PL229201B1 - Piec do spalania paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu z wykorzystaniem procesu zgazowania - Google Patents

Abstract

Piec do spalania paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu z wykorzystaniem procesu zgazowania paliwa charakteryzuje się tym, że piec (1) posiada palenisko (2), ograniczone ścianą wewnętrzną (7), od dołu rusztem (8), od góry kopułą (9), z dwoma strefami spalania, strefą I spalania rusztowego i strefą II spalania gazowego zgazowanego paliwa z odpadów stałych oraz strefę III dopalania. Ponadto w piecu (1) osadzony jest zasobnik gazyfikatora (3) w taki sposób, że perforowana dolna część (4) zasobnika gazyfikatora (2) znajduje się w strefie I spalania o minimalnej zawartości tlenu max do 0,5%, a jego pełna górna część (5) umieszczona jest w strefie II, korzystnie wzbogaconej w tlen z generatora tlenu (25), przy czym w I strefie spalania rusztowego paleniska (2) temperatura spalania wynosi od 700 do 800°C, a w II strefie spalania gazowego temperatura osiąga do 1400°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piec do spalania paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu z zastosowaniem procesu zgazowania osadów ze ścieków komunalnych oraz odpadów tworzyw sztucznych z wykorzystaniem powstałego w tym procesie ciepła w instalacjach przemysłowych.

Do beztlenowych procesów przekształcania odpadów możemy zaliczyć proces pirolizy rozumiany jako termiczne przekształcanie odpadów w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu, bądź też przy niewielkiej jego obecności. Piroliza niskotemperaturowa zachodzi w temperaturze 450-700°C, a w jej wyniku powstaje m.in. gaz pirolityczny, składający się z pary wodnej, wodoru, metanu, etanu, tlenku i dwutlenku węgla, a także siarkowodór i amoniak, olej, smoły, woda i substancje organiczne, koks pirolityczny i pyły z dużą zawartością metali ciężkich. Drugim procesem, którym obok pirolizy mogą zostać poddane odpady, jest zgazowywanie. Zachodzi ono w temperaturach powyżej 1000°C w obecności czynnika utleniającego, którym może być powietrze, tlen, a także para wodna. Produktami zgazowania są zazwyczaj wodór i tlenek węgla, a także niewielkie ilości metanu, dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Proces zgazowania przeprowadza się zwykle w zamkniętych reaktorach zwykłych lub ze złożem fluidalnym. Uzyskany gaz może być spalany w kotle parowym. Proces zgazowywania odpadów przebiega dwustopniowo. W pierwszym etapie zgazowania, przy niedoborze powietrza i w temperaturze 600-800°C powstaje gaz palny i pozostałość mineralna. W drugim etapie procesu gaz jest spalany w komorze dopalania, w temperaturze 1000-1200°C. Do spalania odpadów stosuje się także piece obrotowe i oscylacyjne. Piece obrotowe najlepiej nadają się do spalania odpadów przemysłowych stałych, ciekłych oraz o konsystencji pastowatej. Większość istniejących zarówno w Polsce, jak i w Europie spalarni odpadów przemysłowych (głównie niebezpiecznych), to spalarnie z piecem obrotowym. Dla autotermicznej, stabilnej pracy, przy utrzymaniu temperatury dopalania równej 1100°C wymagane są odpady o stosunkowo wysokiej kaloryczności - 14-18 MJ/kg, co praktycznie eliminuje odpady komunalne.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr PL203939 sposób spalania, który polega na tym, że rozdrobnione paliwo stałe utlenia się, w co najmniej czterech strefach spalania, przy czym w górnej części paleniska wytwarza się strefę redukcyjną, do której dozuje się dodatkowy, określony, strumień mocno rozdrobnionego paliwa stałego. Paliwo i utleniacz dozuje się na przemian, w wyniku czego otrzymuje się, co najmniej cztery strefy spalania, zaś strefa spalania w dolnej części komory paleniskowej jest rozdzielona na podstrefę spalania z niedomiarem i nadmiarem utleniacza.

W polskim opisie patentowym nr PL200498 opisany jest sposób spalania paliw stałych, w którym piec do spopielania obejmuje pierwszą i przynajmniej jedną dodatkową komorę, w którym w pierwszej komorze spalania spopiela się stały odpad, podczas gdy w jednej dodatkowej komorze spalania zakańcza się proces spalania przez spalenie gazów spalinowych wychodzących z pierwszej komory spalania, i charakteryzuje się tym, że przepływ tlenu w pierwszej dodatkowej komorze spalania kontroluje się przez oddzielne regulowanie przepływu świeżego powietrza do każdej z komór spalania w przynajmniej jednej, oddzielnie regulowanej strefie i przez zapewnienie, że wszystkie komory spalania są gazoszczelne względem otaczającej atmosfery, oraz, że temperatury w pierwszej i w przynajmniej jednej dodatkowej komorze spalania dokładnie kontroluje się, oprócz regulowania przepływu tlenu, przez dodawanie regulowanej ilości przefiltrowanego, zawracanego gazu spalinowego ze świeżym powietrzem, które wprowadza się do każdej z komór w każdej z przynajmniej jednej oddzielnie regulowanych stref, oraz że gazy, które opuszczają strefę spalania w pierwszej komorze spalania po przefiltrowaniu, wprowadza się częściowo do odpadów stałych zawartych w pierwszej komorze spalania zanim gazy te opuszczą pierwszą komorę spalania.

W polskim opisie patentowym nr PL209948 budowa komory paleniskowej charakteryzuje tym, że komora paleniskowa utworzona jest z trzech, występujących po sobie w następującej kolejności komór przelotowych, pierwszej komory, o przekroju prostokąta wyposażonej u wylotu w zwisającą przegrodę, zakrzywioną w jej dolnej części, drugiej komory przelotowej o przekroju owalnym, wyposażonej w płyty ułożone na dnie komory, w której następuje wstępne zgazowanie paliwa oraz trzeciej komory o przekroju zbliżonym do owalu z podwójnymi ścianami, w której następuje zżarzanie paliwa, przy czym komora ta jest otwarta od góry a jej wylot przysłonięty jest ruchomo osadzoną bezwładnościowo klapą połączoną z urządzeniem sterującym podawanie paliwa. Ścianka wewnętrzna trzeciej komory przelotowej posiada otwory usytuowane w kilku rzędach. Do trzeciej komory przelotowej umocowany jest ruszt. Ruszt ten ma zastosowanie przy spalaniu węgla. Ponadto pierwsza komora przelotowa otoczona jest kanałem wielokrotnie opasującym komorę co ułatwia jej chłodzenie.

PL 229 201 B1

Celem wynalazku jest opracowanie pieca o takiej konstrukcji komory paleniskowej, który umożliwi spalanie paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu, z zastosowaniem procesu zgazowania osadów ze ścieków komunalnych oraz odpadów tworzyw sztucznych z wykorzystaniem powstałego w tym procesie ciepła w instalacjach przemysłowych.

Piec do spalania paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu z wykorzystaniem procesu zgazowania paliwa zawierający, komorę spalania ze strefami spalania, ruszt, wentylator nadmuchowy oraz układ podawania paliwa stanowiącego odpady, posiadający zbiornik odpadów i dozownik ślimakowy a także układy: zasilania w paliwo stałe do rozruchu pieca i podtrzymania procesu gazyfikacji zawierający: zbiornik paliwa, podajnik i palnik i układ odprowadzenia spalin składający się z komina, wentylatora wyciągowego i filtra spalin charakteryzuje się tym, że piec posiada komorę spalania ograniczoną ścianą wewnętrzną, od dołu rusztem a od góry kopułą pieca z dwoma strefami spalania: strefą I - spalania rusztowego i strefą II - spalania gazowego zgazowanego paliwa z odpadów stałych. Strefa III dopalania utworzona jest pomiędzy ścianą wewnętrzną a dodatkową obudową pieca. Ponadto w piecu w kopule osadzony jest zasobnik gazyfikatora w taki sposób, że perforowana dolna część zasobnika gazyfikatora znajduje się w strefie I spalania o minimalnej zawartości tlenu a jego pełna górna część umieszczona jest w strefie II wzbogaconej w tlen z generatora tlenu.

Ponadto na dodatkowej obudowie wykonany jest spiralny kanał przelotowy powietrza, zamknięty zewnętrzną obudową, przy czym spiralny kanał przelotowy powietrza połączony jest z wentylatorem nadmuchowym. Dodatkowo zasobnik gazyfikatora ma na swoim obwodzie w górnej części perforowane kanały połączone złączem z generatorem tlenu. Ponadto zasobnik gazyfikatora posiada osadzone współosiowo urządzenie podające, które stanowi ślimak napędzany motoreduktorem. Korzystnym jest także wariant gdy urządzenie podające stanowi siłownik. Ponadto kanał przelotowy powietrza połączony jest przyłączem z wymiennikiem ciepła. Korzystnym jest także, gdy strefa I - spalania rusztowego zasilana jest stałym biopaliwem w postaci peletu z zasobnika dozującego. Dodatkowo w dolnej części strefy III dopalania umieszczony jest kanał wylotowy spalin, połączony poprzez wentylator wyciągowy z filtrem spalin i kominem.

Piec według wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na którym:

Fig. 1 przedstawia piec w widoku z wszystkimi układami zasilania w paliwo i osprzętem.

Fig. 2 pokazuje widok samego pieca bez układów zasilania w paliwo.

Fig. 3 ukazuje przekrój pieca w przykładzie wykonania z urządzeniem podającym paliwo w postaci siłownika.

Fig. 4 przedstawia przekrój pieca w przykładzie wykonania z urządzeniem podającym pali w postaci ślimaka.

Fig. 5 pokazuje pojemnik gazyfikatora w widoku.

Fig. 6 ukazuje przekrój pojemnika gazyfikatora w przykładzie wykonania z urządzeniem podającym paliwo w postaci ślimaka.

Fig. 7 ukazuje przekrój pojemnika gazyfikatora w przykładzie wykonania z urządzeniem podającym paliwo w postaci siłownika.

Korzystny przykład realizacji wynalazku został przedstawiony na przykładzie spalania biowęgla z osuszonych osadów komunalnych z oczyszczalni ścieków i odpadów z tworzyw sztucznych w postaci pelletu, przy czym stosunek objętościowy osadów do odpadów z tworzyw sztucznych w granulacie wynosi 4:1. Odpowiada to kaloryczności paliwa o wartości od 25-28 MJ/kg. Wiadomym, jest że tradycyjne spalanie tworzyw sztucznych powoduje wydzielanie się szkodliwych dioksyn w tym: chlorowodór, fluorowodór, tlenki azotu, dwutlenek siarki i tlenek węgla.

Aktualnie jedynym dogodnym miejscem wykorzystania wtórnych paliw stałych w tym tworzyw sztucznych są piece klinkierowe w przemyśle cementowym, gdzie odpady zastępują węgiel kamienny. Warunki spalania paliw w cementowniach są na tyle korzystne (temperatura powyżej 1300°C, czas przebywania - kilka - kilkanaście sekund, a więc bardzo długi), że nie tworzą się szkodliwe dioksyny. W początkowej fazie pracy pieca 1 do strefy I - spalania rusztowego paleniska 2 zostaje dostarczone z zasobnika dozującego 27 paliwo stałe w postaci peletu ze zrąbków drewna. Za pomocą palnika 33 na ruszcie 8 zostaje zainicjowany proces palenia. Piec 1 posiada komorę spalania zawierającą od dołu rusztowe palenisko 2 z rusztem 8 z dwoma strefami spalania: strefą I - spalania rusztowego i strefą II -spalania gazowego zgazowanego paliwa z odpadów stałych, ograniczoną bocznie przez ścianę wewnętrzną 7 a od góry kopułą 9 oraz strefę III dopalania utworzoną pomiędzy ścianą wewnętrzną 7 a dodatkową obudową 11 pieca 1. Zasadnicze paliwo jest dostarczone do pieca ze zbiornika odpadów

PL 229 201 B1 za pomocą dozownika ślimakowego 30 i poprzez głowicę 29 do zasobnika gazyfikatora 3. W zasobniku gazyfikatora 3 przemieszczanie paliwa jest wspomagane przez urządzenie podające 17, w przykładzie wykonania siłownik 20· Po osiągnięciu temperatury 700-900°C w pierwszej strefie spalania, w dolnej części 4 zasobnika gazyfikatora 3 zostaje zainicjowany proces pirolizy paliwa zasadniczego na wskutek braku dostępu tlenu. Wydzielające się gazy zasobnika gazyfikatora 3 ulegają spaleniu i dopaleniu w II i III strefie spalania. Jednocześnie z generatora tlenu 25 za pośrednictwem złącza 16, poprzez perforowane kanały 15 w górnej części 5 zasobnika gazyfikatora 3 dostarczany jest do II strefy spalania tlen. Temperatura w II strefie spalania wzrasta powyżej 1000°C. W górnej części 5 zasobnika gazyfikatora 3 po przekroczeniu temperatury krytycznej 1000°C, zostaje zainicjowany proces zgazowania paliwa, przy czym w II strefie spalania paliwa gazowego temperatura nominalna osiąga 1400°C.

W wyniku procesu zgazowania paliwa wydziela się wodór i tlenek węgla, a także niewielkie ilości metanu, dwutlenku węgla, azotu i pary wodnej. Pozostałe nieliczne cząstki stałe przemieszczają się do dolnej części 4 zasobnika gazyfikatora 3 na stożek 28, opadają w dół i zostają dopalone w I strefie spalania. Proces zgazowania paliwa w zasobniku gazyfikatora 3 przebiega w sposób ciągły, uzyskany w procesie gaz wydziela się poprzez otwory w jego dolnej części 4. Jednocześnie za pośrednictwem ilości dostarczanego tlenu oraz analizatora spalin kontrolowana jest temperatura i skład spalin w rusztowym palenisku 2, stanowiącym I strefę spalania oraz w dwóch pozostałych strefach spalania w piecu 1. Czujnik poziomu paliwa zlokalizowany w zasobniku gazyfikatora 3 umożliwia sterowanie ilością dostarczanego paliwa z zasobnika 27 do podtrzymywania procesu spalania. Pozostałe spalone cząstki stałe są usuwane z rusztu 8 rusztowego paleniska 2 za pomocą zgarniaka 32 na zewnątrz pieca

1. Spaliny z III strefy spalania pieca 1 usuwane są poprzez kanał wylotowy spalin 21 za pomocą wentylatora wyciągowego 22 i kierowane są do filtra spalin 23 i komina 24. W przypadku konieczności obniżenia temperatury spalin istnieje możliwość ich skierowania do wymiennika ciepła 6. W trakcie procesu zgazowania paliwa, za pomocą wentylatora nadmuchowego 14, do spiralnego kanału przelotowego powietrza 12 zlokalizowanego pomiędzy dodatkową obudową 11 a izolowaną termicznie zewnętrzną obudową 13 tłoczone jest zimne powietrze. Przechodząc przez kanał przelotowy powietrza 12 powietrze ogrzewa się do temperatury 500-600°C. Poprzez przyłącze 26 powietrze kierowane jest na wymiennik ciepła 6 i wykorzystane do grzania wody lub innego czynnika np. oleju termalnego wykorzystywanych w procesach technologicznych. Stopień spalenia paliwa i warunki temperaturowe w każdej ze stref spalania są w szerokim zakresie kontrolowane przez regulację przepływu tlenu w II i III strefie spalania i przepływ powietrza w spiralnym kanale przelotowym powietrza 12.

W trakcie procesu zgazowania paliwa i spalania gazu unika się penetracji niepożądanego powietrza w komorze ponieważ niepożądane powietrze wywiera niekorzystny wpływ na proces spalania, utrudnia proces pirolizy i zwykle prowadzi do niepełnego spalania i wzrostu zanieczyszczeń w gazach spalinowych.

W tradycyjnych piecach do przemysłowego spalania odpadów często stwierdza się, że gdy zawartość CO w gazie spalinowym jest niska, zwartość NOx jest wysoka - i odwrotnie, gdy zawartość NO2 jest niska zawartość CO jest wysoka. To ma wpływ na trudności związane z regulacją temperatur w strefach spalania w konwencjonalnych spalarniach. Niedogodność tą usuwa rozwiązanie według wynalazku.

W drugim przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na Fig. 2 i Fig. 4 zamiast urządzenia podającego 17 w postaci siłownika 20 zastosowano podajnik ślimakowy 18, który jest napędzany motoreduktorem 19, przy zachowaniu pozostałych elementów pieca 1.

Zaletą rozwiązania według wynalazku polegającego na zgazowaniu paliwa stałego i spalenia powstałego gazu w tlenie jest elastyczność paliwowa pieca (osady komunalne, odpady z tworzyw sztucznych, biomasa itp.), niska emisja spalin bez dodatkowych instalacji, wyrównany strumień ciepła, lepsza kontrola temperatury, możliwość znacznej redukcji gabarytów pieca przy spalaniu w tlenie i bardzo szybkie spalanie.

Wykaz oznaczeń

1. Piec

2. Rusztowe palenisko

3. Zasobnik gazyfikatora

4. Dolna części zasobnika gazyfikatora

5. Górna części zasobnika gazyfikatora

6. Wymiennik ciepła

7. Ściana wewnętrzna

PL 229 201 B1

8. Ruszt

9. Kopuła pieca

10. 11. Dodatkowa obudowa

12. Spiralny kanał przelotowy powietrza

13. Zewnętrzna obudowa

14. Wentylator nadmuchowy

15. Perforowane kanały

16. Złącze

17. Urządzenie podające

18. Podajnik ślimakowy

19. Motoreduktor

20. Siłownik

21. Kanał wylotowy spalin

22. Wentylator wyciągowy

23. Filtr spalin

24. Komin

25. Generator tlenu

26. Przyłącze

27. Zasobnik dozujący

28. Stożek

29. Głowica

30. Dozownik ślimakowy

31. Zbiornik odpadów

32. Zgarniak

33. Palnik

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Piec do spalania paliw z odpadów stałych zwłaszcza w postaci pelletu z wykorzystaniem procesu zgazowania paliwa zawierający, komorę spalania ze strefami spalania, ruszt, wentylator nadmuchowy oraz układ podawania paliwa stanowiącego odpady, posiadający zbiornik odpadów i dozownik ślimakowy a także układy: zasilania w paliwo stałe do rozruchu pieca i podtrzymania procesu gazyfikacji zawierający: zbiornik paliwa, podajnik i palnik i układ odprowadzenia spalin składający się z komina, wentylatora wyciągowego i filtra spalin, znamienny tym, że piec (1) posiada komorę spalania zawierającą rusztowe palenisko (2), ograniczoną ścianą wewnętrzną (7), od dołu rusztem (8) a od góry kopułą (9) pieca (1) z dwoma strefami spalania: strefą I - spalania rusztowego i strefą II - spalania gazowego zgazowanego paliwa z odpadów stałych oraz strefę III dopalania utworzoną pomiędzy ścianą wewnętrzną (7) a dodatkową obudową (11) pieca (1), ponadto w piecu (1) w kopule (9) osadzony jest zasobnik gazyfikatora (3) w taki sposób, że perforowana dolna część (4) zasobnika gazyfikatora (3) znajduje się w strefie I spalania o minimalnej zawartości tlenu a jego pełna górna część (5) umieszczona jest w strefie II wzbogaconej w tlen z generatora tlenu (25).
2. 2. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że na dodatkowej obudowie (11) wykonany jest spiralny kanał przelotowy powietrza (12), zamknięty zewnętrzną obudową (13), przy czym spiralny kanał przelotowy powietrza (12) połączony jest z wentylatorem nadmuchowym (14).
3. 3. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że zasobnik gazyfikatora (3) posiada na swoim obwodzie w górnej części (5) perforowane kanały (15) połączone złączem (16) z generatorem tlenu (25).
4. 4. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że zasobnik gazyfikatora (3) posiada osadzone współosiowo urządzenie podające (17) odpady.
5. 5. Piec według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzenie podające (17) stanowi podajnik ślimakowy (18) napędzany motoreduktorem (19).
6. 6. Piec według zastrz. 4, znamienny tym, że urządzenie podające (17) stanowi siłownik (20).

   PL 229 201 Β1
7. 7. Piec według zastrz. 2, znamienny tym, że kanał przelotowy powietrza (12) połączony jest przyłączem (26) z wymiennikiem ciepła (6).
8. 8. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że strefa I - spalania rusztowego zasilana jest stałym biopaliwem w postaci peletu z zasobnika dozującego (27).
9. 9. Piec według zastrz. 1, znamienny tym, że w dolnej części strefy III dopalania paliwa gazowego umieszczony jest kanał wylotowy spalin (21), połączony poprzez wentylator wyciągowy (22) z filtrem spalin (23) i kominem (24).