PL192012B1

PL192012B1 - Urządzenie do zgazowywania zawierających węgiel substancji wsadowych

Info

Publication number: PL192012B1
Application number: PL352151A
Authority: PL
Inventors: Jürgen Karl
Original assignee: Tech Uni Muenchen Lehrstuhl F
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2006-08-31
Also published as: ATE286108T1; BR0011462B1; AU5813500A; EP1187892A1; CA2376483C; HUP0201381A2; WO2000077128A1; CZ302537B6; US7087097B1; DE50009124D1; CZ20014156A3; CN1354778A; ES2235905T3; EP1187892B1; CN1276060C; PT1187892E; PL352151A1; HU224643B1; CA2376483A1; BR0011462A

Abstract

1. Urzadzenie do wytwarzania gazu palnego zzawierajacych wegiel, zwlaszcza biogenicz- nych, substancji wsadowych wdrodze allo- termicznego zgazowywania przy uzyciu pary wodnej, zawierajace znajdujaca sie pod cisnie- niem, fluidalna komore zgazowywania oraz komore filtracyjna, polaczona kanalem laczacym zfluidalna komora zgazowywania, znamienne tym, ze zawiera hermetyczna sluze (2) we flu- idalnej komorze zgazowywania (10) do poda- wania substancji wsadowych (3), przeznaczo- nych do zgazowania, zewnetrzne zródlo ciepla (4) oraz uklad rur przewodzacych (22) cieplo, który pochlania cieplo z zewnetrznego zródla ciepla (4) ioddaje je wfluidalnej komorze zgazowywa- nia (10) zlozu zgazowujacemu. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zgazowywania zawierających węgiel substancji wsadowych, jak węgiel, smoła, piasek smołowany, odpady z tworzywa sztucznego, pozostałości z procesów wytwarzania papieru i celulozy, pozostałości z przemysłu petrochemicznego, złom elektroniczny i lekka frakcja złomu, zwłaszcza biogenicznych substancji wsadowych, jak na przykład odpady rolnicze, rośliny energetyczne (miskant) lub ścinki drewna. Urządzenie służy zwłaszcza do wytwarzania gazów palnych o wartości opałowej, wynoszącej co najmniej 8000 do 10000 kJ/m³.

Energetyczne wykorzystanie wymienionych powyżej substancji wsadowych było dotychczas ograniczone w dużej mierze do spalania. Technologie zgazowywania są ukierunkowane przede wszystkim na wytwarzanie gazów ubogich o wartości opałowej poniżej 6000 kJ/m³. Gazy te nie nadają się jednak do wykorzystania na przykład w turbinach gazowych lub ogniwach paliwowych.

Aby wytwarzać gazy o wartości opałowej od 8000 do 10000 kJ/m³, należy przeprowadzić tak zwane zgazowywanie allotermiczne. W tym celu do zgazowywanego paliwa należy doprowadzić wystarczającą ilość ciepła zewnętrznego na wysokim poziomie temperatur od 500 do 900°, co dotychczas łączyło się ze znacznymi nakładami technicznymi.

Istotny sposób zgazowywania o szerokim zastosowaniu stanowi metoda fluidalna. Przy użyciu tego sposobu można eksploatować w sposób ekonomiczny także mniejsze instalacje, nie wytwarza się jednak wówczas gazów wysokokalorycznych. W zakresie allotermicznego zgazowywania w złożach fluidalnych przeprowadzono dotychczas badania następujących sposobów i urządzeń.

Urządzenie zgazowujące typu Batelle

W urządzeniu zgazowującym typu Batelle (dwustopniowe zgazowywanie fluidalne) ciepło reakcji dla warstwy fluidalnej wytwarza się w zewnętrznym procesie spalania w warstwie fluidalnej. Transport ciepła zachodzi poprzez wymianę gorącego złoża piaskowego, jest zatem związany z dużymi nakładami technicznymi, porównaj Peter Jansen, Thermische Vergasung von nachwachsenden Roh- und organischen Reststoffen; Institutsberichte der Bundesanstalt fiir Landwirtschaft, Braunschweig, 1997.

Urządzenie zgazowujące typu DMT

W urządzeniu zgazowującym typu DMT znaczna część ciepła niezbędnego do zgazowania ma być dostarczana w ten sposób, że do fluidyzacji stosuje się przegrzaną parę wodną o temperaturze 750°C. Ponadto celem zgazowania biomasy przez złoże fluidalne trzeba poprowadzić rurowe wymienniki ciepła, przez które płyną spaliny o temperaturze 1150°C. Możliwość uzyskania przy użyciu tego urządzenia wartości opałowych około 10000 kJ/kg wydaje się w oparciu o obecny stan wiedzy praktycznie niemożliwa. Urządzenia pracujące na tej zasadzie są ujawnione w amerykańskich opisach patentowych nr US 5,064,444 i US 5,439,491.

Celem zwiększenia wymiany chemicznej spróbowano zatem zwiększyć ilość ciepła wprowadzanego do złoża fluidalnego poprzez zastosowanie palników pulsacyjnych, jak to zostało ujawnione w amerykańskim opisie patentowym nr US 5,306,481. Rozwiązanie to pozwala na zwiększenie ilości wprowadzanego ciepła, a także na zajście przemiany chemicznej niezbędnej dla zgazowywania allotermicznego. Użycie palników pulsacyjnych jest jednak stosunkowo drogie.

W brytyjskim opisie patentowym nr GB-A-1599398 zaproponowano, aby przy zgazowywaniu węgla lub koksu do warstw fluidalnych wprowadzać ciepło za pomocą rur przewodzących („heat pipes”). Nie przewiduje się zastosowania takiej instalacji w przypadku biomas.

Ponadto z amerykańskiego opisu patentowego nr US 4,160,720 znane jest urządzenie do zgazowywania piasku smołowanego, w którym transport ciepła w komorze reakcyjnej odbywa się za pomocą rur przewodzących ciepło (heat-pipes). W urządzeniu tym piasek smołowany przechodzi przez złoże reakcyjne i strefę spalania. Ponieważ gaz uzyskany w wyniku pirolizy miesza się ze spalinami, następuje obniżenie wartości opałowej tego gazu, który nie nadaje się do bezpośredniego zastosowania w turbinach gazowych lub ogniwach paliwowych.

Celem wynalazku jest zatem opracowanie urządzenia do zgazowywania zawierających węgiel, zwłaszcza zaś biogenicznych substancji wsadowych, które charakteryzuje się prostą konstrukcją i niezawodnym sposobem działania oraz przy użyciu którego można wytwarzać gazy palne o wartości opałowej od co najmniej 8000 do 10000 kJ/m³. Ponadto celem wynalazku jest zaproponowanie reaktora fluidyzacyjnego, nadającego się zwłaszcza do zastosowania w takim urządzeniu.

Urządzenie do wytwarzania gazu palnego z zawierających węgiel, zwłaszcza biogenicznych, substancji wsadowych w drodze allotermicznego zgazowywania przy użyciu pary wodnej, zawierające znajdującą się pod ciśnieniem, fluidalną komorę zgazowywania oraz komorę filtracyjną, połączoną

PL 192 012 B1 kanałem łączącym z fluidalną komorą zgazowywania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera hermetyczną śluzę we fluidalnej komorze zgazowywania do podawania substancji wsadowych, przeznaczonych do zgazowania, zewnętrzne źródło ciepła oraz układ rur przewodzących ciepło, który pochłania ciepło z zewnętrznego źródła ciepła i oddaje je w fluidalnej komorze zgazowywania złożu zgazowującemu.

Korzystnie, zewnętrzne źródło ciepła stanowi komora spalania, zwłaszcza fluidalna komora spalania, zaopatrzona w odprowadzenie spalin.

Korzystnie, komora spalania, zwłaszcza fluidalna komora spalania, jest poprzez skierowany do góry w stronę komory filtracyjnej kanał przepływowy dla substancji stałych połączona z komorą filtracyjną, przy czym kanał przepływowy dla substancji stałych ma dolny końcowy odcinek połączony z komorą spalania, a ponadto kanał przepływowy dla substancji stałych ma górny końcowy odcinek, połączony z komorą filtracyjną, przy czym na dolnym końcowym odcinku umieszczone jest urządzenie syfonowe.

Korzystnie, w dolnym końcowym odcinku kanału przepływowego dla substancji stałych umieszczone jest pierwsze urządzenie nadmuchowe.

Korzystnie, w górnym końcowym odcinku kanału przepływowego dla substancji stałych lub w komorze filtracyjnej umieszczone jest drugie urządzenie nadmuchowe.

Korzystnie, w odprowadzeniu spalin umieszczony jest przyrząd do regulacji stosunku spalin do produktu gazowego.

Korzystnie, fluidalna komora zgazowywania jest umieszczona nad komorą filtracyjną, zaś komora filtracyjna jest umieszczona nad komorą spalania.

Korzystnie, urządzenie zawiera dodatkowy wymiennik ciepła, pochłaniający ciepło odlotowe odciąganych spalin i oddające je produktowi gazowemu.

Korzystnie, odcinki wymiennika ciepła w postaci rur przewodzących ciepło mają żebra.

Korzystnie, żebra mają kształt spiralny lub łopatkowy.

Korzystnie, na poziomych odcinkach wymiennika ciepła żebra są nachylone ukośnie względem kierunku nadmuchu urządzenia fluidyzacyjnego, przy czym kierunek nachylenia żeber wymiennika ciepła jest różny od usytuowanych w sąsiedztwie odcinków wymiennika ciepła.

Korzystnie, żebra są połączone rozłącznie z odcinkami wymiennika ciepła, przy czym połączenie wykazuje dobry transport ciepła.

Znajdująca się pod ciśnieniem, fluidalna komora zgazowywania jest zaopatrzona w hermetyczną śluzę do podawania substancji wsadowych, przeznaczonych do zgazowania. Fluidalna komora zgazowywania jest połączona kanałem łączącym z komorą filtracyjną, tak że powstający gaz może przepływać z fluidalnej komory zgazowywania do komory filtracyjnej, gdzie jest przepuszczany przez warstwę filtracyjną. Zewnętrzne źródło ciepła dostarcza ciepło niezbędne do zgazowania allotermicznego. Za pomocą układu rur przewodzących ciepło (heat pipes) ciepło to jest przekazywane zzewnętrznego źródła ciepła do złoża zgazowującego we fluidalnej komorze zgazowywania, zapewniając wytworzenie temperatury potrzebnej do procesu zgazowywania.

W korzystnej postaci wykonania wynalazku zewnętrzne ciepło dostarczane jest za pomocą spalania, zwłaszcza we fluidalnej komorze spalania.

Aby warstwa filtracyjna nie była zatykana przez substancje odfiltrowane z gazu palnego, część zarastającej warstwy filtracyjnej jest stale odciągana do komory spalania przez kanał przepływowy dla substancji stałych. Ponieważ odfiltrowane substancje (popiół i cząstki pozostałości koksu) są częściowo nadal palne, zostają spalone w komorze spalania. W tym celu komora spalania jest korzystnie połączona z komorą filtracyjną poprzez skierowany do góry w stronę komory filtracyjnej, kanał przepływowy dla substancji stałych. Dolny końcowy odcinek kanału przepływowego dla substancji stałych jest zaopatrzony w urządzenie syfonowe do transportu materiału z komory filtracyjnej do komory spalania.

Odciąganie warstwy filtracyjnej odbywa się w dalszej korzystnej postaci wykonania za pomocą pierwszego urządzenia nadmuchowego, usytuowanego na dolnym końcowym odcinku kanału przepływowego dla substancji stałych. Kanał ten jest przy tym korzystnie pionowy lub przynajmniej ma tak dobrane nachylenie i wymiary, że przy swobodnym nadmuchu z dolnego odcinka nadmuchowego kanału przepływowego dla substancji stałych substancje te ześlizgują się samoczynnie wdół, pod wpływem siły ciężkości.

PL 192 012 B1

Korzystnie na górnym końcowym odcinku kanału przepływowego dla substancji stałych umieszczone jest drugie urządzenie nadmuchowe, które służy do przemieszczania i/lub rozluźniania warstwy filtracyjnej.

Za pomocą znanych specjaliście środków sterujących i regulacyjnych, zwłaszcza zaś poprzez pomiar ciśnień gazu, określa się, kiedy ijak często trzeba uruchamiać urządzenia nadmuchowe, aby uzyskać optymalną sprawność procesu.

Szczególna zaleta wynalazku polega na tym, że zależnie od ustawienia parametrów ciśnieniowych wytwarza się albo więcej gazu, albo więcej spalin (ciepła). Ustawianie żądanej proporcji pomiędzy gazem i spalinami odbywa się korzystnie za pomocą przyrządu do regulacji spalin, na przykład poprzez zmianę przekroju wylotowego kanału spalinowego, którą można zrealizować za pomocą klapy.

W innej postaci wykonania fluidalna komora zgazowywania jest usytuowana przestrzennie nad komorą filtracyjną, zaś komora filtracyjna jest umieszczona nad komorą spalania. Taki układ zapewnia bardzo zwartą budowę w połączeniu z korzystnym bilansem cieplnym.

W kolejnej postaci wykonania zastosowany jest dodatkowy wymiennik ciepła, pochłaniający ciepło odlotowe z odprowadzanych spalin i oddające to ciepło produktowi gazowemu, co również polepsza bilans cieplny.

W następnej postaci wykonania na odcinkach wymiennika ciepła umieszczone są żebra, które są tak ukształtowane, aby stworzona została taka kombinacja wytwarzanych przez urządzenia fluidyzacyjne strumieni i zawirowań fluidu, że fluidyzowane cząstki są przyspieszane poprzecznie ich pierwotnego kierunku przepływu. W rezultacie tego osiąga się dobre poprzeczne wymieszanie złoża fluidalnego, wydłużenie czasu przebywania cząstek w złożu fluidalnym, dobre zdyspergowanie pęcherzyków gazu i znaczną poprawę transportu ciepła z żeber wymiennika ciepła do złoża fluidalnego. To rozwiązanie także przyczynia się do uzyskania zwartej konstrukcji.

Do zastosowania w urządzeniu do wytwarzania gazu palnego z zawierających węgiel substancji wsadowych według niniejszego wynalazku nadaje się w szczególności reaktor fluidyzacyjny. Taki reaktor fluidyzacyjny zawiera zbiornik, w którym umieszczone jest złoże fluidalne. Przewidziane są wnim również urządzenia fluidyzacyjne, które fluidyzują zadany obszar złoża fluidalnego. Do wprowadzania lub odprowadzania dodatkowego ciepła ztego obszaru służą wymienniki ciepła. Im lepszy jest transport ciepła pomiędzy wymiennikami ciepła i warstwą fluidalną, tym wyższa jest sprawność urządzenia. Aby polepszyć ten transport ciepła, odcinki wymiennika ciepła mają postać specjalnych żeber, które są tak ukształtowane i rozmieszczone, aby stworzyć taką kombinację wytwarzanych przez urządzenia fluidyzacyjne strumieni i zawirowań fluidu, że fluidyzowane cząstki są przyspieszane poprzecznie ich pierwotnego kierunku przyspieszenia, co poprawia poprzeczne wymieszanie złoża fluidalnego, wydłuża czas przebywania fluidyzowanych cząstek w złożu fluidalnym i znacznie poprawia transport ciepła z żeber wymiennika ciepła do złoża fluidalnego.

Użycie takiego reaktora fluidyzacyjnego pozwala, dzięki lepszemu transportowi ciepła, zrealizować przy tej samej wydajności mniejsze i tańsze konstrukcje. Tego typu reaktor fluidyzacyjny można zastosować zarówno w komorze spalania, jak też w reaktorze do wytwarzania gazu palnego, należących do urządzenia do wytwarzania gazu palnego z zawierających węgiel substancji wsadowych.

Należy zauważyć, że nie jest możliwe ani celowe podanie konkretnych wymiarów specjalnych żeber wymiennika ciepła, ponieważ specjalista może dokonać takiej optymalizacji jedynie w połączeniu z konkretnym reaktorem fluidyzacyjnym. Dlatego też w szczególnych przypadkach możliwe jest zastosowanie żeber o specjalnym kształcie, które mogą nawet różnić się pomiędzy sobą względnie mieć asymetryczny kształt, oile zapewni to opisane powyżej odchylanie cząstek wraz z towarzyszącymi temu zjawisku pozytywnymi skutkami.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w dwóch przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy przykład wykonania wynalazku w przekroju, fig. 2 - drugi przykład wykonania wynalazku w przekroju, fig. 3 - działanie górnej dyszy nadmuchowej, fig. 4 - działanie dolnej dyszy nadmuchowej, fig. 5 - spiralne żebro na odcinku wymiennika ciepła, w widoku perspektywicznym, fig. 6 - łopatkowe żebro wymiennika ciepła, w widoku perspektywicznym, fig. 7 - żebro wymiennika ciepła z fig. 6 w perspektywicznym ujęciu roboczym a fig. 8 - żebra umieszczone na poziomych odcinkach wymiennika ciepła.

Na fig. 1 ukazany jest pierwszy przykład wykonania wynalazku. Pierwszy rurowy zbiornik 1 ma na swym górnym końcu 1a hermetyczną śluzę 2 do wprowadzania przeznaczonych do zgazowania substancji wsadowych 3, przedstawionych symbolicznie za pomocą strzałek. W dolnym końcu 1b zbiornika 1 znajduje się fluidalna komora spalania 4, w którą to komorę wchodzą dysze doprowadzaPL 192 012 B1 jące 5 parę i/lub mieszaninę powietrzną. Do rozruchu, to znaczy do nagrzewania, służy umieszczona wewnątrz fluidalnej komory spalania 4, dysza doprowadzająca 6 paliwo, służąca do wdmuchiwania gazu palnego, którym nagrzewa się fluidalną komorę spalania 4.

Drugi rurowy zbiornik 7jest umieszczony koncentrycznie w zbiorniku 1 i rozciąga się od górnego końca 1a aż do fluidalnej komory spalania 4. Ten drugi rurowy zbiornik 7 jest na swym górnym końcu 7a połączony szczelnie z wyjściem śluzy 2. Na dolnym końcu 7b drugiego rurowego zbiornika 7 usytuowany jest wylot 8 paliwa do odprowadzania uzyskanego gazu palnego 9. Wylot ten nie ma połączenia z wnętrzem zbiornika 1.

W górnym odcinku drugiego rurowego zbiornika 7 umieszczona jest fluidalna komora zgazowywania 10, opisana poniżej.

Fluidalna komora zgazowywania 10 ma postać otwartego od góry, rurowego zbiornika 11. Zbiornik 11 jest tak usytuowany, że wpadają do niego wprowadzane przez śluzę 2 substancje wsadowe 3. Na dolnym końcu 11a rurowego zbiornika 11 znajduje się perforowane dno 12, pod którym umieszczona jest dysza wlotowa 13 do wprowadzania przegrzanej pary wodnej 14. Nad perforowanym dnem 12 usytuowana jest dysza doprowadzająca 15 paliwo, służąca do wprowadzania paliwa przeznaczonego do rozruchu i ewentualnie sterowania procesem zgazowywania.

Fluidalna komora zgazowywania 10 jest umieszczona koncentrycznie w drugim rurowym zbiorniku 7tak, że pozostająca pierścieniowa szczelina 16 ma zadany na wstępie przekrój.

W dolnym odcinku drugiego rurowego zbiornika 7 znajduje się komora filtracyjna 17, opisana poniżej.

Komora filtracyjna 17 składa się z odcinka 7c ścianki drugiego rurowego zbiornika 7 i perforowanego dna 18 komory filtracyjnej, usytuowanego nad wylotem 8gazu palnego. Kanał przepływowy 19 dla substancji stałych ma kształt rury, rozciągającej się od komory filtracyjnej 17 przez perforowane dno 18 komory filtracyjnej aż do fluidalnej komory spalania 4, przy czym dolny końcowy odcinek 19a kanału przepływowego 19 dla substancji stałych jest zakrzywiony do góry. Do tego odcinka 19a wchodzi skierowana ku górze, dolna dysza nadmuchowa 20, której funkcja zostanie objaśniona poniżej. Następna, skierowana ku górze, górna dysza nadmuchowa 21 jest umieszczona w górnym odcinku 19b kanału przepływowego 19 dla substancji stałych.

Z fluidalnej komory spalania 4 przez komorę filtracyjną 17 aż do fluidalnej komory zgazowywania 10 rozciągają się stanowiące wymienniki ciepła rury przewodzące 22 ciepło (heat-pipes), przy czym końce rur przewodzących 22 ciepło, wchodzące do fluidalnej komory spalania 4, pobierają ciepło, zaś końce wchodzące do fluidalnej komory zgazowywania 10 oddają tam ciepło, aby uzyskać wymaganą temperaturę zgazowywania.

W niniejszym przykładzie na końcach rur przewodzących 22 ciepło umieszczone są, wchodzące do fluidalnej komory zgazowywania 10, spiralne żebra 25a wymiennika ciepła tak że skierowany do góry przepływ pary i materiału złoża powoduje przyspieszenie poprzeczne, które pociąga za sobą nie tylko dyspergowanie powstających pęcherzyków, lecz także mieszanie w kierunku poprzecznym złoża w urządzeniu zgazowującym, co wydłuża czas przebywania cząstek paliwa w złożu i zwiększa wydajność procesu zgazowywania. Ponadto następuje znaczna poprawa transportu ciepła pomiędzy żebrami 23 wymiennika ciepła i złożem urządzenia zgazowującego.

Poniżej opisany jest proces zgazowywania:

Zgazowującą warstwę fluidalną wraz z substancjami wsadowymi 3 fluidyzuje się przegrzaną parą wodną, wprowadzaną przez perforowane dno 12, co zapewnia dobre wymieszanie warstwy fluidalnej i paliw stałych, wprowadzanych przez śluzę. Zasada zgazowywania w warstwie fluidalnej jest znana specjalistom, w związku z czym nie będzie tu bliżej opisywana.

Intensywny transport ciepła z wlotowych odcinków rur przewodzących 22 ciepło do warstwy fluidalnej gwarantuje wprowadzanie dużej ilości ciepła do fluidalnej komory zgazowywania. Znaczne przegrzanie wprowadzonej pary wodnej zapewnia ponadto utrzymanie w złożu zgazowującym temperatur pomiędzy 500 i 700°C dla pirolizy oraz do 800°C dla zgazowywania. Te wysokie temperatury powodują najpierw uwolnienie lotnych składników paliw, ana zakończenie przemianę uwolnionych węglowodorów (homogeniczne zgazowywanie w parze wodnej) i pozostałości koksu (heterogeniczne zgazowywanie w parze wodnej). Nadmiar pary wodnej sprzyja przemianie utworzonego wcześniej tlenku węgla w obecności pary wodnej w dwutlenek węgla i wodór, co dodatkowo zwiększa udział wodoru istotny z punktu widzenia wykorzystania w ogniwach paliwowych.

Gazy palne 9, utworzone we fluidalnej komorze zgazowywania 10, prowadzi się w kierunkach strzałek 9 przez pierścieniową szczelinę 16 do komory filtracyjnej 17, w której najpierw oddziela się

PL 192 012 B1 cząstki koksu i popiołu. Przy przepływie gazu palnego 9 przez stałe złoże filtracyjne reaguje on z jeszcze nie przereagowaną parą wodną, zwiększając dodatkowo stopień przemiany, czemu sprzyja katalityczne działanie pozostałości koksu.

Jedna część gazu palnego 9 przepływa przez kanał przepływowy 19 dla substancji stałej, znajdujący się we fluidalnej komorze spalania 4, druga zaś płynie przez perforowane dno 18 komory filtracyjnej bezpośrednio do wylotu 8 gazu palnego, aby następnie można ją było odprowadzić do zewnętrznego wykorzystania. Podział na dwa strumienie gazu palnego jest określony przez spadek ciśnienia gazu palnego w kanale przepływowym 19dla substancji stałej, a także przez poziom ciśnienia, panującego w komorze filtracyjnej 17, przewodzie wylotu 8gazu palnego i fluidalnej komorze spalania 4.

Przeprowadzanie cząstek popiołu i pozostałości koksu z warstwy filtracyjnej komory filtracyjnej 17 do fluidalnej komory spalania 4 odbywa się wten sposób, że z końcowego odcinka 19a kanału przepływowego 19 dla substancji stałej odprowadza się impulsowo materiał złoża filtracyjnego. W tym celu aktywuje się dyszę nadmuchową 20.

Aby materiał złoża odprowadzić z kanału przepływowego 19 dla substancji stałej do warstwy filtracyjnej komory filtracyjnej 17, przez dyszę nadmuchową 21 wdmuchuje się parę wodną, porównaj fig. 3. W ten sposób materiał złoża pokrywa warstwą osadzony popiół i cząstki pozostałości koksu.

Wprowadzony do fluidalnej komory spalania 4gaz palny 9 zostaje spalony wraz z oddzielonymi w złożu filtracyjnym smołami i pozostałością koksu. Część uwolnionego przy tym ciepła jest oddawana do pochłaniających ciepło odcinków rur przewodzących 22, które kierują ciepło do fluidalnej komory zgazowywania 10.

Reszta ciepła jest w postaci ciepła odczuwalnego odprowadzana poprzez odprowadzenie 24a spalin wraz ze spalinami 24 z fluidalnej komory spalania 4 i wykorzystywana poza urządzeniem do wytwarzania gorącej pary. Para ta jest zawracana do urządzenia, w całości lub częściowo, jako czynnik zgazowujący i fluidyzacyjny.

W niniejszym przykładzie wykonania we fluidalnej komorze spalania 4 i fluidalnej komorze zgazowywania 10 umieszczone są dodatkowo dysze doprowadzające 6 i 15 do wprowadzania paliw ciekłych lub gazowych. Dysze te służą przede wszystkim do nagrzewania urządzenia do wysokich temperatur w trakcie rozruchu, aby można było przykładowo stosować ciekłe paliwa biogeniczne, względnie przetwarzać powstające w procesach zewnętrznych gazy palne lub paliwa ciekłe. Jest to korzystne zwłaszcza wówczas, gdy na przykład przy eksploatacji ogniw paliwowych w połączeniu z urządzeniem zgazowującym w pośrednich procesach rozdzielania oddziela się wodór, zaś inne, zawarte w gazie palnym składniki (tlenek węgla, metan i węglowodory wyższego rzędu) mają być zawracane do procesu wytwarzania ciepła.

Do wytwarzania ciepłej wody, pary nasyconej lub pary przegrzanej we fluidalną komorę spalania można również, w całości lub częściowo, wbudować rury do wytwarzania pary, na przykład wpostaci użebrowanych rur lub zanurzeniowych powierzchni grzejnych.

Ponadto należy wspomnieć, że fluidalna komora spalania jest zaopatrzona w typowe urządzenie do usuwania popiołu.

Na fig. 2 ukazany jest kolejny przykład wykonania wynalazku. W tym przykładzie wykonania fluidalna komora zgazowywania 10, komora filtracyjna 17 i fluidalna komora spalania 4 są umieszczone obok siebie i również połączone cieplnie za pomocą rur przewodzących 22 ciepło. Te same elementy funkcyjne są opatrzone jednakowymi odnośnikami. W przypadku funkcji pokrywającej sięz pierwszym przykładem wykonania zrezygnowano poniżej z ponownego objaśnienia powołując się na opis fig. 1.

Przez hermetyczną śluzę 2 wprowadzą się przeznaczone do zgazowania substancje wsadowe 3 i poddaje się je zgazowaniu, podobnie jak w pierwszym przykładzie wykonania. Gaz palny 9 przechodzi przez kanał 16' do komory filtracyjnej 17, przepływa przez niąi wychodzi w postaci przefiltrowanej z wylotu 8 gazu palnego. Część gazu palnego kieruje się przez kanał przepływowy 19 dla substancji stałych i spala we fluidalnej komorze spalania 4.

Podobnie jak w pierwszym przykładzie wykonania, w końcowym odcinku 19a kanału przepływowego 19 dla substancji stałych są umieszczone dolna i górna dysze nadmuchowe 20i 21.

Na fig. 3 ukazana jest zasada działania górnej dyszy nadmuchowej 21. Strzałki uwidaczniają zawirowania i przemieszczenia warstw materiału.

Na fig. 4 ukazana jest zasada działania dolnej dyszy nadmuchowej 20. Strzałki uwidaczniają, wjaki sposób materiał filtracyjny jest odciągany z komory filtracyjnej i doprowadzany do komory spalania celem poddania spalaniu.

PL 192 012 B1

Na zakończenie należy jeszcze wspomnieć, że szczególny rodzaj odprowadzania materiału za pomocą dysz nadmuchowych 20i21 można by zastąpić mechanicznym urządzeniem odprowadzającym. Tego typu urządzenia odprowadzające, na przykład przenośniki ślimakowe, są jednak droższe niż dysze nadmuchowe, zaś w panujących warunkach pracy podatne na uszkodzenia, w związku z czym bardziej korzystne jest rozwiązanie z dyszami nadmuchowymi.

Poniżej na podstawie fig. 5 do 8 opisane są różne przykłady wykonania żeber chłodzących lub grzejnych na odcinkach wymiennika ciepła w postaci rur przewodzących ciepło. Te żebra grzejne i chłodzące nadają się szczególnie dla reaktorów fluidyzacyjnych, a zatem również dla fluidalnej komory zgazowywania 10 i fluidalnej komory spalania 4.

Na fig. 5 ukazany jest końcowy odcinek 25 wymiennika ciepła, zwłaszcza mającego postać rury przewodzącej 22 ciepło, na którym umieszczone są łopatkowe żebra 25b.

Na fig. 6 ukazany jest końcowy odcinek 25 rurowego wymiennika ciepła względnie rury przewodzącej 22 ciepło, na którym umieszczone są spiralne żebra 25a.

Na fig. 7 ukazany jest rurowy końcowy odcinek 25 wymiennika ciepła 22 ze spiralnymi żebrami 25a (jak na fig. 6) w warstwie fluidalnej 26, składającej się na przykład z cząstek 28 paliwa, w której to warstwie unoszą się w górę pęcherzyki 30 gazu. Strzałki 32 ukazują, w którym kierunku odchylane są cząstki 28 paliwa i pęcherzyki 30 gazu. Warstwa fluidalna 26 jest umieszczona w zbiorniku reaktora, odpowiadającym drugiemu rurowemu zbiornikowi 7 zfig. 1. Z boku przedstawiony jest dodatkowo zewnętrzny zbiornik 1 z fig. 1. Na fig. 7 uwidoczniony jest zatem szczegół z fig. 1.

To odchylanie na boki powoduje homogenizację warstwy fluidalnej 26. Jednocześnie cząstki 28 paliwa pozostają dłużej w złożu fluidalnym, dzięki czemu ulegają całkowitemu spaleniu. Również w przypadku innych reakcji, jak na przykład zgazowywania, pożądany jest dłuższy czas przebywania substancji wsadowych. Odchylanie na boki sprawia, że cząstki mają bardzo dobry kontakt cieplny z żebrami 23 wymiennika ciepła, co znacznie poprawia transport ciepła, zwiększając tym samym sprawność urządzenia.

Na fig. 8 ukazany jest fragment reaktora fluidyzacyjnego z poziomymi rurami 22 wymiennika ciepła, zawierającymi odcinki 25, na których umieszczone są żebra 34. Odcinki 25 wymiennika ciepła wchodzą poziomo w warstwę fluidalną 26, umieszczoną w zbiorniku 36 reaktora. Zbiornik 36 reaktora zawiera płytę denną w postaci perforowanego dna 38 z otworami 40. Otwory 40 wraz ze strzałkami 42 symbolizują urządzenie fluidyzacyjne.

Żebra 34 wymiennika ciepła są tu nachylone, przy czym kierunek nachylenia żeber 34 w leżącym powyżej odcinku 25 wymiennika ciepła jest zmieniony. Dlatego też cząstki 28 i pęcherzyki 30 pary są odchylane na zmianę w lewo lub w prawo, co zapewnia dobre wymieszanie w kierunku poprzecznym.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do wytwarzania gazu palnego z zawierających węgiel, zwłaszcza biogenicznych, substancji wsadowych w drodze allotermicznego zgazowywania przy użyciu pary wodnej, zawierające znajdującą się pod ciśnieniem, fluidalną komorę zgazowywania oraz komorę filtracyjną, połączoną kanałem łączącym z fluidalną komorą zgazowywania, znamienne tym, że zawiera hermetyczną śluzę (2) we fluidalnej komorze zgazowywania (10) do podawania substancji wsadowych (3), przeznaczonych do zgazowania, zewnętrzne źródło ciepła (4) oraz układ rur przewodzących (22) ciepło, który pochłania ciepło z zewnętrznego źródła ciepła (4) i oddaje je w fluidalnej komorze zgazowywania (10) złożu zgazowującemu.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zewnętrzne źródło ciepła stanowi komora spalania, zwłaszcza fluidalna komora spalania (4), zaopatrzona w odprowadzenie (24a) spalin.
3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że komora spalania, zwłaszcza fluidalna komora spalania (4), jest poprzez skierowany do góry w stronę komory filtracyjnej (17) kanał przepływowy (19) dla substancji stałych połączona z komorą filtracyjną (17), przy czym kanał przepływowy (19) dla substancji stałych ma dolny końcowy odcinek (19a) połączony z komorą spalania, a ponadto kanał przepływowy (19) dla substancji stałych ma górny końcowy odcinek (19b), połączony z komorą filtracyjną (17), przy czym na dolnym końcowym odcinku (19a) umieszczone jest urządzenie syfonowe.
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że w dolnym końcowym odcinku (19a) kanału przepływowego (19) dla substancji stałych umieszczone jest pierwsze urządzenie nadmuchowe (20).

PL 192 012 B1
5. Urządzenie według zastrz. 3 albo 4, znamienne tym, że w górnym końcowym odcinku (19b) kanału przepływowego (19) dla substancji stałych lub w komorze filtracyjnej (17) umieszczone jest drugie urządzenie nadmuchowe (21).
6. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że w odprowadzeniu (24a) spalin umieszczony jest przyrząd do regulacji stosunku spalin (24) do produktu gazowego.
7. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że fluidalna komora zgazowywania (10) jest umieszczona nad komorą filtracyjną (17), zaś komora filtracyjna (17) jest umieszczona nad komorą spalania (4).
8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że zawiera dodatkowy wymiennik ciepła, pochłaniający ciepło odlotowe odciąganych spalin (24) i oddające je produktowi gazowemu.
9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że odcinki (25) wymiennika ciepła w postaci rur przewodzących (22) ciepło mają żebra (25a; 25b; 34).
10. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że żebra (25a; 25b; 34) mają kształt spiralny lub łopatkowy.
11. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że na poziomych odcinkach (25) wymiennika ciepła żebra (34) są nachylone ukośnie względem kierunku nadmuchu urządzenia fluidyzacyjnego (38, 40, 42), przy czym kierunek nachylenia żeber (34) wymiennika ciepła jest różny od usytuowanych w sąsiedztwie odcinków (25) wymiennika ciepła.
12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienny tym, że żebra (25a; 25b; 34) są połączone rozłącznie z odcinkami (25) wymiennika ciepła, przy czym połączenie wykazuje dobry transport ciepła.