PL244871B1 - Sposób oczyszczania spalin w kotłach energetycznych małej mocy - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób oczyszczania spalin w kotłach energetycznych małej mocy opalanych biomasą, który charakteryzuje się tym, że nanosi się roztwór wodny nanocząstek platyny i/lub pierwiastków z grupy platynowców na powierzchnie elementów konstrukcyjnych kotła wykonanych z materiałów inżynierskich jak metal, ceramika lub kompozyty, które mają bezpośrednią styczność ze spalinami powstałymi w procesie spalania paliwa energetycznego w komorze spalania kotła i jednocześnie, które podczas ich eksploatacji w procesie spalania osiągają temperaturę od 200°C do 1000°C, znanymi metodami, przy czym na elementy konstrukcyjne kotła wykonane z metali, nanosi się w pierwszej kolejności warstwę pośrednią w postaci roztworów zawiesiny nanocząstek tlenku tytanu lub tlenku glinu przy pomocy znanych metod.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania spalin w kotłach energetycznych małej mocy zwłaszcza w kotłach przystosowanych do biopaliw.

Znany z patentu RO129738 jest sposób oczyszczania spalin, w którym opisano instalację o podwójnym działaniu do kontrolowania spalania brykietów ze słomy, stosowanej w kotłach płomieniowowodnych, dla niskich i średnich mocy cieplnych. Zgodnie z wynalazkiem, instalacja przeznaczona do kontrolowanego spalania zawiera ruszt s kładający się z trzech stopni, dwóch nieruchomych stopni chłodzonych płynem roboczym i jednym ruchomym stopniem, uruchamianym z układu zębatkowego, przy czym spalanie odbywa się w dolna część rury ognia i jest kontrolowana przez dwustopniowe urządzenie przemieszczające z własnym układem uruchamiającym, ruszt jest zamontowany na wysokości od 40 do 30% wysokości ognia, tuba zaczynająca się od pierwszego ustalonego stopnia i zajmująca około 1/3 całkowitej długości rury ogniowej, a paliwo jest popychane przez podajnik ślimakowy do pierwszego nieruchomego stopnia rusztu, skąd jest on przejmowany przez ruchomą stopnie składającą się z rusztowych prętów wykonanych z żeliwa szarego i przesyłanych przez końcowy stały stopień, w kierunku urządzenia popychającego. Wspomniane urządzenie, za pomocą ruchu do przodu, zgarniania elementy z dolnej strony rury pieca, zawarta pomiędzy kratką i obszarem wyprowadzania popiołu. Zaś żużel jest kierowany w stronę dwóch otworów wylotowych, również przez ruch do przodu popychacza, etapy zgarniania mają kształt łuku kołowego o promieniu identycznym z promieniem rury ogniowej, a przez regulację czasu uruchamiania układu kontrolowany jest proces dokończenia spalania i odprowadzania powstałego popiołu. Z kolei w patencie WO9202763 kocioł grzewczy do spalania rozdrobnionego paliwa, które po podgrzaniu przynajmniej częściowo zgazowuje, najlepiej rozdrobnioną słomę, płatki drzewne, trociny lub podobne materiały organiczne, w którym to kotle paliwo jest transportowane w kierunku komory spalan ia kotła przez w przybliżeniu poziomo rozciągające się rura, która otwiera się do komory spalania kotła, za pomocą spiralnego przenośnika umieszczonego w rurze, i gdzie dodatkowy palnik jest umieszczony naprzeciwko wylotu rury w komorze spalania. Wspomniany dodatkowy palnik jest przystosowany do spalania paliwo rozprowadzane w jego dopływie powietrza i dostarczane w różnych ilościach, przy czym nadmierne dostarczanie powietrza ma zmniejszone wtórne zasilanie paliwem używanym do spalania rozdrobnionego paliwa. Rura z przenośnikiem spiralnym jest umieszczona w komorze spalania w taki sposób, że na pewnej długości wystaje swobodnie w strefę spalania palnika dodatkowego, a pomiędzy ujściem rury a palnikiem wtórnym jest dwustronny def lektor pod warunkiem, że ma rozmiar wystarczający do przenoszenia za pomocą jednego ze swoich boków powietrza z palnika pomocniczego za wylot rury i za pomocą drugiej strony odchyla gaz z paliwa w rurze w kierunku poprzecznym do dopływ powietrza z drugiego palnika. Kocioł nadaje się d o pracy przerywanej i spalania paliwa biologicznego o różnej wartości cieplnej przy stale wysokiej produkcji ciepła. Patent US4862813 opisuje urządzenie do oczyszczania spalin zawierających toksyczną substancję organiczną wytwarzaną w śladowych ilościach przez spalarnię w procesie spalania materiału odpadowego, przy czym spalarnia ma koniec wejściowy do odbioru materiału odpadowego i koniec wylotowy do odprowadzania spalin, przy czym wspomniane urządzenie zawiera: przewód kominowy, mający powierzchnię wewnętrzną otaczającą koniec wylotowy pieca do spopielania, do transportu spalin wytwarzanych przez spalarnię do otworu wylotowego; oraz środki filtrujące, umieszczone i uszczelnione do wspomnianego przewodu kominowego między końcem wylotowym pieca do spalania a portem wylotowym, do pochłaniania ciepła ze spalin w celu osiągnięcia temperatury powyżej 700°C i do zatrzymywania spalin przez okres czasu wystarczający do zniszczenia zasadniczo całej toksycznej substancji organicznej w spalinach, przy czym wspomniane środki filtrujące zawierają ceramiczny gazowo-porowaty filtr umieszczony za końcem wylotowym pieca do spalania i uszczelniony do wewnętrznej powierzchni wspomnianego przewodu kominowego, i składa się wielu ceramicznych gazowo-porowatych filtrów, przy czym każdy ze wspomnianych ceramiczno-porowatych elementów filtrujących zawiera zasadniczo cylindryczną część z zamkniętym pierwszym końcem zwróconym ku wylotowi, wypływającemu z końca wylotowego pieca do spopielania i podstawy na drugim końcu, przy czym podstawa ma z grubsza pierścieniowy kształt, a zewnętrzna średnica jest większa niż zewnętrzna średnica cylindrycznej części wspomnianego ceramiczno-porowatego ceramicznego elementu filtracyjnego; oraz środki do łączenia elementów do podtrzymywania i uszczelniania wspomnianych ceramicznych porowatych elementów filtracyjnych razem u podstawy każdego z wymienionych ceramicznych porowatych elementów filtracyjnych. Filtr pełni funkcję zatrzymywania pyłów, ale nie oczyszcza on spalin z zanieczyszczeń organicznych.

Znany jest z artykułu „Katalityczne oczyszczanie spalin z kotłów małej mocy” (Przemysł Chemiczny, rocznik 2016, T. 95, nr 8, str. 1630-1633) sposób oczyszczania spalin z kotła retortowego małej mocy, zasilanego peletem z trocin, wyposażonego w deflektor wykonany z materiału glinokrzemianowego SiO2, na którego powierzchni bezpośrednio spreparowano kolejno katalizatory. Testowano dwie odmiany katalizatorów wanadowych oraz katalizator platynowy. Jeden katalizator wanadowy na nośniku z SiO2 otrzymano poprzez impregnację nośnika roztworem wodnym V2O5 w kwasie szczawiowym. Katalizator został uformowany w wytłoczki o średnicy 6 mm. Wytłoczki zostały wysuszone w temperaturze 110°C, w czasie 12 h, a następnie wyprażone w temperaturze 550°C, w czasie 4 h. Po wystudzeniu zostały wprowadzone w materiał deflektora na etapie zastygania jego masy. Drugi katalizator wanadowy preparowany bezpośrednio na deflektorze otrzymano poprzez przygotowanie roztworu wodnego V2O5 w kwasie szczawiowym. Powierzchnia deflektora została zaimpregnowana za pomocą rozpylacza. W preparatyce katalizatora platynowego kulki nośnika z Y-AbO3 o średnicy 8 mm zaimpregnowano roztworem kwasu chloroplatynowego, wysuszono w temperaturze 110°C, w czasie 12 h, a następnie kalcynowano w temperaturze 550°C, w czasie 4 h i redukowano w temperaturze 550°C, w czasie 1 h. Po wystudzeniu kulki zostały wprowadzone w materiał deflektora na etapie zastygania jego masy. Prekursory fazy aktywnej w przypadku wanadu zostały wprowadzone w ilości 20,1 g/m² deflektora, a w przypadku katalizatora platynowego w ilości 0,08 g/m². Przedstawiono rozkład temperatury na powierzchni deflektora podczas pracy z mocą nominalną, która w komorze paleniskowej kotła bezpośrednio pod deflektorem wynosiła około 660°C - 825°C.

Również w patencie US018021756 A1 opisano Materiał katalityczny, w którym zastosowano platynę do kompozytów katalitycznych, który stanowi wkład do budowy katalizatorów umieszczanych w układzie oczyszczania gazów spalinowych silników spalinowych. Materiał katalityczny zawiera metal z grupy platynowców (PGM), których składnik(i) PGM są dostarczane jako nanocząstki i są przymocowane do porowatego nośnika z ogniotrwałego tlenku metalu, który może być dostarczony jako prekursor w postaci cząstek i ma średnią wielkość cząstek pierwotnych od około 1 nm do około 100 nm. Po kalcynacji w temp. 550°C PGM jest termicznie przymocowany do nośnika i dobrze zdyspergowany. „Umocowany termicznie” oznacza, że kombinacja PGM i nośnika jest podgrzewana, np. do temperatury >250°C, tak że składniki PGM są częściowo lub całkowicie przekształcane w ich formy tlenkowe.

Sposób wytwarzania materiału katalitycznego, obejmuje: (a) otrzymywanie nanocząstek PGM; (b) otrzymywanie nanocząstek ogniotrwałego nośnika z tlenku metalu lub prekursora ogniotrwałego nośnika z tlenku metalu; (c) przygotowanie wodnego koloidalnego roztworu nanocząstek PGM z etapu (a) i nanocząstek z etapu (b) z wytworzeniem roztworu materiału katalitycznego; oraz (d) suszenie i kalcynowanie roztworu materiału katalitycznego z etapu (c) z wytworzeniem materiału katalitycznego, przy czym składnik PGM jest rozproszony w nośniku i przymocowany termicznie do nośnika. Przy czym metale z grupy platynowców (PGM) obejmują pallad (Pd), platynę (Pt), rod (Rh), ruten (Ru), osm (Os) i/lub iryd (Ir), a „umocowany termicznie” oznacza, że kombinacja PGM i nośnika jest podgrzewana, np. do temperatury >250°C, tak że składniki PGM są częściowo lub całkowicie przekształcane w ich formy tlenkowe.

Powstałe w wyniku obróbki termicznej składniki PGM oraz wanad w ich formy tlenkowe powodują pokrycie wielowarstwowe powierzchni nośnika, a przez to katalizator szybko ulega dezaktywowacji, gdyż następuje migracja krystalitów PGM (platyny), wanadu na warstwie nośnika tlenku metalu oraz mogą powstać na nich depozyty węglowe. Podobne zjawisko występowało na katalizatorach wanadowych spreparowanych na deflektorach mocowanych w kotle.

Celem wynalazku jest opracowanie prostej i skutecznej metody oczyszczania spalin z zanieczyszczeń organicznych o wysokiej sprawności w kotłach energetycznych malej mocy, zwłaszcza kotłów przystosowanych do biopaliw.

Istota sposobu oczyszczania spalin w kotłach energetycznych małej mocy opalanych biomasą według wynalazku charakteryzuje się tym, że nanosi się roztwór wodny nanocząstek platyny znanymi metodami na powierzchnie elementów konstrukcyjnych kotła wykonanych z materiałów inżynierskich jak metal, ceramika lub kompozyty, na te z nich które mają bezpośrednią styczność ze spalinami powstałymi w procesie spalania paliwa energetycznego w komorze spalania kotła i jednocześnie, które podczas ich eksploatacji w procesie spalania na drodze spalin osiągają temperaturę od 200°C do

1000°C, przy czym na elementy konstrukcyjne kotła wykonane z metali, nanosi się w pierwszej kolejności warstwę pośrednią w postaci roztworów zawiesiny nanocząstek tlenku tytanu i/lub nanocząstek tlenku glinu przy pomocy znanych metod.

Korzystnie, gdy na powierzchnie, które mają bezpośrednią styczność ze spalinami powstałymi w procesie spalania, nanosi się mieszaninę z roztworu wodnego nanocząstek platyny z pierwiastkiem z grupy metali szlachetnych.

Korzystnie, gdy dodaje się jako pierwiastki z grupy metali szlachetnych ruten, lub rod, lub pallad, lub osm, lub iryd, lub srebro i lub złoto.

Korzystnie, gdy powierzchniom, które mają bezpośrednią styczność ze spalinami nadaje się fakturę plastra miodu.

Korzystnie, gdy ceramiczne elementy konstrukcyjne kotła wykonuje się z glinokrzemianów, cementu lub spineli.

Korzystnie, gdy elementy konstrukcyjne kotła z metali wykonuje się z żeliwa, stali i jej stopów.

Przykład 1

Dla typu kotła małej mocy zasilanego biomasą w postaci peletów, który zawiera w swej budowie komorę spalania wraz z paleniskiem, kanał odprowadzania spalin oraz deflektor wykonany z materiałów stalowych usytuowany nad paleniskiem, a poniżej kanałów wylotowych spalin. Zastosowano deflektor, który wykonany został ze stali kotłowej. Wypełnia on światło przekroju poprzecznego komory spalania od 10% do 98% i ma styczność ze spalinami i który charakteryzuje się temperaturą pracy od 600 do 1000°C. Deflektor o kształcie dysku zawieszono w komorze spalania za pomocą uchwytu i usytuowano w ten sposób, że spaliny na drodze do komina, kierowane przez kanał odprowadzania spalin, omywają jego powierzchnię. Dolna powierzchnia deflektora wraz z powierzchniami ścian bocznych w pierwszej kolejności pokrywa się warstwą pośrednią wykonaną z nanocząstek dwutlenku tytanu w formie roztworu organicznego zol/żel, a nanosi się ją na deflektor znanymi sposobami, na przykład przez malowanie nawierzchniowe. Po wysuszeniu warstwy pośredniej nanosi się z kolei na nią roztwór wodny nanocząstek platyny również przez malowanie nawierzchniowe.

Przykład 2

Sposób wykonania jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że deflektor wykonany ze spinelu zostaje pokryty warstwą pośrednią wykonaną z nanocząstek tlenku glinu w formie roztworu wodnego zol/żel.

Przykład 3

Sposób wykonania jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że dolna powierzchnia deflektora wraz z powierzchniami ścian bocznych i górnych zostaje pokryta warstwą pośrednią wykonaną z nanocząstek dwutlenku tytanu naniesioną poprzez malowanie nawierzchniowe. Po wysuszeniu warstwy pośredniej nanosi się z roztworu wodnego mieszaninę nanocząstek platyny i nanocząstek rutenu.

Przykład 4

Sposób wykonania jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że deflektor wykonany jest z cementu. Dolna powierzchnia deflektora wraz z powierzchniami ścian bocznych i górnej zostaje pokryta warstwą mieszaniny z roztworu wodnego nanocząstek platyny z pierwiastkiem metalu szlachetnego w postaci roztworu soli rodu za pomocą malowania nawierzchniowego.

Przykład 5

Sposób wykonania jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że dolna powierzchnia deflektora wraz ze ścianami bocznymi zostaje pokryta warstwą pośrednią wykonaną z magnetytu Fe³⁺(Fe²⁺Fe³⁺)O4 i nanocząstek dwutlenku tytanu naniesioną znanymi sposobami na przykład przez malowanie natryskowe. Po wysuszeniu warstwy pośredniej nanosi się mieszaninę z roztworu wodnego nanocząstek platyny z pierwiastkiem z grupy metali szlachetnych w postaci nanosrebra za pomocą malowania natryskowego.

Przykład 6

Sposób wykonania jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że deflektor został wykonany z glinokrzemianu w postaci monolitycznego katalizatora w formie plastra miodu. Usytuowano go w komorze spalania za pomocą uchwytu w ten sposób, że spaliny na drodze do komina maja styczność z jego powierzchniami zewnętrznymi i wewnętrznymi. Katalizator wykonany jest z nośnika glinokrzemianowego o powierzchni wewnętrznej 800 do 850 m²/g. Jako fazę aktywną nanosi się na jego całą powierzchnię nanocząstki platyny poprzez malowanie natryskowe.

Przykład 7

Sposób wykonania jak w przykładzie 6 z tą różnicą, że nośnik katalizatora wykonano z glinokrzemianu z dodatkiem cementu w dowolnej ilości i usytuowano na powierzchni przepływu spalin z komory spalania do kanałów spalinowych i jest pokryty przez malowanie natryskowe roztworem wodnym nanocząstek platyny. Spaliny opuszczające komorę spalania i mające styczność z katalizatorem charakteryzują się temperaturą od 600 do 1000°C.

Przykład 8

W kotle małej mocy zasilanym biomasą w postaci peletów, deflektor został wykonany ze stali kotłowej, o formie zbliżonej do formy tortownicy, na której dno wyłożono warstwę izolacyjną w postaci wełny mineralnej, którą pokrywa się cementem o właściwościach wysokotemperaturowych i w czasie jego utwardzania wprowadza się na jego powierzchnię monolityczne kształtki katalizatora platynowego na nośniku glinokrzemianowym które wystają ponad powierzchnię warstwy cementowej. Po usytuowaniu deflektora w osi komory spalania tak, aby monolityczne kształtki katalizatora miały styczność ze spalinami, przestrzeń pomiędzy deflektorem a ścianami komory spalania wypełnia się katalizatorem w formie monolitycznej w ten sposób, że kanaliki monolitycznego katalizatora są usytuowane równolegle do osi komory spalania. Jako fazę aktywną nanosi się na powierzchnię cementową wraz z monolitycznymi kształtkami nanocząstki platyny za pomocą malowania natryskowego.

Przykład 9

Na elementy konstrukcyjne kotła, małej mocy zasilanego biomasą w postaci peletów, wykonane z materiałów stalowych przylegające do nich materiały ceramiczne na przykład szamot, na który nanosi się w sposób trwały warstwę pośrednią wykonaną z gamma tlenku glinu o powierzchni właściwej 289 m²/g znanymi sposobami. Następnie pokrywa się jego powierzchnię roztworem wodnym nanocząstek platyny przez malowanie nawierzchniowe.

Przykład 10

W kotle małej mocy zasilanym biomasą w postaci balotów wykonanych ze słomy utworzonego z komory spalania słomy i komory spalania gazu usytuowanych obok siebie, i otoczone płaszczem wodny, w którym obie komory są oddzielone od siebie przegrodą, w której jest umieszczony otwór, przez który wypływają spaliny oraz podawane jest powietrze niezbędne do spalania zastosowano katalizatory monolityczne, które umieszczono poza komorą spalania słomy w kanałach przepływu gazu. Na katalizatory monolityczne jako fazę aktywną nanosi się na jego całą powierzchnię nanocząstki platyny poprzez malowanie natryskowe. Temperatura spalin wprowadzanych do warstwy katalitycznej wynosi od 600 do 850°C.

Przykład 11

Sposób tak jak w przykładzie 10 z tą różnicą, że katalizator monolityczny umieszcza się zarówno w komorze spalenia biomasy jak i poza nią w kanałach spalin - kanałach przepływu gazu.

Zaletą sposobu oczyszczania spalin według wynalazku jest ograniczenie w 90% spalin z zanieczyszczeń takich jak: tlenek węgla, niespalone węglowodory, co przyczynia się do ochrony środowiska naturalnego. Sposób oczyszczania spalin według wynalazku w prosty sposób można zastosować w każdej konstrukcji kotła opalanego biopaliwami. Ponadto metoda ta umożliwia uproszczenie, konstrukcji budowy kotłów, co zapewne obniży koszty wytwarzania, uprości obsługę eksploatacyjną i zwiększy atrakcyjność ich stosowania.

Claims (6)

1. Sposób oczyszczania spalin w kotłach energetycznych małej mocy zasilanych biomasą znamienny tym, że nanosi się roztwór wodny nanocząstek platyny i lub pierwiastków z grupy platynowców znanymi metodami na powierzchnie elementów konstrukcyjnych kotła wykonane z materiałów inżynierskich jak metal, ceramika lub kompozyty, na te z nich które mają bezpośrednią styczność ze spalinami powstałymi w procesie spalania paliwa energetycznego w komorze spalania kotła i jednocześnie, które podczas ich eksploatacji w procesie spalania osiągają na drodze spalin temperaturę od 200°C do 10000°C, przy czym na elementy konstrukcyjne kotła wykonane z metali, nanosi się przy pomocy znanych metod, w pierwszej kolejności warstwę pośrednią w postaci roztworów zawiesiny nanocząstek tlenku tytanu lub nanocząstek tlenku glinu.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że na powierzchnie, które mają bezpośrednią styczność ze spalinami powstałymi w procesie spalania, nanosi się mieszaninę nanocząstek platyny z pierwiastkiem z grupy metali szlachetnych z roztworu wodnego.

3. Sposób według zastrz. 2 znamienny tym, że dodaje się jako pierwiastki z grupy metali szlachetnych ruten, lub rod, lub, pallady lub osm, lub: iryd, lub srebro i lub złoto.

4. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że powierzchniom, które mają bezpośrednią styczność ze spalinami nadaje się fakturę plastra miodu.

5. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że ceramiczne elementy konstrukcyjne kotła wykonuje się z glinokrzemianów, cementu lub spineli.

6. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że elementy konstrukcyjne kotła z metali wykonuje się z żeliwa, stali lub jej stopów.