HU221694B1 - Égető és porleválasztó berendezés növényi hulladékok és energianövények energetikai célú légkörkímélő hasznosítására - Google Patents

Abstract

A találmány égető- és porleválasztó berendezés növényi hulladékok ésenergianövények energetikai célú légkörkímélő hasznosítására, amelynekfüggőleges tengelyű, változó szelvényű, hőszigetelt falazatirétegekből álló primer tűztere (9) és szekunder tűztere (4) van, amelya kétfokozatú égés következtében lehetővé teszi a káros füstgázalkotókmennyiségének csökkentését. A szekunder tűztérhez (4) csatlakozó por-(pernye)leválasztó (15) hűtéséből származó meleg levegő a primertűztér (9) alatti levegőszekrénybe (11) tangenciálisan bevezetvestabilizálja a fitomassza égését. A kellő hőmérsékletet és a tökéleteségéshez szükséges oxigénfelesleget az előmelegített szekunderégéslevegő biztosítja. A primer és szekunder égéslevegő előmelegítésea jó hatásfokú és légkörkímélő égetés mellett, a porleválasztószerelvényeinek védelmét biztosítja, egyben a hőhasznosításban jólkezelhető füstgázhőmérsékletet is beállítja. ŕ

Description

A találmány tárgya égető- és porleválasztó berendezés növényi hulladékok és energianövények energetikai célú légkörkímélő hasznosítására.

A találmány arra a célra szolgáló berendezés, hogy fitomasszák környezetkímélő elégetésével 600-1200 °C-os hőmérsékletű füstgázt állítson elő. A berendezés többfokozatú levegőbevezetést lehetővé tevő, többrétegű tűzálló béléssel ellátott égetőből és a hozzákapcsolt nagy hőmérsékletű, léghűtéses por-(pemye)leválasztóból áll. A hőszigetelt többrétegű tűzálló bélés a fitomasszák égésekor keletkező policiklikus aromatikus szénhidrogének (PAH-vegyületek) mennyiségének csökkentéséhez szükséges 1000 °C körüli tűztérhőmérséklet elérését teszi lehetővé. A kettős falú pemyeleválasztó hűtéséből származó meleg levegő a tüzelőberendezés primer és szekunder égési levegőjeként a berendezés hőtechnikai hatásfokát javítja, stabilizálja a fitomassza égését és csökkenti a káros légszennyezők keletkezési intenzitását. A találmány szerinti égető- és por-(pemye)leválasztó berendezés előnyösen alkalmazható fűtési, szárítási, elektromosáram-termelési, vagy egyéb technológiai célra felhasználható meleg levegő, meleg víz vagy gőz termeléséhez szükséges 600-1200 °C-os hőmérsékletű, kicsi szennyezőanyagtartalmú füstgáz előállításához.

A mező- és erdőgazdasági növényi eredetű hulladékok, melléktermékek, energianövények, egyszóval fitomasszák energetikai célú felhasználása egyre inkább előtérbe kerül az elérhető gazdasági és környezetvédelmi előnyök miatt. A megújuló energiahordozók alkalmazásával foglalkozó szakemberek erőfeszítései ellenére - az általában biomasszaként emlegetett fitomassza mint energiaforrás még ma sem foglalja el méltó helyét a tüzelőanyagok sorában. Ennek okai között a viszonylag bonyolult és költséges összegyűjtés, és előkészítés játszanak meghatározó szerepet, de késlelteti a növényi hulladékok nagyobb arányú eltüzelését az is, hogy a szénhidrogén-tüzeléshez képest eltérő szerkezetű és tüzelési rendszerű berendezésekre van szükség.

Magyarország a fitomassza képződése szempontjából kedvező adottságú, a keletkező és eddig alig hasznosított mező- és erdőgazdasági hulladékok mennyisége évenként 30-40 millió tonna. A problémát az okozza, hogy ezek a hulladékok nagy területről viszonylag költségesen gyűjthetők be. A begyűjtött fitomassza kis térfogat-sűrűségű, így a térfogategység energiatartalma (fűtőértéke) kicsi. A biomassza energetikai hasznosítása azonban mégis jelentős, mivel más energiahordozót válthat ki, és a térfogategység energiatartalmának növelésére is vannak már jól bevált módszerek. Ilyenek például a biobrikettgyártás. A feldolgozási technológiák szerint koncentráltan képződő hulladékok helyben történő eltüzelése, mint például a fűrészpor, forgács fatelepi hasznosítása, kukoricaszárítókban keletkező csutka elégetése és felhasználása a szárítás hőigényének ellátására szintén csökkenti a hulladék tüzelésre történő előkészítésének költségkihatását. Ide sorolhatók még azok a megoldások is, amikor a képződő hulladékot az adott üzem vagy gazdaság saját hőigényének biztosítása mellett direkt e célból a környéken létesített hőfogyasztók, például növényszárítók, üvegházak gazdaságos fűtésére használják.

A koncentráltan képződő fitomassza nagy tömegű előállítását (energianövények, erdők stb.) teszi lehetővé a termőföld egy részének az élelmiszer-termelésből történő - az európai normákból fakadó - kényszerű kivonása, amely elsősorban az élelmiszemövények túltermeléséből, vagy a kis termőképességű földek gazdaságtalan művelhetőségéből adódik. Az élelmiszer-termelési kvóták általában nem vonatkoznak az energianövények termesztésére, vagy az energiaerdők telepítésére. így az ugaroltatott földeken lehetővé válik a mezőgazdasági folyékony hulladékok és bizonyos kommunális szennyvizek (szennyvíziszapok) nagyobb arányú ártalmatlanítása (hasznosítása), amely egyben az energetikai célú növénytermesztés hozamát (gazdaságosságát) is fokozza.

Ezen termelési módok elterjedése a kombinált falufűtőművek és regionális komplex energiaellátó rendszerek gyors ütemű elteijedését alapozhatják meg.

Nyilvánvaló, hogy a szénhidrogén energiahordozókkal és tüzelőberendezésekkel folyó árküzdelemben elsőként azok a mezőgazdasági növényi hulladékok tehetnek szert fölényre, amelyek összegyűjtési és előkészítési költsége kicsi.

A biomassza tüzelőanyagként történő hasznosítása elsősorban olyan helyeken kedvező, ahol az új típusú tüzelőberendezés beruházója egyúttal a bioenergia-forrás tulajdonosa is, tehát ott, ahol a biomassza keletkezik, és az eltüzeléséből nyert hő a közelben hasznosítható.

Az energetikai célú hasznosítás célszerűségét támasztja alá, hogy a mező- és erdőgazdasági hulladékok; fűtőértéke megközelíti a közepes minőségű barnaszenekét A fitomassza tüzelőanyagként történő felhasználását környezetvédelmi szempontok is indokolják. Amíg a fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor nagy mennyiségű SO₂, NO_X, CO, CO₂ és por kerül a légtérbe, addig a biomassza égéstermékében ezek a füstgázalkotók a CO-t kivéve jóval kisebb értéket képviselnek, megfelelően kialakított tüzelőberendezés, tűzvezetés és tüzelésellenőrzés esetén.

A technika állása szerint, a jelenleg gyártott és alkalmazott tüzelőberendezések esetén (Barótfi 1.: Környezettechnika, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 1999. p. 70-79.) jelentős légkörszennyező anyagot (CO, NO_X, PAH, por) tartalmaz az égéstermék (Nagy G. és trs.: Climate Protection by Increasing the Ratio of Renewable Energy Sources, VII. International Scientific Conference on Combustion and Heat Technics, University of Miskolc, May 27-29,1998. p. 81-86.).

Ez a körülmény az utóbbi évtizedben egyre nagyobb érdeklődést kiváltó biomassza-tüzelés elteijedését hátrányosan befolyásolja, annak ellenére, hogy a megújuló energiahordozók alkalmazása a fosszilis tüzelőanyagok gyors ütemű fogyása és alkalmazásának kömyezetterhelő volta miatt ma már megkerülhetetlen [Nagy G. (és szts.): Mezőgazdasági növények mint megújuló energiahordozók. XXVII. Óvári Tudományos Napok, Mosonmagyaróvár, 1998. szept. 29-30. p. 1220-1227.]

Az utóbbi években publikált és alkalmazott megoldások esetén az eltüzelendő biomasszát (fitomasszát)

HU 221 694 Bl alakították (például brikettálással, pelettezéssel, a farönkök aprításával stb.) olyan formájúvá és futőértékűvé, hogy az a hagyományos tüzelőberendezésekben (kályha, kandalló stb.) is elégethető legyen (H. Lammer: Automatische Holzfeuerungen. Praktiser Ratgeber. 5 Regionalenergie Steinmark. Juli 1999.).

Az előkészítés ilyen megoldásai túlságosan költségesek és döntő részben fa alapanyagból indulnak ki (Nagy G., Bulla M.: A fitomassza mint megújuló energiahordozó. 3. Veszprémi Környezetvédelmi Konferen- 10 cia és Kiállítás. 1997. május 26-28. p. 462-467.).

A tüzelőanyagként használandó mező- és erdőgazdasági - laza szerkezetű, változó nedvességtartalmú - hulladékok, mint például a venyige, kukoricaszár, napraforgókóró, szalma stb. elégetése lassan terjedt részben azzal 15 összefüggésből, hogy a tüzelőanyag tárolása sok gondot vetett fel, de főleg azért, hogy az elégetésére használható viszonylag nagy tűzterű - kis tűztér-hőmérsékletű - újszerű tüzelőberendezések szemmel láthatóan és kutatásokkal is bizonyított módon igen jelentős kömyezetterhe- 20 lést okoztak (C. God, F. Neugraner: Umweltbetlastung durch kleine Einzelfeuerungen für feste Brennstoffe. Leoben, 1997. május, p. 7-9.).

Az utóbbi évekből végzett kutatások a következő környezetszennyező hatásokat tárták fel: 25

- a tökéleden égés miatt viszonylag magas a füstgáz CO-tartalma;

- az égéskor keletkező por (pernye) kicsi mérete és kicsi sűrűsége következtében nehezen választható le a füstgázból; 30

- helytelen tűzvezetéskor, 700 °C alatti tűztérhőmérséklet esetén mutagén és rákkeltő hatású policiklikus aromás szénhidrogének (PAH) távoznak a füstgázzal az atmoszférába.

Az elégetőberendezések működésére és élettarta- 35 mára is károsan hat néhány jelenség:

- a viszonylag kicsi lágyulási hőmérsékletű pernye eltörni a hőhasznosító füstjáratait;

- sok esetben a pernye nagy K₂O-tartalma, amely 14-15%-ot is elérhet, a leggyakrabban használt tűzálló 40 anyaggal, a samottal alacsony olvadási hőmérsékletű eutektikumot képezve a tűzálló bélés gyors korrózióját, azaz rövid élettartamát okozza. A fitomasszák elégetésekor jelentkező káros hatásokat a szakirodalom szerint mind ez ideig nem sikerült megnyugtató módon megöl- 45 dani. (Dr. A. Strehler, Landtechnik Weihenstephan, TU München: Results of Development of Biomass Buming Technologies. Small-Scale Biomass Buming,

1-3 July, 1999 Gödöllő, p. 29-46; Dr. B. Marosvölgyi, University of Sopron: The role of sylviculture in 50 energy generation. Small-Scale Biomass Buming,

1-3 July, 1999 Gödöllő, p. 47-52.; G. Schwárzler, OAR-Energieberatung, Wien: Economic evaluation of biomass markets. Small-Scale Biomass Burning,

1-3 July, 1999 Gödöllő, p. 71-76.; P. Pecznik, 55 Hungárián Institute of Agricultural Sciences, Gödöllő: Decreasing Polluting Flue Gases Emissions by Working Out Quality Control System of Biofuels. SmallScale Biomass Buming, 1-3 July, 1999 Gödöllő, p. 103-115.) 60

Az US 4,009,667 lajstromszámú USA és a HU 215 757 B lajstromszámú magyar szabadalmakban ismertetett berendezéseknél az égetésből nyert füstgázok hőjét csak hasznosítás után tisztítják meg a szilárd szennyezőktől. Ilyen esetekben a füstgázok szilárd alkotórészei a hőcserélő felületére tapadva jelentősen rontják a hőcsere intenzitását, azaz a hőhasznosítás hatásfokát Ezenkívül a hőcserélő felületének tisztítása költséges művelet, vagy bonyolultabb szerkezet esetén nem is lehet megtisztítani a felületeket. Ezt a nehézséget a DE 44 40 603 Al német szabadalommal védett berendezésnél a nagy hőmérsékletű füstgázok hasznosítás előtti kerámiaszűrős tisztításával igyekeztek csökkenteni. A nagy hőmérsékleten üzemelő kerámiaszűrő viszonylag gyorsan eltömődik, aminek következtében jelentősen megnövekszik az áramlási ellenállása. A kerámiaszűrők a technika jelenlegi szintjén nem tisztíthatok, emiatt az áramlási ellenállásuk csak a szűrőbetétek gyakori cseréjével csökkenthető a tüzelési, hőhasznosítási rendszer normális működéséhez szükséges szintre. A ma még drága kerámiaszűrők cseréje jelentősen csökkenti az égető-, hőhasznosító berendezés gazdaságosságát.

A találmány révén megoldandó feladat olyan - egy rendszert képező - égető- és porleválasztó berendezés kifejlesztése, amely alkalmas különböző halmazsűrűségű, energianövény-termesztésből, erdőgazdálkodásból és mezőgazdaságból származó fitomasszák gazdaságos, környezetbarát energetikai célú hasznosítására olyan szerkezeti kialakítás alkalmazásával, ami stabil tűzvezetést, tökéletes égést, kedvező energetikai hatásfokot, optimális tűzállófalazat-tartóságot, minimális megengedhető mértékű - környezetterhelést eredményez, egyben folyamatosan energiát biztosít a képződő füstgáz fizikai hőtartalma révén.

A feladat megoldását lehetővé tevő felismerés abban áll, hogy ha a fitomasszák égése során keletkező hamu korrozív alkotóinak ellenállni képes tűzálló bélésanyagot alkalmazva, a változó fűtőértékű, nedvességtartalmú és halmazsűrűségű tüzelőanyag égésstabilitásának támasztóégővel és az égéslevegő előmelegítésével biztosítva, a tűztéren belül kétlépcsős (primer és szekunder) égetést megvalósítva létrehozható olyan nagy hőmérsékletű (1100-1200 °C) és 3-6 tP/o oxigéntartalmú füstgáz, amely már csak megengedhető mértékben tartalmaz CO-t és PAH-vegyületeket. A nagy hőmérsékletű és jelentős portartalmú füstgáz hőhasznosítóba vezetés alatt áthalad egy kettős falú ciklonrendszerű porleválasztón, ahol a hőhasznosító üzembiztonsága szempontjából túlzottan nagy hőmérséklete és portartalma optimális szintre csökkenthető.

Az égetőberendezés a fitomassza folyamatos adagolásával, környezetkímélő módon képes a meleg levegő, meleg víz, vagy gőz előállításához szükséges hőigény rugalmas és gazdaságos biztosítására.

A fő célok elérése mellett - a gazdaságossági, műszaki és környezetvédelmi szempontok együttes figyelembevétele érdekében - a berendezésnek a következő követelményeket kell kielégítenie:

- a környezetre káros füstgázkomponensek a lehető legkisebb mennyiségben keletkezzenek;

HU 221 694 Bl

- az elégető hőteljesítménye a környezeti levegő hőmérsékletének és a nyers fitomassza nedvességtartalmának megfelelően változtatható legyen;

- a berendezés egyszerű elemekből készüljön;

- az egyes szerkezeti elemek hosszú élettartamúnk, 5 könnyen cserélhetők és javíthatók legyenek;

- a por jelentős részét rögtön a tűztér után, a hőhasznosító előtt lehessen leválasztani;

- a berendezésnek lehetőleg kicsi legyen az áramlási ellenállása. 10

Az égető- és porleválasztó berendezés szerkezeti kialakításának fő elve azon alapul, hogy a kutatások (Christian God-Franz Neugraner: Umweltblastung durch kleine Einzelfeuerungen für feste Brennstoffe, Montanuniversitat Leoben; Ching P. C.-You J.: Sze- 15 métégetők PAH-emissziói, Journal of Hazardous Materials, 1992 No 1, p 29-37.) szerint a környezetszennyező PAH-komponensek képződési intenzitása 1100 °C fölötti égési hőmérséklettel jelentősen csökkenthető.

Ezt a viszonylag nagy hőmérsékletet speciális tűzálló 20 anyaggal bélelt, jól szigetelt, kicsi hőveszteségű tűztérrel és többfokozatú - előmelegített - égésilevegőbevezetéssel lehet elérni. Az izzó tűzálló falazat elősegíti a beadagolt fitomassza begyulladását, stabilizálja az égést, csökkenti a káros füstgázalkotók mennyiségét. 25 A nagy hőmérsékleten történő pemyeleválasztással jelentősen javíthatók a hőcserélő működési feltételei, növelhető a hőcsere intenzitása.

A találmány szerinti berendezés a korrózióálló és hőszigetelt tűzálló falazattal ellátott, egymáshoz kap- 30 csolódó primer és szekunder tüztérből kialakított égetőegységből, valamint ezzel összekapcsolt kettős falú por-(pemye)leválasztóból van kialakítva. A primer tűztér alatt vízszintes és ferde részből álló rostély, a tűztérhez kapcsolt primer és szekunder égésilevegő-vezeték, 35 levegőszekrény, zsilipelhető hamueltávolító és gyújtó (-támasztó) égő van elrendezve. A nagy hőmérsékletű porleválasztó fö szerkezeti elemei léghűtéshez alkalmas módon kettős falúra vannak kiképezve.

A berendezést egy kiviteli példa kapcsán az 1. ábra 40 segítségével ismertetjük.

Az 1. ábrán az égető és a pemyeleválasztó függőleges lépcsős metszetét szemléltetjük, láthatjuk. A 9 primer tűztér alatt 10 rostély, 11 légszekrényhez tangenciálisan csatlakozó 14 primer égésilevegő-vezeték, vala- 45 mint 12 zsilipelhető hamueltávolító helyezkedik el.

A 4 szekunder égéstér aljához 3 szekunder levegővezeték a keveredés elősegítése céljából tangenciálisan csatlakozik. A10 rostélynak 13 gyújtó(-támasztó) égő felőli egyharmada vízszintes, a 8 adagolónyílás felőli két- 50 harmad része 30°-os lejtésű. A tűztér öt egymás felett elrendezett szakaszból áll. A 9 primer tűztér alsó szakasza függőleges, a második szakasza a füstgázok tartózkodási idejének növelése, és a tűzzónából felszálló pernye egy részének kiülepítése céljából bővülő szelvé- 55 nyű, a harmadik szakasza függőleges, a negyedik szakasza fölfelé szűkülő terűre van kiképezve. A 4 szekunder tűztér aljához a 3 szekunder levegővezeték tangenciálisan csatlakozik. A 4 szekunder tűztér felső vízszintes szakaszához a 15 pemyeleválasztó van hozzáépítve. 60

A 9 primer tűztér és 4 szekunder tűzterek falazatának acélköpenytől számított első rétege szálas szigetelőanyagból (7), az azt követő rétege fém- vagy kerámiaszál erősítésű hőszigetelő tűzálló anyagból (6) áll.

A tűzálló bélésnek a tűztérrel érintkező belső felülete a fitomassza hamuja korróziós hatásának jól ellenálló korund- vagy cirkozitalapú 5 tűzálló anyagból készül.

A 15 por-(pemye)leválasztó fő szerkezeti elemei a nagy hőmérsékletű füstgáz hűtéséhez és az égési levegő előmelegítéséhez kettős falúra vannak kiképezve.

A léghűtéshez kettős falúra kiképzett 15 por-(pernye)leválasztó oldalfalában a primer égési levegőt spirális terelőlemez vezeti körbe. A 15 por-(pernye)leválasztó kettős falú fedeléhez a levegővezeték tangenciálisan csatlakozik, a fedelet hűtő szekunder égési levegőt a perem felől a szintén kettős falú merülőcsőhöz sugár irányú 1 ívelt bordák terelik, amely a 3 szekunder levegővezetéken jut a 4 szekunder tűztérbe. A15 por-(pemye)leválasztó oldalfalához a hűtőlevegőt 2 levegőbevezető cső viszi be, a meleg levegőt a 14 primer égésilevegő-vezeték juttatja be a 9 primer tűztér alatti 11 levegőszekrénybe.

A találmány szerinti fitomassza-elégető előnye - a viszonylag kis költségű tüzelőanyag-előkészítés mellett - az, hogy a hőszigetelt, változó áramlási szelvényű « tűztér nagy hőmérsékletén a környezetre káros policiklikus aromatikus szénhidrogének elégnek, a tangenciális szekunder levegőbevezetés pedig - a keveredés , elősegítése és az elégéshez rendelkezésre álló idő meg- · z növelése révén - a füstgázok CO-tartalmát csökkenti jelentősen. A másik előnye az, hogy a többrétegű, szál-. ;

erősítésű, a hamu korróziójának jól ellenálló tűzálló bélés lényegesen megnöveli a berendezés élettartamát. ,

A füstgázok hőjének hasznosítása szempontjából további előnyt jelent a nagy hőmérsékletű por-(pemye)leválasztás, amely a hőcserélő berendezés káros eltőmődési folyamatait gátolja.

Claims (4)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Égető- és porleválasztó berendezés növényi hulladékok és energianövények energetikai célú légkörkímélő hasznosítására, amely tüzeléstechnikai és környezetvédelmi szempontból optimális égési feltételeket biztosító korrózióálló és hőszigetelt tűzálló falazattal ellátott, egymáshoz kapcsolódó primer és szekunder tűztérből kialakított égetőegységből, valamint ezzel összekapcsolt kettős falú por-(pemye)leválasztóból van kialakítva, biztosítva a nagy hőmérsékletű füstgáz szükséges hűtését, egyben a primer és szekunder égési levegő előmelegítését, azzal jellemezve, hogy primer tűztere (9) alatt vízszintes és ferde részből álló rostély (10), a tűztérhez (9) kapcsolt primer (14) és szekunder (3) égésilevegő-vezeték, levegőszekrény (11), zsilipelhető hamueltávolító (12) és gyújtó(-támasztó) égő (13) van elrendezve.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy primer égésilevegő-vezeték (14) a levegő4

   HU 221 694 BI szekrényhez (11) tangenciálisan csatlakozik, a rostély (10) egyharmada vízszintes, kétharmad része ferde, a tűztér öt egymás fölött elrendezett szakaszból áll, amelyek közül a primer tűzteret (9) képező rész négy szakaszból áll, amelyen belül a füstgázok útvonala mentén haladva az első szakasz függőleges, a második szakasz fölfelé bővülő, a harmadik szakasz függőleges, a negyedik szakasz fölfelé szűkülő módon van kiképezve, és a szekunder levegővezeték (3) a keveredés elősegítése érdekében a szekunder tűzteret (4) alkotó ötödik szakasz 10 aljához tangenciálisan van csatlakoztatva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypontok szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy az előre gyártott szegmensekből álló tűztetek (4,9) falazatának acélköpenytől számított első rétege szálas hőszigetelő anyagból (7), az azt köve- 15 tö rétege fém- vagy kerámiaszál erősítésű hőszigetelő tűzálló anyagból (6), a tűztérrel (4, 9) érintkező rétege pedig az égéskor keletkező hamu korróziós hatásának jól ellenálló korund- vagy cirkozitalapú tűzálló anyag5 ból (5) van kialakítva.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a por-(pemye)leválasztó fö szerkezeti elemei a nagy hőmérsékletű füstgáz hűtéséhez, egyben az égéslevegő előmelegítéshez kettős falúra vannak kiképezve, és a por-(pemye)leválasztó (15) oldalpalástjának kettős fala között a primer égési levegő áramlását irányító spirális alakú terelőlemezzel (16), kettős falú fedele tangenciális levegőbevezetéssel, és a fedelet hűtő szekunder égési levegőt a kettős falú merülőcső (17) köré irányító ívelt bordákkal (1) van ellátva.