PL181258B1 - Urządzenie do odzysku energii z czynnika zawierającego substancje palne, nawet w małych stężeniach - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do odzysku energii z czynnika, zawierajacego substancje palne, nawet w malych stezeniach, zawierajace co najmniej jeden wymiennik spalania, posia- dajacy przewód wlotowy i wylotowy z otwo- rami wlotowymi i wylotowymi, w których umieszczone sa ruchome przepustnice zamy- kajace naprzemiennie otwór wlotowy i wylo- towy, pomiedzy którymi jest umieszczone zloze, znamienne tym, ze w obszarze srod- kowym zloza (23), bedacym najgoretsza strefa spalania znajduje sie element (28) od- prowadzajacy czesc strumienia czynnika podgrzanego po spalaniu. Fig. 2 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do odzysku energii z czynnika, zawierającego substancje palne, nawet w małych stężeniach.

Znane już jest oczyszczanie oparów wydmuchowych wydzielanych, na przykład, podczas prac malarskich i drukarskich, zawierających substancje palne, takie jak rozpuszczalniki, poprzez podgrzewanie oparów do temperatury zapłonu substancji palnych. Jednak jest to kosztowny proces, z uwagi na potrzebę podgrzewania całego strumienia wydmuchiwanego czynnika.

Dzięki wymiennikowi spalania, którego jedna postać wykonania jest opisana, na przykład, w związku z techniką absorpcji w szwedzkim zgłoszeniu patentowym nr 8903555-2, możliwe jest zmniejszenie kosztów związanych z podgrzewaniem oparów wydmuchowych. We wspomnianym zgłoszeniu patentowym, wymiennik spalania jest określony jako urządzenie, zawierające złoże akumulujące ciepło, które może być podgrzane aż do temperatury samozapłonu substancji palnych, oraz w którym to złożu substancje palne, poprzez odwrócenie kierunku ich przepływu, podtrzymują temperaturę samozopłonu wewnątrz złoża.

Urządzenie tego typu jest opisane także, na przykład, w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 741 690. Kiedy w czynniku znajdują się pewne ilości substancji palnych, ogrzewanie czynnika wewnątrz wymiennika spalania może mieć miejsce dzięki energii uwalnianej z samoistnego spalania substancji w złożu. Tak więc podgrzewanie uzupełniające staje się konieczne tylko do podgrzewania złoża do temperatury samozapłonu, kiedy instalacja rozpoczyna pracę, albo kiedy ilość substancji palnych jest bardzo mała i niewystarczająca do niezależnego podtrzymywania temperatury samozapłonu wewnątrz złoża.

Jednak, z powodu wysokiej skuteczności wymiennika spalania, względnie rzadko zdarza się, aby ilość substancji palnych w czynniku była niewystarczająca, takjak w tym drugim przypadku wspomnianym powyżej. Tak więc ilość substancji palnych zwykle przewyższa ilość wymaganą do podtrzymania temperatury samozapłonu wewnątrz złoża. Prowadzi to do wzrostu ilości ciepła w złożu, co z kolei powoduje zwiększone zapotrzebowanie na chłodzenie złoża, w celu uniknięcia uszkodzenia złoża i jego otoczenia. Dodatkowo, fakt, że energia cieplna powstająca podczas spalania nie jest odzyskiwana, sam jest problemem, z uwagi na wysokie koszty energii i aspekty ochrony środowiska.

Celem wynalazkujest urządzenie do odzysku energii z czynnika, zawierającego substancje palne, nawet w małych stężeniach.

181 258

Urządzenie do odzysku energii z czynnika, zawierającego substancje palne, nawet w małych stężeniach, zawierające co najmniej jeden wymiennik spalania, posiadający przewód wlotowy i wylotowy z otworami wlotowymi i wylotowymi, w których umieszczone są ruchome przepustnice, zamykające naprzemiennie otwór wlotowy i wylotowy, pomiędzy którymi jest umieszczone złoże według wynalazku, charakteryzuje się tym, że w obszarze środkowym złoża, będącym najgorętszą strefą spalania znajduje się element odprowadzający część strumienia czynnika podgrzanego po spalaniu.

Element stanowi co najmniej jedna perforowana rura.

W obszarze środkowym złoża znajduje się zespół podgrzewający.

Dzięki rozwiązaniu, według wynalazku, uzyskano urządzenie umożliwiające wykorzystanie nadwyżki energii cieplnej wytwarzanej podczas spalania w regeneracyjnej komorze spalania, to znaczy w komorze spalania o odwróconym kierunku przepływu, w której spalanie odbywa się w strefie gorącej, którąkorzystnie jest wymiennik spalania. Jednocześnie z odzyskiem energii reguluje się temperaturę w regeneracyjnej komorze spalania. Ponadto eliminuje się substancje toksyczne, stanowiące zagrożenie dla klimatu, cuchnące przy spalaniu.

Odzyskana energia cieplna może być użyta do uzyskania wysokich temperatur, na przykład przy wytwarzaniu elektryczności.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na którym: fig. 1 przedstawia schematyczny widok z góry urządzenia według wynalazku, zamontowanego w instalacji do oczyszczania powietrza wywiewanego z kopalni węgla; fig. 2 - schematyczny widok poprzeczny wymiennika spalania urządzenia według wynalazku.

Urządzenie przedstawione na fig. 1 jest używane do oczyszczania czynnika, w tym konkretnym przypadku powietrza wywiewanego albo powietrza wentylacyjnego z kopalni węgla. Powietrze wywiewane tego rodzaju zwykle zawiera substancje palne, to znaczy palny metan. Powietrze wywiewane jest transportowane z szybu kopalnianego 1 poprzez wentylator 2 i zawór 3 do komina 4, albo poprzez wentylator 5 do komina 6, kiedy urządzenie 7 według wynalazku, nie jest używane.

Według przedstawionego przykładu wykonania, urządzenie 7 według wynalazku zawiera cztery wymienniki spalania, ale może ono oczywiście zawierać większą albo mniejszą ilość wymienników spalania, w zależności od obszaru użytkowania. Poprzez wentylator przemysłowy 9, któryjest wspólny dla wszystkich wymienników spalania, oraz zawór 10, jeden dla każdego wymiennika spalania, każdy wymiennik spalania 8,8¹,8¹¹,8¹¹¹,8^Ivjest połączony z wieloma przewodami wlotowymi 11 i wieloma przewodami wylotowymi 12. Zgodnie z przedstawionym przykładem wykonania, znajduje się dziewięć przewodów wlotowych i dziewięć przewodów wylotowych, ale ilość przewodów wlotowych i wylotowych może być zmienna. Każdy przewód wlotowy 11 i każdy przewód wylotowy 12 jest wyposażony w urządzenie tłumiące 13 i 14, odpowiednio. Poprzez zawór 15, jeden dla każdego wymiennika spalania 8, przewody wylotowe 12 prowadzą do komina 6. Pojedynczy wentylator 9 może być także zastąpiony na przykład czterema wentylatorami, po jednym dla każdego wymiennika spalania.

Figura 2 przedstawia schematyczny przekrój wymiennika spalania 8. Urządzenia tłumiące 13 i 14 mają odpowiednie przepustnice 18 i 19, które sąprzemieszczane pionowo pomiędzy dwoma położeniami uszczelniającymi, w których każda z przepustnic 18, 19 szczelnie przylega do kanałów, odpowiednio, 16 i 17. Dwie przepustnice 18 i 10 nigdy nie zamykają tego samego kanału, i tak w położeniu przedstawionym liniami ciągłymi przepustnica 18 zamyka wlot 20 kanału 17, natomiast przepustnica 19 zamyka wylot 21 kanału 16. W rezultacie, czynnik zawierający substancje palne jest przenoszony przewodem wlotowym 11 poprzez wlot 22 kanału 15 do złoża 23 wymiennika spalania 8, w którym substancje są spalane w znany sposób, po czym czynnik przepływa kanałem 17 i przez jego wlot 24 do przewodu wylotowego 12. Przepływ ten jest schematycznie przedstawiony ciągłymi strzałkami 25 na fig. 2. W sposób znany sam przez się, kierunek przepływu przez złoże 23 wymiennika spalania powinien być od czasu do czasu zmieniany, aby uniknąć przesunięcia się frontu cieplnego złoża 23 zbyt blisko jednego z kanałów 16, 17. Po takiej zmianie kierunku, przepustnice 18 i 19 sąprzemieszczane do położeń przedstawio4

181 258 nych na fig. 2 liniami przerywanymi, a przepływ związany z takimi położeniami przepustnic jest schematycznie przedstawiony za pomocą przerywanych strzałek 26.

Zawory 10, 15 zatrzymują przepływ do i z wymienników spalania 8, 8', 8”, 8*, 8^IV, na przykład podczas konserwacji, napraw itp. Ponadto jest zrozumiałe, że zaworem 3 może być zawór, który w zależności od przepływu przez wentylator 9 otwiera albo zamyka przepływ do komina 4, co zapewnia wentylacje szybu 1 niezależnie od przepływu przez urządzenie 7.

W obszarze środkowym złoża 23, znanym jako strefa spalania, znajduje się zespół podgrzewający 27, który może być podgrzewany elektrycznie. Za zespołem podgrzewającym 27 złoże 23 jest podgrzewane do temperatury samozapłonu substancji palnych, na przykład, kiedy wymiennik spalania 8 ma rozpocząć pracę.

W obszarze strefy spalania znajdująsię także element drenażowy albo odprowadzający 28, który jest stosowany do zmiany kierunku przepływu części strumienia czynnika podgrzanego po spalaniu. Według tego przykładu wykonania, element odprowadzający 28 ma postać perforowanej rury usytuowanej wzdłuż strefy spalania złoża 23, ale może mieć także inny kształt, na przykład jako element przystosowany do zasysania czynnika bezpośrednio przez ściankę 29 złoża 23. Według przedstawionego przykładu wykonania, element odprowadzający 28 jest połączony z kotłem parowym 30, schematycznie przedstawionym na fig. 1. Czynnik o kierunku zmienionym przez element odprowadzający 28 przepływa przez kocioł parowy 30, a następnie jest kierowany za pomocą wentylatora 31, który kompensuje stratę ciśnienia wewnątrz kotła, do komina 6.

Ponieważ temperatura samozapłonu w wymienniku spalania wynosi około 1000°C, według opisanego przykładu wykonania, zgodnie z którym substancja palna korzystnie zawiera metan wydzielany z kopalni, to czynnik pobrany bezpośrednio ze strefy spalania może być efektywnie wykorzystywany w kotle parowym 30, do wytwarzania energii elektrycznej za pomocą turbiny parowej i generatora. Ta energia elektryczna może być wykorzystana zgodnie z powyższym przykładem wykonania, na przykład, do zasilania co najmniej jednego wentylatora 2,5,9 i 31. Ponieważ z górnictwie jest rzeczą absolutnie konieczną, aby chodniki były wentylowane przez cały czas, z powodu ryzyka eksplozji, ważne jest, aby przynajmniej wentylatory 2, 5 działały w sposób ciągły, to znaczy także w przypadku awarii sieci elektrycznej. W innym przypadku kopalnia musiałaby być ewakuowana, co jest trudną, czasochłonną i kosztowną operacją. Dzięki wynalazkowi takie wentylatory mogą pracować w sposób efektywny ekonomicznie bez konieczności polegania na zasilaniu kopalni w elektryczność z zewnętrznej sieci zasilającej. Dodatkowo, nadwyżka energii elektrycznej wytwarzanej przez kocioł parowy, turbinę i generator może być sprzedana. Urządzenie i sposób według wynalazku czynią więc ekonomicznie korzystną i technicznie możliwą ochronę środowiska za pomocą spalania wewnątrz złoża 23, jednocześnie wytwarzając energię elektryczną.

W kopalniach stężenie metanu w powietrzu wywiewnym normalnie wynosi maksymalnie do 20% dolnego limitu eksplozji. Okazało się możliwe ukształtowanie wymiennika spalania w sposób umożliwiający osiągnięcie wielkości sprawności' cieplnej 98%. Oznacza to, że wymiennik spalania jest samowystarczalny pod względem utrzymywania temperatury samozapłonu wewnątrz strefy spalania, kiedy stężenie metanu w czynniku przewyższa 0,1% (2% dolnego limitu eksplozji).

Zastosowanie wynalazku umożliwia więc odzysk energii elektrycznej także z czynnika, posiadającego małe stężenie substancji palnych, co dotąd było praktycznie niemożliwe. Dodatkowo, ilość czynnika o kierunku zmienianym przez element odprowadzający 28 może być użyta do regulacji temperatury wewnątrz złoża 23. Dzięki temu unika się sytuacji, w której strefa spalania staje się za szeroka i na przykład kontaktuje się w obudową otaczającą złoże 23, co samo w sobie może zawierać ryzyko oparzeń i niepotrzebnych strat energii. Za pomocą urządzenia według wynalazku, łatwe jest także kontrolowanie energii o zmienionym kierunku, poprzez zmianę przepływu czynnika o zmienionym kierunku, w celu kompensacji zmian ilości substancji palnej w czynniku przemieszczającym się przez złoże 23. Proces spalania jest także bardzo czysty, ponieważ podczas spalania w płomieniu nie jest natychmiast wytwarzany i/lub cieplny NO_X.

181 258

Jest zrozumiałe, że możliwa jest pewna modyfikacja opisanego przykładu wykonania. Na przykład, może być zmieniana ilość wymienników spalania 8, jak również ilość elementów odprowadzających 28 w każdym złożu 23. Oczywiście urządzenia tłumiące 13, 14 mogą być ukształtowane w sposób różny do tego, którego szczegóły przedstawiono powyżej, jeśli tylko powodują one zmianę kierunku przepływu wewnątrz złoża 23. Ponadto, kanały 16, 17 mogą być inaczej ukształtowane i mogą na przykład zawierać perforowane rury umieszczone wewnątrz złoża 23, przy czym strefa spalania znajduje się pomiędzy nimi. Jest także zrozumiałe, że zamiast wymiennika spalania może być zastosowana dowolna regeneracyjna komora spalania.

Czynnik grzewczy może być oczywiście używany także do wytwarzania innych postaci energii niż energia elektryczna, a element odprowadzający 28 w tym przypadku także może być połączony z innymi typami instalacji wytwarzających energię niż kocioł parowy 30. Na przykład, podgrzany czynnik może być używany do podgrzewania innego czynnika, takiego jak woda, w którym to przypadku energia cieplna we wspomnianym drugim czynniku jest zużywana na przykład w miejskim systemie grzewczym. Ponadto, energia cieplna podgrzanego czynnika może w tym przypadku być odzyskana za pomocą środków odprowadzających w postaci przynajmniej jednej rury, która umożliwia odpowiedni przepływ drugiego czynnika, oraz która znajduje się wewnątrz strefy spalania regeneracyjnej komory spalania, korzystnie złoża 23 wymiennika spalania.

Urządzenie i sposób, według wynalazku, nie są również ograniczone do stosowania w kopalni, ale mogą być także stosowane na przykład w instalacjach wentylacyjnych przy wytwarzaniu farb, przy pracach drukarskich, przy procesach powlekania i laminowania, wytwarzaniu chemikalów i produktów farmaceutycznych, w instalacjach do hodowli zwierząt, w instalacjach fermentacyjnych, w osadnikach odpadów, oraz przy wytwarzaniu tworzyw sztucznych i opon, inaczej mówiąc dla takich instalacji i procesów, w których w czynniku przechodzącym przez regeneracyjną komorę spalania, którą korzystnie jest wymiennik spalania, znajdują się pewne rodzaje związków węglowodorowych, takich jak rozpuszczalniki, styren, dymy z tworzyw sztucznych, opary ze zbiorników paliwa, opary z przemysłu rybnego, silników dieslowskich albo sadze z gazu naturalnego, albo palne substancje nieorganiczne, to znaczy tlenek węgla, na przykład pochodzący z produkcji stali elektrycznej, albo wodór, na przykład z przemysłu chemicznego. Wszystkie rodzaje substancji palnych, to znaczy także cuchnące albo toksyczne wydzieliny z różnych procesów albo z odgazowań, albo wycieki gazu mogą być skutecznie wyeliminowane z czynnika, jednocześnie wytwarzając energię. Jest także łatwo zrozumiałe, że wynalazek nie musi być stosowany w połączeniu z kominami 4,6, wentylatorami 2,5 albo zaworem 3, jak pokazano na fig. 1, ale zamiast tego można zastosować dowolną instalację, w której czynnik wypełnia powyższe wymagania.

Wszystkie takie zmiany i modyfikacje, które są zawarte w podstawowej idei wynalazku, mogąbyćjednakuważane za objęte zakresem ochronnym dołączonych zastrzeżeń patentowych.

181 258

181 258

181 258

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odzysku energii z czynnika, zawierającego substancje palne, nawet w małych stężeniach, zawierające co najmniej jeden wymiennik spalania, posiadający przewód wlotowy i wylotowy z otworami wlotowymi i wylotowymi, w których umieszczone są ruchome przepustnice zamykające naprzemiennie otwór wlotowy i wylotowy, pomiędzy którymi jest umieszczone złoże, znamienne tym, że w obszarze środkowym złoża (23), będącym najgorętszą strefą spalania znajduje się element (28) odprowadzający część strumienia czynnika podgrzanego po spalaniu.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, zamienne tym, że element (28) stanowi co najmniej jedna perforowana rura.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w obszarze środkowym złoża (23) znajduje się zespół podgrzewający (27).