak vzduchu nad roštem a ani tlak vzduchu pod roštem atmosférický tlak okolního vzduchu. Na roštu 3 se nacházejí dvě vrstvy: vrstva surové, hořící a postupně vyhořívající biomasy 6, která postupně směrem ke konci roštu 3 přechází do vrstvy biouhlu 11.

V rozšířeném provedení zařízení podle obr. 3 je ohniště 1 opatřeno uzavřenou nástavbou 15, v níž jsou v proudu spalin řazeny: výměník tepla 16 a sušička 17 biomasy s násypkou 18. Přitom výstup ze sušičky 17 je napojen na vstup biomasy do ohniště 1. Výstup spalin z nástavby je opatřen ventilátorem 19.

Popsané technicky a výrobně jednoduché zařízení je schopno přeměnit původní biomasu 6 v podobě drobných fragmentů, ať už přirozených (plevy, pluchy, obaly semen) nebo uměle vytvořených (piliny, hobliny, řezanka, štěpky) na tzv. černý uhlík, označovaný jako biochar nebo biouhel 11. Tento typ uhlíku přirozeně vzniká během hoření biomasy 6 ve fázi, kdy došlo díky zahřívání k odpaření veškeré vázané vody a prchavé hořlaviny. Uhlík pak již hoří bez plamene

- 2 CZ 36578 U1 pouze sálavě, a to díky přívodu dostatku spalovacího vzduchu. Cílem řešení je omezit technickými opatřeními hoření uhlíku obdobně jako v případě zmíněné pece kon-tiki s plamennou clonou, a to tvarem ohniště, formou biomasy a způsobem jejího přikládání.

Rostlinná biomasa 6 nebo dřevní hmota, rozdrcená na fragmenty (štěpky), je dopravena na začátek pohyblivého roštu 3, kde je zapálena hořáky 10. Další biomasa 6 se pak vznítí od již hořící biomasy. Hořící biomasa 6 je posouvána po roštu 3, čímž je zároveň přesypávána. Rošt 3 je řešen jako nakloněná rovina půdorysného tvaru obdélníku s delší stranou ve směru pohybu biomasy 6. Konstrukce je tvořena příčnými segmenty - roštnicemi 4 tak, že v řezu vypadá jako schody. Segmenty se pohybují střídavě ve směru pohybu biomasy 6 a proti němu, díky čemuž dochází k přepadávání biomasy 6 nacházející se na daném segmentu. Pod posledním segmentem se nachází sběrné místo biouhlu 6 s vynášecím šnekovým dopravníkem 12.

Rošt 3 je umístěn ve standardním kotlovém tělese, opatřeném žárovou vyzdívkou a prvky pro využití teplené energie spalin. Konstrukce kotlového tělesa omezuje přístup spalovacího vzduchu pod rošt. Tak je docíleno požadovaného hoření pouze prchavé hořlaviny, nikoli již vzniklého uhlíku. Rychlost pohybu roštových segmentů se nastavuje v závislosti na typu biomasy 6 a velikosti jejích fragmentů tak, aby na konci zbýval z původní biomasy uhlík, zbavený veškeré prchavé hořlaviny. Díky variabilitě rychlosti pohybu roštu 3 lze zařízení využít pro jakýkoli typ drobnozrnné biomasy.

Tepelná energie spalin se v alternativním pokročilém provedení zařízení s nástavbou 15 využije pro ohřev užitkové vody ve výměníku tepla 16. Další možností využití teplené energie spalin je sušení primárního paliva v sušičce 17. Pro tuto variantu jev zóně odvodu spalin instalován potrubní dopravní šnek, jehož těleso je zevně ohříváno spalinami, čímž dochází k intenzivnímu sušení. Vodní pára je odváděna přes kondenzátor a jako voda může být využita pro chlazení vznikajícího uhlíku.

Claims (5)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení k zuhelňování biomasy (6), tvořené uzavřeným ohništěm (1) o obdélníkovém půdorysu s tepelně izolovaným pláštěm opatřeným žárovou vyzdívkou, mezi jehož bočními stěnami (2) je umístěn svažitý přesuvný rošt (3), nad jehož horním koncem se nachází vstup biomasy určené k zuhelnění a iniciační zdroj tepla a pod jehož spodním koncem se nachází sběrné místo biouhlu (11), přičemž v plášti nad roštem (3) je otvor (13) pro vstup spalovacího vzduchu a otvor (14) pro výstup spalin, vyznačující se tím, že prostor pod roštem (3) je uzavřený pro zamezení přívodu spalovacího vzduchu pod rošt (3).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstup biomasy (6) do ohniště je opatřen prostředky k rozložení vstupující biomasy na celou šířku roštu (3).

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že sběrné místo biouhlu (11) je opatřeno vynášecím šnekovým dopravníkem (12).

4. Zařízení podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prostor pod roštem (3) je propojen s prostorem nad roštem (3) pro přívod části horkých spalin do prostoru pod roštem (3).

5. Zařízení podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že ohniště (1) je opatřeno uzavřenou nástavbou (15), v níž jsou v proudu spalin řazeny: výměník (16) tepla a/nebo sušička (17) biomasy, jejíž výstup je napojen na vstup biomasy (6) do ohniště (1), přičemž výstup spalin z nástavby je opatřen ventilátorem (19).