Opis patentowy opublikowano: 28.06.1985 Int. Cl.l C10B 53/02 CZYfElNlA U-edo Patentowego Twórcywynalazku: Zdzislaw Oruba, Henryk Osinski, TadeuszChwalba, Adam Jung, Stanislaw Girek Uprawniony z patentu: Katowickie Przedsiebiorstwo Przemyslu Drzewnego w Katowicach; Zaklad Suchej Destylacji Drewna w Zawierciu, Zawiercie (Polska) Sposób spalania bezplomieniowego parogazów Wynalazek dotyczy spalania bezplomieniowego parogazów otrzymywanych z kilku urzadzen w procesie pirolizy drewna lub innych materialów celulozowych na katalizatorze szamotowym, zabudowanym w komorze spalania kotla.Znane byly np. z opisów patentowych 64787 i 65613 próby bezposredniego spalania paroga¬ zów powstajacych w procesie pirolizy drewna. Efektywnosc tych zamierzen okazala sie problema¬ tyczna. Liczne badania procesowe oraz doswiadczenia przemyslowe wykazuja egzotermicznosc procesu pirolizy powyzej temperatury 553 K. Ta bardzo wazna wlasnosc procesu okazala sie przeszkoda w uzyskiwaniu efektywnych wyników w spalaniu parogazów bezposrednio w palenisku retorty, w której nastepuje odgazowanie. Nadmiar ciepla sumarycznego z reakcji egzotermicznych zachodzacych w retorcie oraz ciepla wydzielanego w palenisku ze spalania niezupelnego czesci kondensujacej parogazów ujemnie wplywa na zywotnosc urzadzen w okresie eksploatacji.Powyzej temperatury 573 K wystepuje zestalenie paku w przewodach gazowych. W ten sposób zamkniety zostaje doplyw parogazów do paleniska, a szkodliwe gazy z koniecznosci wpuszczane sa do atmosfery lub moga byc kondensowane na agresywne scieki. Do negatywnych stron tak prowadzonego termicznego rozkladu drewna nalezy zaliczyc: niezupelne spalanie w strumieniu spalin innego nosnika energii, szczególnie par kwasów organicznych, szybka korozje zaro- i kwasoodpornych urzadzen, zanieczyszczenie naturalnego srodowiska, nieustalony proces spalania bezposredniego par i brak statecznosci plomienia, koniecznosc stosowania innego nosnika energii, pogarszanie sie warunków pracy.Próby spalania bezposredniego parogazów wydzielanych w procesie pirolizy drewna, w retortach o pracy ciaglej lub okresowej, wykonywanych w eksperymentach swiatowych nie daly w pelni zadawalajacych wyników.Próby utylizacji parogazów w otwartym plomieniu wykazuja niestabilnosc spalania.Stwierdzono, ze mozna wykorzystac energie cieplna zawarta w gazowych czesciach lotnych mimo ich róznorodnego skladu, róznych wartosci entalpii fizycznej i energii wewnetrznej poszcze¬ gólnych skladników oraz zlozonej kinetyki wydzielania w procesie pirolizy.2 126116 Drewno jako material aktywny pod wplywem strumienia ciepla i bez dostepu tlenu ulega destrukcji termicznej. W pierwszej fazie procesu strumien ciepla wnika do materialu aktywnego na zasadzie czystego przewodnictwa. W te czesci procesu po osiagnieciu temperatury 393 K wystepuje ubytek masy substratu i powstaja parogazy opuszczajace konwekcyjnie material aktywny zaraz po ich wytworzeniu. Czesc ta stanowiaca lo do 15% dlugosci cyklu procesu charakteryzuje sie wydzielaniem pary wodnej, która be/ przeszkód mozna wypuszczac do atmosfery, lub po skrople¬ niu do scieków (pH 5 do 7).W miare uplywu czasu strefa pirolizy przesuwa sie w materiale aktywnym zgodnie z kierun¬ kiem wnikania ciepla. Gestosc materialu aktywnego maleje, zwieksza sie ilosc wydzielanych parogazów o róznym skladzie. Dalszy postep pirolizy jest hamowany przez warstwe wegla drzew¬ nego o malym wspólczynniku przewodnictwa ciepla.Wyrównanie temperatury w czasie (stan ustalony) w materiale aktywnym powyzej 723 K konczy proces odgazowania i szybkosc reakcji destrukcji dazy do zera.Caly cykl odgazowania pirolizy charakteryzuje sie dwiema fazami reakcji: pierwsza — do punktu równowagi termodynamicznej, w którym entalpie wlasciwe produktu stalego i gazowego sa sobie równe (temperatura okolo 553 K) powstaja reakcje pierwotne typu równoleglego. W tej czesci procesu wydzialaja sie wieloczasteczkowe parogazy zlozone przewaznie z pary wodnej, par alkoholu metylowego, acetonu, kwasu octowego i smól drzewnych, w których glównymi zwiazkami sa: fenole, krezole, gwajakol, pirokatechina, piragallol i ich pochodne.Lacznie gazowa czesc kondensujaca zawiera okolo trzysta znanych zwiazków organicznych. Ta czesc parogazów latwo zmienia stan skupienia przy nieznacznym zmniejszeniu entalpii fizycznej. druga — w temperaturze powyzej punktu równowagi termodynamicznej, zachodza w retorcie reakcje wtórne wskutek termicznego rozkladu parogazów przy zetknieciu z goracymi scianami retorty i rozgrzanym pólkoksem. Powstaja jednoczasteczkowe gazy jak: tlenek i dwutlenek wegla, metanu oraz wodór. Ilosc tych gazów jest zwykle ograniczona przez zawartosc tlenu w substrakcie, warunki graniczne i szybkosc ogrzewania. Ta czesc procesu az do ustalenia temperatury jest egzotermiczna, wartosc opalowa parogazów w stanie roboczym zmienia sie od 8MJ/kg w punkcie równowagi termodynamicznej do 13MJ/kg w koncowej czesci cyklu dla drewna w stanie powietr¬ znie suchym i w miare wzrostu wilgoci poczatkowej obniza sie, a przy wilgotnosci 40% gaz jest niepalny w calym obszarze kinetycznym.Zagadnienie spalania gazowych czesci lotnych wytwarzanych w calym cyklu pirolizy mate¬ rialu aktywnego sprowadza sie wiec do wytwarzania produktu pozadanego, jakim jest wegiel drzewny, poprawy bilansu energetycznego procesu pirolizy i osiagania dobrych wyników w pracy urzadzen bez zanieszczyszczania atmosfery.Wymagania tak postawionego problemu spelnia rozwiazanie wedlug wynalazku.Sposób spalania bezplomieniowego gazowych czesci lotnych wedlug wynalazku polega na tym, ze na ogrzanym do temperatury co najmniej 873 K katalizatorze szamotowym stanowiacym wymurówke komory spalania kotla rozklada parogazy termicznie na lekkie weglowodory i spala bezplomieniowo w sposób ciagly w temperaturze 1300-1623 K.Istota spalania bezplomieniowego ciezkich weglowodorów o licznych polaczeniach grup wodorotlenowych, jakimi sa parogazy, jest wytworzenie korzystnych warunków do ich termi¬ cznego rozkladu bez koniecznosci zuzywania innych nosników energii.Temperaturymieszaniny tlenowo- parogazowej stosowane przy próbach spalania parogazów sa znacznie nizsze od temperatur rozkladu ciezkich weglowodorów, stad spalanie tego typu posiada charakter niezupelnego ze znanymi skutkami ubocznymi.Proces spalania bezplomieniowego parogazów wedlug wynalazku realizuje sie w komorze spalania kotla wylozonej wymurówka szamotowa o dzialaniu katalitycznym. Zwiekszenie szyb¬ kosci rozkladu termicznego parogazów na lekkie weglowodory uzyskuje sie przez dobór kataliza¬ tora o wlasciwym skladzie, duzej wytrzymalosci cieplnej i porowatosci otwartej, przy jednoczesnym spelnieniu granicznych warunków rozkladu termicznego.Przy stosowaniu wynalazku nalezy w tym sposobie parogazy z wstepnego okresu ogrzewania w temperaturach 373 K do 440 K odprowadzic do atmosfery lub przez schlodzenie do scieków.Gorace parogazy wytwarzane powyzej 440 K z kilku retort o pracy okresowej lub jednej retorty o126116 3 pracy ciaglej wprowadza sie przewodami gazowymi do wspólnego kolektora polaczonego — z palnikami gazowymi zainstalowanymi w komorze spalania kotla.Kazda z retort przed kolektorem posiada podwójne zamkniecia wodne, jedno na czas pracy urzadzenia, drugie sluzace do odlaczenia urzadzenia w czasie za i rozladunku retorty.W retortach o pracy ciaglej korzysniej jest stosowac jedno zamkniecie.W komorze paleniskowej kotla umieszcza sie dwa palniki. Palnik gazowy glówny w os symetrii komory z samoregulacja nadmiaru powietrza, sluzacy do mieszania tlenu z parogazami polaczonymi z kolektorem i palnik rozruchowy na paliwa plynne lub gazowe o znanej konstrukcji umieszczony w taki sposób, ze osie strumieni obu palników przecinaja sie w polowie dlugosci komory spalania.Dobór palników, predkosci przeplywów parogazów w przewodach, kolektorze i palniku oraz parametrów7 kotla uzaleznia sie od wielkosci strugi gazowych czesci lotnych, które wylicza sie z bilansu masy i ciepla dla calego ukladu.Przejscie ze stanu nieustalonego w stan ustalony, w transporcie goracych gazów na drodze od retorty do palnika otrzymuje sie przez wprowadzenie do kolektora strugi parogazów z retort o przesunietych w czasie cyklach oraz przez odpowiednia izolacje instalacji. Dwie trzecie ilosci parogazów doprowadzonych do palnika winno pochodzic z okresu powyzej punktu równowagi termodynamicznej produktów pirolizy w temperaturze okolo 593 K.W czesci paleniskowej kotla stosuje sie wymurówke szamotowa calej objetosci komory spalania z prostopadle umieszczonymi scianami azurowymi o dzialaniu katalitycznym. Dwie sciany katalizatora sa umieszczone prostopadle do osi strumienia parogazów w odleglosci takiej od wylotu parogazów z dufuzora palnika, aby zapewnic nagrzanie strumienia mieszaniny palnej do dolnego warunku granicznego rozkladu termicznego parogazów.Otwory w scianach sa wielksci polowy dlugosci prostki zwyklej przesuniete w scinanach wzgledem siebie. Druga sciane za pierwsza umieszcza sie w odleglosci szerokosci prostki zwyklej, szczelnosc spoin wymurówki jak dla pieców przemyslowych.W sposobie wedlug wynalazku jako dolna granice rozkladu termicznego parogazów ustala sie w 873 Ki górna w 1300 K.Dobre wyniki katalityczne daje wymurówka szamotowa, a szczególnie w równych ilosciach tlenku glinu i tlenku krzemu z domieszkami 10% weglika krzemu lub weglika boru i porowatosci otwartej do 30% i sredniej ogniotrwalosci zwyklej okolo 167 sP.Stosowanie domieszek tlenku miedzi przesuwa granice rozkladu termicznego ponizej 873 K, jednak trzykrotnie skraca okres eksploatacji komory w stosunku do katalizatora z domieszakami weglikowymi.Ogrzewanie wstepne katalizatora realizuje sie palnikiem rozruchowym w plomien, którego mozna wprowadzic strumien tlenowo-parogazowy do czasu osiagniecia na katalizatorze tempera¬ tury 873 K, po czym wylacza sie palnik rozruchowy. Poczatkowo powstaje stozek plomienia o wysokosci polowy dlugosci komory spalania i w miare wzrostu temperatury pierwszej sciany katalizatora zmniejsza sie, az przy temperaturze 1300 K prawie zanika, a spalanie rozlozonych parog ogrzanego katalizatora nie wymaga koniecznosci stosowania doplywu do palnika mieszaniki palnej ponizej dolnej granicy temperatury rozkladu parogazów.W korzystnych warunkach mozna na katalizatorze uzyskac górna temperature spalania 1623 K.W przypadku obnizenia sie porowatosci otwartej katalizatora po dluzszym okresie eksploata¬ cji ponizej 20%, stosuje sie dodatkowo zwiekszenie powierzchni przez umieszczenie stosu tlucznia z tego samego materialu co katalizator, luzno rozlozonego w dolnej czesci komory spalania.Spalanie gazowych czesci lotnych realizowane wedlug wynalazku nie posiada zadnego uje¬ mnego wplywu na sam proces pirolizy drewnaJak równiez na urzadzenia. W spalinach nieobecny jest tlenek wegla, jak równiez brak sladów par kwasów organicznych, elementy plomienicowe kotla nie wykazuja uszkodzen, które przewaznie wystepuja przy spalaniu par stalych.i ) I 4 126116 j tfezplomieniowy sposób spalania parogazów eliminuje koniecznosc stosowania urzadzen odpylajacych na wylocie spalin nie powoduje zanieczyszczen naturalnego srodowiska.Sposób wedlug wynalazku moze byc stosowany do retort o pracy okresowej, a wygodniej o pracy ciaglej.Przyklad. Materialem aktywnym w procesie pirolizy jest drewno bukowe o wilgotnosci wzglednej 25%.Proces pirolizy prowadzi sie w trzech retortach okresowych o dlugosci cyklu karbonizacji 24 godziny i szybkosci ogrzewania 14,2 K/h. Warunki graniczne temperatur, przy zaladunku 383 K i koncowa 723 K. Ilosc otrzymanego produktu stalego 7,2 Mg, sumaryczna ilosc otrzymanych parogazów 20,2 Mg o wilgotnosci wzglednej 24%, w tym masa gazu suchego w temperaturze 440 K 15,4 Mg. Cykle retort sa przesuniete w czasie o 1/3 dlugosci. Czas przelaczania retort na spalanie po 5 godz. od zaladunku, srednia temperatura parogazów w kolektorze 593 KG wartosci opalowej w stanie roboczym 10,5 HJ/kg.Przewód gazowy kazdej retorty posiada dwa odprowadzenia i zamkniecie wodne, jedno doprowadzone do chlodnicy skraplajacej pare wodna z wstepnego okresu i drugie wprowadzajace parogazy do kolektora. Wyjscie kolektora zakonczone jest dwoma palnikami gazowymi umie¬ szczonymi w komorach spalania kotla.Katalizator o skladzie AI2O3 — 45%, Si02 — 45% i B4C — 10% porowatosci 30% i wytrzyma¬ losci cieplnej 167 sP rozmieszczony jest na obwodzie walcowym plomiennicy od plaszczyzny wlotu parogazów z palnika do pierwszej sciany azurowej oraz na pierwszej i drugiej scianie azurowej, sciana druga — dopalajaca umieszczona jest za pierwsza w odleglosci 123 mm.Rozruch instalacji spalania prowadzi sie przez rozpalenie palnika rozruchowego i po okolo 5 minutach wprowadza sie strumien parogazów w plomien palnika rozruchowego. Czas osiagniecia temperatury rozkladu parogazów 30 minut. Wylacza sie palnik rozruchowy i ustalenie temperatury spalania bezplomieniowego osiaga sie po okolo 50 minutach.Chwilowy zanik doplywu parogazów do komory spalania nie wymaga koniecznosci uzywania palników rozruchowych jezeli temperatura katalizatora na scianie pierwszej nie obnizy sie ponizej granicznej wartosci 873 K.Generowana energia cieplna otrzymywana ze spalania bezplomieniowego parogazów w tym sposobie utrzymuje stala stabilizacje zasilania kotla. PL