RO123389B1

RO123389B1 - Gravitational burner and process for burning biomass as pellets

Info

Publication number: RO123389B1
Application number: ROA200800996A
Authority: RO
Inventors: Aurel Hornet; Iuliean Hornet
Original assignee: Aurel Hornet; Iuliean Hornet
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2012-01-30
Also published as: WO2010071467A2; WO2010071467A9

Abstract

The invention relates to a gravitational burner and to a process for burning biomass as pellets, designed to produce thermal energy which may be converted into electric energy. According to the invention, the burner consists of a dispenser (), a combustion chamber () having, at the lower part, a L-shaped grate (), placed on one of the side walls, an area () for the coagulation of microparticles wherein the secondary air penetrates uniformly and causes the total burning of the gases, located at the top side of the chamber (), a system () for the distribution of the pre-heated air from an absorption piping which covers a gas discharging pipe of an installation wherein it was included, at the end of which there are coupled an exhauster, an ash reservoir (), a metal case with some supporting elements, a system for coupling to a pellet hopper and a slit () for discharging the flue gases at a pre-established temperature. According to the invention, the process consists in igniting simultaneously the pellets on the entire length of a combustion chamber, at the base of a grate wherein there is placed an ignition device, with an active length similar to the length of the combustion chamber and wherefrom the initial combustion area extends both on the width and length of the combustion chamber, forming two incandescent pellet layers at a temperature of over 1000°C, one layer at the base of the grate and another on the grate of an area for the coagulation of microparticles and for the total burning of the gases. The air distribution features lead to closing the distribution of the combustion air after reaching the pre-established temperature and to diminuting of the secondary air.

Description

Invenția se referă la un arzător gravitațional și la un procedeu de ardere a biomasei sub formă de pelete, destinat producerii de energie termică și electrică, prin înglobarea într-o instalație adecvată, începând cu puteri de la 2...3 kw și ajungând la puteri suficient de mari, prin utilizarea arzătoarelor modulare.The invention relates to a gravitational burner and to a process for combustion of biomass in the form of pellets, intended for the production of thermal and electrical energy, by embedding them in a suitable installation, starting with powers from 2 ... 3 kw and reaching sufficiently high powers by using modular burners.

Sunt cunoscute diferite tipuri de arzătoare și procedee de ardere a biomasei sub formă de pelete.Different types of burners and processes for pellet biomass burning are known.

Arzătoarele pot fi clasificate după mai multe criterii, dintre care se evidențiază tipul de alimentare și procedeul de ardere.The burners can be classified according to several criteria, of which the type of supply and the combustion process are highlighted.

Alimentarea gravitațională presupune preluarea peletelului, de un dozatordin buncăr, și căderea acestuia, în camera de ardere, printr-o conductă.The gravitational feeding involves the taking of the pellet, by a dosing bunker, and its fall, in the combustion chamber, through a pipe.

Este cunoscută o instalație de ardere (US 4989521), la care alimentarea cu pelete a unei camere de ardere este realizată gravitațional, unde aceștia ard pe un grătar, dimensionat corespunzător puterii cerute arzătorului.A combustion plant (US 4989521) is known, in which the pellet feeding of a combustion chamber is made by gravity, where they burn on a grate, sized according to the power required for the burner.

Este cunoscut un procedeu de ardere, utilizat cu precădere în practică (US 6397833), care constă în arderea în pat fix înclinat, unde biomasa sub formă de pelete arde în prezența aerului aspirat, datorită tirajului natural și unei clapete de reglare.It is known a combustion process, used mainly in practice (US 6397833), which consists of the combustion in a fixed inclined bed, where pellet biomass burns in the presence of the sucked air, due to the natural draft and a regulating flap.

Dezavantajele instalației și procedeului, menționate anterior, care utilizează arzător gravitațional, constau în faptul că au emisii continue de fum în gazele de ardere, precum și depuneri de funingine și creozot pe schimbătoarele de căldură, care reduc substanțial randamentul.The disadvantages of the aforementioned installation and process, which use a gravitational burner, are that they have continuous smoke emissions in the flue gases, as well as deposits of soot and creosote on the heat exchangers, which substantially reduce the efficiency.

Principalul inconvenient al instalațiilor care utilizează arzătoare, cu alimentarea de jos în sus, îl reprezintă obturarea orificiilor pentru introducerea aerului de combustie, datorită prafului (nisipului) conținut de biomasa sub formă de pelete, ceea ce determină scăderea temperaturii care comandă alimentarea cu pelete, deși nivelul acestora în focar este optim. Supraalimentarea implică deversarea peletelorîn cenușar, arderea cu mult fum, depuneri de funingine și creozot, scăderea randamentului și necesitatea intervenției pentru a desfunda orificiile și a asigura o funcționare optimă a instalației.The main disadvantage of the installations that use burners, with the supply from the bottom up, is the filling of the holes for the introduction of the combustion air, due to the dust (the sand) contained by the biomass in the form of pellets, which causes the decrease of the temperature that controls the supply of pellets, although their level in the outbreak is optimal. Supercharging involves the pellets being discharged into the ash, burning with a lot of smoke, soot and creosote deposits, decreasing the yield and the need for intervention to open the holes and to ensure the optimal functioning of the installation.

Diminuarea frecvenței intervențiilor pentru desfundarea orificiilor (Henrik Wiinikka, Teză de doctorat. High Tempera tu re Aerosol Formation and Emission Minimisation During Combustion of Wood Pellets) s-a realizat prin fabricarea peletelor cu mai puțin praf, dar sunt mai scumpi și au o influență negativă asupra emisiilor de NOx și a microparticulelor eliberate în atmosferă.Decreasing the frequency of interventions to break holes (Henrik Wiinikka, PhD Thesis. High Tempera tu re Aerosol Formation and Emission Minimization During Combustion of Wood Pellets) was made by manufacturing pellets with less dust, but they are more expensive and have a negative influence on emissions. NOx and microparticles released into the atmosphere.

Datorită dezavantajelor evidențiate, biomasa sub formă de pelete nu a putut fi utilizată în instalații de încălzire cu tuburi radiante, destinate spațiilor industriale, sociale și agricole, determinând restrângerea utilizării acesteia, la instalații de cogenerare, cu turbine, sau cu motoare Stirling.Due to the disadvantages highlighted, biomass in the form of pellets could not be used in radiant tube heating installations for industrial, social and agricultural spaces, causing its use to be restricted to cogeneration, turbine or Stirling engines.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este realizarea a două fluxuri de aer, în arzător, pentru reducerea totală a emanațiilor de fum și a depunerilor de creozot, precum și menținerea constantă a randamentului instalațiilor echipate cu arzătoare gravitaționale.The technical problem solved by the invention is the creation of two air flows, in the burner, for the total reduction of the smoke emissions and the creosote deposits, as well as the constant maintenance of the efficiency of the equipments equipped with gravitational burners.

Arzătorul gravitațional, conform invenției, rezolvă problema tehnică, prin aceea că este compus dintr-un dozator, o cameră de combustie cu un grătar la partea inferioară, un grătar în formă de L, dispus și pe unul din pereții laterali spre partea de sus a camerei, o zona de coagulare microparticule, unde pătrunde uniform aerul secundar și se produce arderea totală a gazelor, un sistem de distribuție aer preîncălzit de la tubulatura de absorbție care îmbracă tubulatura de evacuare gaze arse a instalației în care a fost înglobat capătul la care este cuplat un exhaustor, un depozit de cenușă, o carcasă metalică cu elemenți de susținere, un sistem de cuplare la buncărul cu pelete și o fantă de transmitere a gazelor arse la o anumită temperatură.The gravitational burner, according to the invention, solves the technical problem, in that it is composed of a metering unit, a combustion chamber with a grate at the bottom, an L-shaped grate, disposed on one of the side walls towards the top of the the chamber, a microparticulate coagulation zone, where the secondary air uniformly enters and the total gas combustion takes place, a preheated air distribution system from the absorption piping that covers the flue gas discharge pipe of the installation where the end to which it is incorporated coupled with an exhaust fan, an ash deposit, a metal housing with supporting elements, a coupling system to the pellet hopper and a flue gas transmission slot at a certain temperature.

RO 123389 Β1RO 123389 Β1

Procedeul de ardere a biomasei sub formă de pelete, conform invenției, rezolvă pro- 1 blema tehnică, prin aceea că aprinderea se realizează simultan pe toată lungimea camerei de ardere la baza grătarului unde este amplasat dispozitivul de aprindere și de unde zona 3 de ardere se extinde rapid atât pe lățimea camerei de combustie, cât și pe înălțimea acesteia, formându-se două straturi incandescente de pelete, la temperaturi de peste 1000°C, 5 unul la baza grătarului camerei de combustie și unul pe grătarul zonei de coagulare microparticule și de ardere totală a gazelor, prin accesul aerului secundar și prin modul de distri- 7 buție a aerului la atingerea temperaturii setate în instalația în care a fost înglobat arzătorul gravitațional. 9The process of burning the biomass in the form of pellets, according to the invention, solves the technical problem, in that the ignition is carried out simultaneously along the entire length of the combustion chamber at the base of the grate where the ignition device is located and where the combustion zone 3 is located. extends rapidly both on the width of the combustion chamber and on the height of it, forming two incandescent layers of pellets, at temperatures above 1000 ° C, 5 at the base of the combustion chamber grate and one at the grid of the microparticle coagulation zone and total combustion of gases, by accessing the secondary air and by the air distribution mode when the temperature set in the installation in which the gravitational burner was incorporated is reached. 9

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:By applying the invention, the following advantages are obtained:

- protejarea mediului prin reducerea totală a fumului și reducerea emisiilor de NOx 11 și a miniparticulelor eliberate în atmosferă;- protecting the environment by reducing total smoke and reducing NOx 11 emissions and miniparticles released into the atmosphere;

- menținerea constantă a randamentului instalației; 13- constant maintenance of the efficiency of the installation; 13

- extinderea utilizării biomasei sub formă de pelete, prin înglobarea arzătorului gravitațional în instalațiile de încălzire cu tuburi radiante și în instalațiile de cogenerare cu turbină 15 sau cu motor Stirling;- extending the use of biomass in the form of pellets, by including the gravitational burner in radiant tube heating installations and in turbine 15 or Stirling engine cogeneration installations;

- pot fi utizate mai multe arzătoare gravitaționale pentru a realiza instalații de 17 puteri mari.- more gravitational burners can be used to make installations of 17 high powers.

Se prezintă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu figura 19 care reprezintă o secțiune prin arzătorul gravitațional, montat în cadrul unei instalații de producere a căldurii. 21The following is an example of an embodiment of the invention, in connection with FIG. 19, which represents a section through the gravitational burner, mounted within a heat production plant. 21

Arzătorul gravitațional, conform invenției, este alimentat cu peleți dintr-un buncăr, nereprezentat, prin intermediul unui dozator 1, condus de un senzor 2, prin intermediul unui 23 indicator de nivel 3. O cameră de combustie 4 este delimitată la partea inferioară de un grătar 5, sub formă de L, care are aplicat prin sudură un deviator 6, la 30...50°, care dirijează, 25 în acest fel, aerul secundar, într-o zonă de coagulare a microparticulelor și ardere totală 7, amplasată în spațiul cuprins între grătarul 5, al camerei de combustie 4, un grătar inferior 8 27 și pereții laterali. Totodată, grătarul 5 este sudat de un profil 9, care este prins, prin intermediul unor prezoane 10, de dozatorul 1, asigurându-se ruperea termică prin intermediul 29 unei garnituri din vată ceramică 11.The gravity burner according to the invention is supplied with pellets from a hopper, not shown, via a metering unit 1, driven by a sensor 2, via a 23 level indicator 3. A combustion chamber 4 is delimited at the bottom by a grid 5, in the form of L, which has by welding applied a deflector 6, at 30 ... 50 °, which directs, in this way, the secondary air, in a zone of coagulation of microparticles and total combustion 7, located in the space between the grate 5, the combustion chamber 4, a lower grate 8 27 and the side walls. At the same time, the grill 5 is welded by a profile 9, which is attached, by means of brackets 10, by the dispenser 1, ensuring thermal breakage by means of a ceramic wool gasket 11.

Un perete vertical 12, comun camerei de combustie 4 și zonei de coagulare micropar- 31 ticule și ardere totală 7, coboară sub nivelul grătarului 8 la o cotă care să-i confere și rolul de deviator al cenușei antrenate de aerul secundar. Sub grătarul inferior 8, se află un depozit 33 de cenușă 13, un perete vertical 14 cu rolul de deviator de cenușă și care, împreună cu peretele 12 și un perete orizontal 15, dirijează absorbția gazelor arse spre instalațiile la care 35 se înglobează arzătorul gravitațional, conform invenției.A vertical wall 12, common to the combustion chamber 4 and to the coagulation zone microparticles 31 particles and total combustion 7, descends below the level of the grate 8 to a quota that gives it the role of diverter of the ash driven by the secondary air. Underneath the lower grate 8, there is an ash deposit 33, a vertical wall 14 with the role of ash diverter and which, together with the wall 12 and a horizontal wall 15, directs the absorption of the flue gas to the installations where the gravitational burner 35 is included. according to the invention.

Pe deviatorul 6, în contact cu grătarul 5, este așezată o rezistență electrică 16, a 37 cărei lungime activă este egală cu lungimea camerei de combustie 4.0 cameră de distribuție a aerului 16.1 este delimitată, de un alt profil 17, de un perete mic vertical 18, care prin 39 modul de plasare față de deviatorul 6 creează cele două fante de absorbție a aerului, atât în camera de combustie 4, cât și în zona de coagulare a microparticulelor și ardere totală 7, 41 de un perete mijlociu 19 și pereții laterali . Aerul preîncălzit, prin sistemul cunoscut, tub în tub, de la conducta de evacuare gaze arse a instalației, în care a fost înglobat arzătorul 43 gravitațional, conform invenției, și care la capătul din afara clădirii are montat un exhaustor, nereprezentat, este absorbit în camera de distribuție aer 16.1, printr-un orificiu 20. Un bolț 45 electromagnetic 21, prin intermediul unui obturator 22, comandat de un regulator de temperatură, închide total admisia aerului de combustie și parțial aerul secundar, la 47 depășirea temperaturii setate și deschide admisia aerului când temperatura a scăzut sub cea setată. 49On the diverter 6, in contact with the grate 5, is placed an electrical resistance 16, 37 whose active length equals the length of the combustion chamber 4.0 air distribution chamber 16.1 is delimited, by another profile 17, by a small vertical wall 18, which by the 39 placement mode against the deflector 6 creates the two air absorption slots, both in the combustion chamber 4 and in the coagulation zone of the microparticles and total combustion 7, 41 of a middle wall 19 and side walls . The preheated air, through the known system, tube to tube, from the flue gas outlet of the installation, in which the gravitational burner 43, according to the invention, was included, and which at the end outside the building has an exhaust, not shown, is absorbed in air distribution chamber 16.1, through an opening 20. An electromagnetic bolt 45, through a shutter 22, controlled by a temperature regulator, completely closes the intake of combustion air and partially the secondary air, at 47 exceeding the set temperature and opens the inlet of air when the temperature dropped below that set. 49

RO 123389 Β1RO 123389 Β1

Instalația în care a fost înglobat arzătorul gravitațional, conform invenției, dispune și de un termocuplu sau o termorezistență aplicată pe/în interiorul conductei, sau cazanului, unde circulă agentul termic și care transmit semnale regulatorului de temperatură.The installation in which the gravitational burner was incorporated, according to the invention, also has a thermocouple or a thermistor resistor applied to / inside the pipe, or to the boiler, where the thermal agent circulates and which transmits signals to the temperature regulator.

Procedeul de ardere al biomasei sub formă de pelete, conform invenției, constă în distribuția uniformă a aerului de combustie pe toată lățimea camerei de combustie, cu niște conducte 23 care au practicate orificii, la partea inferioară.The process of burning the biomass in the form of pellets, according to the invention, consists in the uniform distribution of combustion air throughout the width of the combustion chamber, with pipes 23 having holes, at the bottom.

Gazele arse, rezultate din arderea peleților, sunt evacuate printr-un orificiu gaze arse 24, creat de peretele vertical 14 și peretele orizontal 15.The flue gases, resulting from the burning of the pellets, are evacuated through a flue gas port 24, created by the vertical wall 14 and the horizontal wall 15.

Zona de amplasare a rezistenței electrice de aprindere 16 și lungimea activă a acesteia, care corespunde cu lungimea camerei de combustie 4, permit aprinderea biomasei sub formă de pelete, plasată în zona A, asigurând, prin modul de dirijare, atât al aerului de combustie, cât și a celui secundar, o ardere totală fără fum încă de la pornire.The location of the electrical ignition resistance 16 and its active length, which corresponds to the length of the combustion chamber 4, allow the ignition of the biomass in the form of pellets, placed in zone A, ensuring, through the directing mode, both the combustion air, as well as the secondary one, a smoke-free total combustion from the start.

Extinderea progresivă a zonei de ardere, conform curbelor reprezentate prin linii întrerupte în figură, până la nivelul conductelor 23, se realizează rapid datorită atât distribuției aerului de combustie, cât și faptului că biomasa sub formă de pelete are umiditate scăzută. Din acest moment, deasupra grătarului 5, pe o înălțime de 15...20 mm, se va găsi tot timpul arderii un pat incandescent de pelete, ars aproape complet, ceea ce face ca o parte a aerului de combustie, care îl străbate, să joace rolul aerului secundar, modificând, în acest fel, raportul dintre aerul de combustie și cel secundar, influențând pozitiv formarea microparticulelor. Peletele, prin ardere, își micșorează diametrul și cad pe grătarul inferior 8, în zona de coagulare a microparticulelor și de admisie aer secundar, unde formează un alt pat incandescent, care are rolul de filtru pentru microparticulele, antrenate de aerul din camera de combustie și pentru cele antrenate de aerul secundar de la suprafața patului incandescent. Prin trecerea continuă a peletelor de pe un pat incandescent pe celălalt, și apoi în depozitul de cenușă, se realizează un regim optim al arderii și coagularea unor cantități importante de microparticule.The progressive expansion of the combustion zone, according to the curves represented by dashed lines in the figure, up to the level of the pipes 23, is rapidly achieved due both to the distribution of combustion air and to the fact that biomass in the form of pellets has low humidity. From this moment, above the grate 5, on a height of 15 ... 20 mm, there will always be a burning incandescent pellet bed, almost completely burnt, which makes it a part of the combustion air that crosses it, to play the role of secondary air, thus changing the ratio of combustion air to secondary air, positively influencing the formation of microparticles. The pellets, by combustion, decrease their diameter and fall on the lower grate 8, in the coagulation zone of the microparticles and in the secondary air inlet, where another incandescent bed forms, which acts as a filter for the microparticles, driven by the air in the combustion chamber and for those driven by the secondary air from the surface of the incandescent bed. By continuously passing the pellets from one incandescent bed to the other, and then in the ash deposit, an optimal combustion regime is achieved and the coagulation of important quantities of microparticles.

Geometria camerei de distribuție a aerului permite o modificare continuă a raportului aer combustie - aer secundar. Admisia în arzătorul gravitațional, conform invenției, numai a aerului secundar, la atingerea temperaturii setate, pentru o perioadă de timp, determină coagularea microparticulelor și implicit reducerea semnificativă a cantității de microparticule evacuate în atmosferă.The geometry of the air distribution chamber allows a continuous modification of the combustion air ratio - secondary air. The admission to the gravitational burner, according to the invention, only of the secondary air, when reaching the set temperature, for a period of time, determines the coagulation of the microparticles and implicitly the significant reduction of the quantity of microparticles discharged into the atmosphere.

Utilizarea arzătorului gravitațional și a procedeului de ardere a biomasei granulare sub formă de pelete, conform invenției, în sistem modular, într-o instalație de puteri mari, dă posibilitatea opririi unuia sau a mai multor arzătoare, în funcție de puterea necesară în anumite perioade, celelalte lucrând într-un regim optim.The use of the gravitational burner and the process of combustion of granular biomass in the form of pellets, according to the invention, in a modular system, in a large power plant, gives the possibility of stopping one or more burners, depending on the power required in certain periods, the others working in an optimal regime.

Claims

Claims 1

1. Gravitational burner, mounted within a water heater, which works by burning pellet biomass, consisting of a combustion chamber (4), provided with a combustion dispenser (1), for realization of the uniform supply with biomass, 5 in the form of pellets, controlled by a sensor (2), by means of a level indicator (3), characterized in that the combustion chamber (4) is delimited at the bottom by 7 a grate (5), which has the form of the letter L, which is applied, by welding, a deflector (6), to

30 ... 50 °, which directs the secondary air, in a zone of coagulation of microparticles and combustion 9 total (7), located in the space between the grate (5), a lower grate (8) and the side walls of the burner, and the grate (5) is also welded by a profile (9), which is caught by the dispenser (1), through 11 by means of studs (10), the thermal break being ensured by a ceramic wool gasket (11), and a wall vertical (12), common to the combustion chamber (4) and to the coagulation zone 13 microparticles and total combustion (7), has a quota, vertically, greater than the share of the lower grate (8), so that it also acts as a deflector of ash driven by the secondary air, and below 15 the lower grate (8) forms an ash deposit (13), whose vertical wall (14) also has the role of ash diverter which, together with the vertical wall (12) and a wall 17 horizontally (15) directs the absorption of the flue gas to the installations at c the gravity burner is included, and a resistor (16) is mounted on the deflector (6), and has an active length 19 equal to the length of the combustion chamber (4), and a distribution chamber (16.1) is limited by another profile (17), by a small vertical wall (18), which creates two air absorption slots, 21 both in the combustion chamber (4) and in the coagulation zone of the microparticles and total combustion (7), by a wall middle (19) and side walls, the preheated air being absorbed in the air distribution chamber 23 (16.1) through an opening (20), an electromagnetic bolt (21), controlled by a temperature regulator, which completely closes the combustion air intake and partially the secondary air 25, when exceeding the set temperature and opens the air inlet when the temperature dropped below the set one, through a shutter (22), the flue gas being evacuated through a hole 27 flue gas (24), created by the vertical wall (14 ) and the horizon wall tal (15), and some pipes (23) are provided for the uniform distribution of combustion air, through holes, 29 practiced at the bottom.

2. A pellet burning method of biomass using the burner of claim 31, which consists of the dosing of the biomass introduced into the gravitational burner, the ignition of the biomass and the total combustion of the gas, followed by the elimination of the flue gas into the atmosphere. in that the ignition of the biomass in the form of pellets is carried out simultaneously along the entire length of a combustion chamber (4), at the base of a grate (5), where a resistance (16) is located which has a length approximately equal to that of the chamber of combustion (4), and from where an initial combustion zone (A) extends to the level of some pipes (23), for 37 the uniform distribution of combustion air, both on the width of the combustion chamber (4) and on its height, forming two incandescent layers of pellets, at temperatures above 39 ° C, one at the base of the grate (5) and one on a lower grate (8), which constitutes a coagulation zone of the micro particles and total combustion (7), and the combustion air can be closed, 41 upon reaching the set temperature, by means of a shutter (22), which also ensures the reduction of the secondary air. 43