CZ78397A3 - Způsob výroby topného plynu a zařízení k provedení tohoto způsobu - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu výroby topného plynu ve fluidní vrstvě zplyňováním surovin obsahujících uhlík, zejména dřeva a biomasy a dále se vynález týká zařízení k provedení tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Zplyňování uhlíkatých materiálů ve fluidní vrstvě má řadu výhod. Jsou to především nižší nároky na úpravu vstupní suroviny a vyšší měrná produkce plynu, vztažená na průřez reaktoru. Obecně se tento postup uskutečňuje v reaktorech se stacionární nebo cirkulující fluidní vrstvou při teplotách přibližně 700 až 1000° C. Zplyňování ve fluidní vrstvě se uskutečňuje v zařízení, jehož hlavní částí je svislý, válcový reaktor. Drobně zrněná surovina je přiváděna obvykle do dolní části reaktoru, kde se vytváří a udržuje fluidní vrstva vlivem proudění zplyňovadla a vznikajícího plynu ve směru zdola nahoru. Rychlost proudění, nutná pro vytvoření stabilní fluidní vrstvy je podmiňována vlastnostmi suroviny, jako je granulometrie a zdánlivá měrná hmotnost. Zplyňovadlo obsahující kyslík, jako například vzduch nebo kyslík s vodní parou, je přiváděno do reaktoru a vzniklý plyn, unášející prach, jemný popel a část málo zreagované suroviny je odváděn ve vrchní části reaktoru a hrubý popel je odváděn spodem reaktoru. Fluidní vrstva zabírá obvykle 1/4 až 1/3 výšky reaktoru. Zbylý prostor nad ní slouží k dokončení štěpení (rozkladných reakcí) vyšších uhlovodíků a dochází zde také k ustavování rovnováhy v plynu. Výška fluidní vrstvy i výška štěpícího prostoru nad ní, potřebná pro zajištění potřebné doby zdržení plynu v reaktoru souvisí s reakčními podmínkami v reaktoru a vlastnostmi zplyňované suroviny. Ve spodní části reaktoru je přebytek tepla, který vede ke zvyšování teploty v loži až nad teploty měknutí a tavení popela, ke vzniku škváry a k zaškvárování reaktoru. Naopak v důsledku tepelných ztrát a endotermických reakcí dochází v horní části reaktoru k poklesu teploty, což vede k poklesu rozkladu vyšších uhlovodíků a k zadehtování následných filtrů a výměníků tepla. Aby se teplota udržela na potřebné úrovni, přidává se k plynu další okysličovadlo (vzduch, kyslík), čímž se část plynu spálí a jeho teplota znovu vzroste. V důsledku toho se zhošuje kvalita plynu. Je známa konstrukce reaktoru, kdy jeho válcová část přechází v dolní části do kuželového zúžení. Toto řešení je používáno v případě, kdy spodem reaktoru se přivádí pouze část z celkového množství zplyňovadla. Je rovněž znám reaktor, který se v horní části rozšiřuje, čímž se snižuje rychlost proudění, zvyšuje se doba zdržení a částečně se tak snižuje výška reaktoru.

Nevýhodou těchto popsaných řešení je velká výška reaktoru, která se pohybuje v rozmezí 10 až 20 m. Tato nevýhoda se stává tím výraznější, čím je menší výkon reaktoru, protože průřez a výkon reaktoru jsou přímo úměrné, přičemž výška reaktoru je výkonem ovlivněna jen nevýrazně. Pro malé jednotky tak vychází úzký a vysoký reaktor. Nevýhodou takové konstrukce je velký poměr povrchu reaktoru k objemu reaktoru, což se projevuje relativně velkými ztrátami tepla a velkými požadavky na kvalitu a množství izolačního materiálu. Přitom dochází k poklesu teploty plynu, nadměrnému přidávání okysličovadla, částečnému spalování plynu a snižování jeho výhřevnosti. Další nevýhodou je potom vysoká a relativně nákladná nosná konstrukce reaktoru a některých bezprostředně navazujících zařízení.

Podstata vynálezu

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem výroby topného plynu ve fluidním loži podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zplyňovací proces probíhá nejdříve při vzestupném proudění plynu, kde vzniká přebytek tepla a vzniklý plyn se dále vede do odděleného štěpícího procesu se sestupným prouděním, kam se přebytek tepla přivádí. Zavedením tohoto způsobu dojde ke zlepšení kvality vyráběného plynu a současně se využije přebytečného tepla, vzniklého při zplyňovacím procesu, probíhajícím při vzestupném proudění plynu.

Zařízení k provedení způsobu je tvořeno fluidním reaktorem s vnitřní zplyňovací částí, která je obklopena vnější štěpící částí, přičemž obě tyto části jsou odděleny tepelně vodivou stěnou a ve vrchní části fluidního reaktoru jsou propojeny. Ve vnitřní zplyňovací části dochází ke vzestupnému proudění plynu a ve vnější štěpící části plyn proudí sestupně. Tepelně vodivá stěna přitom převádí přebytečné teplo z vnitřní zplyňovací části do vnější štěpící části, přičemž plyn přechází z vnitřní zplyňovací části do vnější štěpící části propojením ve vrchní části fluidního reaktoru, které je vytvořeno mezerou mezi horním okrajem tepelně vodivé stěny a vrchní stěnou reaktoru. Tímto provedením je umožněno snížení nutné výšky fluidního reaktoru až na polovinu, při zachování potřebného reakčního objemu. Tím se podstatně sníží poměr vnějšího povrchu reaktoru k jeho objemu, což se projeví snížením relativní velikosti ztrát tepla vztažených na výkon jednotky při snížení požadavků na množství materiálu, potřebného na vnější tepelnou izolaci fluidního reaktoru. Další výhodou je snížení celkové výšky nosné konstrukce reaktoru. Ve výhodném provedení je tepelně vodivá stěna tvořena ocelovým válcem, který je alespoň na jedné straně opatřen žáruvzdornou vyzdívkou. Ocelový válec tak s velikou účinností převádí teplo z vnitřní zplyňovací části kde je jeho přebytek do vnější štěpící části, kde je tepla nedostatek. Žáruvzdorná vyzdívka ocelový válec chrání před propálením a současně akumuluje teplo. Hlavní část zplyňovadla je přiváděna spodem do vnitřní zplyňovací části a další části zplyňovadla jsou potom přiváděny na několika úrovních výšky této vnitřní zplyňovací části a poslední přívod zplyňovadla je umístěn centrálně, v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací části. Hlavní přívodní hrdlo zplyňovadla je proto umístěno ve spodním prostoru vnitřní zplyňovací části, další i přívodní hrdla zplyňovadla jsou umístěna na několika úrovních výšky vnitřní zplyňovací Části a poslední přívodní hrdlo zplyňovadla je umístěno centrálně, v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací části, zpravidla nad tímto horním koncem. Tak je dosaženo rovnoměrného rozložení přívodu zplyňovadla a umístěním posledního přívodního hrdla nad horním koncem vnitřní zplyňovací části je usnadněn rovnoměrný a optimální průběh reakce ve vnější štěpící části fluidního reaktoru.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení k provedení způsobu podle vynálezu je schematicky znázorněno na přiloženém výkrese.

Příklad provedení vynálezu

V jednom z výhodných uplatnění způsobu podle vynálezu zplyňovací proces probíhá při vzestupném proudění plynu, přičemž hlavní část zplyňovadla je do tohoto procesu přivedena pod přívodem zplyňované hmoty. Zplyňování probíhá ve vznosu a při vzestupném proudění plynu je do procesu ještě dvakrát přidáno zplyňovadlo.

Poslední část zplyňovadla se přidává při obrácení proudění plynu, kdy nastává jeho I sestupné proudění, při kterém probíhá štěpící proces, kterému je dodáváno teplo ze zplyňovacího procesu, probíhajícím při vzestupném proudění plynu.

Zařízení k provedení způsobu podle vynálezu je tvořeno fluidním reaktorem 1, sestávajícím ze vnitřní zplyňovací části 2 , jejíž prostor je ohraničen tepelně vodivou stěnou 12 , která je vytvořena ocelovým válcem, jehož stěny jsou opatřeny žáruvz- | dornou vyzdívkou. Tepelně vodivá stěna 12 je obklopena pláštěm 1.1 , přičemž mezi tepelně vodivou stěnou 12 a pláštěm 1.1 je tak vytvořen prstencový prostor, tvořící vnější štěpící část 4 . Ocelový válec tepelně vodivé stěny 12 přechází ve spodní části do kuželového tvaru a dále do výstupního hrdla 11 nezplyněných zbytků, které při uzavření tvoří rovněž vstupní hrdlo, neboť je na něj napojeno přívodní ústrojí 5 zplyňovaného materiálu. Výstupní hrdlo 11 je pod napojením přívodního ústrojí 5 opatřeno přívodním hrdlem 6 hlavní části zplyňovadla. V kuželové části tepelně vodivé stěny 12 je vyústěno další přívodní hrdlo 7 zplyňovadla a nad ním ve válcové části tepelně vodivé stěny 12 přívodní hrdlo 8 zplyňovadla. Poslední přívodní hrdlo 9 zplyňovadla je umístěno v ose fluidního reaktoru 1 nad koncem tepelně vodivé stěny 12. Plášť 1.1 fluidního reaktoru i opisuje tvar tepelně vodivé stěny 12 a ve spodní části přechází do odváděcího hrdla 10 topného plynu.

Funkce zařízení je následující : Zplyňovaný materiál je přiváděn přívodním ústrojím 5 do uzavřeného výstupního hrdla 11 , do kterého je přivedena přívodním hrdlem 6 rovněž hlavní část zplyňovadla, přičemž další část zplyňovadla je přivedena přívodním hrdlem 7 , přičemž se vytvoří fluidní vrstva 3 ve které probíhá zplyňovací proces se vzestupným prouděním plynu, do kterého je ve vnitřní zplyňovací části 2 přivedena přívodním hrdlem 8 další část zplyňovadla. Plyn postupuje směrem nahoru a po výstupu z vnitřní zplyňovací části 2 je jeho směr proudění obrácen směrem dolů působením horní stěny 1.2 fluidního reaktoru 1, přičemž v místě této změny směru je současně do procesu přivedena další část zplyňovadla přívodním hrdlem 9 . Plyn sestupuje směrem dolů ve vnější štěpící části 4 , přičemž probíhá štěpící proces za působení tepla, přivedeného tepelně vodivou stěnou 12 a ve spodní části fluidního reaktoru 1 je vyrobený topný plyn odveden odváděcím hrdlem 10 . Nezplyněné zbytky materiálu jsou odvedeny výstupním hrdlem 11 .

Průmyslová využitelnost

Využití způsobu a zařízení je určeno zejména pro zplyňování dřeva a ostatní biomasy a to jak pro malé tak i pro větší výkony .

Claims (6)

1. Způsob výroby topného plynu ve fluidní vrstvě zplyňováním surovin obsahujících uhlík, zejména dřeva a biomasy, vyznačující se tím, že zplyňovací proces se nechá probíhat nejdříve při vzestupném proudění plynu, přičemž vzniká přebytek tepla a vzniklý plyn se dále vede do odděleného štěpícího procesu se sestupným prouděním, do kterého se vzniklý přebytek tepla přivádí.

2. Zařízení k provedení způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno fluidním reaktorem (1) s vnitřní zplyňovací částí (2) , která je obklopena vnější štěpící částí (4), přičemž obě tyto části (2 , 4) jsou odděleny tepelně vodivou stěnou (12) a ve vrchní části fluidního reaktoru (1) jsou propojeny.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že tepelně vodivá stěna (12) je tvořena ocelovým válcem, který je alespoň na jedné straně opatřen žáruvzdornou vyzdívkou.

4. Zařízení podle nároku 2 , vyznačující se tím, že do spodního prostoru vnitřní zplyňovací části (2) je zaústěno hrdlo (6) přívodu hlavní části zplyňovadla a na několika úrovních výšky vnitřní zplyňovací části (2) jsou zaústěna další přívodní hrdla (7 , 8) zplyňovadla.

5. Zařízení podle nároku 2 nebo 4 , vyznačující se tím, že v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací části (2) je centrálně umístěno přívodní hrdlo (9) zplyňovadla.

6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že přívodní hrdlo (9) zplyňovadla je umístěno nad horní konec vnitřní zplyňovací části (2).