PL237608B1 - Sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, w piecu termodynamicznym przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, w piecu termodynamicznym przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania.

Rozwiązanie łączy w sobie dziedziny techniki określanej jako piece grzewcze oraz maszyny cieplne ponieważ wykorzystuje wytworzone przez siebie ciepło w sposób bezpośredni np.: do ogrzewania pomieszczeń, jako jednostka grzewcza może mieć zastosowanie w ciepłowniach do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania, w elektrociepłowniach, gdzie dodatkowo byłaby wykorzystana również energia spalin do napędu turbin połączonych z prądnicami produkującymi prąd elektryczny, energię elektryczną w dużych blokach energetycznych, piec termodynamiczny jest również wydajną i wysokosprawną maszyną cieplną wykorzystującą energię kinetyczną usuwanych spalin jako bezpośredni strumień odrzutowy, lub wysokosprawny stopień sprężarkowy (wtłaczają powietrze do innego silnika odrzutowego zastępując jego sprężarkę oraz turbinę), może też wykonywać pracę poprzez bezpośrednią zamianę energii kinetycznej spalin, na mechaniczną np. w turbinie, albo też na potencjalną, jako jednostka grzewcza, pompa ciepła, jako źródło ciepła do zasilania silnika z zewnętrznym spalaniem paliwa np. Stirlinga, lub w sposób mieszany. Natomiast sposób recyklingu i odzyskiwania pierwiastków ze spalin w piecu termodynamicznym odnosi się do dziedziny niskich temperatur i polega na przekraczaniu stanów krytycznych pierwiastków tj. ich ciśnienia i temperatury obniżanej metodą Lindego oraz Joule-Thomsona.

Piece jako konstrukcja przeznaczona do spalania paliwa i pozyskiwania w ten sposób energii cieplnej występuje powszechnie na rynku, głównie w branży grzewczej i służą do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych lub przemysłowych, bezpośrednio (kominki, piece kaflowe), lub poprzez konstrukcje bardziej złożone, z płaszczem wodnym jako nośnikiem energii, urządzenia te przyjęły rynkową nazwę: piece centralnego ogrzewania, kotły. Urządzenia te znalazły duże zastosowanie w przemyśle, gdzie jako piece przemysłowe i kotły grzewcze, występują w dziesiątkach odmian. Łączy je jedna cecha wspólna, posiadają przestrzeń paleniskową, w której dochodzi do procesu spalania paliwa w wyniku którego otrzymywana jest energia cieplna. We wszystkich przypadkach proces ten polega na spalaniu paliwa w wolnym powietrzu, w procesie ciągłym i jednostajnym, bez wstępnego sprężania mieszanki paliwowej. Proces spalania odbywa się na bardzo niskim poziomie zenergetyzowania termodynamicznego przez co jest niedokładny, niepełny celowo, utrzymywany na poziomie niepełnego natlenienia spalanego paliwa (mieszanka nasycona) ze względu na eliminację tlenków azotu co powoduje że do spalin przedostają się niespalone frakcje węglowodorów, tlenek węgla oraz niespalony pył powodujący smog w spalinach brakuje energii na samooczyszczenie produktów spalania. W obecnie stosowanych procesach spalania paliwa w piecach, maszynach cieplnych: w niskiej temperaturze i przy ograniczonym dostępie powietrza (mieszanka nasycona), możliwym jest jedynie częściowe sterowanie składem spalin z bardziej na mniej toksyczny ale kosztem niedopalenia paliwa i niższej energii termicznej uzyskiwanej z procesu spalania, co w bilansie zaspokajanych potrzeb przez pracujące urządzenie skutkuje większym zużyciem paliwa i większym zanieczyszczeniem powietrza mniej szkodliwymi spalinami. Natomiast oczyszczanie, jedynie częściowe spalin uzyskuje się poprzez bardzo drogie i rozbudowane dodatkowe instalacje zewnętrzne, zużywające do swojej pracy dużą ilość energii i substancji czynnej np. sorbentu który podlega kosztownej neutralizacji. Są to np. kotły fluidalne ciśnieniowe do spalania gruboziarnistego pyłu węglowego, jednak do ich pracy dodatkowo potrzebne jest wysokie ciśnienie (do 20 atm.) oraz silny nawiew. Do najnowszych osiągnięć z tej dziedziny i rozwiązań najbardziej zbliżonych do sposobu pracy pieca termodynamicznego należy wymienić, kocioł pulsacyjny o mocy 20 kW firmy Auer, oparty na pulsacyjnym spalaniu gazu poprzez stacjonarne zaadaptowanie silnika pulsacyjnego, jednak w stosunku do pieca termodynamicznego spalanie mieszanki odbywa się tam bez sprężania wstępnego (co zmniejsza jego sprawność) a spaliny nie posiadają energii zdolnej do samooczyszczenia. Kolejnym rozwiązaniem jest: „urządzenie do stabilnego wytwarzania gazu o temperaturze 2000-3000°C metodą detonacyjną”, według patentu: JP 2005098656 A, jest to urządzenie bardziej zbliżone do prezentowanego sposobu według wynalazku, ponieważ wykorzystuje sprężanie wstępne mieszanki paliwowej, jednak tylko po to by zwiększoną sprawność procesu spalania wykorzystując go do podniesienia temperatury spalin, rozwiązanie to nie zawiera idei ani też technicznych i termodynamicznych możliwości wytrącania szkodliwych pierwiastków ze spalin. Istnieją też zrealizowane prace badawczorozwojowe nad wychwytywaniem poprzez skraplanie CO2 w spalinach - Politechnika Śląska umowa

PL 237 608 B1 z NCBiR SP/E/1/67484/10, jednak jest to technologia bardzo kosztowna, rozbudowana nie związana ze sposobem wytwarzania energii i dotyczy jedynie dwutlenku węgla.

Celem wynalazku było znalezienie takiego sposobu pozyskania energii w procesie spalania, który by eliminował wyżej wymienione wady obecnych pieców, kotłów grzewczych, oraz maszyn cieplnych poprzez wytworzenie urządzenia technicznego, w którym by zachodził sprawniejszy i dokładniejszy od uzyskiwanych obecnie, proces spalania paliwa, dający wyższą sprawność energetyczną, wyższy potencjał termiczny, pozwalający współpracującym maszynom cieplnym uzyskiwać wyższą sprawność a jednocześnie poprzez wysoką termodynamikę spalin, wynikającą z zaawansowanego termodynamicznego procesu spalania, możliwe było dokonanie wydajnego samooczyszczenia spalin ze szkodliwych związków poprzez recykling kaskadowy, w wyniku którego spaliny zamieniane są w czyste powietrze, a pozyskane tą drogą cenne pierwiastki, użyte do komercyjnego, wtórnego wykorzystania w przemyśle. Proponowane rozwiązanie wytrącania szkodliwych pierwiastków ze spalin w stosunku do obecnie znanych ze stanu techniki rozwiązań jest bez kosztowe.

Istotą wynalazku jest sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, w piecu termodynamicznym przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania. Uzyskano to dzięki wysokosprawnemu detonacyjnemu cyklowi spalania z przeciwuderzeniowym wstępnym systemem sprężania mieszanki paliwowej oraz wysokociśnieniowym obiegiem przemian termodynamicznych wymuszających, efektem pompy ciepła, wyższą sprawność układu, z recyklingowym samooczyszczaniem spalin ze szkodliwych produktów spalania. Polega to na ekstremalnie silnym spolaryzowaniu dwóch skrajnych stanów termicznych w obrębie pieca termodynamicznego z których pierwszy posiada energię ujemną (skala Celsjusza) wytworzonego na zasadzie obiegu Lindego, natomiast drugi, skrajnie dodatni potęguje temperaturę spalania paliwa, temperaturą fali detonacyjnej, w której to spalanie następuje. Niesie to konkretne korzyści, bowiem z praw termodynamiki wynika, że im wyższa różnica potencjałów termicznych powstanie w piecu termodynamicznym, tym wyższą sprawność uzyska maszyna cieplna zasilana energią tego pieca. Dodatkowa korzyść pozyskania energii w piecu termodynamicznym polega na tym że równolegle poprzez wytworzone parametry termodynamiczne podczas pracy urządzenia uzyskuje się zarówno wysokie ciśnienie jak i niską temperaturę spalin o potencjale, stanów krytycznych szkodliwych pierwiastków wytrącanych ze spalin, które w procesie recyklingu kaskadowego w sposób jednoczesny w szybkim procesie wydechowym spalin są wytrącane w przyporządkowanych sobie kaskadach. Wymieniona metoda oczyszczania spalin jest bezkosztowa i polega na samoistnym skraplaniu dwutlenku węgła w spalinach, w kolektorze wylotowym pieca, w którym na skutek opisanego powyżej trybu pracy tego pieca, panuje ciśnienie 34-70 atmosfer, oraz na skutek wychładzania wymienionego kolektora, wraz ze znajdującymi się w nim spalinami do poziomu temperatury 30-0°C. W wymienionych warunkach następuje samoistne skraplanie CO2, który wyprowadzany jest w formie skroplonej (handlowej) poza układ pieca.

Spaliny, pozbawione dwutlenku węgla, sprężone do wysokiego ciśnienia w kolektorze wylotowym trafiając poprzez dyszę wylotową do separatorów kaskadowych, gdzie się oziębiają poprzez rozprężenie, powoduje to spadek ich temperatury docelowo do -189°C (wyliczeniowo), oraz docelowe wyrównanie ciśnienia do poziomu otoczenia, co sprawia że, zawarte w nich: dwutlenek siarki (SO2) zostaje skroplony (temperatura skroplenia tego gazu to -10,02°C), lub scalony (temp. krzepnięcia to - 75,5°C), natomiast dwutlenek azotu (NO2) przechodzi w stały stan skupienia (temp. krzepnięcia -9,3°C) tworząc bezbarwną krystaliczną strukturę. Natomiast tlenek azotu NO skrapla się w temp -150°C, a krzepnie w temperaturze -164°C. Tak więc te bardzo szkodliwe dla środowiska i człowieka, a cenne rynkowo pierwiastki, na zasadach recyklingu będą gromadzone w separatorach na końcu układu wydechowego pieca i odsprzedawane dla przemysłu. Należy podkreślić że wymieniona metoda wytracania trujących substancji ze spalin jest makroskopowa (działająca jednocześnie na całą masę spalin z dużą skutecznością) a jednocześnie bezkosztowa, nie wymagająca dodatkowej infrastruktury ani procesów czy czynników zewnętrznych, zawiera się w gabarycie pieca termodynamicznego i wynika z procesu pracy samego wynalazku, realizującego technikę czystego spalania paliw kopalnych. Odzyskane tą metodą gazy są cennym handlowym surowcem w światowej gospodarce, mogą być wykorzystane wtórnie: jako techniczny otulinowy gaz spawalniczy, w przemyśle chłodniczym, gaśniczym do produkcji napoi gazowanych, ciastek (CO2); w produkcji kwasu siarkowego, elektrolitu do ołowiowych akumulatorów samochodowych, nawozów sztucznych dla rolnictwa (SO2); do produkcji kwasu azotowego, farb, lakierów, nawozów dla rolnictwa (NO2). Należy podkreślić że przedstawiona metoda oczyszczania spalin nie jest dotychczas stosowana, jest bardzo prosta, skuteczna, wydajna i bezkosztowa, przedstawiona jest jako

PL 237 608 B1 część procesu technologicznego pracy wysokosprawnego pieca termodynamicznego, który tworzy nową technologię czystej techniki spalania paliw węglowych.

Przemiana energetyczna w piecu termodynamicznym polega na wyzyskaniu możliwie największej energii ze spalanego paliwa bez względu na skład powstałych w tym procesie spalin, poprzez wysokie ciśnienie i wysoką temperaturą spalania w wysoko natlenionej mieszance paliwowej co w szczególności pozwala na bardzo dokładne spalanie wszystkich składników paliwa, w tym powodujących smog pyłów zawieszonych poniżej PM10 np. sadzy, oraz lotnych związków organicznych, natomiast powstałe w wymienionym procesie spalania szkodliwe związki spalin ulegają recyklingowi kaskadowemu, co dla środowiska daje czyste spaliny dla użytkownika wartość dodaną w postaci mniejszej ilości zużywanego paliwa oraz odzyskanych w procesie recyklingu kaskadowego cennych rynkowo pierwiastków.

Przedstawiony opis wynalazku dotyczy przypadku maksymalnego wyprowadzania na zewnątrz, ciepła z instalacji pieca termodynamicznego w tym energii cieplnej ze sprężonych spalin, a poprzez ich rozprężne wychładzanie, redukcji poprzez recykling kaskadowy szkodliwych związków spalin. W wymienionym przypadku piec termodynamiczny działa jak pompa ciepła, ponieważ odbiera ciepło z otoczenia, tym samym w instalacji pieca tworzą się dwa bardzo skrajne ośrodki termiczne, których wielkość różnicy potencjałów stanowi o wyższej sprawności maszyny cieplnej zasilanej energią pieca termodynamicznego np. poprzez silnik cieplny Stirlinga do napędu np. generatora prądu. Innym sposobem pozyskania energii mechanicznej z pieca termodynamicznego jest bezpośrednia zamiana energii kinetycznej spalin na energię odrzutową poprzez odjęcie kolektora wylotowego, kolejnym sposobem pozyskania energii mechanicznej z pieca termodynamicznego jest podłączenie do kolektora wydechowego, który wówczas pełnił by rolę zbiornika wyrównawczego, np. turbiny gazowej.

Przykładową konstrukcję pieca termodynamicznego realizującego sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania według wynalazku przedstawia rys. 1.

Komory detonacyjne - 1 i - 25, połączone ze sobą kolektorem przelotowym - 3, wewnątrz podzielonego kanałami szczelinowymi - 4, w środkowym odcinku kolektor przelotowy - 3, połączony jest z kolektorem dolotowym - 2. Komory detonacyjne posiadające w swej centralnej części wtryskiwacz paliwa - 6, świecę zapłonową - 7, oraz ciśnieniowy czujnik sterujący - 8, połączone są poprzez otwór wylotowy z zaworem zwrotnym - 5, dociskanych sprężyną stalą - 22, z kolektorem wylotowym - 9, łączącym obie komory detonacyjne. Na początku kolektora wylotowego - 9 znajduje się cyklon wytracający frakcje stałe -10 z zaworem zrzutowym zwrotnym - 11, w dalszej części kolektora znajduje się filtr pyłowy - 12, oraz strefa katalizatorów - 13 , następnie na końcu kolektora wylotowego znajduje się odstojnik skroplonego dwutlenku węgla - 14 z zaworem spustowym - 15 oraz zbiornik na płynny gaz - 16. Kolektor wylotowy kończy się dyszą rozprężną - 23 odizolowaną termicznie od kolektora oraz sąsiedniego przedziału kaskadowego z zaworem przeciążeniowym dyszy rozprężnej - 17, dociskanej sprężyną stałą - 22, tworząc w ten sposób kolejne przedziały kaskadowe - 18 dysponujące zbiornikami zbiorczymi na wytrącone odpady - 20. Do sterowania temperaturą ujemną przedziały kaskadowe posiadają wymienniki ciepła - 19, natomiast do odbioru energii cieplnej produkowanej przez piec, poprzez schładzanie kolektora wylotowego oraz komór detonacyjnych służy płaszcz wodny - 24.

Sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, w piecu termodynamicznym przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania spalającego węgiel w postaci pyłu, według wynalazku jest następujący:

Na skutek wybuchu (uruchomienie pieca) w komorze detonacyjnej - 1 powstaje fala detonacyjna, która w postaci silnie zagęszczonego powietrza, przypominającego tłok, z dużą energią oraz prędkością uchodzi do kolektora przelotowego - 3, w kierunku usytuowanej na jego końcu komory detonacyjnej 25, znajdujące się w kolektorze przelotowym - 3 kanały szczelinowe - 4 zapewniają przemieszczającemu się „tłokowi powietrza” - fali uderzeniowej równomierność, brak wewnętrznych zawirowań w konsekwencji równomierne sprężanie i wypychanie do komory detonacyjnej - 25, zalegającego w kolektorze powietrza, lub mieszanki paliwowej. Na skutek wzrostu w niej ciśnienia, ciśnieniowy czujnik sterujący - 8 w odpowiednim momencie uruchamia podanie paliwa poprzez wtryskiwacz paliwa - 6, oraz załącza świecę zapłonową - 7, od której sprężona w komorze detonacyjnej - 25, mieszanka paliwowo-powietrzna ulega detonacji. W momencie dotarcia fali detonacyjnej do komory detonacyjnej - 25, po drugie stronie fali detonacyjnej, za nią w kolektorze przelotowym - 3, pojawia się podciśnienie, które zasysa poprzez kolektor dolotowy - 2, do kolektora przelotowego - 3 powietrze wraz z rozpylonym z gaźnika

PL 237 608 B1 pyłowego - 26 pyłem węglowym. Na skutek detonacji w komorze detonacyjnej - 25 część spalin uformowana w falę uderzeniową o odpowiednio pomniejszonej energii uchodzi z komory detonacyjnej - 25 do kolektora przelotowego - 3 pełniąc rolę tłoka i z dużą prędkością tłoczy przed sobą napotkane powietrze zmieszane z pyłem węglowym do komory detonacyjnej - 1. W związku z tym, że pomiędzy komorami detonacyjnymi - 1 i - 25 dochodzi do identycznej reakcji przemiennej, to w komorze detonacyjnej - 1 zachodzi identyczny procesu spalania, jak opisany powyżej w komorze detonacyjnej - 25. Natomiast usuwanie spalin odbywa się równolegle poprzez otwór wylotowy z zaworem zwrotnym - 5, po chwilowym przełamaniu ciśnieniem fali detonacyjnej oporu zaworu zwrotnego - 5 dociskanego sprężyną - 22, spaliny uchodzą do kolektora wydechowego - 9 wytracając tam energię kinetyczną detonacji. Na skutek tłumienia, energia kinetyczna spalin zamienia się na energię potencjalną wytwarzając duże ciśnienie spalin przemieszczających się w stronę dysz rozprężających - 23, w pierwszej fazie spaliny przedostają się przez strefę cyklonową w której cyklon wytrącający - 10 wytraca ze spalin ich frakcje stałe takie jat popioły i pyły, następnie filtr pyłowy - 12 dokładnie oczyszcza spaliny, które następnie przechodzą strefę katalizatorów konwencjonalnych - 13. W końcowym odcinku kolektora wylotowego - 9, na skutek jego schładzania płaszczem wodnym - 24, oczyszczone spaliny oziębiają się do założonej temperatury i przy panującym, odpowiednim ciśnieniu, znajdujący się w nich dwutlenek węgla, na skutek przekroczenia stanu krytycznego, ze stanu lotnego skrapla się do stanu płynnego i gromadzi w odstojniku ciekłego CO2 - 14, skąd poprzez zawór spustowy - 15 spływa do zbiornika na płynny gaz - 16 jako płynny CO2. Kolektor wylotowy - 9 zakończony jest odizolowaną termicznie dyszą rozprężną - 23, w której zamontowany jest zawór przeciążeniowy - 17, utrzymujący zadane ciśnienie w kolektorze wylotowym, dociskany stałą sprężyną dociskową - 22. Po przejściu spalin przez dyszę rozprężną - 23, spaliny przedostają się do przedziału kaskadowego - 18 w którym, na skutek rozprężnego oziębiania się, po przekroczeniu parametrów stanu krytycznego wytrącanego ze spalin szkodliwego pierwiastka następuje jego skrystalizowanie lub skroplenie (zmiana stanu skupienia) i gromadzenie w pojemnikach zbiorczych - 20. Po czym spaliny kolejny raz w identyczny sposób przedostają się do następnych przedziałów kaskadowych - 18, przez kolejne dysze rozprężne - 23 z tą jednak różnicą, że kolejne zawory przeciążeniowe - 17 dociskane sprężyną dociskową - 22 posiadają coraz mniejszą wartość zaporową, ale taką która, powala uzyskać parametry techniczne spalin, odpowiadającym stanom krytycznym, kolejnego z wytrącanych ze spalin szkodliwych związków czy pierwiastków chemicznych, skutkiem czego w następnych przedziałach kaskadowych - 18, znajdują się nie tylko coraz to niższe ciśnienia, ale też odseparowane w pojemnikach zbiorczych - 20 wytrącone ze spalin, jednorodne substancje chemiczne, do zmiany stanu skupienia których, w poszczególnych kaskadach panują indywidualnie do tego celu dobrane warunki - ciśnienie regulowane zaworami przeciążeniowymi - 17 i temperatura regulowana wymiennikiem ciepła - 19.

Claims (5)

1. Piec termodynamiczny przeznaczony do detonacyjnego spalania paliw kopalnych, składający się z komór detonacyjnych (1 i 25) wyposażonych w czujnik załączający (8) wtryskiwacz paliwa (6) oraz świecę zapłonową (7), komory detonacyjne (1 i 25) połączone są ze sobą kolektorem przelotowym (3) wraz z kanałami szczelinowymi (4) z dołączonym kolektorem dolotowym (2) i gaźnikiem pyłowym (26), oraz otworem wydechowym zamkniętym zaworem zwrotnym (5) ze sprężyną dociskową (22), wyprowadzającym spaliny z komory detonacyjnej do kolektora wylotowego (9), okrytego płaszczem wodnym (24), znamienny tym, że wysokociśnieniowy kolektor wylotowy (9) posiada wbudowany cyklon (10) z zaworem zrzutowym (11) także filtrem pyłowym (12), katalizatorami (13), odstojnikiem (14) z zaworem spustowym (15) i zbiornikiem na płynny gaz (16), ujście z kolektora wylotowego stanowią dysze rozprężne (23) z zaworami przeciążeniowymi (17), przedziałami kaskadowymi (18), wymiennikami ciepła (19), oraz pojemnikami zbiorczymi (20).

2. Piec termodynamiczny określony w zastrz. 1, znamienny tym, że posiada dowolną ilość komór detonacyjnych (1 i 25).

3. Sposób pozyskania energii w procesie spalania paliwa, przy jednoczesnym samooczyszczeniu spalin poprzez wytrącanie z nich oraz recykling szkodliwych związków spalania, w piecu termodynamicznym określonym w zastrz. 1, znamienny tym, że na skutek podania paliwa do

PL 237 608 B1 wtryskiwacza (6) z jednoczesnym załączeniem świecy zapłonowej (7) powstają naprzemiennie detonacje pomiędzy komorami (1 i 25), sterowane czujnikami załączającymi (8), spaliny uchodzące przez zawór zwrotny (5) do kolektora wylotowego (9), oddają energię cieplną poprzez płaszcz wodny (24), następnie po przełamaniu ciśnieniem oporu zaworu przeciążeniowego (17) rozprężają się stwarzając poprzez ciśnienie i temperaturę przekraczające stany krytyczne konkretnych pierwiastków, warunki do ich oddzielenia od reszty spalin, poprzez zmianę stanu skupienia, na poszczególnych kaskadach (18).

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że w kolektorze wylotowym (9) przed zaworem przeciążeniowym (17) występują parametry temperatury i ciśnienia pozwalające skroplić w odstojniku (14) gazowy związek dwutlenku węgla występujący w tych spalinach, oraz poprzez zawór spustowy (15) wyprowadzić je na zewnątrz pieca.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że skroplenie i rozdzielenie pierwiastków spalin odbywa się poprzez destylację frakcjonowaną.