PL219483B1 - Sposób i gazogenerator do zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i gazogenerator do zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy, dostarczający gaz o zwiększonej wartości opałowej i obniżonej zawartości azotu N2 poniżej 5%.

W znanych ze stosowania w ciepłownictwie energetycznym procesach zgazowania biomasy przy ₃ pomocy powietrza, otrzymuje się gaz o wartości opałowej od 4-7 MJ m będący mieszaniną spalin w postaci azotu, ditlenku węgla, pary wodnej oraz gazowych produktów zgazowania jak tlenek węgla, wodór i metan. Znane są również procesy zgazowania biomasy zapewniające otrzymanie gazu o wyższej wartości opałowej oparte na separacji strefy reakcji utleniania i strefy zgazowania, co umożliwia odbiór z gazogeneratora dwóch strumieni, strumienia gazu średniokalorycznego i strumienia spalin.

Znany jest z polskiego opisu zgłoszenia wynalazku P-387641 sposób i gazogenerator do zgazowania biomasy o szerokim spektrum wilgotności, który wykorzystuje w procesie zgazowania, wstępne zgazowanie w komorze pirolitycznej gazogeneratora, ogrzewanej zewnętrznie przy pomocy gazu powstałego w procesie zgazowania, w którym czynnik zgazowujący jest przepuszczany przez biomasę współprądowo lub przeciwprądowo. Po czym górnym wlotem gazogeneratora wprowadza się do komory pirolitycznej biomasę poddając ją osuszeniu i pirolizie pod wpływem ciepła dostarczonego przez ścianę komory pirolitycznej. Pozostałość procesu pirolizy w postaci złoża zgazowuje się przy pomocy czynnika zgazowującego podawanego przez ruszt szczelinowy umieszczony poniżej komory pirolitycznej lub przez dysze boczne umieszczone na ścianie gazogeneratora na wysokościach uzależnionych od rodzaju i granulacji biopaliwa.

Istota sposobu zgazowania biopaliw zwłaszcza biomasy wykorzystującego zgazowanie wstępne w komorze pirolitycznej ogrzewanej zewnętrznie przy pomocy ciepła spalin z procesu zgazowania oraz zgazowanie pozostałości procesu pirolizy przy pomocy doprowadzonego czynnika zgazowującego zewnętrznego polega według wynalazku na tym, że powstałe w wyniku podgrzewania biopaliwa strefie pirolizy reaktora wewnętrznego, części lotne są transportowane na zewnątrz reaktora wewnętrznego otworami wyprowadzającymi do strefy spalania części lotne wyznaczonej zamkniętym od góry cylindrem usytuowanym w przestrzeni reaktora zewnętrznego koncentrycznie do reaktora wewnętrznego, do której doprowadzany jest kanałem przesyłowym utleniacz. Uzyskane ze spalania części lotnych, gorące spaliny przepływają ze strefy spalania części lotnych, wokół strefy zagazowania w dolnej części reaktora, po zawróceniu wokół strefy pirolizy w górnej części reaktora przekazują przez ściany reaktora wewnętrznego strumienie ciepła do strefy zgazowania i do strefy pirolizy po czym ze strefy spalin usytuowanej powyżej zamkniętego od góry cylindra przy pomocy zaworu ciśnieniowego połączonego z komputerowym analizatorem poziomu stężenia składników spalin, spaliny są wydalane na zewnątrz. Ponadto do pozostałości pirolitycznej w strefie zgazowania jest doprowadzony otworami wprowadzającymi w ścianie reaktora wewnętrznego połączonymi z kanałem przesyłowym czynnik zagazowujący korzystnie para wodna a uzyskany w wyniku zgazowania pozostałości pirolitycznej w strefie zagazowania, gaz wyjściowy jest transportowany do strefy odbioru i przez ciśnieniowy zawór połączony komputerowym analizatorem poziomu stężenia składników gazu odprowadzany na zewnątrz.

Istota gazogeneratora do zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy, zawierającego podajnik biopaliwa, komorę pirolityczną w kształcie rury pionowej, dysze doprowadzające czynnik zgazowujący oraz ruszt usytuowany poniżej komory pirolitycznej, polega według wynalazku na tym że posiada reaktor wewnętrzny w kształcie cylindra otoczony cylindrycznym reaktorem zewnętrznym, w którym wydzielona jest strefa pirolizy usytuowana w górnej części reaktora wewnętrznego i strefa zgazowania usytuowana w górnej części reaktora wewnętrznego przy czym na wysokości dolnej części strefy pirolizy w ścianie reaktora wewnętrznego znajdują się otwory wyprowadzające części lotne ze strefy pirolizy powyżej których na zewnątrz reaktora wewnętrznego znajduje się usytuowany w przestrzeni reaktora zewnętrznego cylinder zamknięty od góry przy czym przestrzeń wewnętrzna objęta cylindrem tworzy strefę spalania części lotnych, a przestrzeń na zewnątrz cylindra powyżej zamknięcia górnego, tworzy strefę wydalania spalin w górnej przestrzeni reaktora wyposażoną w wylot spalin z zaworem połączonym z analizatorem poziomu stężenia składników spalin. W ścianie cylindra na wysokości wielopoziomowo rozmieszczonych otworów wyprowadzających części lotne, osadzony jest kanał doprowadzający utleniacz do strefy spalania części lotnych. Ponadto na wysokości usytuowania w reaktorze wewnętrznym górnej części strefy zagazowania, znajdują się otwory wprowadzające połączone poprzez kolektor z kanałem doprowadzającym czynnik zgazowujący w postaci pary wodnej, obsadzonym w ścianie cylindra oraz ścianach reaktora wewnętrznego i reaktora zewnętrznego. Poza tym dolPL 219 483 B1 na część reaktora wewnętrznego obejmująca końcówkę strefy zgazowania jest zamknięta rusztem i osadzona w komorze odbioru gazu wyjściowego utworzonej między ścianami reaktora wewnętrznego i zewnętrznego która jest wyposażona z jednej strony na wylocie w zawór ciśnieniowy połączony komputerowym analizatorem poziomu stężenia składników gazu wyjściowego, a z drugiej strony w pojemnik na popiół.

W sposobie i gazogeneratorze do zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy według wynalazku dzięki wydzieleniu nowych, dodatkowych stref procesu jak strefy spalania części lotnych, strefy usuwania spalin oraz strefy uzyskiwania gazu wyjściowego, następuje uporządkowanie procesu zgazowania przez co uzyskuje się wyższą kaloryczność. Ponadto kontrola procesu przy pomocy zaworów ciśnieniowych na wyjściu wydalania spalin oraz na wylocie gazu wyjściowego oraz przy pomocy analizatora poziomu stężenia składników spalin i odpowiednio analizatora poziomu stężenia składników gazu wyjściowego, zapewnia uzyskanie gazu o wysokiej czystości pozbawionego azotu i dwutlenku węgla.

Wynalazek został objaśniony w oparciu o rysunek przedstawiający schematycznie gazogenerator do zgazowania biomasy w przekroju podłużnym, z zaznaczonym strzałkami przepływem czynników gazowych.

Sposób zgazowania biopaliwa przykładowo biomasy, według wynalazku polega na tym, że biomasa przy pomocy podajnika 3 jest wprowadzona do strefy pirolizy 1 usytuowanej w górnej części reaktora wewnętrznego Rw. Strumień ciepła 14a gorących spalin 12 powoduje poprzez ściany reaktora wewnętrznego Rw ogrzanie biomasy znajdującej się w strefie pirolizy 1 i odgazowanie części lotnych L. Części lotne L wydzielające się z biomasy po dostarczeniu ciepła przemieszczają się do końcowej części strefy pirolizy 1 reaktora wewnętrznego Rw i wydostają się na zewnątrz do strefy spalania części lotnych 13 objętej cylindrem Cw, poprzez otwory 4. W strefie spalania 13, części lotne L wydzielone z biomasy mieszają się z utleniaczem U przykładowo powietrzem U dostarczonym kanałem 10 i spalają się. Gorące spaliny 12 przepływają wokół strefy zgazowania 2 reaktora wewnętrznego Rw ogrzewając przez ściany, paliwo w strefie zgazowania 2 a następnie po zawróceniu przez cylinder wewnętrzny Cw wokół strefy pirolizy 1 przekazują ciepło poprzez ściany reaktora do biomasy w strefie pirolizy 1. Znajdujące się w górnej części strefy zgazowania 2 reaktora wewnętrznego Rw otwory 5 otoczone kolektorem 21 z kanałem 9, dostarczają czynnik zgazowujący P przykładowo parę wodną. Para wodna P i strumień ciepła 14b od gorących spalin dostarczone do odgazowanej pozostałości koksowej znajdującej się w strefie zgazowania 2 reaktora wewnętrznego Rw powodują jego zgazowanie. Powstały gaz wyjściowy 15 wydostaje się do strefy odbioru gazu wyjściowego 17 i poprzez zawór 8 na kanale wylotowym 19, po analizie poziomu stężenia azotu przy pomocy komputerowego analizatora A, odprowadzany jest na zewnątrz. Pozostały po zgazowaniu popiół 20 przez ruszt 6 wygarniany jest do szczelnego zbiornika popiołu 7.

Według wynalazku gazogenerator jak przedstawiono na rysunku, stanowi cylindryczny reaktor wewnętrzny Rw otoczony reaktorem zewnętrznym Rz, którego górny otwór wlotowy jest połączony ze zbiornikiem biomasy z podajnikiem 3. Reaktor wewnętrzny Rw posiada wyodrębnioną strefę pirolizy 1 usytuowaną w jego górnej części i strefę zgazowania 2 w dolnej części. Na wysokości końcowej części strefy pirolizy 1 znajdują się wykonane w ścianie cylindra reaktora wewnętrznego Rw otwory 4 wyprowadzające części lotne L, rozmieszczone w kilku poziomach. Według wynalazku na zewnątrz reaktora wewnętrznego Rw w przestrzeni reaktora zewnętrznego Rz znajduje się cylinder Cw zamknięty od góry, powyżej wysokości usytuowania wielopoziomowego pasa otworów 4. Przestrzeń zamknięta w cylindrze Cw tworzy strefę spalania 13 części lotnych L wyprowadzonych ze strefy pirolizy 1 otworami 4 a przestrzeń powyżej cylindra Cw tworzy strefę wydalania spalin 16. Strefa wydalania spalin 16 jest wyposażona w kanał wylotowy 18, w którym osadzony jest zawór 11 połączony z komputerowym analizatorem As poziomu stężenia składników spalin. W ścianie cylindra Cw, na wysokości pasa wielopoziomowo rozmieszczonych otworów 4 osadzony jest kanał 10 wyprowadzony przez ścianę reaktora zewnętrznego Rz, doprowadzający do strefy spalania części lotnych 13, utleniacz U w postaci powietrza U. W ścianie reaktora Rw na wysokości górnej części strefy zgazowania 2 znajdują się otwory 5 wprowadzające czynnik zgazowujący P, przykładowo parę wodną P. Otwory wprowadzające 5 są połączone z kanałem doprowadzającym 9 parę wodną P za pomocą kolektora 21. Kanał 9 jest osadzony w ścianie cylindra Cw oraz ścianach reaktora wewnętrznego Rw i zewnętrznego Rz. Dolna część reaktora wewnętrznego Rw obejmująca końcówkę strefy zgazowania 2 jest zamknięta rusztem 6 i osadzona w komorze odbioru gazu wyjściowego 17, utworzonej między dolnymi częściami ścian reaktora wewnętrznego Rw i reaktora zewnętrznego Rz. Komora odbioru gazu wyjściowego 17

PL 219 483 B1 jest wyposażona z jednej strony w rurę wylotową 19 z zaworem ciśnieniowym 8 połączonym z komputerowym analizatorem Ag poziomu stężenia składników gazu wyjściowego 15 a z drugiej strony w pojemnik 7 na popiół 20. Rozpływ gazów wewnątrz reaktora Rw regulowany jest według wynalazku zaworem 8 na kanale wylotowym 19 gazu wyjściowego 15 i zaworem 11 na kanale wylotowym 18 spalin. Rozkład ciśnień wewnątrz reaktora wewnętrznego Rw wymuszony odpowiednio dobranymi oporami przepływu przez zawór 8 i zawór 11 zapewnia, że odgazowane części lotne L płyną ze strefy pirolizy 1 do strefy spalania części lotnych 13, czynnik zgazowujący P w postaci pary wodnej wpływa do strefy zgazowania 2 a utleniacz U w postaci powietrza do strefy spalania części lotnych 13. Wymagany przepływ czynników gazowych L, P, U w reaktorze wewnętrznym Rw uzyskuje się przez pomiar koncentracji tlenku węgla w spalinach wylotowych ze strefy spalin 16, pomiar koncentracji azotu w gazie wyjściowym 15 i regulację zaworów 8 i 11, tak aby w spalinach wylotowych na wylocie spalin 18 koncentracja tlenku węgla wynosiła 100 ppm, a koncentracja azotu w gazie wyjściowym 15 na wylocie 19 była śladowa.

Zbyt mocne zdławienie przepływu zaworem 11 lub zbyt mocne otwarcie zaworu 8 powoduje, że odgazowane części lotne L płyną do strefy zgazowania 2 i reaktor Rw produkuje gaz 15 o wysokiej zawartości azotu i dwutlenku węgla a na analizatorze Ag poziomu stężenia składników w gazie wyjściowym 15 pojawia się koncentracja azotu rzędu 2% natomiast na analizatorze As pomiaru stężenia składników w spalinach wydalanych, pojawia się koncentracja tlenu na poziomie 21%, wynikająca z faktu, że zamiast spalin przez analizator As płynie reszta powietrza U, które nie przedostało się przez otwory 4. Regulacja przepływów polega na obserwacji poziomów stężenia azotu na analizatorze Ag i stężenia tlenu na analizatorze As, a następnie powolnym zamknięciu zaworu 8 i ponownym otwarciu zaworu 11 aż do uzyskania na analizatorze Ag koncentracji azotu w gazie wyjściowym 15 na poziomie kilku dziesiątych procenta, a na analizatorze spalin As koncentracji tlenu od 2% do 4%, a koncentracja tlenku węgla około od 100 ppm do 200 ppm.

Zbyt mocne zdławienie przepływu zaworem 8 lub zbyt mocne otwarcie zaworu 11 powoduje że przepływ czynnika zgazowującego P w stronę strefy pirolizy 1 i do strefy spalania części lotnych 13 przez otwory 4 prowadzi do zahamowania procesu zgazowania. Na analizatorze spalin As pojawia się zwiększona ilość tlenku węgla 5% w wydalanych spalinach, a analizator gazu wyjściowego Ag nie rejestruje nawet śladowych ilości azotu w gazie wyjściowym 15. Regulacja przepływów czynników gazowych L, P, U w reaktorze wewnętrznym Rw polega na obserwacji stężenia azotu w gazie wyjściowym 15 w zapisie analizatora Ag i poziomu stężenia tlenu i tlenku węgla w spalinach w zapisie analizatora As, a następnie powolnym otwieraniu zaworu 8 i powolnym zamykaniu zaworu 11 aż do uzyskania w gazie wyjściowym 15 koncentracji azotu na poziomie kilku dziesiątych procenta a w spalinach wydalanych na zewnątrz z komory spalin 16, poziomu stężenia tlenu od 2% do 4% i poziomu stężenia tlenku węgla 100 ppm - 200 ppm.

Claims (2)

1. Sposób zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy, wykorzystujący zgazowanie wstępne w strefie pirolitycznej gazogeneratora, ogrzewanej zewnętrznie przy pomocy ciepła zwrotnego z procesu zgazowania oraz zgazowanie pozostałości pirolizy w dolnej części gazogeneratora przy pomocy doprowadzonego z zewnątrz czynnika zgazowującego, znamienny tym, że powstałe w wyniku podgrzania biopaliwa w strefie pirolizy (1) reaktora wewnętrznego (Rw) części lotne (L) są transportowane na zewnątrz reaktora wewnętrznego (Rw) otworami wyprowadzającymi części lotne (4) do strefy spalania części lotnych (13) wyznaczonej zamkniętym od góry cylindrem (Cw) usytuowanym koncentrycznie, zewnętrznie do reaktora wewnętrznego (Rw), do której doprowadzony jest kanałem (10) utleniacz (U), a następnie uzyskane ze spalenia części lotnych gorące spaliny (12) przepływają ze strefy spalania części lotnych (13) wokół strefy zgazowania (2) i po zawróceniu wokół strefy pirolizy (1) przekazując przez ściany reaktora wewnętrznego (Rw) strumienie ciepła (14a) do strefy pirolizy (1) a strumienia ciepła (14b) do strefy zgazowania (2) po czym ze strefy spalin (16) przy pomocy zaworu ciśnieniowego (11) po analizie poziomu stężenia składników spalin w analizatorze (As) osadzonych na kanale wylotowym spalin (18) są odprowadzane na zewnątrz, ponadto do pozostałości pirolitycznej w strefie zgazowania (2) jest wprowadzony otworami (5) w ścianie reaktora wewnętrznego (Rw) połączonymi z kanałem (9), czynnik zgazowujący (P) korzystnie w postaci pary wodnej, a uzyskany w wyniku zgazowania pozostałości pirolitycznej w strefie zgazowania (2) gaz wyjściowy (15) jest

PL 219 483 B1 transportowany do strefy odbioru gazu (17) i poprzez zawór ciśnieniowy (8) jest odprowadzany na zewnątrz kanałem wylotowym (19) po analizie poziomu stężenia składników korzystnie azotu w komputerowym analizatorze (Ag).

2. Gazogenerator do zgazowania biopaliwa, zwłaszcza biomasy, zawierający podajnik biopaliwa, komorę pirolityczną w kształcie rury pionowej, ruszt szczelinowy usytuowany poniżej komory pirolitycznej, dysze doprowadzające czynnik zgazowujący, znamienny tym, że posiada reaktor wewnętrzny (Rw) w kształcie cylindra otoczony cylindrycznym reaktorem zewnętrznym (Rz), w którym wydzielona jest strefa pirolizy (1) usytuowana w górnej części reaktora wewnętrznego (Rw) i strefa zgazowania (2) usytuowana w dolnej części reaktora wewnętrznego (Rw) przy czym na wysokości dolnej części strefy pirolizy (1) w cylindrycznej ścianie reaktora wewnętrznego (Rw) znajdują się rozmieszczone w kilku poziomach otwory (4) wyprowadzające części lotne (L), powyżej których na zewnątrz reaktora wewnętrznego (RW) znajduje się usytuowany koncentrycznie w przestrzeni reaktora zewnętrznego (Rz) cylinder (Cw) zamknięty od góry, przy czym przestrzeń wewnętrzna objęta cylindrem (Cw) tworzy strefę spalania części lotnych (13) a przestrzeń powyżej cylindra (Cw) tworzy strefę spalin (16) wyposażoną w kanał wylotowy (18), w którym osadzony jest zawór (11) połączony komputerowym analizatorem poziomu stężenia składników spalin (As) poza tym w ścianie zamkniętego od góry cylindra (Cw) na wysokości rozmieszczonych wielopoziomowo otworów wyprowadzających części lotne (4) osadzony jest kanał (10) doprowadzający utleniacz (U) do strefy spalania części lotnych (13), a na wysokości usytuowania górnej części strefy zgazowania (2) w ścianie reaktora wewnętrznego (Rw) znajdują się otwory wprowadzające (5) połączone poprzez kolektor (21) z kanałem doprowadzającym (9) czynnik zagazowujący (P) korzystnie parę wodną, obsadzonym w ścianie cylindra (Cw) oraz w ścianach reaktora wewnętrznego (Rw) i reaktora zewnętrznego (Rz) poza tym dolna część reaktora wewnętrznego (Rw) obejmująca końcówkę strefy zgazowania (2) jest zamknięta rusztem (6) i osadzona w komorze odbioru gazu (17) utworzonej między ścianami reaktora wewnętrznego (Rw) i reaktora zewnętrznego (Rz), wyposażonej z jednej strony na kanale wylotowym (19) gazu wyjściowego w zawór ciśnieniowy (8) połączony z komputerowym analizatorem (Ag) poziomu stężenia składników gazu wyjściowego (15), a z drugiej strony w pojemnik na popiół (7).