GR1010414B - Συστημα παραγωγης καθαρου καυσιμου αεριου μικρης κλιμακας με χρηση αεριοποιησης ευελικτου καυσιμου - Google Patents

Abstract

Η παρούσα εφεύρεση αφορά σε σύστημα παραγωγής και εξευγενισμού καύσιμου αερίου από στερεά καύσιμα χαμηλής ενεργειακής ποιότητας και υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα, όπως στερεά αγροτικά υπολείμματα.Το σύστημα αποτελείται μεταξύ άλλων από αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης ο οποίος είναι ρυθμισμένος για την παραγωγή καύσιμου αερίου σε θερμοκρασία χαμηλότερη της θερμοκρασίας τήξης της τέφρας, πληθώρα μονολιθικών κεραμικών ή μεταλλικών κυψελοειδών φίλτρων εναλλακτικά σφραγισμένων καναλιών τα οποία είναι διαμορφωμένα και λειτουργούν σε συνθήκες που αποφεύγεται η επικάθιση πίσσας και άλλων αεριοποιημένων ενώσεων στα φίλτρα, ώστε να διευκολύνεται ο καθαρισμός των φίλτρων χωρίς διακοπή της λειτουργίας του συστήματος και παράλληλα να αποφεύγονται θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις που θα μπορούσαν να προκαλέσουν βλάβες στα φίλτρα.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Στάθμη Τεχνικής: Η διαδικασία παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο αεριοποίησης χρησιμοποιείται για περισσότερα από 180 χρόνια. Αρχικά ο άνθρακας και η τύρφη χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία αυτών των εγκαταστάσεων ώστε να παραχθεί αέριο για φωτισμό και μαγείρεμα. Στην συνέχεια η μέθοδος της αεριοποίησης χρησιμοποιήθηκε τόσο για την παραγωγή αερίου το οποίο με τη σειρά του χρησιμοποιήθηκε στην παραγωγή ηλεκτρισμού, όσο και σε υψικαμίνους, ενώ πιο πρόσφατα, ως και σήμερα, η πιο συχνή χρήση της αεριοποίησης είναι στην παραγωγή συνθετικών χημικών ουσιών. Μέσω της αεριοποίησης μπορούν να παραχθούν υψηλής ποιότητας αέρια, και με κατάλληλη επεξεργασία υγρά καύσιμα, διαδικασία η οποία είχε ακολουθηθεί σε μεγάλη κλίμακα και κατά τη διάρκεια των δύο παγκοσμίων πολέμων όταν υπήρχε έλλειψη σε πετρέλαιο.

Το αέριο, το οποίο παράγεται από την αεριοποίηση βιομάζας μπορεί να τυποποιηθεί, όσον αφορά στην ποιότητά του και να χρησιμοποιηθεί σαν καθαρό καύσιμο αέριο για θέρμανση, παραγωγή ισχύος ή ως τροφοδοσία για σύνθεση χημικών. Τα πλεονεκτήματα της αεριοποίησης έναντι της καύσης είναι τα ίδια με αυτά, τα οποία χαρακτηρίζουν ένα αέριο καύσιμο, σε σύγκριση με ένα στερεό καύσιμο, δηλαδή υψηλότεροι ρυθμοί έκλυσης θερμότητας, υψηλότερες αποδοτικότητες καύσης, μειωμένη περιβαλλοντική επιβάρυνση, λιγότερα προβλήματα σχετιζόμενα με την ύπαρξη τέφρας, άμεση καύση του αερίου σε μηχανές εσωτερικής καύσης και εφαρμογή σε συνδυασμένους κύκλους, καθώς και εύκολη διανομή του αερίου σε μικρές αποστάσεις.

Λόγω της προαναφερόμενης ευελιξίας του παραγόμενου αερίου, για μικρής κλίμακας μονάδες παραγωγής ενέργειας (κατανάλωση στερεού καυσίμου μικρότερη από 150 kg/h σε ξηρή βάση) η σύζευξη αεριοποιητή με κινητήρα αερίου είναι η βέλτιστη λύση από πλευράς αποδοτικότητας/κόστους. Τέτοιες μονάδες μικρής κλίμακας είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για περιοχές και εγκαταστάσεις οι οποίες παράγουν στερεά υπολείμματα (δηλαδή στερεά καύσιμα χαμηλής ενεργειακής ποιότητας και υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα) από τα οποία μπορούν δυνητικά να παραχθούν ποσότητες καύσιμου αερίου για παραγωγή ενέργειας. Τέτοιες περιοχές είναι γεωργικές περιοχές όπου μετά τη συγκομιδή παραμένουν οργανικά υπολείμματα (όπως μετά τη συγκομιδή ζαχαροκάλαμου, καλαμποκιού, δημητριακών, κλπ.), περιοχές με ανεπτυγμένη υλοτομία, μονάδες όπου γίνεται η μεταποίηση αγροτικών προϊόντων (όπως ελαιοτριβεία, μονάδες παραγωγής μαρμελάδας από πυρηνόκαρπα φρούτα, κλπ.), κτηνοτροφικές μονάδες (όπου παράγονται περιττώματα μεγάλης περιεκτικότητας σε άχυρο, όπως εκτροφεία πουλερικών, προβάτων, κλπ.), μονάδες μεταποίησης ξύλου, εγκαταστάσεις διαχείρισης οργανικών αποβλήτων (μονάδες παραγωγής βιοαερίου, βιολογικοί καθαρισμοί) κ.α. Η αεριοποίηση αυτών των στερεών υπολειμμάτων αποσκοπεί στην μετατροπή ενός δύσκολου στη διαχείριση και χαμηλής ποιότητας στερεού καυσίμου σε ρευστό καύσιμο το οποίο έχει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, δεν υποβαθμίζεται στο πέρασμα του χρόνου και είναι ευκολότερο στη διαχείρισή του (μεταφορά, αποθήκευση).

Καθώς η παραγωγή των υποπροϊόντων του αγρο-διατροφικού τομέα γίνεται σε τοπική κλίματα και με διανεμημένο τρόπο, είναι μη συμφέρουσα η μεταφορά τους σε κεντρικές μονάδες αξιοποίησης (ακτίνα συλλογής μεγαλύτερη των 30 χιλιομέτρων). Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμη η αξιοποίηση αυτών των υποπροϊόντων σε μικρής κλίμακας μονάδες εγκατεστημένες ή εύκολα μεταφερόμενες στους τόπους όπου παράγονται τα στερεά υπολείμματα.

Βασικές τεχνολογίες αεριοποίησης και τα μειονεκτήματά τους

Οι τεχνολογίες αεριοποίησης κατανέμονται ανάλογα με την κατεύθυνση ροής του αέρα και του καυσίμου στον αντιδραστήρα (αεριοποιητή). Οι βασικές τεχνοτροπίες αεριοποιητή είναι η σταθερής κλίνης ανοδικού ή καθοδικού ρεύματος, η ρευστοποιημένης κλίνης και η παρασυρόμενης κλίνης. Ο αντιδραστήρας σταθερής κλίνης είναι ο περισσότερο διαδεδομένος τύπος σε εφαρμογές μικρής κλίμακας. Ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής του παραγόμενου αερίου οι αντιδραστήρες ταξινομούνται ως ανοδικής ροής, καθοδικής ροής ή διασταυρωμένης ροής.

Στους αντιδραστήρες ανοδικής ροής η τροφοδοσία εισέρχεται από την κορυφή και ο αέρας από το κατώτατο σημείο της μονάδας μέσω σχάρας έδρασης. Το στερεό υπόλειμμα της αεριοποίησης συγκεντρώνεται στη σχάρα όπου και καίγεται σε θερμοκρασία 1000°C, η τέφρα συγκεντρώνεται στο κατώτερο σημείο ενώ τα θερμά αέρια κινούνται ανοδικά και ανάγονται. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα αυτού του τύπου αντιδραστήρα είναι η απλότητά του, η υψηλή καύση υπολειμμάτων άνθρακα και η εσωτερική εναλλαγή θερμότητας που οδηγεί σε χαμηλές θερμοκρασίες εξόδου του αερίου. Λόγω του σχεδιασμού του αντιδραστήρα, το εισερχόμενο καύσιμο ξηραίνεται στην κορυφή και επομένως είναι δυνατή η χρήση καυσίμου με υψηλή υγρασία (μέχρι 60%) χωρίς να απαιτείται προ-επεξεργασία. Κυριότερο μειονέκτημα είναι η ιδιαίτερα αυξημένη παραγωγή πίσσας (50-100 g/Nm<3>).

Στους αντιδραστήρες καθοδικής ροής το καύσιμο και ο αέρας κινούνται στην ίδια κατεύθυνση. Τα αέρια προϊόντα εξέρχονται της μονάδας αφού διέλθουν μέσω της θερμής ζώνης καυσίμου, διευκολύνοντας έτσι τη μερική διάσπαση της πίσσας που δημιουργείται κατά την πυρόλυση. Επειδή τα αέρια εξέρχονται σε υψηλή θερμοκρασία, 900-1000 °C, η ενεργειακή απόδοση είναι χαμηλή λόγω της θερμότητας που απάγεται με τα θερμά αέρια. Το περιεχόμενο του αερίου σε πίσσα είναι χαμηλό (1-2 g/Nm<3>). Η σχεδίαση και λειτουργία αυτού του τύπου αντιδραστήρων είναι σχετικά απλή. Το παραγόμενο αέριο έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε πίσσα, αλλά πρακτικά είναι αδύνατο να απαλλαγεί πλήρως από αυτή. Μειονέκτημα θεωρείται η υψηλή συγκέντρωση τέφρας στο εξερχόμενο αέριο και οι αυστηρές απαιτήσεις στον τεμαχισμό του καυσίμου, το οποίο πρέπει να είναι ομοιόμορφα τεμαχισμένο από 40-10 mm έτσι ώστε να μη φράσσεται η διατομή του αντιδραστήρα και να επιτρέπεται στα αέρια πυρόλυσης να θερμαίνονται από τη ζώνη οξείδωσης. Το ανώτατο όριο υγρασίας του καυσίμου είναι το 25%.

Ο αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς για την αεριοποίηση καυσίμων όπως ο λιγνίτης, το κωκ, η ξυλώδης βιομάζα και η λυματολάσπη. Το πλεονέκτημά του σε σχέση με τους αντιδραστήρες σταθερής κλίνης είναι η ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας που επιτυγχάνεται στη ζώνη αεριοποίησης. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας μια κλίνη λεπτόκοκκου πληρωτικού υλικού στην οποία εισέρχεται αέρας, ρευστοποιώντας το υλικό της κλίνης και εξασφαλίζοντας αποτελεσματική μίξη του ζεστού υλικού της κλίνης, του θερμού αερίου της καύσης και του τροφοδοτούμενου καυσίμου.

Η ρύθμιση της θερμοκρασίας κλίνης στους 700-900 °C διατηρείται ελέγχοντας την αναλογία μάζας αέρα/καυσίμου/πληρωτικού. Σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες σταθερής κλίνης δεν υπάρχει διαχωρισμός σε ζώνες λόγω της έντονης ανάμιξης του καυσίμου με το οξειδωτικό ρευστό και το λεπτόκοκκο πληρωτικό υλικό. Ξήρανση, πυρόλυση και αεριοποίηση λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα σε όλο τον όγκο του αντιδραστήρα, όπου επικρατεί ομοιόμορφη ανάμιξη και σταθερή θερμοκρασία επιτυγχάνοντας σχεδόν ολοκληρωτική μετατροπή του καυσίμου. Για αυτούς τους λόγους οι αεριοποιητές ρευστοποιημένης κλίνης μπορούν να μετατρέψουν χωρίς προβλήματα τήξης και δημιουργίας συσσωματωμάτων στερεά καύσιμα με που παρουσιάζουν τόσο υψηλό περιεχόμενο όσο και χαμηλή θερμοκρασία τήξης τέφρας όπως τα αγροτικά υπολείμματα. Τα μειονεκτήματα συνοψίζονται στην πολύπλοκη λειτουργία και έλεγχο της διεργασίας και στο αυξημένο ρυπαντικό φορτίο του παραγόμενου αερίου σε αιωρούμενα σωματίδια και πίσσα (10 g/Nm<3>). Λόγω της πολυπλοκότητάς τους συνήθως εφαρμόζονται σε μεγάλη κλίμακα όπου δεν υπάρχει περιορισμός χώρου για την απαίτηση ύψους του αεριοποιητή για αποφυγή πνευματικής μεταφοράς του καυσίμου και τις διατάξεις απομάκρυνσης και αναπλήρωσης πληρωτικού υλικού.

Βασικές τεχνολογίες φίλτρων και τα μειονεκτήματά τους

Ένα σύστημα καθαρισμού του παραγόμενου αερίου απαραίτητα τοποθετείται κατάντη του αεριοποιητή και ανάντη διάταξης αξιοποίησής του, όπως για παράδειγμα ενός συστήματος παραγωγής ισχύος. Οι βασικοί ρύποι που αντιμετωπίζονται είναι το σωματιδιακό φορτίο και το περιεχόμενο πίσσας καθώς το περιεχόμενό τους στο αέριο είναι υψηλό και μπορούν να δημιουργήσουν σοβαρά λειτουργικά προβλήματα. Οι τεχνολογίες καθαρισμού διακρίνονται, βάσει της θερμοκρασίας λειτουργίας, σε ψυχρές και θερμές. Οι ψυχρές μέθοδοι με τη σειρά τους, διακρίνονται σε «ξηρές» και «υγρές» μεθόδους. Οι υγρές μέθοδοι καθαρισμού λειτουργούν σε θερμοκρασίες περί των 150-250 °C. Έχουν αποτελεσματικότητα της τάξης του 99%, όσον αφορά τον διαχωρισμό σωματιδίων, και γύρω στο 20-80% (εξαρτάται από θερμοκρασία κι ενεργή επιφάνεια φίλτρου) όσον αφορά την συγκράτηση της πίσσας. Στις υγρές μεθόδους τύπου πλυντηρίδας, το αέριο έρχεται σε επαφή με πίδακα νερού ή άλλης υγρής χημικής ουσίας (π.χ. πετρέλαιο), και ψύχεται σε θερμοκρασίες 25-55 °C. Με αυτό τον τρόπο, η πλυντηρίδα αφαιρεί σωματίδια, πίσσα και διάφορες ενώσεις του αζώτου (αμμωνία). Το μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι η σημαντική ψύξη του αερίου καθώς και η εγκατάσταση επιπρόσθετου συστήματος επεξεργασίας του υγρού πλύσης.

Συνήθως το πρώτο στάδιο καθαρισμού, ανεξαρτήτως τεχνολογίας αεριοποίησης, είναι θερμό και αποτελείται από βαρυτικό ή φυγοκεντρικό διαχωριστή (τύπου κυκλώνα). Αποτελεί θερμή επεξεργασία και αφαιρεί μεγάλο μέρος του σωματιδιακού φορτίου. Στη γενική περίπτωση, ο κυκλώνας δύναται να αφαιρέσει έως και το 90% σωματιδίων με διάμετρο μεγαλύτερη των 5 pm, είναι μερικώς αποδοτικός για σωματίδια διαμέτρων 1-5 pm, ενώ τέτοια συστήματα γενικά αδυνατούν να φιλτράρουν σωματίδια διαμέτρου μικρότερης του 1 μπι λόγω της αρχής λειτουργίας τους.

Μετά τον κυκλώνα, ακολουθούν επιπρόσθετες διατάξεις για την πλήρη αφαίρεση σωματιδίων και πίσσας. Ενώ στις ψυχρές μεθόδους η πίσσα απομακρύνεται από το αέριο μέσω της συμπύκνωσης και έπειτα διαχωρισμού ή προσρόφησης, στις θερμές μεθόδους η πίσσα αφαιρείται μέσω της διάσπασής της σε χημικές ενώσεις με μικρότερο μοριακό βάρος οι οποίες δεν δημιουργούν προβλήματα στον εξοπλισμό αξιοποίησης του παραγόμενου αερίου. Η διάσπαση γίνεται είτε θερμικά (σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 1000 °C π.χ. μέσω οξείδωσης) είτε με τη βοήθεια καταλύτη (600 - 900 °C). Επειδή η παρουσία σωματιδίων άνθρακα αναστέλλει την ορθή λειτουργία του καταλύτη, συνήθως το σωματιδιακό φορτίο του αερίου αφαιρείται εν θερμώ ανάντη της συσκευής διάσπασης της πίσσας. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, τα συμβατικά φίλτρα που χρησιμοποιούνται στις ψυχρές μεθόδους (σακόφιλτρα, φίλτρα από άμμο/πριονίδι/άχυρο) δεν είναι κατάλληλα. Τα φίλτρα υψηλών θερμοκρασιών αποτελούνται από κεραμικά ή μεταλλικά υλικά. Διαχωρίζουν, μέσω απορρόφησης, θειούχες και χλωριούχες ενώσεις, κατακρατώντας ακόμη και τα πιο μικρά σωματίδια.

Η κατακράτηση των σωματιδίων αυτών σταδιακά δημιουργεί μια συμπαγή στρώση (filter cake) η οποία φράζει μερικώς το φίλτρο και προκαλεί αύξηση της πτώσης πίεσης. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητος ο περιοδικός καθαρισμός των φίλτρων. Ο καθαρισμός των φίλτρων συνήθως γίνεται με διοχέτευση παλμού αέρα ή κάποιου αδρανούς αερίου σε υψηλή πίεση. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η αποκόλληση της στρώσης υλικού από τα φίλτρα το οποίο λόγω βαρύτητας κατακάθεται και συλλέγεται με κατάλληλο μηχανισμό.

Η πιο διαδεδομένη τεχνολογία φίλτρων υψηλών θερμοκρασιών αφορά σε κεραμικά και μεταλλικά φίλτρα τύπου «κεριού». Σύμφωνα με δημοσιεύσεις, τέτοιου τύπου φίλτρα συνήθως αστοχούν μετά από 3.000 ώρες σε θερμοκρασίες άνω των 400°C καθιστώντας την συχνή αλλαγή τους οικονομικά μη συμφέρουσα. Οι κύριες αιτίες αστοχίας είναι ο σχεδιασμός των φίλτρων, το υλικό κατασκευής, οι μεταβολές στη θερμοκρασία και η απόθεση τέφρας. Για την τέφρα πιο συγκεκριμένα, επειδή η απόθεση σωματιδίων γίνεται στην εξωτερική πλευρά του κεριού, η συσσώρευση υλικού σε γειτονικά κεριά οδηγεί στην συνένωση των εναποθέσεων δημιουργώντας μια «γέφυρα» από σωματίδια η οποία λόγω διαφορετικών θερμικών ιδιοτήτων από το υλικό του κεριού οδηγεί γρήγορα σε δομικές αστοχίες στα κεριά. Διάφορες λύσεις έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία σχετικά με την κατασκευή φίλτρων ανθεκτικών σε μηχανική και θερμική καταπόνηση, με την υιοθέτηση κεραμικών φίλτρων να μοιάζει πιο πολλά υποσχόμενη χωρίς όμως να παρέχει ικανοποιητική λύση των σχετικών προβλημάτων, ενώ προσοχή πρέπει επίσης να δοθεί στον τρόπο στερέωσης των φίλτρων στη μονάδα ώστε, η συνήθως μεταλλική βάση στήριξής τους να μη δημιουργεί, με τη σειρά της, μηχανική καταπόνηση στο κεραμικό φίλτρο όταν αυτή αλλάζει διαστάσεις κατά τον κύκλο συστολήςδιαστολής λόγω θερμοκρασίας στα πλαίσια λειτουργίας του συστήματος.

Επιπλέον ο καθαρισμός των φίλτρων, ο οποίος συνήθως γίνεται με την διοχέτευση αέρα υπό πίεση στην αντίθετη φορά από αυτήν της λειτουργία τους, καταπονεί τα φίλτρα τόσο μηχανικά, όσο και θερμικά καθώς δημιουργεί θερμικό σοκ από τη διαφορετική θερμοκρασία του αέρα για τον καθαρισμό και την θερμοκρασία του φίλτρου.

Και οι δύο αυτές καταπονήσεις μπορούν να προκαλέσουν αστοχία στο φίλτρο, το οποίο χάνει μέρος των ιδιοτήτων του δημιουργώντας την ανάγκη για την αντικατάστασή του, με αντίστοιχο κόστος για την προμήθεια και εγκατάσταση του νέου φίλτρου και τη διακοπή της λειτουργίας του συστήματος. Λόγω της γεωμετρίας τους, τα φίλτρα τύπου κεριού έχουν περιορισμό στο πορώδες του υλικού, και αντίστοιχα στην επιφάνεια φιλτραρίσματος, ώστε να διατηρούν δομική αντοχή, καθιστώντας τα ακατάλληλα για εφαρμογές περιορισμένου χώρου.

Ορισμός Προβλήματος: Οι υπάρχουσες τεχνολογίες αξιοποίησης στερεής λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας σε μικρή κλίμακα είναι περιορισμένες στην αξιοποίηση καυσίμου χαμηλής περιεκτικότητας σε τέφρα (1-2% κ.β.) και αυστηρών προδιαγραφών κοκκομετρίας και υγρασίας, που πρακτικά εφαρμόζεται μόνο στην περίπτωση τυποποιημένου ροκανιδιού και πέλλετ με το αντίστοιχο κόστος καυσίμου. Είναι λοιπόν αναγκαίος ο σχεδιασμός ενός καινοτόμου συστήματος παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας με χρήση αεριοποίησης αξιοποιώντας στερεά καύσιμα υψηλής ανομοιομορφίας και περιεκτικότητας σε τέφρα προσφέροντας τη δυνατότητα αξιοποίησης βιομάζας χαμηλού ή ακόμη και αρνητικού κόστους.

Προτεινόμενη Λύση - Περίληψη: Παρουσιάζεται καινοτόμο σύστημα παραγωγής καθαρού καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας με χρήση αεριοποίησης στερεού καυσίμου υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα.

Σύμφωνα με την εφεύρεση το καινοτόμο σύστημα, αποτελείται από αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης, στάδιο απομάκρυνσης μεγάλων αιρούμενων σωματιδίων (> 5 μπι), μονάδα μονολιθικών κυψελοειδών φίλτρων εναλλακτικά σφραγισμένων καναλιών (monolithic honeycomb filters with alternative blocked channels) κατάλληλα για καθαρισμό κατά τη λειτουργία του συστήματος, σύστημα συμπύκνωσης και απομάκρυνσης πίσσας και συμπυκνωμάτων και σύστημα προ-ξήρανσης της στερεής καύσιμης ύλης. Το καινοτόμο σύστημα μπορεί να διαμορφωθεί και να διαστασιοποιηθεί ώστε να περιέχεται σε τυποποιημένο εμπορευματοκιβώτιο κατάλληλα διαμορφωμένου για εύκολη πρόσβαση στον εξοπλισμό, δηλαδή τις υπομονάδες του συστήματος. Έχει τη δυνατότητα σύζευξης με ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος αερίου αξιοποιώντας την παραγόμενη θερμότητα είτε για τις ανάγκες προ-ξήρανσης είτε για την κάλυψη εξωτερικών θερμικών καταναλώσεων.

Η προτεινόμενη λύση εισάγει τις ακόλουθες καινοτομίες: (α) λειτουργία αεριοποιητή, σχεδιασμένου για μικρή κλίμακα σε εφαρμογές περιορισμένου χώρου (για παράδειγμα τυποποιημένο εμπορευματοκιβώτιο), για την παραγωγή αερίου, από στερεή καύσιμη ύλη υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα, σε θερμοκρασίες χαμηλότερες της θερμοκρασίας τήξης της τέφρας του καυσίμου, (β) σχεδίαση μονάδας φίλτρων η οποία αποτελείται από ανεξάρτητα φίλτρα σε παράλληλη διάταξη, ικανή να απομονώνει επιλεκτικά ένα ή περισσότερα φίλτρα από το σύστημα για τον καθαρισμό τους με παροχή αέριου μέσου υπό πίεση σε κατάλληλη θερμοκρασία για τον καθαρισμό φίλτρου ή φίλτρων, (γ) επίτευξη επιθυμητής επιφάνειας διήθησης με τη χρήση μονολιθικών κεραμικών ή μεταλλικών κυψελοειδών φίλτρων εναλλακτικά σφραγισμένων καναλιών σε θερμοκρασίες οι οποίες αποφεύγουν την τήξη ή μαλάκυνση της τέφρας και την συγκράτησή της από το φίλτρο ή τα φίλτρα, καθώς και τη συμπύκνωση της πίσσας ώστε η πίσσα σε αέρια μορφή να διαπερνά το φίλτρο, (δ) συμπύκνωση της πίσσας μετά την αφαίρεση του σωματιδιακού φορτίου του αερίου και εύκολη απομάκρυνσή της εν λειτουργία, (ε) μονάδες μηχανικής ή πνευματικής απαγωγής της τέφρας στον αεριοποιητή, στο πρώτο στάδιο συλλογής σωματιδίων και στο σύστημα φίλτρων, και (στ) μονάδα ελέγχου τροφοδοσίας και λειτουργίας συστήματος για τη ρύθμιση των παραμέτρων λειτουργίας του αεριοποιητή, την ανίχνευση της ανάγκης καθαρισμού των φίλτρων και την εκπλήρωση του καθαρισμού με γνώμονα την αδιάλειπτη παραγωγή καθαρού αερίου στην έξοδο του συστήματος, την προστασία των φίλτρων κατά τον καθαρισμό τους, και την αποτελεσματική αφαίρεση της πίσσας και άλλων ενώσεων από το προς αξιοποίηση αέριο. Άλλες μονάδες μπορούν να προστεθούν στο σύστημα ή κάποιες να αφαιρεθούν. Απαραίτητες μονάδες είναι ο αεριοποιητής, τα φίλτρα και μονάδα ελεγχόμενης ψύξης του παραγόμενου αερίου η οποία παρεμβάλλεται ανάμεσα στον αεριοποιητή και τα φίλτρα.

Κατάλογος Σχημάτων

Το Σχήμα 1 απεικονίζει διάγραμμα με παράδειγμα συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου με αεριοποίηση στερεών καυσίμων σύμφωνα με την στάθμη τεχνικής.

Το Σχήμα 2 απεικονίζει απλοποιημένο διάγραμμα συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου με αεριοποίηση στερεών καυσίμων σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση.

Το Σχήμα 3 απεικονίζει απλοποιημένο διάγραμμα του συστήματος της παρούσας εφεύρεσης και τις θερμοκρασίες λειτουργίας των επιμέρους μονάδων του.

Το Σχήμα 4 απεικονίζει παραδείγματα φίλτρων του συστήματος της παρούσας εφεύρεσης και της αρχής λειτουργίας τους.

Το Σχήμα 5 παρουσιάζει απλοποιημένα παραδείγματα ασφάλισης των φίλτρων του Σχήματος 4 στο σύστημα της παρούσας εφεύρεσης.

Το Σχήμα 6 παρουσιάζει απλοποιημένο διάγραμμα ροής ελέγχου λειτουργίας συστήματος.

Σύστημα παραγωγής καθαρού αερίου με αεριοποίηση στερεών καυσίμων σύμφωνα με την στάθμη τεχνικής

Το Σχήμα 1 απεικονίζει διάγραμμα με παράδειγμα συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου σε μικρή κλίμακα (10-500 kWe) με αεριοποίηση στερεών καυσίμων σύμφωνα με την στάθμη τεχνικής. Το σύστημα (100) συνήθως αποτελείται από αεριοποιητή (110) σταθερής κλίνης, φυγοκεντρικό κυκλώνα (120), σύστημα φίλτρων τύπου κεριού ακολουθούμενο από ψύκτη αερίου αν ο καθαρισμός γίνεται σε υψηλή θερμοκρασία ή σύστημα εναλλάκτη θερμότητας (130) για την ψύξη του αερίου ακολουθούμενο από φίλτρο σταθερής κλίνης (140) αν ο καθαρισμός γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία.

Η πιο συνηθισμένη τεχνοτροπία αεριοποιητή σταθερής κλίνης στις προαναφερόμενες κλίμακες είναι αυτή της καθοδικής ροής λόγω της ελάχιστης πίσσας στο παραγόμενο αέριο. Σε αυτούς τους αεριοποιητές η καύσιμη ύλη (112) συνήθως εισάγεται από το άνω μέρος και πληρώνει όλο το όγκο του αντιδραστήρα. Το οξειδωτικό μέσο, συνήθως αέρας (114) εισάγεται επίσης από το άνω μέρος λίγο χαμηλότερα από το ύψος τροφοδοσίας του υλικού. Στο σημείο τροφοδοσίας του αέρα αναπτύσσονται θερμοκρασίες μέχρι 1250°C καθώς πραγματοποιείται το στάδιο οξείδωσης των πτητικών συμπεριλαμβανόμενης της πίσσας. Το παραγόμενο αέριο (111) σύνθεσης εξέρχεται από το κάτω μέρος αφού πρώτα διέλθει από το στάδιο της αναγωγής σε θερμοκρασία μέχρι 1050°C. Λόγω της κατανάλωσης από το αέριο μέσο, η καύσιμη ύλη συρρικνώνεται και ρέει ομοιόμορφα προς το κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Το παραγόμενο αέριο έχει κατά συνέπεια ελάχιστη πίσσα. Παράλληλα όμως παρουσιάζει αυξημένη ευαισθησία σε μεταβολές στην υγρασία της πρώτης ύλης και στην κοκκομετρία αυτής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η καύσιμη ύλη δεν στηρίζεται πάνω σε μια σχάρα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών στο κάτω μέρος, αλλά διατηρεί τη δομή της κλίνης μέσα από τη γεωμετρία της πρώτης ύλης. Για αυτό το λόγο αυτοί οι αεριοποιητές έχουν περιορισμό στο ελάχιστο μέγεθος ως προς την κοκκομετρία της καύσιμης ύλης. Επίσης, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, η τέφρα τήκεται και δημιουργεί συσσωματώματα που εμποδίζουν την καθοδική ροή του υλικού. Επομένως υπάρχει περιορισμός τόσο ως προς την ποσότητα της τέφρας στο εισερχόμενο καύσιμο όσο και στο σημείο τήξης αυτής που θα πρέπει να είναι πάνω από τους 1100°C για την αποφυγή προβλημάτων.

Το αέριο εξέρχεται από το κάτω μέρος του αεριοποιητή παρασέρνοντας και σωματίδια τέφρας και καυσίμου που δεν έχουν αντιδράσει. Στη συνέχεια τροφοδοτείται είτε σε εναλλάκτη θερμότητας για την ψύξη του αερίου σε θερμοκρασία κατάλληλη για συμβατικά σακόφιλτρα ή φίλτρα σταθερής κλίνης (π.χ. WO2018/037152 Α1) ή καθαρίζεται σε υψηλή θερμοκρασία σε σύστημα φίλτρων τύπου κεριού (π.χ. CA 2937445 Α1).

Μειονεκτήματα των συστημάτων της στάθμης τεχνικής

Η ψύξη του αερίου πριν την απομάκρυνση των σωματιδίων διευκολύνει τη συμπύκνωση της πίσσας πάνω στα ιπτάμενα σωματίδια που δρουν ως πυρήνες συμπύκνωσης. Το παραγόμενο απόβλητο έχει τα ροϊκά χαρακτηριστικά ιλύος και προκαλεί λειτουργικά προβλήματα λόγω επικαθήσεων ενώ η απομάκρυνσή του από τον εναλλάκτη αποτελεί πρόκληση και συχνά απαιτεί παύση της λειτουργίας του συστήματος για τον καθαρισμό και επανασυναρμολόγηση του συστήματος. Μετά την ψύξη το αέριο διέρχεται συνήθως από φίλτρο σταθερής κλίνης το οποίο πληρώνεται με κάποιο υλικό χαμηλού κόστους όπως πριονίδι. Για την επιτυχή κατακράτηση σωματιδίων απαιτούνται χαμηλές ταχύτητες αερίου εντός του φίλτρου ώστε να αποτραπεί η παράσυρση των σωματιδίων από το αέριο οδηγώντας σε μεγάλη διατομή του φίλτρου σαν συσκευή καταλαμβάνοντας χώρο. Επίσης, προκειμένου να γίνει ο καθαρισμός των φίλτρων είναι απαραίτητο να διακοπεί η διαδικασία καθαρισμού και αξιοποίησης του αερίου με τις αντίστοιχες επιπτώσεις. Πιο συγκεκριμένα, ανοίγεται το δοχείο του φίλτρου, απομακρύνεται όλο το περιεχόμενο (πριονίδι και σωματίδια) και ανανεώνεται.

Στην περίπτωση που το αέριο απαλλάσσεται από το σωματιδιακό φορτίο σε υψηλή θερμοκρασία σε φίλτρα τύπου κεριού, ο καθαρισμός είναι πιο άμεσος και γρήγορος με τη μέθοδο αντίστροφης ροής που προαναφέρθηκε. Όμως πέρα από τις δομικές αστοχίες αυτών των φίλτρων που προαναφέρθηκαν, πρακτικά τέτοια συστήματα εφαρμόζονται μόνο σε εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας (δυναμικότητας μεγαλύτερης από 1 MWe) όπου δεν υπάρχουν ιδιαίτεροι χωροταξικοί περιορισμοί. Λόγω της γεωμετρίας τους, τα φίλτρα τύπου κεριού έχουν περιορισμένη επιφάνεια φιλτραρίσματος επομένως απαιτείται ένας σημαντικός αριθμός φίλτρων για τον επαρκή εξευγενισμό του αερίου.

Ένας ακόμη λόγος που τα φίλτρα τύπου κεριού δεν εφαρμόζονται σε μικρή κλίμακα αφορά στον καθαρισμό του φίλτρου. Όπως αναφέρθηκε, ο καθαρισμός γίνεται με αντίστροφη ροή πεπιεσμένου αερίου στην έξοδο του φίλτρου. Συνήθως, υπάρχει ένα ακροφύσιο στην άκρη κάθε κεριού και ο καθαρισμός γίνεται σε κάθε κερί διαδοχικά ώστε να μην διακόπτεται η λειτουργία της υπόλοιπης συστοιχίας. Στις μονάδες μεγάλης κλίμακας όπου τα κεριά σε μια συστοιχία είναι πολλά, η προσθήκη αδρανούς (π.χ. αζώτου) ή μη αερίου (π.χ. αέρας) λόγω του παλμού δεν επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα του παραγόμενου αερίου. Στην περίπτωση όμως μικρής κλίμακας όπου μια συστοιχία φίλτρων μπορεί να περιέχει από 4 έως 8 κεριά, ένας παλμός μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη στιγμιαία ποιότητα του αερίου δημιουργώντας προβλήματα στο σύστημα παραγωγής ισχύος. Αυτό το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί με απομόνωση των φίλτρων και λειτουργία εν παραλλήλω όπως στην παρούσα εφεύρεση αλλά στην περίπτωση των κεριών κάτι τέτοιο θα απαιτούσε εξαιρετικά μεγάλο χώρο και υψηλό κόστος μηχανολογικού εξοπλισμού όπως βάνες απομόνωσης για κάθε ένα από τα κεριά.

Σύστημα παραγωγής καθαρού αερίου με αεριοποίηση στερεών καυσίμων υψηλής περιεκτικότητας σε τέφρα σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση

Αεριοποιητής

Το Σχήμα 2 απεικονίζει απλοποιημένο διάγραμμα συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου με αεριοποίηση στερεών καυσίμων σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση. Το σύστημα που απεικονίζεται στο Σχήμα 2 μπορεί να φέρει επιπλέον προαιρετικά στοιχεία τα οποία δεν απεικονίζονται και μέρος των οποίων περιγράφεται πιο κάτω. Το σύστημα (200) αποτελείται από τρία υποσυστήματα, το υποσύστημα τροφοδοσίας του στερεού καυσίμου (ξηραντήρα), το υποσύστημα μετατροπής σε αέριο καύσιμο (αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης) και το υποσύστημα επεξεργασίας αερίου καυσίμου (πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου, μονάδα φίλτρων, δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου).

Το υποσύστημα τροφοδοσίας αποτελείται από δεξαμενή αποθήκευσης του ακατέργαστου στερεού καυσίμου από τη βάση της οποίας διέρχεται κοχλιομεταφορέας ή αντίστοιχη διάταξη μεταφοράς της στερεής καύσιμης ύλης. Η δεξαμενή έχει γεωμετρία κατάλληλη για τη μεγιστοποίηση του ωφέλιμου όγκου και την εξασφάλιση της κατακόρυφης ροής λόγω βαρύτητας δίχως να δημιουργούνται συσσωματώματα και σπηλαιώσεις από το ακατέργαστο υλικό. Στο κάτω άκρο της δεξαμενής στη φορά ώθησης του υλικού υπάρχει άνοιγμα από το οποία διέρχεται η καύσιμη ύλη και τροφοδοτείται σε κεκλιμένο κοχλιομεταφορέα. Ο κεκλιμένος κοχλιομεταφορέας περιστρέφεται εντός μεταλλικού κελύφους προωθώντας την καύσιμη ύλη προς το υψηλότερο σημείο της διάταξης όπου και βρίσκεται στόμιο εκφόρτισης στο κάτω μέρος του κελύφους. Η βάση του μεσαίου μέρους του κελύφους αποτελείται από διάτρητο μεταλλικό έλασμα και είναι στεγανά εγκιβωτισμένη εντός μεταλλικού αεραγωγού. Αέρας ξήρανσης, ο οποίος έχει θερμανθεί αξιοποιώντας μέρος της θερμότητας από το σύστημα ψύξης του αερίου, διέρχεται μέσω κατάλληλου στομίου στον αεραγωγό και μέσα από το διάτρητο έλασμα εντός του κοχλιομεταφορέα τον οποίο διατρέχει θερμαίνοντας το υλικό και απομακρύνοντας την περιεχόμενη υγρασία από στόμιο στο άνω μέρος του κελύφους όπου και εκλύεται στο εξωτερικό περιβάλλον. Οι δύο κοχλιομεταφορείς έχουν σταθερό λόγο παροχής όγκου και περιστρέφονται ταυτόχρονα για την αποφυγή φαινομένων υπερτροφοδότησης ή υποτροφοδότησης του κεκλιμένου κοχλιομεταφορέα. Η ταυτόχρονη περιστροφή εξασφαλίζεται μέσω συστήματος οδοντωτών τροχών με καδένα. Εναλλακτικά, ο κάθε μεταφορέας περιστρέφεται ανεξάρτητα με το δικό του ηλεκτροκινητήρα.

Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του συστήματος τροφοδοσίας στερεού καυσίμου, η δεξαμενή αποθήκευσης αντικαθίσταται από δεξαμενή με υδραυλικό πάτωμα το οποίο ωθεί το υλικό προς τον κοχλιομεταφορέα. Το υδραυλικό πάτωμα δύναται να είναι διάτρητο και να διαρρέεται από τον αέρα ξήρανσης. Σε κάθε περίπτωση, επειδή η στάθμη του υλικού στη δεξαμενή δεν θα είναι σταθερή, μέρος του αέρα ξήρανσης θα διέρχεται από τον κεκλιμένο κοχλιομεταφορέα για την μεγιστοποίηση του χρόνου επαφής του υλικού με το θερμό ρεύμα αέρα.

Το υποσύστημα μετατροπής αποτελείται από διάταξη αεριοποιητή (210) στον οποίο εισάγεται στερεή καύσιμη ύλη από είσοδο στερεού καυσίμου (212) στο πλαϊνό τμήμα του αεριοποιητή (210) ενώ αέρας (214) εισέρχεται από το κάτω μέρος του αεριοποιητή (210) αντιδρώντας με το καύσιμο σε υψηλή θερμοκρασία (650-950°C) μετατρέποντας τη στερεή καύσιμη ύλη σε καύσιμο αέριο (209) το οποίο εξέρχεται από το άνω τμήμα του αεριοποιητή (210). Στον αεριοποιητή (210) εισάγεται επίσης πληρωτικό υλικό όπως άμμος (216), συγκεκριμένης κοκκομετρίας, το οποίο θερμαίνεται στη βάση του αεριοποιητή (210) και ο αέρας (214) διοχετεύεται διαμέσου της άμμου (216) στο εσωτερικό του αεριοποιητή (210). Η υψηλή θερμοκρασία (περίπου 650-950°C) που επικρατεί στη βάση του αεριοποιητή (210) και η παροχή του αέρα (214) κάνει την άμμο (216) να συμπεριφέρεται σαν ρευστό εναλλάσσοντας θερμότητα με την στερεή καύσιμη ύλη και τον αέρα (214) δρώντας ως αποθήκη θερμότητας. Ο αεριοποιητής αποτελείται από κυλινδρικό μεταλλικό αγωγό εσωτερικά επενδυμένο με κονίαμα αντοχής σε υψηλή θερμοκρασία. Ο αεριοποιητής είναι διαιρετός σε τρία μέρη τα οποία επικοινωνούν μεταξύ τους ροϊκά. Το ανώτερο μέρος (201) είναι το κύριο σώμα ή αντιδραστήρας, το μεσαίο μέρος (202) είναι ο διανεμητής αέρα ενώ το κατώτερο μέρος (203) είναι η διάταξη αφαίρεσης τέφρας. Η διάταξη αφαίρεσης τέφρας αποτελείται από κυλινδρικής διατομής αγωγό στη βάση του τυφλό με μεταλλικό έλασμα. Στο κέντρο της διάταξης υπάρχει κοχλιομεταφορέας, ή άλλη διάταξη μεταφοράς χύδην υλικού, ο οποίος απομακρύνει την τέφρα και άλλα αδρανή και μη υλικά από το κάτω μέρος του αεριοποιητή μέσω αγωγού εκροής και τη μεταφέρει εκτός του συστήματος σε στεγανό δοχείο. Για τη διευκόλυνση της ροής της τέφρας προς τον κοχλιομεταφορέα έχει διαμορφωθεί κατάλληλη κλίση στον πυθμένα του κάτω μέρους (203). Το κάτω μέρος (203) συνδέεται με τον με τον διανεμητή αέρα (202) μέσω φλαντζωτής ή άλλης κατάλληλης σύνδεσης. Ο διανεμητής (202) αποτελείται από δύο μεταλλικούς κυλινδρικούς αγωγούς ανάμεσα στους οποίους τοποθετείται κονίαμα ή άλλο θερμομονωτικό υλικό υψηλής θερμοκρασιακής αντοχής. Στον εξωτερικό είναι συγκολλημένες εκατέρωθεν φλάντζες ή άλλες αντίστοιχες διατάξεις σύνδεσης. Ο αέρας της διεργασίας πριν εισέλθει στον αεριοποιητή διακλαδώνεται σε δύο όμοιους συλλέκτες οι οποίοι είναι τοποθετημένοι αντιδιαμετρικά ως προς τον αεριοποιητή. Εντός του κάθε συλλέκτη είναι ομοαξονικά τοποθετημένη ηλεκτρική αντίσταση για την ταχεία προθέρμανση του αέρα της διεργασίας κατά τη φάση προθέρμανσης του αεριοποιητή. Ο αέρας εισέρχεται στο συλλέκτη όπου θερμαίνεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 200°C και στη συνέχεια διανέμεται σε τρεις ή περισσότερους αγωγούς διανομής αέρα οι οποίοι στο άκρο τους είναι τυφλοί. Ο κάθε αγωγός φέρει αριθμό οπών μέγιστης διαμέτρου 3 mm διαμέσου των οποίων ο αέρας εισέρχεται στον αεριοποιητή σε μορφή πίδακα. Ο προσανατολισμός των διανεμητών είναι κατά προτίμηση οριζόντιος αλλά μπορεί να έχει οποιαδήποτε κλίση ως προς τη διατομή του αεριοποιητή. Ο προσανατολισμός των οπών του κάθε διανεμητή είναι κατά προτίμηση κατακόρυφος αλλά μπορεί να είναι σε οποιαδήποτε άλλη διεύθυνση. Ο εσωτερικός μεταλλικός κυλινδρικός αγωγός δρα ως πλωτή έδραση για τους αγωγούς διανομής αέρα εντός του αεριοποιητή ώστε να επιτρέπεται η ελεύθερη αξονική διαστολή των αγωγών διανομής προς ελεγχόμενη διεύθυνση. Πέρα από τον εσωτερικό δακτύλιο, είναι δυνατή και η χρήση αριθμού ελασμάτων ως επιπλέον πλωτές εδράσεις για την αποφυγή λυγισμού των διανεμητών υπό το βάρος της άμμου εν λειτουργία σε υψηλή θερμοκρασία. Το άνω μέρος (201) αποτελείται από δυο κυλινδρικούς αγωγούς οι οποίοι συνδέονται αξονικά μέσω διαπλάτυνσης. Θεωρώντας ανοδική ροή, η διάμετρος του αντιδραστήρα ανάντη της διαπλάτυνσης είναι πάντα μικρότερη από την αντίστοιχη διάμετρο κατάντη της διαπλάτυνσης. Στην κατώτερη αξονικά διατομή υπάρχει φλάντζα ή οποιαδήποτε άλλη κατάλληλη διάταξη σύνδεσης με τον διανεμητή αέρα. Στην αξονική διεύθυνση ανάμεσα στη φλάντζα σύνδεσης με τον διανεμητή και τη διαπλάτυνση υπάρχουν δύο ανοίγματα τα οποία επικοινωνούν με το εξωτερικό περιβάλλον μέσω μεταλλικών αγωγών. Το πρώτο άνοιγμα είναι η είσοδος στερεού καυσίμου (212) από την οποία εισάγεται η στερεή καύσιμη ύλη, ενώ το δεύτερο άνοιγμα (213) χρησιμοποιείται είτε για τη ρύθμιση του ενεργού ύψους της κλίνης άμμου είτε μέσω μηχανικής αφαίρεσης του περιεχομένου του αεριοποιητή, είτε μέσω μηχανικής πρόσδοσης τέφρας που έχει ήδη αφαιρεθεί είτε από το κάτω μέρος του αεριοποιητή είτε από το συλλέκτη του φυγοκεντρικού κυκλώνα. Κατάντη της διαπλάτυνσης υπάρχουν επίσης δύο ή και περισσότερα ανοίγματα ενώ στο ανώτερο του σημείο ο αεριοποιητής είναι συνδεδεμένος με τυφλή φλάντζα ή άλλη διάταξη απομόνωσης. Το άνοιγμα (215) χρησιμεύει στην τροφοδοσία λεπτόκοκκων στερεών ή υγρών όπως η άμμος πλήρωσης ή υγρά καύσιμα αντίστοιχα στον αεριοποιητή. Το άνοιγμα (211) είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο ανώτερο σημείο του αεριοποιητή και μέσω μεταλλικού αγωγού το παραγόμενο αέριο εξέρχεται από τον αντιδραστήρα.

Η στερεή καύσιμη ύλη εισέρχεται στον αεριοποιητή μέσω του στομίου (212) με τη χρήση μηχανικών μέσω μεταφοράς χύδην στερεής ύλης όπως κοχλιομεταφορέας. Η στερεή καύσιμη ύλη που έχει προαιρετικά υποστεί ξήρανση ρέει εντός δεξαμενής προσωρινής αποθήκευσης η οποία συνδέεται με το στόμιο στην είσοδο στερεού καυσίμου (212). Η δεξαμενή φέρει ενσωματωμένο μετρητή υγρασίας κατάλληλο για χρήση σε χύδην πρώτες ύλες ο οποίος αναλύει σε πραγματικό χρόνο το ποσοστό υγρασίας της στερεής καύσιμης ύλης μετά το στάδιο της ξήρανσης. Η δεξαμενή είναι απομονωμένη ροϊκά από τον κοχλιομεταφορέα μέσω τυπικής διάταξης υδραυλικής απομόνωσης με ή χωρίς ρύθμιση πίεσης. Η διάταξη υδραυλικής απομόνωσης αποτελείται από δύο βαλβίδες τύπου σύρτη ή άλλης τεχνολογίας (π.χ. ροταρική βαλβίδα) κατάλληλης για χρήση σε σκόνες και σωματίδια ανάμεσα στις οποίες υπάρχει δοχείο δεδομένου όγκου το οποίο φέρει σύστημα εντοπισμού της στάθμης του στερεού υλικού. Η συγκεκριμένη διάταξη δίνει τη δυνατότητα ψευδο-συνεχούς παροχής καυσίμου σε μικρές παρτίδες. Η παρτίδα μεταφέρεται στον κοχλιομεταφορέα μέσω της ακόλουθης διαδικασίας. Αρχικά, πρώτη βαλβίδα συνδεδεμένη στον κοχλιομεταφορέα στην είσοδο του δοχείου δεδομένου όγκου είναι ανοιχτή ενώ δεύτερη βαλβίδα στην έξοδο του δοχείου δεδομένου όγκου είναι κλειστή. Η διαδικασία ξεκινάει με το κλείσιμο της πρώτης βαλβίδας και έπειτα το άνοιγμα της δεύτερης βαλβίδας που ακολουθείται από την ελεύθερη μέσω βαρύτητας ροή του στερεού καυσίμου που έχει συγκεντρωθεί στη δεξαμενή. Όταν το αισθητήριο στάθμης ανιχνεύσει υλικό τότε κλείνει η πρώτη βαλβίδα και έπειτα ανοίγει η δεύτερη βαλβίδα απελευθερώνοντας την καύσιμη ύλη στην υποδοχή του κοχλιομεταφορέα. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ελεγχόμενη παροχή καυσίμου αποτρέποντας την επιστροφή του παραγόμενου αερίου προς τη δεξαμενή και τα δυσμενή αποτελέσματα αυτού του φαινομένου (πρόωρη πυρόλυση καυσίμου και δημιουργία συσσωματωμάτων). Για την υποβοήθηση της μείωσης της επιστρεφόμενης ροής, δύναται η τροφοδοσία μικρής σχετικά παροχής αέρα ή κάποιου αδρανούς αερίου κατάντη της δεύτερης βαλβίδας ωθώντας τα θερμά επιστρεφόμενα αέρια πίσω στο εσωτερικό του αεριοποιητή. Στην περίπτωση χρήσης αέρα, η παροχή πρέπει να είναι γνωστή και να αφαιρείται από τη συνολική παροχή αέρα στη διεργασία ώστε να διατηρείται σταθερός ο λόγος παροχών αέρα-καυσίμου.

Η κατάλληλη επιλογή παραμέτρων λειτουργίας του αεριοποιητή (210), δηλαδή πίεσης, θερμοκρασίας, παροχής στερεής καύσιμης ύλης (212), αέρα (214) και πρόσθετων (216) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή αερίου με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά (π.χ. περιεκτικότητα σε αιωρούμενα σωματίδια, πίσσα κ.α.) και σε επιθυμητή θερμοκρασία (π.χ. ανάμεσα στο εύρος 650-950 °C). Η επιλογή των παραμέτρων λειτουργίας του αεριοποιητή (210) δεν είναι σημαντική στην περίπτωση της παρούσας εφεύρεσης παρά μόνο για την έλεγχο της θερμοκρασίας του παραγόμενου καύσιμου αερίου (209), ώστε αυτή να μην πλησιάσει ή υπερβεί τους περίπου 900 °C, δηλαδή την θερμοκρασία τήξης της τέφρας.

Καινοτόμα Χαρακτηριστικά και Παράμετροι Λειτουργίας του προτεινόμενου Συστήματος Η λειτουργία του αεριοποιητή στο επιλεγμένο εύρος θερμοκρασιών είναι σημαντική καθώς σε αντίθεση με άλλα γνωστά συστήματα, η παρούσα εφεύρεση επιτυγχάνει με την μη τήξη της τέφρας, την ευκολότερη, πιο αποτελεσματική και πιο αποδοτική απομάκρυνσή της από το παραγόμενο καύσιμο αέριο (209). Έτσι το μεγαλύτερο μέρος της τέφρας κατακάθεται λόγω βαρύτητας στο κατώτερο μέρος του αεριοποιητή (210) όπου αναμιγνύεται με την ρευστοστερεά άμμο (216). Η τέφρα μπορεί να αφαιρεθεί με ειδική μονάδα απαγωγής, η οποία έχει τη μορφή κοχλιομεταφορέα (217) και εδράζεται στο κατώτατο μέρος (218) του αεριοποιητή (210).

Η διάταξη του αεριοποιητή επιτρέπει την αποδοτική διεργασία σε εφαρμογές περιορισμένου χώρου και ειδικά ύψους. Αποτελεί ένα βέλτιστο συμβιβασμό ανάμεσα στο ελάχιστο υδραυλικό ύψος για την αποφυγή πνευματικής μεταφοράς λεπτών σωματιδίων και τη μέγιστη διάμετρο αντιδραστήρα για την εξασφάλιση ομοιόμορφης κατανομής του στερεού καυσίμου εντός της κλίνης του αεριοποιητή. Η ελαχιστοποίηση του ύψους του αντιδραστήρα επιτυγχάνεται με το συνδυασμό της οριζόντιας μηχανικής απομάκρυνσης τέφρας και του ειδικά σχεδιασμένου διανεμητή αέρα. Σε εφαρμογές μεγάλης κλίμακας, όπως συνήθως είναι οι βιομηχανικές εφαρμογές ρευστοποιημένης κλίνης, η απομάκρυνση του πληρωτικού υλικού γίνεται από το κατώτατο σημείο της κλίνης μέσω κατακόρυφου συστήματος βανών υδραυλικής απομόνωσης. Το βασικό πλεονέκτημα του υποσυστήματος απομάκρυνσης τέφρας είναι η ελαχιστοποίηση του ύψους του σε σχέση με άλλες διατάξεις, μέσω του οριζόντιου προσανατολισμού του, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη απομάκρυνση με μηχανικά μέσα χωρίς να απαιτεί ζωτικό χώρο κάτω από την κλίνη. Παράλληλα, με την τοποθέτηση του συλλέκτη του διανεμητή αέρα εκτός του αντιδραστήρα, εξοικονομείται ωφέλιμος όγκος αεριοποίησης επιτρέποντας τη μείωση του συνολικού ύψους της κλίνης. Η βασική αρχή σχεδιασμού διανεμητή είναι η ομοιόμορφη παροχή αέρα σε όλη τη διατομή του αντιδραστήρα σύμφωνα με τα κριτήρια του V.E. Senecal (V.E. Senecal, “Fluid distribution in Process Equipment<^>, Ind. Eng. Chem. 1957, 49, 6, 993-997).

Στα υπάρχοντα συστήματα αεριοποίησης (βλ. CN104093481A) το αεροφυλάκιο (plenum, wind box) βρίσκεται κάτω από την κλίνη και διακρίνεται από αυτή μέσω διάτρητων ή πορώδων ελασμάτων ή δακτυλίων που αποτελούν τον διανεμητή αέρα. Η τοποθέτηση του αεροφυλακίου κάτω από την κλίνη εξισορροπεί την πίεση και επιτρέπει την συσσώρευση αέρα σε όλο τον όγκο του αεροφυλακίου και κατά συνέπεια την ομοιόμορφη ροή από τις οπές του διανεμητή. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η απομάκρυνση της τέφρας αποτελεί πρόκληση και συνήθως γίνεται μέσω κεκλιμένου αγωγού αρνητικής κλίσης σε κάποιο ύψος πάνω από το διανεμητή με αποτέλεσμα να υπάρχει πάντα μη προσβάσιμος όγκος, ανάμεσα στο διανεμητή και την είσοδο του κεκλιμένου αγωγού, στον οποίο συσσωρεύεται τέφρα.

Σε άλλες εφαρμογές (βλ. CN106336905A, W02020071908A1), για την πλήρη απομάκρυνση της τέφρας υπάρχει κατακόρυφο άνοιγμα στο κάτω μέρος του αεριοποιητή. Περιμετρικά του ανοίγματος, και για να μην εμποδίζεται η καθοδική ροή της κλίνης, ο διανεμητής αέρα αποτελείται από διάτρητο κωνικό έλασμα εντός της κλίνης το οποίο διακρίνει εσωτερικά το αεροφυλάκιο από την κλίνη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η τέφρα απομακρύνεται εξ ολοκλήρου αλλά η ομοιόμορφη παροχή του αέρα από τον διανεμητή αποτελεί πρόβλημα.

Η παρούσα εφεύρεση τοποθετεί τον συλλέκτη εκτός του αεριοποιητή χωρίς να επηρεάζει την εσωτερική διάμετρο και το ύψος της κλίνης. Μέσα από τη συμμετρική διανομή αέρα επιτυγχάνεται ομοιόμορφη ροή στο εσωτερικό του αεριοποιητή ενώ αποφεύγεται και η επικάθιση τέφρας και άμμου στα θερμαντικά στοιχεία εντός του αεροφυλακίου, ένα φαινόμενο που προκαλεί μείωση στη θερμική απόδοση και στη διάρκεια ζωής των θερμαντικών στοιχείων.

Με τη χρήση αισθητηρίου υγρασίας στην δεξαμενή προσωρινής τροφοδοσίας, το σύστημα ελέγχου αναγνωρίζει το πραγματικό ενεργειακό περιεχόμενη της στερεής καύσιμης ύλης που εισέρχεται στον αεριοποιητή και ρυθμίζει ανάλογα την παροχή αέρα ώστε να διατηρείται ο επιθυμητός λόγος ισοδυναμίας αέρα (0,2 έως 0,5) δίνοντας τη δυνατότητα για αξιοποίηση μη τυποποιημένων στερεών καυσίμων με ελάχιστη επίδραση στην σταθερότητα της λειτουργίας του αεριοποιητή. Ο έλεγχος της παροχής αέρα και της παροχής στερεού καυσίμου υλοποιείται μέσω κατάλληλων ρυθμιστών περιστροφικής ταχύτητας (inverter) του εκάστοτε τροφοδότη.

Εναλλακτικές Υλοποιήσεις του Αεριοποιητή

Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του αεριοποιητή (210), η διατομή του αντιδραστήρα μπορεί να είναι τετραγωνική, ορθογωνική ή να έχει οποιοδήποτε άλλο σχήμα ενώ η επένδυση κονιάματος μπορεί να διατρέχεται από σωλήνες διαμέσου των οποίων ρέει ο αέρας της διεργασίας και προθερμαίνεται πριν οδεύσει προς τον διανεμητή αέρα. Σε εναλλακτικό παράδειγμα υπάρχει η δυνατότητα ο αεριοποιητής να μην είναι επενδυμένος με κονίαμα και η προστασία του μεταλλικού αγωγού να γίνεται μέσω της προθέρμανσης του αέρα της διεργασίας. Επίσης, σε όλο το ύψος του αεριοποιητή εσωτερικά μπορεί να είναι τοποθετημένα ελάσματα (δηλαδή μέσα για την αύξηση του χρόνου παραμονής του αερίου εντός του αεριοποιητή) σε κατάλληλη απόσταση και κλίση για να δημιουργούν εσωτερική ανακυκλοφορία ή για να αυξάνουν την πραγματική απόσταση που διανύει το παραγόμενο αέριο σε υψηλή θερμοκρασία και άρα το χρόνο παραμονής. Σε εναλλακτικά παραδείγματα το άνοιγμα (213) μπορεί να είναι κεκλιμένο με γωνία < 90° ως προς το έδαφος και να δρα ως υδραυλική προστασία υπερχείλισης για τον έλεγχο της στάθμης κλίνης στον αεριοποιητή.

Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του αεριοποιητή, ο διανεμητής αέρα μπορεί να αποτελείται από κατακόρυφους ή κεκλιμένους αγωγούς. Αντί διάτρητων αγωγών μπορεί να χρησιμοποιηθούν διάτρητα ελάσματα ή πλέγματα ικανά να συγκρατήσουν το βάρος της κλίνης. Σε κάθε παράδειγμα υλοποίησης, υπάρχει επαρκές διάκενο τυπικά μεγαλύτερο των 2 cm στη διατομή του αεριοποιητή ώστε να μην παρεμποδίζεται η ελεύθερη καθοδική ροή του υλικού προς τη διάταξη απομάκρυνσης τέφρας που βρίσκεται στο κατώτατο μέρος του αεριοποιητή.

Σε εναλλακτικά παραδείγματα της διάταξης τροφοδοσίας στερεής καύσιμης ύλης, ο κοχλιομεταφορέας αντικαθίσταται από κεκλιμένο αγωγό με γωνία > 90° ως προς το έδαφος μέσω του οποίου βαρυτικά μεταφέρεται η καύσιμη ύλη εντός της κλίνης του αεριοποιητή. Σε άλλα παραδείγματα, ο κοχλιομεταφορέας μπορεί να αντικατασταθεί από δύο ή περισσότερους κοχλιομεταφορείς με ενδιάμεσα στάδια απομόνωσης με στόχο πάντα την ελαχιστοποίηση της επιστρεφόμενης θερμής ροής από το εσωτερικό του αεριοποιητή προς τη διάταξη τροφοδοσίας.

Σε εναλλακτικά παραδείγματα για τη διάταξη απομάκρυνσης τέφρας, η μονάδα απαγωγής της τέφρας μπορεί να μετακινηθεί σε άλλο σημείο του κατώτερου τμήματος του αεριοποιητή (210), ενώ ο κοχλίας μπορεί να αντικατασταθεί με άλλο μηχανισμό. Παράδειγμα τέτοιου μηχανισμού μπορεί να είναι μηχανισμός τύπου πύλης ή βάνας ο οποίος ανοίγει και κλείνει για να επιτρέψει την απαγωγή της τέφρας και της άμμου (216) μέσω βαρύτητας.

Προαιρετικά ο αεριοποιητής (210) είναι συνδεδεμένος μέσω του μηχανισμού απαγωγής της τέφρας και βάνας (219) με μονάδα καθαρισμού άμμου η οποία διαχωρίζει την άμμο (216) από την τέφρα και τροφοδοτεί την ανακτημένη άμμο (216) πίσω στον αεριοποιητή (210). Η μονάδα καθαρισμού άμμου (205) μπορεί να έχει τη μορφή κόσκινου με κατάλληλο μέγεθος οπής ώστε να κατακρατά την άμμο ή εναλλακτικά μπορεί να έχει τη μορφή στροβίλου ή άλλης γνωστής τεχνολογίας κατάλληλης για τον βαρυτικό διαχωρισμό της άμμου (216) από την τέφρα.

Καινοτόμα Χαρακτηριστικά και Παράμετροι Λειτουργίας του προτεινόμενου Κυκλώνα Το υποσύστημα επεξεργασίας του αερίου αποτελείται από τρία στάδια καθαρισμού. Στο πρώτο στάδιο (πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου (220)) ψύχεται το καύσιμο αέριο σε θερμοκρασία κατάλληλη για τροφοδοσία του στο επόμενο στάδιο και προαιρετικά απομακρύνονται τα σωματίδια μεγάλης διαμέτρου μέσω κυκλωνισμού, στο δεύτερο στάδιο (μονάδα φίλτρων (240)) απομακρύνεται το σύνολο του σωματιδιακού φορτίου του αερίου με τη χρήση φίλτρων φραγής, ενώ στο προαιρετικό τρίτο στάδιο (δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου (230)) απομακρύνονται συμπυκνώματα μέσω ψύξης του αερίου και διαχωρισμού των σταγονιδίων.

Το παραγόμενο καύσιμο αέριο, το οποίου περιέχει σωματίδια διαφορετικής διαμέτρου, τροφοδοτείται από την έξοδο (211) του αεριοποιητή (210) μέσω σωλήνα σε μονάδα φυγοκεντρικού κυκλώνα (220) η οποία κατακρατεί στο κατώτερο μέρος της σωματίδια μεγαλύτερων επιλεγμένης διαμέτρου ( π.χ. 5 μm) που αιωρούνται στο καύσιμο αέριο (209). Η μονάδα κυκλώνα μπορεί να είναι υγρού ή ξηρού τύπου, ενώ σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης μπορεί να αντικατασταθεί από άλλου τύπου μονάδα κατακράτησης μεγάλων σωματιδίων η οποία βασίζεται σε διαφορετική τεχνολογία (π.χ. ηλεκτροστατικός κατακρημνιστής) ή και να απαλειφθεί αυτό το στάδιο διαχωρισμού εντελώς.

Τα διαχωρισμένα σωματίδια απάγονται από το κατώτερο μέρος της μονάδας κυκλώνα (220) με χρήση ειδικής διάταξης απαγωγής, η οποία έχει τη μορφή κοχλία (222) και εδράζεται στο κατώτατο μέρος της μονάδας κυκλώνα (220).

Εναλλακτικές Υλοποιήσεις του κυκλώνα (220)

Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης, ο κυκλώνας μπορεί είτε να απαλειφθεί εντελώς είτε να λειτουργεί σε σειρά με δεύτερο πιο αποδοτικό κυκλώνα είτε με φίλτρο άλλης τεχνολογίας (π.χ. ηλεκτροστατικό κατακρημνιστή). Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης της μονάδα κυκλώνα (220), η μονάδα απαγωγής των μεγάλων σωματιδίων μπορεί να μετακινηθεί σε άλλο σημείο του κατώτερου τμήματος της μονάδα κυκλώνα (220), ενώ ο κοχλίας μπορεί να αντικατασταθεί με άλλο μηχανισμό μεταφοράς. Παράδειγμα τέτοιου μηχανισμού μπορεί να είναι μηχανισμός τύπου πύλης ο οποίος επιτρέπει την απαγωγή των κατακρατούμενων σωματιδίων μέσω βαρύτητας. Βάνα (221) συνδέεται στην έξοδο της μονάδας απαγωγής των μεγάλων σωματιδίων και συγκεκριμένα μετά τον κοχλία (222) όταν αυτός είναι συνδεδεμένος στη μονάδα κυκλώνα (220).

Καινοτόμα Χαρακτηριστικά και Παράμετροι Λειτουργίας της προτεινόμενης Μονάδας Φίλτρων

Η έξοδος του καύσιμου αερίου, προαιρετικά απαλλαγμένου από μεγάλα σωματίδια, γίνεται μέσω σωλήνας (225) η οποία τροφοδοτεί το αέριο σε μονάδα φίλτρων (240) για την αφαίρεση του υπόλοιπου σωματιδιακού φορτίου που αποτελείται κυρίως από σωματίδια στο εύρος διαμέτρων 0,05-5 pm. Η μονάδα φίλτρων (240) αποτελείται από τουλάχιστον δύο πανομοιότυπες (ή μη) συστοιχίες φίλτρων σε παράλληλη διάταξη. Μέσω της χρήσης τουλάχιστον δύο φίλτρων, παράλληλα συνδεδεμένων μεταξύ τους τα οποία λειτουργούν ταυτοχρόνως ή εναλλάξ, επιτυγχάνεται η δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών για την απρόσκοπτη λειτουργία του συστήματος (200) και πιο συγκεκριμένα η δυνατότητα ελεγχόμενου καθαρισμού των φίλτρων χωρίς να επηρεάζεται η παραγωγικότητα της μονάδας, δηλαδή χωρίς να διακοπεί η λειτουργία της μονάδας κατά τη διάρκεια του καθαρισμού ενός ή περισσότερων φίλτρων.

Για λόγους ευκρινέστερης απεικόνισης, το παράδειγμα του Σχήματος 2 παρουσιάζει δύο φίλτρα, 1° φίλτρο (241) και 2° φίλτρο (242) σε παράλληλη συνδεσμολογία. Τα άτομα με γνώση του τεχνικού αντικειμένου της εφεύρεσης εύκολα αναγνωρίζουν ότι περισσότερα των απεικονιζόμενων δύο φίλτρων μπορούν να συνδεθούν παράλληλα χωρίς η συνδεσμολογία αυτή να αποκλίνει από τον επιδιωκόμενο σκοπό της εφεύρεσης. Για το σκοπό αυτό, δηλαδή για την επίτευξη της δυνατότητας καθαρισμού ενός (ή περισσοτέρων φίλτρων) χωρίς τη διακοπή της λειτουργίας του συστήματος (200), το κάθε φίλτρο (241, 242) τοποθετείται σε περιέκτη ανεξάρτητο από τους περιέκτες των υπολοίπων φίλτρων. Ο περιέκτης συνδέεται στην είσοδό του με ανεξάρτητη σωλήνα (226, 227), αντίστοιχα για το 1° (241) και 2° (242) φίλτρο, και στην έξοδό του με ανεξάρτητη σωλήνα (236, 237), αντίστοιχα για το 1° (241) και 2° (242) φίλτρο. Οι σωλήνες (226, 227) αποτελούν διακλάδωση της σωλήνας (225) που συνδέει την έξοδο της μονάδας κυκλώνα (220) με την είσοδο της μονάδας φίλτρων (240), και οι σωλήνες (236, 237) συγκλίνουν στη σωλήνα (239) που συνδέει την έξοδο της μονάδας φίλτρων (240) με το συμπυκνωτή πίσσας (230). Οι σωλήνες (226, 227) περιλαμβάνουν βάνες (246, 247) πριν τις εισόδους των φίλτρων (241, 242), αντίστοιχα, και βάνες (234, 235) μετά τις εξόδους των φίλτρων (241, 242), αντίστοιχα.

Με την χρήση των φίλτρων της μονάδας φίλτρων (240), τα φίλτρα (241, 242) κατακρατούν σχεδόν το σύνολο του σωματιδιακού φορτίου του αερίου που τροφοδοτεί τη μονάδα φίλτρων (240). Σταδιακά, η συσσώρευση σωματιδίων στην επιφάνεια των φίλτρων δημιουργεί μία μάζα τύπου «κέικ» (filter cake) η οποία προκαλεί αύξηση της πτώσης πίεσης και μειώνει την ενεργειακή αποδοτικότητα του συστήματος (200). Για το λόγο αυτό, τα φίλτρα (241, 242) πρέπει να καθαρίζονται περιοδικά και κατά προτίμηση όταν η πτώση πίεσης υπερβεί ένα προκαθορισμένο άνω όριο.

Καινοτόμα Χαρακτηριστικά και Παράμετροι Λειτουργίας του προτεινόμενου Συμπυκνωτή Το, απαλλαγμένο από σωματίδια, αέριο που εξέρχεται από τη μονάδα φίλτρων (240) διοχετεύεται, μέσω της σωλήνας (239), στην οποία συγκλίνουν οι σωλήνες (236, 237), στον συμπυκνωτή (230) για την αφαίρεση της πίσσας και άλλων υγροποιημένων ενώσεων. Η πίσσα, οι υδρατμοί και λοιπές ενώσεις μετά την ψύξη του αερίου συμπυκνώνονται και κατακάθονται στα τοιχώματα της διάταξης και, λόγω βαρύτητας ρέουν προς το κατώτερο μέρος του συμπυκνωτή (230) όπου υπάρχει δεξαμενή συλλογής. Η απαγωγή των συμπυκνωμάτων από τη δεξαμενή συλλογής γίνεται με χρήση απλής αντλίας υδάτων (232), η οποία εδράζεται εντός ή εκτός της δεξαμενής συλλογής.

Η αρχή λειτουργίας του συμπυκνωτή είναι η ψύξη του αερίου από τους περίπου 400°C μέχρι τη θερμοκρασία των περίπου 50°C για τη συμπύκνωση της περιεχόμενης υγρασίας και πίσσας και την αφαίρεση τους από το προς αξιοποίηση αέριο. Ενδεικτικά, εφαρμόζεται εναλλάκτης θερμότητας διπλού ομοαξονικού σωλήνα. Στον εσωτερικό σωλήνα ρέει το προς ψύξη αέριο ενώ στον εξωτερικό που περικλείει τον εσωτερικό ρέει το ψυκτικό μέσο. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η ψύξη επιτυγχάνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο στον εξωτερικό σωλήνα ρέει ο αέρας της διεργασίας ο οποίος και προθερμαίνεται πριν εισέλθει στον αεριοποιητή ανακτώντας μέρος της θερμότητας. Στο δεύτερο στάδιο, στον εξωτερικό σωλήνα ρέει ψυκτικό μέσο το οποίο αποδίδει τη θερμότητα στον εναλλάκτη θερμότητας του αερόθερμου που θερμαίνει τον αέρα ξήρανσης. Ο διπλός σωλήνας έχει κατά προτίμηση κατακόρυφο προσανατολισμό και εκτελεί αριθμό διαδρομών ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας. Στο κατώτατο σημείο κάθε διαδρομής υπάρχει αγωγός αποδοχής των συμπυκνωμάτων που συνδέεται με τη δεξαμενή συλλογής. Στην επιθυμητή υλοποίηση, ο εσωτερικός σωλήνας αποτελείται από ευθύγραμμα τμήματα σωλήνα χωρίς εσωτερικές διαμορφώσεις για να είναι πιο εύκολος ο καθαρισμός των τοιχωμάτων κατά τη συντήρηση. Ο εξωτερικός σωλήνας φέρει πτερύγια ενίσχυσης του συντελεστή μετάδοσης θερμότητας. Στην επιθυμητή υλοποίηση, τα πτερύγια έχουν τη μορφή κοχλία και αναγκάζουν το ψυκτικό μέσο σε ελικοειδή διαδρομή γύρω από τον εσωτερικό σωλήνα αυξάνοντας την ταχύτητα του ψυκτικού μέσου και άρα το συντελεστή συναγωγής. Τα πτερύγια μπορούν να έχουν οποιαδήποτε άλλη μορφή ενισχύει το συντελεστή μετάδοσης θερμότητας ανάμεσα στα ρευστά ρεύματα εντός των δύο σωλήνων όπως για παράδειγμα εγκάρσιοι δακτύλιοι ή διαμήκη ελάσματα.

Μέσω της αφαίρεσης σχεδόν του συνόλου του σωματιδιακού φορτίου του παραγόμενου αερίου, τα συμπυκνώματα που δημιουργούνται στον συμπυκνωτή δεν περιέχουν στερεές ακαθαρσίες και έχουν κατά συνέπεια ευνοϊκότερα ροϊκά χαρακτηριστικά, σε σχέση με συμπυκνώματα που δημιουργούν λασπώδη λύματα καθώς υγροποιούνται πάνω στα σωματίδια. Τα ευνοϊκά χαρακτηριστικά επιτρέπουν την ευκολότερη ροή προς το συλλέκτη συμπυκνωμάτων με ελαχιστοποίηση συσσωμάτωσης στα τοιχώματα και στις βάνες του συμπυκνωτή και επομένως μικρότερη ανάγκη για συντήρηση και πιο οικονομική λειτουργία. Επίσης, λόγω της ρευστής μορφής του συμπυκνώματος, η αφαίρεσή του γίνεται εύκολα μέσω μη εξειδικευμένης αντλίας χωρίς να απαιτείται διακοπή της λειτουργίας της μονάδας παραγωγής αερίου.

Εναλλακτικές Υλοποιήσεις του Συμπυκνωτή

Σε εναλλακτικές εφαρμογές υλοποίησης του συμπυκνωτή, ο εναλλάκτης θερμότητας μπορεί να είναι άλλης τεχνοτροπίας όπως σωλήνα-κελύφους μίας ή περισσότερων διαδρομών ή ελικοειδούς εναλλάκτη. Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του συμπυκνωτή (230), η μονάδα απαγωγής συμπυκνωμάτων μπορεί να μετακινηθεί σε άλλο σημείο του κατώτερου τμήματος του συμπυκνωτή (230), ενώ η αντλία μπορεί να αντικατασταθεί με άλλο μηχανισμό ή διάταξη. Ο συμπυκνωτής (230) συνήθως έχει τη μορφή εναλλάκτη θερμότητας διπλού σωλήνα, αλλά μπορεί επίσης να πάρει τη μορφή ψύκτη ηλεκτρικού ή αερίου ή ενός συμπυκωντή τύπου συγκλίνοντος-αποκλίνοντος ακροφυσίου ή κάποιου είδους υγρό κατακρημνιστή.

Στη συνέχεια, το αέριο εξέρχεται καθαρό από την έξοδο του συμπυκνωτή (230) και διοχετεύεται μέσω σωλήνας (260) σε διάταξη αξιοποίησης όπως μηχανή εσωτερικής καύσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή αποθηκεύεται σε δεξαμενή αερίου υπό πίεση για μελλοντική χρήση. Ο κινητήρας και η δεξαμενή δεν απεικονίζονται στο Σχήμα 2.

Το σύστημα περιλαμβάνει επίσης μονάδα ελέγχου λειτουργίας η οποία δεν απεικονίζεται στο Σχήμα 2.

Καθαρισμός φίλτρων χωρίς διακοπή της λειτουργίας του συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου

Σε αντίθεση με τη στάθμη τεχνικής, η παρούσα εφεύρεση επιτρέπει τον καθαρισμό των φίλτρων (241, 242) με χρήση πεπιεσμένου αέρα χωρίς τη διακοπή της εύρυθμης λειτουργίας του συστήματος (200) ενώ σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας του πεπιεσμένου αέρα εξασφαλίζει την ελαχιστοποίηση της θερμικής καταπόνησης στα στοιχεία φίλτρανσης κατά τον καθαρισμό. Οι βάνες (246, 234) όπως και οι βάνες (247, 235) είναι ανοικτές όταν το σύστημα λειτουργεί ούτως ώστε το αέριο να διοχετεύεται στα φίλτρα (241, 242).

Παίρνοντας σαν παράδειγμα τον καθαρισμό του 1<ου>φίλτρου (241), ενώ το 2° φίλτρο (242) είναι σε λειτουργία, η μονάδα ελέγχου του συστήματος (200) (δεν απεικονίζεται στο Σχήμα 2) προβαίνει στην απομόνωση του 1<ου>φίλτρου (241) από το υπόλοιπο σύστημα (200) με κλείσιμο των βανών (246) στην είσοδο και (234) στην έξοδο του 1<ου>φίλτρου (241) και του περιέκτη του. Με το κλείσιμο των βανών (246, 234) παύει η εισαγωγή και η εξαγωγή αερίου στο 1° φίλτρο (241) και στον περιέκτη του.

Ο καθαρισμός των φίλτρων (241 , 242) γίνεται με διοχέτευση πεπιεσμένου αέρα από την έξοδο προς την είσοδο του φίλτρου, δηλαδή στην αντίθετη κατεύθυνση από την φορά ροής του αερίου όταν το φίλτρο είναι σε λειτουργία. Πεπιεσμένος αέρας είναι αποθηκευμένος σε δοχείο πίεσης (251) με αέρα που παρέχεται από συμπιεστή ή φτερωτή (250) μέσω σωλήνων (254, 255) οι οποίοι συνδέονται στις εξόδους του περιέκτη των φίλτρων (241, 242), αντίστοιχα. Το δοχείο πίεσης (251) φέρει σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας του αποθηκευμένου ρευστού που αποτελείται από μία ή περισσότερες ηλεκτρικές θερμάστρες και θερμοστάτη. Οι σωλήνες (254, 255) φέρουν βάνες (252, 253), αντίστοιχα, οι οποίες βάνες (252, 253) είναι κλειστές κατά τη λειτουργία των φίλτρων (241, 242) ώστε το απαλλαγμένο από σωματίδια αέριο στην έξοδο των φίλτρων (241, 242) να μην διοχετεύεται στον συμπιεστή (250) αλλά στις σωλήνες (236, 237).

Κατά τον καθαρισμό του 1<ου>φίλτρου (241), επιπρόσθετα των κλειστών βανών (246, 234), ανοίγει η βάνα (252) για την παροχή του πεπιεσμένου αέρα στην έξοδο του φίλτρου (241) για τον καθαρισμό του. Με τη διοχέτευση του πεπιεσμένου αέρα στο φίλτρο (241), η στρώση υλικού αποκολλάται από τα κανάλια εισόδου του φίλτρου και προσκρούει στην κάτω επιφάνεια του περιέκτη του φίλτρου (241), ενώ παράλληλα κλείνει η βάνα (252), απομονώνοντας το φίλτρο (241) και τον περιέκτη του από τον συμπιεστή (250). Η σωματιδιακή μάζα που προκύπτει από τον καθαρισμό του φίλτρου (241) κατακάθεται στο κατώτερος μέρος του περιέκτη του φίλτρου (241) από όπου και απάγεται με χρήση ειδικής μονάδας απαγωγής, η οποία έχει τη μορφή κοχλία (244). Ο αέρας που έχει εκτονωθεί εντός του περιέκτη στη συνέχεια διαπερνά εκ νέου το φίλτρο και εξάγεται καθαρός από τη μονάδα στο εξωτερικό περιβάλλον μέσω των βανών (272, 273) οι οποίες ανοίγουν ενώ παραμένουν κλειστές οι βάνες (234, 235) εξόδου προς τον συμπυκνωτή. Οι βάνες (272, 273) στην απεικονιζόμενη υλοποίηση βρίσκονται συνδεδεμένες στο με τις μονάδες απαγωγής (244, 245), ενώ συνηθέστερα, σε εναλλακτική υλοποίηση (η οποία δεν απεικονίζεται), είναι συνδεδεμένες σε διακλαδώσεις των αγωγών (236, 237), οι οποίες βρίσκονται πριν τις βάνες (234, 235), αντίστοιχα.

Εναλλακτικές υλοποιήσεις μονάδας φίλτρων και διαδικασίας καθαρισμού των φίλτρων Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης της μονάδα φίλτρων (240), η μονάδα απαγωγής των μικρών σωματιδίων μπορεί να μετακινηθεί σε άλλο σημείο του κατώτερου τμήματος της μονάδας φίλτρων (240), ενώ ο κοχλίας μπορεί να αντικατασταθεί με άλλο μεταφορικό μηχανισμό. Παράδειγμα τέτοιου μηχανισμού μπορεί να είναι μηχανισμός τύπου πύλης ο οποίος ανοίγει και κλείνει για να επιτρέψει την απαγωγή των λεπτόκοκκων σωματιδίων μέσω πνευματικής μεταφοράς ή βαρύτητας.

Η εισαγωγή πεπιεσμένου αέρα για τον καθαρισμό (back flushing) του 1<ου>φίλτρου (241 ) μπορεί να επαναληφθεί πριν το νέο κύκλο φόρτισης αν αυτό κριθεί αναγκαίο από το σύστημα ελέγχου και συγκεκριμένα από τον ρυθμό αύξησης πτώσης πίεσης στο φίλτρο κατά τον κύκλο φόρτισής του.

Πλεονεκτήματα των διαφορετικών υλοποιήσεων της μονάδας φίλτρων και της διαδικασίας καθαρισμού τους

Ο λόγος που ο καθαρισμός του φίλτρου (241) με ένα μόνο παλμό αέρα υπό πίεση είναι αποτελεσματικός έγκειται στη τρόπο λειτουργίας του συστήματος (200) και του φίλτρου (241). Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα λειτουργεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες της θερμοκρασίας τήξης ή μαλάκυνσης της τέφρας, ενώ πίσσες και λοιπές πτητικές ενώσεις βρίσκονται ακόμα σε αέρια μορφή καθώς η θερμοκρασία του αερίου που εισέρχεται στη μονάδα φίλτρων είναι περίπου 350 με 550 °C. Το αποτέλεσμα των πιο πάνω συνθηκών λειτουργίας και σχεδιασμού του συστήματος (200) επιτρέπουν ακόμα και σε αέριο με μεγάλη περιεκτικότητα σε τέφρα, όπως αυτό που παράγεται από στερεά γεωργικά κλπ. υπολείμματα, να φιλτράρεται από τη μονάδα φίλτρων (240) χωρίς οι πίσσες να συμπυκνώνονται και να επικολλώνται στις σωληνώσεις, στο φίλτρο και στη σωματιδιακή στρώση πάνω στην επιφάνεια του φίλτρου. Έτσι, το κατακρατούμενο υλικό δεν περιέχει κολλώδεις ουσίες όπως πίσσα ή εύπλαστη τέφρα και μπορεί εύκολα να αποκολληθεί με πεπιεσμένο αέρα (μέχρι 6 bar) ενός παλμού. Περισσότεροι παλμοί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις που παρατηρηθεί ανωμαλία και πιο συγκεκριμένα απότομη αύξηση της πτώσης πίεσης ανάμεσα σε δύο κύκλους φόρτισης του ίδιου φίλτρου.

Με την προαναφερόμενη μέθοδο καθαρισμού η πίεση αέρα που διοχετεύεται στο φίλτρο δεν δημιουργεί στα στοιχεία του φίλτρου μηχανική καταπόνηση ικανή να προξενήσει ζημιές ούτε κατά τον καθαρισμό του φίλτρου, ούτε σε βάθος χρόνου μετά από πληθώρα κύκλων καθαρισμού.

Επίσης η διοχέτευση αέρα για τον καθαρισμό του φίλτρου (241) δεν δημιουργεί θερμικό σοκ ικανό να προκαλέσει βλάβη στο φίλτρο (241) κατά τη διάρκεια του καθαρισμού, ούτε σε βάθος χρόνου μετά από πληθώρα κύκλων καθαρισμού καθώς η θερμοκρασία του πεπιεσμένου ρευστού που εισέρχεται στο φίλτρο (241) και στον περιέκτη του είναι ελεγχόμενη ώστε να μην υπάρχει κρίσιμη θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στο προς καθαρισμό φίλτρο (241) και του αέρα που διοχετεύεται σε αυτό. Ανάλογα με το υλικό και τη γεωμετρία του στοιχείου φίλτρανσης, μπορεί να υπολογιστεί πειραματικά η ανεκτή διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο προς καθαρισμό φίλτρο (241) και στον αέρα που διοχετεύεται στο φίλτρο (241) ώστε να μην δημιουργείται θερμικό σοκ που θα μπορούσε να προκαλέσει αστοχία στο φίλτρο (241). Ενδεικτικά, η διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο προς καθαρισμό φίλτρο (241) και στον αέρα που διοχετεύεται στο φίλτρο (241) είναι ±50°C. Τέτοια διαφορά θερμοκρασίας είναι ικανή για την αποφυγή ανάπτυξης αξονικών τάσεων λόγω θερμικής καταπόνησης μεγαλύτερων από το όριο αντοχής κεραμικών στοιχείων φίλτρανσης από υλικό κορδιερίτη (Mg2Al4Si50i8) και πάχος τοιχώματος μεγαλύτερο από 1 mm.

Η παρούσα εφεύρεση λύνει το πρόβλημα του θερμικού σοκ κάνοντας χρήση των πιο πάνω πειραματικών δεδομένων για τον επιλεγμένο τύπο φίλτρου (241) και ρυθμίζει τη διοχέτευση του πεπιεσμένου αέρα στο προς καθαρισμό και απομονωμένο από το υπόλοιπο σύστημα (200), φίλτρο (241), όταν η θερμοκρασία του φίλτρου (241) είναι χαμηλότερη από κατώφλι το οποίο σε συνδυασμό με την θερμοκρασία του πεπιεσμένου αέρα δεν καθιστούν διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στο φίλτρο (241) και τον πεπιεσμένο αέρα ικανή να δημιουργήσει θερμικό σοκ βλαπτικό για το φίλτρο (241) όπως αυτή η διαφορά θερμοκρασίας έχει πειραματικά υπολογιστεί για το επιλεγμένο φίλτρο (241).

Η πιο πάνω διαδικασία απαιτεί συγκεκριμένο χρόνο ώστε το φίλτρο (241) να ψυχθεί στην επιθυμητή θερμοκρασία και ο οποίος χρόνος εξαρτάται από την θερμοκρασία λειτουργίας του φίλτρου (241), τη θερμοκρασία του πεπιεσμένου αέρα, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος χώρου της μονάδας φίλτρων (240) και των υπολοίπων φίλτρων και των περιεκτών τους που περιέχει η μονάδα φίλτρων (240).

Σε εναλλακτικό παράδειγμα υλοποίησης του συστήματος (200), αντί για πεπιεσμένο αέρα, ο καθαρισμός του φίλτρου γίνεται με την αντίστροφη εκτόνωση αδρανούς αερίου όπως άζωτο ή αργό σε ελεγχόμενη θερμοκρασία. Σε άλλο παράδειγμα, ο καθαρισμός του φίλτρου μπορεί να γίνει με τη χρήση ατμού ή εξευγενισμένου αερίου στη θερμοκρασία λειτουργίας του φίλτρου κατά τον κύκλο καθαρισμού. Σε άλλο παράδειγμα, βοηθητική παροχή ατμού ή αέρα διοχετεύεται στο φίλτρο κατά τη φόρτιση μαζί με το προς καθαρισμό αέριο. Μέσω της παροχής ατμού ή αέρα δίνεται το απαραίτητο οξυγόνο για την οξείδωση των σωματιδίων πάνω στο φίλτρο επιμηκύνοντας τον κύκλο φόρτισης λόγω κατανάλωσης μέρους του σωματιδιακού φορτίου κατά την φόρτιση του φίλτρου. Σε εναλλακτικό παράδειγμα υλοποίησης, ο καθαρισμός γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο διενεργείται ο καθαρισμός όπως έχει περιγράφει στην επιθυμητή υλοποίηση και στο δεύτερο στάδιο παρέχεται στο φίλτρο αέρας ατμοσφαιρικής πίεσης σε υψηλή παροχή για την οξείδωση του σωματιδιακού φορτίου που έχει παραμείνει στην επιφάνεια του φίλτρου.

Σε εναλλακτικό παράδειγμα υλοποίησης του συστήματος (200), τα φίλτρα του συστήματος φίλτρων (240) επικαλύπτονται ή εμβαπτίζονται με καταλυτικό υλικό κατάλληλο για την διάσπαση πίσσας ή/και άλλων πτητικών ενώσεων ώστε αυτές, απουσία συμπύκνωσής τους, καθώς η μονάδα φίλτρων είναι συνδεδεμένη στο σύστημα (200) πριν τον συμπυκνωτή (230), διασπώνται σε αέρια συστατικά ώστε να μειωθεί η ποσότητα πίσσας και η ανάγκη για τη συμπύκνωση και την αφαίρεσή της σε υγρή φάση. Σε αυτό το παράδειγμα υλοποίησης, η θερμοκρασία λειτουργίας του φίλτρου εξαρτάται από το καταλυτικό υλικό που χρησιμοποιείται και μπορεί να αυξηθεί μέχρι και τους 800°C.

Σε διαφορετικό παράδειγμα υλοποίησης του συστήματος (200), τοποθετείται μία προαιρετική θερμαντική μονάδα (251) ανά σωλήνωση (254, 255) ώστε να είναι δυνατός ο καθαρισμός περισσότερων του ενός φίλτρου ταυτόχρονα, σε περιπτώσεις που η μονάδα φίλτρων (240) περιέχει περισσότερα από δύο φίλτρα. Έτσι μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια η επιθυμητή θερμοκρασία του πεπιεσμένου αέρα για τον ταυτόχρονο καθαρισμό καθενός από τα περισσότερα του ενός φίλτρα μέσα στην μονάδα φίλτρων (240).

Μετά το πέρας του καθαρισμού του φίλτρου (241) με την διοχέτευση του πεπιεσμένου αέρα, την συλλογή των αποκολλημένων σωματιδίων στο κατώτερο μέρος του περιέκτη του φίλτρου (241), και την απαγωγή τους από το κατώτερο μέρος του περιέκτη του φίλτρου (241) με χρήση της μονάδας απαγωγής (π.χ. του κοχλία (244)) κλείνει η βάνα (272), έχουν ήδη κλείσει η βάνα (252) και οι βάνες (246, 234) οπότε το φίλτρο (241) και ο περιέκτης του είναι απομονωμένα από κάθε μονάδα του συστήματος (200), εξωτερικών συστημάτων και του εξωτερικού περιβάλλοντος, ενώ το φίλτρο (242) λειτουργεί κανονικά με τις βάνες (247, 235) ανοικτές και τις βάνες (273, 253) κλειστές και παραμένουν σε αυτήν την κατάσταση μέχρι να ξεκινήσει ο νέος κύκλος φόρτισης.

Διαδικασία επαναφοράς καθαρισμένου φίλτρου στη λειτουργία του συστήματος

Για να επανέλθει το φίλτρο (241 ) σε κατάσταση λειτουργίας μετά τον καθαρισμό του, ανοίγουν οι βάνες (246, 234) και διοχετεύεται στο φίλτρο (241) αέριο, όπως ήδη διοχετεύεται στο φίλτρο (242), από τη σωλήνα (225) που συνδέει την έξοδο της μονάδας κυκλώνα (220) με την είσοδο της μονάδας φίλτρων 240.

Η ίδια διαδικασία καθαρισμού που περιγράφηκε για το 1° φίλτρο (241) ακολουθείται, αντίστοιχα, και για το 2° φίλτρο (242), όπως και για κάθε επιπλέον φίλτρο σε περίπτωση χρήσης περισσότερων φίλτρων στην μονάδα φίλτρων (240). Στην περίπτωση του 2<ου>φίλτρου (242) χρησιμοποιούνται οι βάνες (247, 235, 253, 273), οι σωληνώσεις (227, 237, 255) και ο κοχλίας (245).

Παράμετροι λειτουργίας συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου

Το Σχήμα 3 απεικονίζει απλοποιημένο διάγραμμα του συστήματος της παρούσας εφεύρεσης και τις θερμοκρασίες λειτουργίας των επιμέρους μονάδων του. Το συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου (300) αποτελείται, μεταξύ άλλων, από αεριοποιητή (310), πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (320), μονάδα φίλτρων (340), συμπυκνωτή (330), και συμπιεστή αέρα (350).

Ο αεριοποιητής (310) είναι τύπου ρευστοποιημένης κλίνης και ρυθμίζεται ώστε στο κατώτερο τμήμα του να λειτουργεί σε θερμοκρασία 650-950°C περίπου. Η θερμοκρασία αυτή φθίνει αξονικά προς το ανώτερο τμήμα του αεριοποιητή (310) από το οποίο και εξέρχεται στο θερμοκρασιακό εύρος 500-800°C. Η πτώση θερμοκρασίας οφείλεται στις ενδόθερμες χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσα στον αεριοποιητή (310) μεταξύ του στερεού καυσίμου και του αέρα που εισάγονται στον αεριοποιητή (310). Οι θερμοκρασίες εντός του αεριοποιητή (310) μπορούν να ρυθμιστούν μέσω ρύθμισης της ταχύτητα ροής, των αναλογιών παροχής εισόδου στερεού καυσίμου, αέρα και άμμου και την παροχή εξόδου τέφρας, ώστε οι θερμοκρασία του παραγόμενου αερίου στο ανώτερο τμήμα του αεριοποιητή να είναι 500-800°C περίπου. Οι ρυθμίσεις αυτές επιτρέπουν (με ακρίβεια μερικών °C, π.χ. 10-50°C), τη ρύθμιση της επιθυμητής θερμοκρασίας του αερίου ώστε, αφενός να μην επέρχεται τήξη της τέφρας εντός της κλίνης και αφετέρου να διατηρείται η θερμοκρασία της κλίνης στα επιθυμητά επίπεδα για την μεγιστοποίηση του ρυθμού μετατροπής της στερεής καύσιμης ύλης σε αέριο καύσιμο. Για την μεγιστοποίηση του ρυθμού μετατροπής, ο αεριοποιητής (210) ρυθμίζεται ώστε να παρέχει καύσιμο αέριο με επιφανειακή ταχύτητα στο κατώτερο τμήμα (203) του μικρότερη των 3m/sec.

Με τη διέλευση του αερίου από τον αεριοποιητή (310) στη πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (320) αφαιρούνται τα μεγάλα αιρούμενα σωματίδια (> 5μm) από το αέριο και ταυτόχρονα μειώνεται η θερμοκρασία ώστε το αέριο να διοχετευτεί στη μονάδα φίλτρων σε θερμοκρασία περίπου 400°C. Σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του συστήματος (200, 300) η ρύθμιση της θερμοκρασίας του αερίου που διοχετεύεται στη μονάδα φίλτρων μπορεί να γίνει με χρήση προαιρετικού εναλλάκτη θερμότητας (δεν απεικονίζεται) για την ψύξη του αερίου στην επιθυμητή θερμοκρασία.

Το αέριο που εισάγεται στη μονάδα φίλτρων είναι σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες (περίπου 350-550°C ή και ακόμα χαμηλότερες σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης) της θερμοκρασίας τήξης ή μαλάκυνσης της τέφρας και ταυτόχρονα υψηλότερες από το εύρος θερμοκρασίας συμπύκνωσης των ενώσεων πίσσας και άλλων αεριοποιημένων ενώσεων ώστε αυτές να μην προσκολλώνται στα φίλτρα, φράζοντας και καθιστώντας τη λειτουργία καθαρισμού των φίλτρων δύσκολη, δαπανηρή και επιζήμια για τα φίλτρα.

Μετά τη διέλευσή του από τη μονάδα φίλτρων και τον καθαρισμό του από τα αιωρούμενα σωματίδια, το αέριο διέρχεται από τον συμπυκνωτή (330), ο οποίος το ψύχει σε θερμοκρασία περίπου 50°C) ώστε να υγροποιηθούν οι πίσσες διαλύοντας και άλλες αεριοποιημένες ενώσεις που περιέχει το αέριο όπως το υδρόθειο. Στην έξοδό του από τον συμπυκνωτή (330) το αέριο είναι πλέον καθαρό και κατάλληλο για χρήση σε κινητήρα για παραγωγή ηλεκτρισμού, ή για αποθήκευση και μελλοντική χρήση. Σε διαφορετικά παραδείγματα υλοποίησης το αέριο δεν ψύχεται αλλά αξιοποιείται σε υψηλή θερμοκρασία με τις πίσσες να παραμένουν σε αέρια μορφή (π.χ. αεριοστρόβιλος ή καυστήρας αερίου).

Για τον καθαρισμό των φίλτρων ο συμπιεστής (350) διοχετεύει πεπιεσμένο αέρα σε ένα ή περισσότερα φίλτρα της μονάδας φίλτρων (340) και περίπου στην θερμοκρασία του προς καθαρισμό φίλτρου. Για την αποφυγή θερμικού σοκ στα φίλτρα κατά τον καθαρισμό τους, το σύστημα (200, 300) επιτρέπει τη διοχέτευση του πεπιεσμένου αέρα στο φίλτρο (ή φίλτρα) για καθαρισμό, αφού έχει πρώτα απομονώσει το συγκεκριμένο φίλτρο (ή φίλτρα) από τη ροή του αερίου, σε ελεγχόμενη θερμοκρασία.

Εναλλακτικά παραδείγματα συνθηκών λειτουργίας του συστήματος

Σε εναλλακτικά παραδείγματα συνθηκών λειτουργίας του συστήματος, ο αέρας που παρέχεται στη διεργασία αντικαθίσταται από ατμό ή οξυγόνο ή διοξείδιο του άνθρακα ή μίγμα αέρα με ατμό ή/και οξυγόνο/διοξείδιο του άνθρακα με σκοπό την παραγωγή αερίου με μικρότερη περιεκτικότητα σε άζωτο και άρα μεγαλύτερης θερμογόνου δύναμης.

Σε εναλλακτικό παράδειγμα συνθηκών λειτουργίας, το οξειδωτικό μέσο αντικαθίσταται από αδρανές αέριο όπως άζωτο ή αργό. Σε αυτές τις συνθήκες δεν υπάρχει οξείδωση και ο αεριοποιητής λειτουργεί σε συνθήκες πυρόλυσης προς παραγωγή βιοελαίου και εξανθρακώματος. Το βιοέλαιο συμπυκνώνεται και συλλέγεται στον συμπυκνωτή ενώ το εξανθράκωμα συλλέγεται από τον κοχλία απομάκρυνσης τέφρας στο κατώτατο σημείο του αεριοποιητή. Κατά την πυρόλυση εξακολουθεί να παράγεται μικρή ποσότητα αερίου η οποία ακολουθεί τα στάδια καθαρισμού της εφεύρεσης και αξιοποιείται για την παραγωγή ενέργειας. Οι αντίστοιχες θερμοκρασίες λειτουργίας του αεριοποιητή σε συνθήκες πυρόλυσης είναι 500 - 700°C.

Επιλογή και χρήση φίλτρων στο σύστημα παραγωγής καθαρού αερίου

Το Σχήμα 4 απεικονίζει παραδείγματα φίλτρων του συστήματος της παρούσας εφεύρεσης και της αρχής λειτουργίας τους. Τα φίλτρα (400) αποτελούν παραδείγματα διαμόρφωσης των φίλτρων. Διαφορετικές διαμορφώσεις είναι δυνατές χωρίς να αποκλίνεις από τον σκοπό και την επιδιωκόμενη προστασία της παρούσας εφεύρεσης. Οι διαφορετικές διαμορφώσεις είναι προφανείς σε άτομα με γνώση του τεχνικού αντικειμένου της παρούσας εφεύρεσης και γι’ αυτό και δεν αναφέρονται συγκεκριμένα.

Η προτιμώμενη επιλογή φίλτρου για το σύστημα (200, 300) είναι τα κεραμικά κυψελοειδή φίλτρα εναλλακτικά σφραγισμένων καναλιών (monolithic ceramic honeycomb filters with alternative blocked channels). Εναλλακτικά, άλλα είδη φίλτρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με την θερμοκρασία του αερίου που διοχετεύεται στην είσοδο του φίλτρου. Οι επόμενες παράγραφοι δίνουν παραδείγματα για τα προτιμητέα φίλτρα αλλά αντίστοιχες συνθήκες ισχύουν και για τα εναλλακτικά είδη φίλτρων που θα μπορούσαν σε χρησιμοποιηθούν σε εναλλακτικά παραδείγματα υλοποίησης του συστήματος (200, 300).

Το φίλτρο (410) απεικονίζεται σε πλαγιομετωπική κάτοψη και έχει τετράγωνη διατομή και στο συγκεκριμένο παράδειγμα αποτελείται από διαμήκη κανάλια, σε διάταξη μήτρας ΑχΒ, όπου Α>2 και B>2, παράλληλα τοποθετημένα το ένα κανάλι σε σχέση με τα άλλα κανάλια και με την είσοδο και έξοδο του καθενός καναλιού ευθυγραμμισμένες με την είσοδο και έξοδο του φίλτρου ή το αντίστροφο. Η διατομή των καναλιών απεικονίζεται τετράγωνη αλλά μπορεί να είναι κυκλική, ορθογωνική ή οποιασδήποτε άλλης μορφής ή μεγέθους και διαμορφώνεται σε μονολιθικό κεραμικό υλικό. Στην είσοδο (401) του φίλτρου (410) τα κανάλια (442) είναι σφραγισμένα, ενώ τα κανάλια (443) είναι ανοικτά, και στην έξοδο του φίλτρου τα κανάλια (442) είναι ανοικτά και τα κανάλια (443) είναι σφραγισμένα. Το σφράγισμα των καναλιών (442, 443) μπορεί να γίνει με οποιοδήποτε κατάλληλο υλικό, ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίας και με χαμηλό συντελεστή διαστολής, όπως αδρανές τσιμέντο κ.α. Έτσι κάθε κανάλι (442, 443) είναι ανοικτό μόνο στο ένα άκρο του και είναι τοποθετημένα εναλλάξ μέσα στο φίλτρο (410), ώστε όταν το αέριο εισέλθει στα ανοικτά κανάλια (443) εισχωρεί στο μήκος των καναλιών (443) μέχρι το κλειστό άκρο τους στην έξοδο (402) του φίλτρου (410). Μην μπορώντας το αέριο να εξέλθει από το κλειστό άκρο των καναλιών (443) (αλλά ούτε και να εισέλθει από την φραγμένη είσοδο των καναλιών (442)) και λόγω της πίεσης του αερίου, το αέριο διέρχεται μέσω των πορωδών τοιχωμάτων των καναλιών (443) και εισέρχεται στα γειτονικά κανάλια (442) από όπου δεν μπορεί να εξέλθει από το κλειστό άκρο τους στην είσοδο (401) του φίλτρου και έτσι βρίσκει διέξοδο από το ανοικτό άκρο των καναλιών (442) προς την έξοδο (402) του φίλτρου (410). Τα βέλη (445) υποδεικνύουν τη ροή του αερίου κατά το φιλτράρισμά του από τα τοιχώματα του φίλτρου (410), όπου και επικάθονται τα σωματίδια που περιέχει το αέριο καθώς οι πόροι των τοιχωμάτων του κεραμικού υλικού του φίλτρου (410) έχουν διατομή μικρότερη της διατομής του μικρότερου σωματιδίου που κατακρατούν.

Η εξωτερική επιφάνεια του φίλτρου (410) δεν φέρει πόρους και μπορεί να είναι από το ίδιο ή διαφορετικό υλικό από το υλικό των καναλιών (442, 443). Η επιλογή του υλικού της εξωτερικής επιφάνειας (441) του φίλτρου μπορεί να γίνει ώστε να προσφέρει προστασία στο φίλτρο (410) κατά την χρήση, σύνδεσή του στη μονάδα φίλτρων κλπ.

Το φίλτρο (420) απεικονίζεται σε διατομή. Είναι ίδιο με το φίλτρο (410) τόσο ως προς τα δομικά στοιχεία όσο και ως προς τη λειτουργία. Η μόνη διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι τα κανάλια (448, 449) είναι σε διάταξη μήτρας κυκλικού σχήματος, σε αντίθεση με το φίλτρο (410). Η διατομή των καναλιών απεικονίζεται τετράγωνη αλλά μπορεί να είναι οποιουδήποτε σχήματος και μεγέθους, όπως αναλύθηκε για το φίλτρο (410) και η μέθοδος κατασκευής του είναι ίδια με αυτή του φίλτρου (410).

Τρόπος Ασφάλισης των φίλτρων στην μονάδα φίλτρων πλεονεκτήματα

Το Σχήμα 5 παρουσιάζει απλοποιημένα παραδείγματα ασφάλισης των φίλτρων του Σχήματος 4 στο σύστημα της παρούσας εφεύρεσης. Το φίλτρο (510) απεικονίζεται σε πλαγιομετωπική κάτοψη, είναι ίδιο με το φίλτρο (410) και περιέχει εναλλακτικά σφραγισμένα κανάλια (542, 544) σε διάταξη τετράγωνης μήτρας. Κατά την τοποθέτησή του στη μονάδα φίλτρων (240, 340), το φίλτρο (510) τοποθετείται σε τετράπλευρο πλαίσιο (545) (συνήθως μεταλλικό) διαστάσεων μεγαλύτερων του φίλτρου (510), και μεταξύ του φίλτρου (510) και του πλαισίου (545) παρεμβάλλεται υλικό στεγάνωσης (543) κατάλληλο για την ασφάλιση του φίλτρου (510) στο πλαίσιο (545), το οποίο υλικό (543) είναι τυλιγμένο στην περιφέρεια του φίλτρου (510) και είναι κατασκευασμένο από υλικό ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας του φίλτρου (510), ικανό να απορροφά δονήσεις και κατάλληλο να διογκώνεται ώστε να επιτρέπει την στεγανοποίηση του χώρου ανάμεσα στο φίλτρο (510) και στο πλαίσιο (545). Με αυτό το τρόπο το υλικό (543) απορροφά τυχόν δυνάμεις που θα μπορούσαν να εξασκηθούν στο φίλτρο (510) κατά τη μετακίνηση του συστήματος (200, 300), την ασφάλιση και απασφάλιση του φίλτρου (510) στο πλαίσιο (545), τη λειτουργία του φίλτρου (510) και τους κύκλους συστολής και διαστολής του πλαισίου (545). Παράδειγμα υλικού για την κατασκευή του στεγανωτικού (543) είναι στρώμα βελονοειδούς πολλυκρυσταλλικής ίνας.

Εναλλακτικές υλοποιήσεις φίλτρων

Το φίλτρο (520) απεικονίζεται σε διατομή, είναι ίδιο με το φίλτρο (510) και περιέχει εναλλακτικά σφραγισμένα κανάλια (547, 548) σε διάταξη κυκλικής μήτρας. Κατά την τοποθέτησή του στη μονάδα φίλτρων (240, 340), το φίλτρο (520) τοποθετείται σε κυλινδρικό πλαίσιο (550) (συνήθως μεταλλικό) διαστάσεων μεγαλύτερων του φίλτρου (520), και μεταξύ του φίλτρου (520) και του πλαισίου (550) παρεμβάλλεται υλικό (549) κατάλληλο για την ασφάλιση του φίλτρου (520) στο πλαίσιο (550), το οποίο υλικό (549) είναι τυλιγμένο γύρω από την εξωτερική επιφάνεια του φίλτρου (520) και είναι κατασκευασμένο από υλικό ανθεκτικό στις υψηλές θερμοκρασίες και ικανό να απορροφά δονήσεις και κατάλληλο να παραμορφώνεται ώστε να επιτρέπει την ασφάλιση του φίλτρου (520) στο πλαίσιο (550). Με αυτό το τρόπο το υλικό (549) απορροφά τυχόν δυνάμεις που θα μπορούσαν να εξασκηθούν στο φίλτρο (520) κατά τη μετακίνηση του συστήματος (200, 300), την ασφάλιση και απασφάλιση του φίλτρου (520) στο πλαίσιο (550), τη λειτουργία του φίλτρου (520) και τους κύκλους συστολής και διαστολής του πλαισίου (550). Παράδειγμα υλικού για την κατασκευή του στεγανωτικού (549) είναι στρώμα βελονοδειδούς πολλυκρυσταλλικής ίνας.

Τα φίλτρα (410, 420) μπορεί να αποτελούνται από συστοιχίες όμοιων φίλτρων ομαδοποιη μενών σε τετράγωνες, κυκλικές ή άλλου σχήματος και μεγέθους μήτρες, και να περιέχουν άλλο αριθμό καναλιών από τον εικονιζόμενο στο Σχήμα 5. Είναι επίσης πιθανά οι μήτρες ή/και οι συστοιχίες των φίλτρων να εγκιβωτίζονται μέσα σε πλαίσια αντίστοιχου σχήματος για ευκολία στη μεταφορά, ασφάλιση και προστασίας τους από εξωτερικές δυνάμεις. Ο μονόλιθος ή συστοιχία μονόλιθων που αποτελούν το φίλτρο (510, 520) τοποθετείται κατακόρυφα εντός του περιέκτη εντός του οποίου πακτώνεται στο ένα άκρο του ενώ το άλλο άκρο είναι ελεύθερο για την αποτροπή δημιουργίας θλιπτικών ή εφελκυστικών τάσεων στο κεραμικό υλικό λόγω συστολής και διαστολής του μεταλλικού περιβλήματος.

Λόγω της συμπαγούς του μορφής, το φίλτρο (410, 420) διαθέτει υψηλή μηχανική αντοχή σε συνδυασμό με υψηλή επιφάνεια φιλτραρίσματος χάρη στην πυκνή δομή των καναλιών. Τέτοια κεραμικά φίλτρα χρησιμοποιούνται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία για την κατακράτηση σωματιδίων αιθάλης από τα καυσαέρια κινητήρων diesel με την ονομασία Diesel Particulate Filters ή DPF. Η εξοικονόμηση χώρου στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι κρίσιμης σημασίας με αποτέλεσμα τα κεραμικά φίλτρα τύπου DPF, μέσω της υψηλής επιφάνειας διήθησης και του μικρού όγκου τους, να είναι ιδανικά για μικρούς χώρους και άρα μονάδες αεριοποίησης μικρής κλίμακας σε εφαρμογές περιορισμένου χώρου. Πιο συγκεκριμένα καταλαμβάνουν τουλάχιστον 2 φορές μικρότερο χώρο από ότι τα κεραμικά και μεταλλικά φίλτρα τύπου κεριού που χρησιμοποιούνται σε αντίστοιχες εφαρμογές μεγαλύτερης κλίμακας. Στα φίλτρα DPF η έλλειψη κενού χώρου ανάμεσα σε γειτονικά κελιά αυξάνει τη στατική αντοχή του κεραμικού φίλτρου ενώ αντίθετα ο κενός χώρος ανάμεσα σε γειτονικά κεριά σε άλλες εφαρμογές αποτελεί εστία προβλημάτων όσον αφορά τη δομική αντοχή του φίλτρου και την έλλειψη προστασίας απέναντι στη συσσώρευση τέφρας στις εξωτερικές επιφάνειες των κεριών.

Έλεγχος λειτουργίας συστήματος παραγωγής καθαρού αερίου

Το Σχήμα 6 παρουσιάζει απλοποιημένο διάγραμμα ροής ελέγχου λειτουργίας συστήματος. Ο έλεγχος λειτουργίας (600) του συστήματος (200, 300) ξεκινά με τη λήψη δεδομένων (610) από αισθητήρια θερμοκρασίας και πίεσης σε διάφορα σημεία του συστήματος (200, 300), αισθητήρες θέσης στις βάνες, και αισθητήρες κίνησης στα λοιπά κινητά μέρη του συστήματος (200, 300) αλλά και αισθητήρια στάθμης, βάρους και υγρασίας τοποθετημένα στο σύστημα τροφοδοσίας της στερεής πρώτης ύλης ή στην έξοδο του ξηραντήρα. Η επιλογή των αισθητήρων μπορεί να γίνει ανάμεσα σε όλες τις γνωστές τεχνολογίες αισθητήρων θερμοκρασίας, πίεσης, θέσης και κίνησης καθώς και σε άλλες τεχνολογίες αισθητήρων οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τρόπο που παρέχει δεδομένων ισοδύναμα των αισθητήρων θερμοκρασίας, πίεσης, απόστασης και υγρασίας.

Οι μετρήσεις του βήματος (610) λαμβάνονται από μονάδα ελέγχου (π.χ. μικροεπεξεργαστή, υπολογιστή, προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC), κλπ.) η οποία εκτελεί λογισμικό αποθηκευμένο σε μονάδα μνήμης ή σκληρό δίσκο ή άλλο φυσικό μέσο αποθήκευσης (π.χ. μαγνητικό ή οπτικό μέσο) ή σε υπολογιστικό νέφος ή σε άλλο υπολογιστή με τον οποίο συνδέεται. Εναλλακτικά η υπολογιστική μονάδα είναι του τύπου ολοκληρωμένου κυκλώματος συγκεκριμένης εφαρμογής (ASIC) ή αντίστοιχο ή/και εκτελεί firmware.

Η μονάδα ελέγχου, εφεξής ο υπολογιστής, προχωρεί στη ρύθμιση και τον έλεγχο της λειτουργίας του ενός από ή όλων των αεριοποιητή (620), της μονάδας κυκλώνα (630), της μονάδας φίλτρων (640) και του συμπυκνωτή (650). Τα βήματα (610)-(650) εκτελούνται μέχρι να τερματιστεί (660) η λειτουργία του συστήματος (200, 300) και αναλαμβάνουν να υλοποιήσουν όλες τις απαραίτητες λειτουργίες για την αεριοποίηση του στερεού καυσίμου, τον καθαρισμό του καύσιμου αερίου και τον καθαρισμό των φίλτρων. Πιο συγκεκριμένα η μονάδα ελέγχου μπορεί να σχεδιαστεί ή να προγραμματιστεί ώστε να υλοποιεί τη ρύθμιση τουλάχιστον ενός από την τροφοδοσία του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) με στερεό καύσιμο και αέρα, τη λειτουργία της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (220), τη λειτουργία της μονάδα φίλτρων (240), και τη λειτουργία της δεύτερης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (230) Ο υπολογιστής μπορεί επίσης να καταγράφει το δεδομένα των αισθητήρων και των ενέργειες που εκτελούνται στα βήματα (610)-(650) ώστε να τα επεξεργάζεται (ή να αναθέτει την επεξεργασία των δεδομένων σε εξωτερικό υπολογιστή) με στόχο την στατιστική κλπ. ανάλυσή τους και την χρήση των αποτελεσμάτων της ανάλυσης για την βελτιστοποίηση των ενεργειών των βημάτων (610)-(650). Η ανάλυση των δεδομένων και η βελτιστοποίηση των βημάτων (610)-(650) μπορεί να γίνει με χρήση κατάλληλου λογισμικού, firmware, hardware, ή συνδυασμό όλων και να περιλαμβάνει μεταξύ άλλον και τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης και μηχανική μάθησης.

Τα παραδείγματα που χρησιμοποιήθηκαν πιο πάνω για να περιγράψουν την παρούσα καινοτόμο λύση δεν πρέπει να θεωρηθούν ως περιοριστικά του πεδίου εφαρμογής της παρούσας καινοτόμου λύσης. Η παρούσα καινοτόμος λύση μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλα σενάρια και ρυθμίσεις εκτός από αυτά που περιγράφονται στα παραδείγματα που παρουσιάζονται πιο πάνω. Η παρούσα καινοτόμος λύση θα πρέπει να θεωρείται ως εφαρμόσιμη σε οποιοδήποτε σύστημα αεριοποίησης στερεών καυσίμων παντός τύπου και καθαρισμού του παραγόμενου αερίου.

Ο μέσος όρος ατόμου με σχετική γνώση της στάθμης τεχνικής καταλαβαίνει ότι το σχήμα και οι διαστάσεις των τμημάτων της παρούσας εφεύρεσης, όπως αυτά παρουσιάστηκαν στα παραδείγματα υλοποίησης, μπορούν να τροποποιηθούν χωρίς να αποκλίνουν από το πεδίο εφαρμογής και την επιδιωκόμενη προστασία της παρούσας εφεύρεσης.

Οι παραπάνω περιγραφές παραδειγμάτων υλοποίησης είναι απλοποιημένες και δεν περιλαμβάνουν τμήματα που χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση αλλά δεν αποτελούν μέρος της παρούσας εφεύρεσης, δεν είναι απαραίτητα για την κατανόηση της εφεύρεσης και είναι προφανή σε μέσο όρο ατόμου με σχετική γνώση της στάθμης τεχνικής που άπτεται της εφεύρεσης. Επιπλέον, είναι δυνατές παραλλαγές των παραδειγμάτων υλοποίησης όπου, για παράδειγμα, ορισμένα στοιχεία των παραδειγμάτων υλοποίησης μπορούν να αναδιαταχθούν, να παραλειφθούν και να αντικατασταθούν με ισοδύναμα ή νέα να προστεθούν, καθώς και τα υπάρχοντα στοιχεία να διασυνδεθούν με διαφορετικό τρόπο από αυτόν που περιγράφηκε, με την προϋπόθεση ότι η διαφορετική συνδεσμολογία είναι συμβατή με το τεχνικό αποτέλεσμα που έχουν τα στοιχεία της εφεύρεσης όντας τεχνικά χαρακτηριστικά της εφεύρεσης. Ομοίως, η τροποποίηση του σχήματος και των διαστάσεων των παρουσιαζόμενων τμημάτων θεωρείται ότι εμπίπτει στο πεδίο προστασίας της παρούσας καινοτόμου λύσης στο βαθμό που αυτές οι τροποποιήσεις είναι προφανείς σε άτομα με εξειδίκευση στη σχετική τέχνη και στο βαθμό που αυτές οι τροποποιήσεις είναι ισοδύναμες με τα παραδείγματα υλοποίησης που παρουσιάστηκαν ή δεν προσθέτουν απτές και μη αναμενόμενες ή μη προφανείς βελτιώσεις στο τεχνικό αποτέλεσμα που προσφέρουν. Έτσι, το παρόν κείμενο δεν προορίζεται να περιοριστεί μόνο στα παραδείγματα υλοποίησης της εφεύρεσης που παρουσιάζονται αλλά πρέπει να του αποδοθεί το ευρύτερο δυνατό πεδίο σύμφωνα με τις αρχές και τα νέα χαρακτηριστικά που αποκαλύπτει.

Εκτός και εάν αναφέρεται συγκεκριμένα κάτι διαφορετικό, η πρόθεση του εφευρέτη είναι να δοθούν στις λέξεις και στις φράσεις που αναφέρονται μέσα στην περιγραφή της εφεύρεσης και στις αξιώσεις οι συνηθισμένες και κοινά αποδεκτές έννοιες που αποδίδει ο μέσος όρος ατόμου με σχετική γνώση της στάθμης τεχνικής που σχετίζεται με την παρούσα εφεύρεση.

Η προηγούμενη περιγραφή μιας προτιμώμενης εφαρμογής και του καλύτερου τρόπου υλοποίησης της εφεύρεσης που είναι γνωστή στον αιτούντα τη στιγμή κατάθεσης της αίτησης έχει παρουσιαστεί και προορίζεται για τους σκοπούς της απεικόνισης και της περιγραφής. Δεν προορίζεται να είναι εξαντλητική ή να περιορίζει την εφεύρεση στην ακριβή μορφή που αποκαλύπτεται και πολλές τροποποιήσεις και παραλλαγές είναι δυνατές υπό το φως των παραπάνω διδαχών. Η πραγματοποίηση επιλέχθηκε και περιεγράφηκε για να εξηγήσει καλύτερα τις αρχές της εφεύρεσης και την πρακτική εφαρμογή της και να επιτρέψει σε άλλους με γνώση στην σχετική στάθμη τεχνικής να χρησιμοποιήσουν καλύτερα την εφεύρεση σε διάφορα σενάρια εφαρμογής και τρόπους χρήσης και με διάφορες τροποποιήσεις όπως είναι κατάλληλες για τη συγκεκριμένη χρήση που εξετάζεται. Επομένως, προορίζεται ότι η εφεύρεση δεν περιορίζεται μόνο στις συγκεκριμένες λεπτομέρειες που αποκαλύπτονται για την υλοποίηση της εφεύρεσης, αλλά ότι η εφεύρεση περιλαμβάνει όλα όσα εμπίπτουν στο πεδίο των συνημμένων αξιώσεων.

Claims (15)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, το οποίο περιλαμβάνει:

αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) αποτελούμενο από ανώτερο (201), μεσαίο (202) και κατώτερο τμήμα (203), είσοδο στερεού καυσίμου (212), και έξοδο καύσιμου αερίου (211) συνδεδεμένη στο ανώτερο τμήμα;

πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου (220), συνδεδεμένη στην έξοδο καύσιμου αερίου του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210); και

μονάδα φίλτρων (240) συνδεδεμένη με έξοδο της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (220) και μορφοποιημένη για φιλτράρισμα καύσιμου αερίου;

δοχείο πίεσης (251) συνδεδεμένο σε είσοδό του με συμπιεστή αέρα (250) και σε έξοδό του με τη μονάδα φίλτρων (240);

χαρακτηριζόμενο από το ότι η μονάδα φίλτρων (240) περιλαμβάνει τουλάχιστον πρώτο φίλτρο (241) και δεύτερο φίλτρο (242), καθένα τοποθετημένο σε ανεξάρτητο περιέκτη, όπου οι περιέκτες είναι συνδεδεμένοι παράλληλα, ώστε ο κάθε περιέκτης να είναι συνδεδεμένος (α) σε είσοδό του με την έξοδο καύσιμου αερίου του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) μέσω πρώτης βάνας (246, 247), (β) σε έξοδό του με δεύτερη βάνα (234, 235) μορφοποιημένη για απαγωγή του φιλτραρισμένου καύσιμου αερίου, και (γ) στην έξοδό του με τρίτη βάνα (252, 253) συνδεδεμένη με το δοχείο πίεσης (251), (i) όπου σε κάθε περιέκτη η πρώτη βάνα (246, 247) και η δεύτερη βάνα (234, 235) είναι σχεδιασμένες να ανοίγουν όταν η τρίτη βάνα (252, 253) είναι κλειστή, και η τρίτη βάνα (252, 253) είναι σχεδιασμένη να ανοίγει όταν η πρώτη βάνα (246, 247) και η δεύτερη βάνα (234, 235) είναι κλειστές, και (ii) όπου η πρώτη βάνα (246) και η δεύτερη βάνα (234) του τουλάχιστον πρώτου φίλτρου (241) είναι σχεδιασμένες ώστε να είναι ανοικτές όταν η πρώτη βάνα (247) και η δεύτερη βάνα (235) του τουλάχιστον δεύτερου φίλτρου (242) είναι ανοικτές ή κλειστές.

2. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με την αξίωση 1, όπου η μονάδα φίλτρων (240) είναι ρυθμισμένη ώστε να αφαιρεί αιωρούμενα σωματίδια διαμέτρου μεγαλύτερης των 0,05μm από το καύσιμο αέριο, και όπου το τουλάχιστον πρώτο φίλτρο (241) και δεύτερο φίλτρο (242) είναι τύπου κεραμικού ή μεταλλικού μονολιθικού κυψελοειδούς δομής εναλλακτικά σφραγισμένων καναλιών.

3. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, όπου η πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου (220) επιλέγεται ανάμεσα σε (i) σωλήνωση η οποία είναι διαστασιολογημένη ώστε να επιτρέπει απώλεια θερμότητας του καύσιμου αερίου, (ii) μονάδα αφαίρεσης αιωρούμενων σωματιδίων επιλεγμένη από λίστα που περιλαμβάνει μονάδα κυκλώνα, ηλεκτροστατικό φίλτρο και βαρυτικό φίλτρο.

4. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, όπου η μονάδα κυκλώνα είναι σχεδιασμένη ώστε να αφαιρεί αιωρούμενα σωματίδια διαμέτρου μεγαλύτερης των 5μm από το καύσιμο αέριο.

5. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, το οποίο επιπλέον περιλαμβάνει ξηραντήρα συνδεδεμένο σε είσοδο στερεού καυσίμου (212) του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210).

6. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, το οποίο επιπλέον περιλαμβάνει δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου και συμπύκνωσης της περιεχόμενης σε αυτό πίσσας (230) συνδεδεμένη με τη μονάδα φίλτρων (240).

7. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με την αξίωση 6, όπου η δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου και συμπύκνωσης της περιεχόμενης σε αυτό πίσσας (230) είναι εναλλάκτης θερμότητας διπλού ομοαξονικού σωλήνα.

8. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με την αξίωση 1, όπου το δοχείο πίεσης (251) φέρει σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας αποθηκευμένου ρευστού.

9. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις προηγούμενες αξιώσεις, το οποίο επιπλέον περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα από:

έναν ή περισσότερους αισθητήρες, οι οποίοι αισθητήρες (α) επιλέγονται ανάμεσα σε έναν ή περισσότερους αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης και ροής, και (β) είναι τοποθετημένοι εντός οποιουδήποτε μέρους του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210), της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου, της μονάδας φίλτρων (240), και της δεύτερης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (230), και (γ) επιλέγονται ανάμεσα σε έναν ή περισσότερους αισθητήρες στάθμης, βάρους και υγρασίας, και είναι τοποθετημένοι στο σύστημα τροφοδοσίας της στερεής πρώτης ύλης; και

μονάδα ελέγχου η οποία είναι (α) συνδεδεμένη με τον έναν ή περισσότερους αισθητήρες και (β) σχεδιασμένη ώστε να παρέχει τουλάχιστον ένα από (i) πληροφορία σχετική με μετρήσεις που λαμβάνει η μονάδα ελέγχου από τον έναν ή περισσότερους αισθητήρες και (ii) έλεγχο λειτουργίας του συστήματος παραγωγής καύσιμου αερίου από υπολειμματική βιομάζα με ρύθμιση τουλάχιστον ενός από (a) τροφοδοσία του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) με στερεό καύσιμο και αέρα, (b) λειτουργία της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (220), (c) λειτουργία της μονάδα φίλτρων (240), και (d) λειτουργία της δεύτερης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (230).

10. Μέθοδος παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, η οποία υλοποιείται από σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου σύμφωνα με τις αξιώσεις 1-9 η οποία περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

τροφοδοσία αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) με στερεό καύσιμο αποτελούμενο από υπολειμματική βιομάζα σε κόκκους μεγέθους <3 cm σε μεγαλύτερη διάστασή τους, περιεκτικότητας σε τέφρα >3% κατά βάρος, με σημείο τήξης τέφρας >900°C;

λειτουργία του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) (α) σε θερμοκρασία 650-950°C περίπου σε κατώτερο τμήμα του, (β) σε θερμοκρασία 500-800°C περίπου σε ανώτερο τμήμα του, και (γ) παραγωγή καύσιμου αερίου με επιφανειακή ταχύτητα σε κατώτερο τμήμα του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) μικρότερη των 3m/sec;

παροχέτευση του καύσιμου αερίου σε πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου, συνδεδεμένη σε έξοδο του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210);

παροχέτευση του ψυγμένου αερίου σε μονάδα φίλτρων (240) σχεδιασμένη ώστε να λειτουργεί σε θερμοκρασία 350-550°C, να μειώνει το σωματιδιακό φορτίο του καύσιμου αερίου σε περιεκτικότητα <50mg/Nm<3>καύσιμου αερίου και να αφαιρεί σωματίδια μεγέθους μεγαλύτερου των 0,05 pm; και απομάκρυνση τέφρας και πίσσας χωρίς διακοπή λειτουργίας παραγωγής καύσιμου αερίου.

11. Μέθοδος παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με την αξίωση 10, όπου η πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου είναι μονάδα κυκλώνα (220) σχεδιασμένη ώστε να (α) να λειτουργεί σε θερμοκρασία 500-800°C, και (β) να μειώνει το σωματιδιακό φορτίο του καύσιμου αερίου σε περιεκτικότητα <7,5g/Nm<3>καύσιμου αερίου και σε αιωρούμενα σωματίδια διαμέτρου μικρότερης των 5pm από το καύσιμο αέριο.

12. Μέθοδος παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 10-11, η οποία επίσης περιλαμβάνει τουλάχιστον ένα από ακόλουθα βήματα:

ξήρανση του στερεού καυσίμου ώστε το στερεό καύσιμο να περιέχει υγρασία <25% κατά βάρος πριν παροχετευθεί στον αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210); και

διοχέτευση του καύσιμου αερίου από έξοδο της μονάδας φίλτρων (240) μέσα από δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου και συμπύκνωσης της περιεχόμενης σε αυτό πίσσας (230) για ψύξη του καύσιμου αερίου σε 40-70°C και μείωση της περιεκτικότητας σε πίσσα του καύσιμου αερίου.

13. Μέθοδος παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με οποιαδήποτε από τις αξιώσεις 10-12, όπου τα βήματα της μεθόδου ελέγχονται από μονάδα ελέγχου η οποία είναι (α) συνδεδεμένη με έναν ή περισσότερους αισθητήρες και (β) σχεδιασμένη ώστε να παρέχει τουλάχιστον ένα από (ϊ) πληροφορία σχετική με μετρήσεις που λαμβάνει η μονάδα ελέγχου από τον έναν ή περισσότερους αισθητήρες και (ii) έλεγχο λειτουργίας του συστήματος παραγωγής καύσιμου αερίου από υπολειμματική βιομάζα με ρύθμιση τουλάχιστον ενός από (a) τροφοδοσία του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210) με στερεό καύσιμο και αέρα, (b) λειτουργία της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (220), (c) λειτουργία της μονάδα φίλτρων (240), και (d) λειτουργία της δεύτερης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (230), όπου ο ένας ή περισσότεροι αισθητήρες (α) επιλέγονται ανάμεσα σε έναν ή περισσότερους αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης και ροής, και (β) είναι τοποθετημένοι εντός οποιουδήποτε μέρους του αεριοποιητή ρευστοποιημένης κλίνης (210), της πρώτης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου, της μονάδας φίλτρων (240), και της δεύτερης διάταξης ψύξης καύσιμου αερίου (230).

14. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με τις αξιώσεις 1-9, όπου ο καθαρισμός της μονάδας φίλτρων (240) περιλαμβάνει τα ακόλουθα στάδια:

απομόνωση προς καθαρισμό φίλτρου (241, 242) από την πρώτη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου (220) μέσω πρώτης βάνας (246, 247) και από τη δεύτερη διάταξη ψύξης καύσιμου αερίου και συμπύκνωσης της περιεχόμενης σε αυτό πίσσας (230) μέσω δεύτερης βάνας (234, 235) κατά τη λειτουργία του συστήματος;

παροχή σε ανάστροφη ροή, παλμού αερίου υπό πίεση, στο προς καθαρισμό φίλτρο (241, 242) μέσω τρίτης βάνας (252, 253) για αποκόλληση μάζας σωματιδίων από το προς καθαρισμό φίλτρο (241, 242);

απομάκρυνση αποκολλημένης μάζας σωματιδίων από το προς καθαρισμό φίλτρο (241, 242); και

άρση της απομόνωσης του προς καθαρισμό φίλτρου (241, 242), κατά τη λειτουργία του συστήματος.

15. Σύστημα παραγωγής καύσιμου αερίου μικρής κλίμακας από υπολειμματική βιομάζα, σύμφωνα με την αξίωση 14, όπου ο παλμός αερίου υπό πίεση με ανάστροφη ροή έχει θερμοκρασία ίση με θερμοκρασία του προς καθαρισμό φίλτρου (241, 242) με ανοχή ±50°C.