Urządzenie do spalania i zgazowania paliw stałych

Co można uzyskać dzięki wynalazkowi

Urządzenie może pracować samodzielnie, bądź stanowić część kotła energetycznego. Wynalazek pozwala na realizację w efektywny sposób suszenia, spalania oraz zgazowania różnych paliw, a także prowadzenie procesu witryfikacji popiołów. Poprzez łatwą kontrolę i dostosowanie strumieni gazów doprowadzanych do urządzenia oraz rozdzielne spalanie składników gazowych i stałych możliwe jest znaczące wydłużanie czasu pobytu paliwa w strefie reakcji, co skutkuje wysoką sprawnością i dobrym przereagowaniem substratów. Proces może być prowadzony w różnych atmosferach gazowych (powietrze, tlen, para wodna, itp.), w efekcie czego urządzenie może także służyć do wytwarzania gazu zawierającego m.in. wodór, CO oraz inne węglowodory i wykorzystywanego np. w różnych procesach chemicznych. Paliwo dla urządzenia stanowić może zarówno węgiel, jak i biomasa lub odpady, których przetwarzanie przyczynia się tym samym do ograniczenia emisji CO2 do atmosfery.
W przypadku pracy urządzenia jako elementu kotła energetycznego, gazy wylotowe z urządzenia są dopalane w komorze paleniskowej kotła - głównym pozytywnym skutkiem takiego rozwiązania jest przede wszystkim poprawa elastyczności pracy kotła i bloku energetycznego, ograniczenie ilości zużywanych paliw kopalnych, optymalizacja emisji tlenków azotu oraz obniżona emisja CO2.

Istota wynalazku

Wynalazek stanowi urządzenie do termicznego przetwarzania różnych substancji stałych, a jego innowacyjne rozwiązanie konstrukcyjne i przepływowe umożliwia rozdzielną i w pełni kontrolowaną realizację suszenia, odgazowania, zgazowania oraz spalania poszczególnych składników paliwa, pozwalając na łatwą i elastyczną zmianę parametrów stechiometrycznych oraz warunków termodynamicznych zarówno wewnątrz urządzenia, jak i – w przypadku jego zabudowy jako elementu bloku energetycznego – w komorze paleniskowej kotła. Możliwość płynnej zmiany warunków pracy urządzenia oraz jego wydajności cieplnej ma kluczowe znaczenie np. dla realizacji zmian obciążenia kotła energetycznego w szerokim zakresie, wymaganym w warunkach rosnącego udziału odnawialnych źródeł energii w polskim systemie energetycznym. Tym samym możliwa będzie praca kotła z niższym obciążeniem, co w istotny sposób zwiększy zakres elastyczności pracy i regulacyjności bloków energetycznych oraz spowoduje redukcję emisji CO2. Wynalazek przyczyni się także do ograniczenia ilości spalanego mazutu podczas uruchomień kotłów, jak również pozwoli na zmniejszenie emisji pyłów wskutek usuwania popiołu i żużla z paliwa przed jego wprowadzeniem do kotła. Dodatkowo, możliwe będzie także prowadzenie procesu witryfikacji popiołu, który można będzie odprowadzać w postaci płynnej (szczególnie istotne w przypadku termicznego przetwarzania odpadów). Konstrukcja urządzenia zapewnia efektywne przetwarzanie w nim także mieszanin różnych paliw, co ma istotne znaczenie wobec zakładanego wzrostu udziału biomasy w polskim miksie energetycznym - niskoemisyjna produkcja energii elektrycznej z mieszanin węgla i biomasy wymaga bowiem (ze względu na różnice w parametrach fizykochemicznych obu paliw) oddzielnego realizowania np. procesu odgazowania i spalania składników stałych oraz gazowych. Geometria urządzenia stwarza korzystne warunki dla interakcji pomiędzy stałymi i gazowymi składnikami obu rodzajów paliw dając dodatkowy efekt synergii, zaś zapewnienie intensywnego mieszania substratów przy stopniowanym dozowaniu powietrza pozwala nie tylko na realizację procesów odgazowania, zgazowania, spalania oraz - ewentualnie - topienia żużla w tym samym urządzeniu, lecz także oferuje optymalizację emisji zanieczyszczeń (np. NOx), poprawę elastyczności paliwowej i zwiększony udział paliw z grupy odnawialnych.
Głównymi elementami nowości wynalazku są: 1/ rozdzielna realizacja procesów nagrzewania i odgazowania paliwa stałego, 2/ częściowe spalanie i zgazowanie pozostałości koksowej mieszaniną powietrza, tlenu, gazów pirolitycznych i pary wodnej, 3/ wykorzystanie ciepła fizycznego gazów powstałych ze zgazowania pozostałości koksowej do nagrzewania i odgazowania świeżo wprowadzonego paliwa oraz 4/ możliwość spalania mieszaniny gazów pirolitycznych, gazu ze zgazowania oraz drobnych frakcji pozostałości koksowej poza opisywanym urządzeniem (np. w komorze paleniskowej kotła energetycznego). Urządzenie pozwala ponadto na odprowadzanie znaczącej części popiołu w formie stopionego żużla (witryfikacja), a poprzez stopniowanie tlenu do spalania oraz redukcyjny efekt wysokiego stężenia drobnych ziaren koksu w płonącej strudze gazów palnych możliwe jest ograniczenie emisji NOx. Możliwe jest także ograniczenie emisji SOx, które można osiągnąć np. poprzez dozowanie rozdrobnionego sorbentu (kamienia wapiennego) do odpowiednich stref reakcji.

Potencjał komercjalizacji

Wynalazek reprezentuje nowatorską technologię, pozwalającą na realizację w tym samym urządzeniu procesu spalania oraz zgazowania różnych paliw (w tym odnawialnych), a także utylizację odpadów i witryfikację popiołów. Zabudowa opisywanego urządzenia jako elementu kotła energetycznego umożliwia dokonanie istotnej zmiany charakterystyki pracy kotła oraz bloku energetycznego opalanego paliwem stałym.
Realna perspektywa zastosowania urządzenia w Polsce obejmuje obecnie przede wszystkim kilkadziesiąt kotłów pyłowych dla bloków o mocy 200 i 360 MW, dla których zwiększony udział tzw. odnawialnych źródeł energii w krajowym systemie energetycznym wymusza zmianę dotychczasowych warunków pracy i konieczność szybkiej zmiany wydajności w szerokim zakresie. Opisywany wynalazek oferuje zarówno poprawę elastyczności pracy bloków w takich warunkach, jak również rozszerzenie spektrum możliwych do wykorzystania paliw oraz ograniczenie emisji zanieczyszczeń.