PL228661B1 - Sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny-powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej i urządzenie rewersyjne do realizacji tego sposobu - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228661 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 394701 (22) Data zgłoszenia: 28.04.2011 (51) Int.CI.

F23G 5/14 (2006.01) F23G 5/46 (2006.01) F23G 7/06 (2006.01) F23N 1/00 (2006.01)

Sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej i urządzenie rewersyjne do realizacji tego sposobu

	(73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT INŻYNIERII CHEMICZNEJ POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Gliwice, PL KATALIZATOR SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Kraków, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
05.11.2012 BUP 23/12	KRZYSZTOF GOSIEWSKI, Gliwice, PL MANFRED JASCHIK, Mikołów, PL ANNA PAWLACZYK, Katowice, PL KRZYSZTOF WARMUZIŃSKI, Zabrze, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	MAREK TAŃCZYK, Gliwice, PL
30.04.2018 WUP 04/18	KRZYSZTOF GIEŁZAK, Gliwice, PL ARTUR WOJDYŁA, Knurów, PL TADEUSZ MACHEJ, Kraków, PL LESZEK MICHALSKI, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz, pat. Maciej A. Klassek

co co oo

CM

CM

Ω.

PL 228 661 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej i urządzenie rewersyjne do realizacji tego sposobu. Wynalazek dotyczy szczególnie spalania mieszanek metan-powietrze o stężeniach CH4 występujących w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego (tzw. VAM - Ventilation Air Methane) w termicznym rewersyjnym urządzeniu z regeneracją ciepła. Sposób i urządzenie według wynalazku zapewniają utylizację ciepła spalania w aparacie odbioru ciepła, w warunkach pracy urządzenia zapewniających wysoką sprawność (konwersję) spalania oraz wystarczającą symetrię profili temperatur wzdłuż wypełnienia urządzenia a także stabilność odbioru energii, polegającą na tym, że strumień energii dostarczanej odbiorcom jest w przybliżeniu stały w czasie pracy urządzenia.

Stosowanie rewersji przepływu w celu regeneracji ciepła w przemysłowych aparatach wymiany ciepła ma bardzo długą historię. Aparaty takie noszą nazwę regeneratorów ciepła. Zdarzało się, że w aparatach takich współbieżnie z regeneracyjną wymianą ciepła zachodziły również reakcje chemiczne. W monografii [Hobler, T., - Ruch ciepła i wymienniki, WNT Warszawa 1986] zamieszczono schemat regeneratora ciepła, w którym zachodzi reakcja termicznego rozkładu metanu parą wodną. Aparat ten jest jednak traktowany przez autora raczej jako regeneracyjny wymiennik ciepła, a nie rewersyjny reaktor chemiczny. W tym urządzeniu ciepło niezbędne dla przebiegu endotermicznej reakcji dostarcza palnik umieszczony w górnej części aparatu, zaś podgrzanie gazu do temperatury 1300°C, wymaganej do jej przebiegu, odbywa się z udziałem regeneracyjnej wymiany ciepła, poprzez cykliczną zmianę kierunku przepływu (tzw. rewersję). Podobne urządzenie ujawniono w amerykańskim opisie patentowym nr US3,207,493, w którym opisano urządzenie do niekatalitycznego spalania, w postaci pieca z umieszczonymi w naprzeciwległych ścianach wlotami wstępnie podgrzanego regeneracyjnie gazowego utleniacza, zaopatrzone w jeden wylot gazów spalinowych, palniki na paliwo gazowe lub płynne umieszczone przy wlotach gazowego utleniacza, pierwszy i drugi regenerator ciepła do przemiennego absorbowania ciepła z gorących produktów spalania i oddawania ciepła chłodnym gazom utleniającym, i system dwóch zaworów rewersyjnych sterujący przepływającym strumieniem gazów. Urządzenie to zawiera regeneracyjny wymiennik ciepła, niezintegrowany jednak z przestrzenią reakcyjną, lecz stanowiący osobny element umieszczony przed komorą spalania. Pierwszy, cytowany przez liczne publikacje dotyczące katalitycznych reaktorów rewersyjnych, patent amerykański nr US 2,121,733 ujawnia sposób cieplnej obróbki gazu zawierającego palne zanieczyszczenia, który obejmuje początkowe nagrzewanie części przepuszczającego gaz materiału absorbującego ciepło do temperatury przemiany gazu w celu utworzenia strefy przemiany gazu, która styka się z inną strefą o temperaturze niższej od temperatury przemiany gazu oraz przepuszczanie gazu i okresowe zmienianie kierunku przepływu gazu oraz aparat do obróbki cieplnej gazu, który obejmuje dwa gazoszczelne, izolowane cieplnie piece, z których każdy posiada komorę wypełnioną złożem swobodnym z cząstek ciała stałego o niskiej zdolności oddawania ciepła, izolowany przewód łączący swobodne przestrzenie pieców i tworzący z nimi otwartą strefę przejściową, zespół zaworów i urządzeń do zmiany kierunku przepływu przetwarzanego gazu. W patencie tym nie nazwano opisanego aparatu explicite reaktorem rewersyjnym, choć w istocie był takim reaktorem. W latach 70-tych pojawiły się liczne publikacje, w których podobne urządzenia nazywano już reaktorami rewersyjnymi (ang: reverse flow reactors) bądź też reaktorami niestacjonarnymi z rewersją przepływu (unsteady state with reversed flow reactors). Podstawy teoretyczne do obliczania takich aparatów zawarto m.in. w monografiach [Matros, Y. S., 1985-Unsteady Processes in Catalytic Reactors Elsevier, Amsterdam] oraz [Matros, Y. S., 1989-Catalytic Processes under Unsteady Conditions, Elsevier Science BV, Amsterdam]. Pierwsze prace badawcze i modele matematyczne dotyczące takich reaktorów - patrz np. publikacja [Boreskov, G. K. i in., 1982-Catalytic processes under non-steady-state conditions; I. Switching the direction for the feed of the reaction mixture to the catalytic bed. Experimental Results, Experimental Results. Kinet. Catal, 23] lub [Gosiewski, K., 1993-Dynamic modelling of industrial SO2 oxidation reactors Part II. Model of a reverse-flow reactor, Chem. Eng. Process., 32] - dotyczyły urządzeń do utleniania SO2. Z amerykańskiego opisu patentowego US 4,478,808 znany jest sposób wytwarzania trójtlenku siarki poprzez utlenianie dwutlenku siarki w reaktorze ze stacjonarnym złożem katalizatora, które to złoże wykorzystane jest również jako regeneracyjny wymiennik ciepła.

Dość szybko reaktory te znalazły inne zastosowania, w tym przede wszystkim w spalaniu lotnych zanieczyszczeń gazowych, zwłaszcza lotnych substancji organicznych, co znane jest z polskiego opisu

PL 228 661 B1 patentowego nr PL 156 779 lub zostało opisane w publikacji [Matros, Y. S.,Bunimovich, G. A., 1995Control of Volatile Organic Compounds by the Catalytic Reverse Process, Ind. Eng. Chem. Res., 34],

W latach 1980-2000 zarówno publikacje, jak i zastosowania reaktorów rewersyjnych dotyczyły prawie wyłącznie reaktorów z katalizatorami, znanymi na przykład w amerykańskich opisów patentowych US 5,366,708 i US 5,874,053, a także z polskich opisów patentowych nr PL 165208 oraz PL 175716,

Polski opis patentowy nr PL 165208 ujawnia konstrukcje katalitycznego reaktora rewersyjnego do oczyszczania gazów, zwłaszcza przemysłowych gazów odlotowych, na drodze przepuszczania gazów w cyklicznie zmiennych kierunkach przez warstwy katalizatorów umieszczonych pomiędzy warstwami wypełnienia ceramicznego, który składa się z dwóch korpusów o cylindrycznym kształcie, połączonych ze sobą w górne części przewodem. Wewnątrz wspomnianych korpusów osadzone są na płycie współśrodkowe cylindry perforowane o różnych średnicach, nakładane na siebie tak, że tworzą pierścieniowe, koncentryczne przestrzenie, z których jedna jest wypełniona sypkim katalizatorem, a druga jest wypełniona rekuperacyjnym, sypkim wypełnieniem ceramicznym.

Z kolei polski opis patentowy nr PL 175716 ujawnia katalityczny reaktor rewersyjny, wyposażony w umieszczone w jednej lub oddzielnych obudowach komory katalityczno-rekuperacyjne, zawierające warstwy wypełnienia akumulującego ciepło i przynależne do tych warstw złoża katalizatora, rozdzielone pustą przestrzenią oraz zaopatrzony w rewersyjny zawór gazu, połączony z komorami katalityczno-rekuperacyjnymi i emitorem nieprzereagowanego gazu, którym przestrzeń między złożami katalizatora jest połączona poprzez wentylator z wlotem rewersyjnego zaworu, przy czym wentylator szeregowo lub równolegle sprzęgnięty jest z emitorem nieprzereagowanego gazu i przyłączony do wlotu rewersyjnego zaworu stroną tłoczną.

W innych tytułach, opisach i zastrzeżeniach wielu patentów często nie jest wyraźnie zaznaczone, że rozwiązania dotyczą wyłącznie rozwiązań katalitycznych, to jednak aplikacje reaktorów rewersyjnych z tego okresu były najczęściej rozwiązaniami z zastosowaniem katalizatorów, mimo że rewersyjne rozwiązania regeneracyjne, w których występowała niekatalityczna reakcja chemiczna w istocie były historycznie starsze. W końcu XX w. zauważa się, zarówno powrót do rozwiązań zawierających również niekatalityczne utlenianie termiczne, co często zaznaczane bywa wyraźnie już w samym tytule patentów.

Amerykański opis patentowy US 5,620,668 ujawnia konstrukcję cieplnego, regeneracyjnego urządzenia utleniającego do oczyszczania gazu oraz sposób spalania zanieczyszczonego gazu. W urządzeniu tym gaz przechodzi początkowo przez gorące złoże wymiennika ciepła do wysokotemperaturowej komory oksydacyjnej (komory spalania), a następnie kierowany jest do drugiego, zimnego złoża wymiennika ciepła. Aparat zawiera wewnętrznie izolowane, wypełnione materiałem ceramicznym kolumny odzysku ciepła zwieńczone od góry wewnętrznie izolowaną komorą spalania.

Z kolei z amerykańskiego opisu patentowego US 5,837,205 znany jest układ bocznikowy i sposób wykorzystujący cieplne, regeneracyjne urządzenie utleniające, w którym zanieczyszczony gaz przechodzi najpierw przez gorące złoże wymiennika ciepła do wysokotemperaturowej komory utleniającej, a następnie przez złoże względnie chłodnego wymiennika ciepła. Urządzenie również zawiera wewnętrznie izolowane, wypełnione materiałem ceramicznym kolumny odzysku ciepła zwieńczone od góry wewnętrznie izolowaną komorą utleniania.

Spalanie termiczne (ang, Thermal Combustion) jest szczególnie uzasadnione wówczas, kiedy w procesie wyzwalają się znaczne ilości ciepła a także, kiedy korzystna może być opcja odzysku i utylizacji ciepła reakcji.

Problem olbrzymich ilości metanu emitowanego w niskostężonej mieszaninie jako powietrze wentylacyjne kopalń węgla kamiennego (tzw. VAM od ang. Ventilation Air Methane) był znany w górnictwie od dawna, jednak dopiero w ostatnim 10-leciu XX w. zaczęto poważnie zastanawiać się nad metodami utylizacji traconego w ten sposób paliwa. Przegląd metod służących do tego celu znaleźć można w lit. [Su, S. i in., 2005-An assessment of mine methane mitigation and utilization Technologies, Progress in Energy and Combustion Science, 31]. Wśród nich, jako obiecujące wymieniane są metody spalania rewersyjnego, zarówno katalityczne (oznaczany jako: CFRR od ang, Catalytic Flow Reversal Reactors) oraz termiczne (oznaczany jako: TFRR od ang, Thermal Flow Reversal Reactors), Prace nad spalaniem katalitycznym VAM w CFRR mają długą historię (ponad 15 lat). W pracy [Slepterev, A. A. i in., 2007-Ho-mogeneous high-temperature oxidation of methane, React. Kinet. Catal. Lett., 91 (No 2)] wspomina się o badaniach prowadzonych w Instytucie Katalizy w Nowosybirsku już w latach 80-tych. Najszerzej zakrojone badania nad użyciem CFRR do tego celu, w tym również półtech4

PL 228 661 B1 niczne, prowadzi od wielu lat kanadyjski ośrodek badawczy CANMET przy współpracy z Uniwersytetem Alberta [Salomons, S. i in., 2003-Flow reversal reactor for the catalytic combustion of lean methane mixtures, Catalysis Today, 83], Wszystkie prace nad zastosowaniem CFRR do spalania VAM nigdy jednak nie wyszły poza skalę niewielkich instalacji o przepustowości kilkudziesięciu Nm ³/h, najczęściej z katalizatorami zawierającymi metale szlachetne: Pt-Pd [Salomons, S. i in., 2003-Flow reversal reactor for the catalytic combustion of lean methane mixtures, Catalysis Today, 83] lub Pd jak np, w projekcie europejskim, w którym uczestniczył również Instytut Inżynierii Chemicznej PAN [2003-European Union Project (Contract No. ICA2 -CT-2000-10035): Recovery of methane from vent gases of coal mines and its efficient utilization as a high temperature heat source - Final Report]. Próby zastosowania tańszych katalizatorów tlenkowych np. Cu-Cr patrz lit. [Gosiewski, K. i in., 2001-Kinetyka katalitycznego spalania metanu w małym stężeniu, Inżynieria Chemiczna i Procesowa 22], badanych w projekcie [2001-2003-Projekt badawczy KBN nr 3 TO9C 042 18: Katalityczne usuwanie metanu z górniczych gazów wentylacyjnych w reaktorach niestacjonarnych ze wstępnym wzbogacaniem mieszaniny gazowej metodą adsorpcji zmiennociśnieniowej] wykazały, że mają one zbyt niską odporność termiczną, by mogły być zastosowane w spalaniu VAM. Jak wykazały eksperymenty wykonywane we wspomnianym projekcie [2003-European Union Project (Contract No. ICA2-CT-2000-10035): Recovery of methane from vent gases of coal mines and its efficient utilization as a high temperature heat source - Final Report], a także symulacje matematyczne lit. [Gosiewski, K. i in., 2008-Homogeneous vs, catalytic combustion of lean methaneair mixtures in reverse-flow reactors, Chem. Eng. Sci., 63] może zdarzać się, że maksymalna temperatura osiągana przy zastosowaniu katalizatora Pd w CFRR przy spalaniu VAM przekracza 800°C, zaś dla katalizatora MnO2 nawet 900°C. W wyniku stwierdzenia, że pomimo wieloletnich badań CFRR do spalania VAM rozwiązanie katalityczne nie rokuje rychłego zastosowania w praktyce, podjęto również próby spalania niekatalitycznego (termicznego) w reaktorach TFRR, zwłaszcza, że takie rozwiązanie jest obok CFRR od dawna znane i z powodzeniem stosowane w spalaniu lotnych związków organicznych, na przykład w spalarkach rewersyjnych Vocsidizer produkowanych przez firmę Megtec USA. Rozwiązania TFRR chronione są patentami, z których wymienić można wspomniany powyżej amerykański opis patentowy US 5,837,205, a także US 5,997,277.

Amerykański opis patentowy US 5,997,277 ujawnia sposób i urządzenie do odzyskiwania energii z medium zawierającego palne substancje w niskich stężeniach. Metoda obejmuje ogrzanie medium w urządzeniu rewersyjnym, w którym zachodzi spalanie w strefie gorącej, dom temperatury spalania, w której zachodzi zasadniczo zamiana całej energii chemicznej paliwa w energię cieplną. Ogrzane medium jest następnie wykorzystywane do produkcji pożądanej postaci energii. W opisie tym problem spalania VAM użyty został jako przykład zastosowania wynalazku, co sugeruje, że patent jest szczególnie dedykowany do tego właśnie zastosowania.

Badania spalania metanu w demonstracyjnej instalacji TFRR, prowadzone w IlCh PAN dla stężeń podobnych do występujących w VAM (patrz lit. [Gosiewski, K. i in., Utylizacja metanu z powietrza wentylacyjnego kopalń węgla kamiennego w termicznym reaktorze rewersyjnym, Inżynieria i Aparatura Chemiczna Nr 3/2010]) wskazują, że z powietrza emitowanego przez pojedynczy szyb wentylacyjny odzyskiwać można od 6 do ponad 25 MW, mocy cieplnej.

W publikacji [Gosiewski, K., 2005-Efficiency of heat recovery versus maximum catalyst temperature in the reverse-flow combustion of methane, Chemical Engineering Journal, 107] wykazano, że sprawność odzysku ciepła rośnie wraz ze wzrostem maksymalnej temperatury w reaktorze rewersyjnym. Stąd też urządzenia TFRR pracujące w wyższych temperaturach pozwalają odzyskiwać więcej energii niż wykorzystujące katalizatory urządzenia CFRR, w których panują temperatury o ok. 200°C niższe. W reaktorach rewersyjnych zwykle stosuje się 2 sposoby odbioru ciepła z urządzenia nazwane wg lit. [Nieken, U. i in., 1994-Control of the ignited steady state in autothermal fixed-bed reactor for catalytic combustion, Chem Eng. Sci., 49] chłodzeniem centralnym (ang. central cooling), jeśli aparat odbioru ciepła usytuowany jest wewnątrz reaktora, zwykle w połowie jego wypełnienia, lub z odbiorem części gorącego gazu (ang. hot gas withdrawal), jeśli ze środkowego odcinka wypełnienia reaktora wyprowadza się część gorącego gazu na zewnątrz, kierując go do urządzenia odbioru ciepła (np. kotła parowego), po czym schłodzony gaz wypuszcza się kominem do atmosfery.

W lit. [Rehacek, J. i in., 1992-Modelling of a tubular catalytic reactor with flow reversal, Chemical Engineering Science, 47] stwierdzono możliwość powstawania asymetrii w profilach temperatur wzdłuż reaktora rewersyjnego, natomiast w pracy [Gosiewski, K., Warmuzinski, K., 2007-Effect of the mode of heat withdrawal on the asymmetry of temperature profiles in reverse-flow reactors. Catalytic

PL 228 661 B1 combustion of methane as a test case, Chemical Engineering Science, 62] wykazano, że system z upustem gorącego gazu jest korzystniejszy nie tylko konstrukcyjnie, lecz także jest mniej wrażliwy na powstawanie takich asymetrii temperatur podczas pracy urządzenia. Badania eksperymentalne na instalacji doświadczalnej [Gosiewski K. i in., 2010-Proj. Bad. Rozwoj. Nr R14 020 02: Termiczne spalanie metanu z górniczych gazów wentylacyjnych w urządzeniu rewersyjnym z regeneracją i odzyskiem ciepła spalania] wykazały, że nawet przy odzysku ciepła z odbiorem części gorącego gazu, zwłaszcza przy niższych stężeniach metanu, gdy reaktor pracuje w obszarze niebezpiecznym z punktu widzenia zachowania autotermii, nadal istnieje możliwość pojawiania się asymetrii profili temperatur wzdłuż wypełnienia sekcji spalania TFRR. Rozkład temperatur w jednej połowie wypełnienia (sekcji) zaczyna być inny niż w drugiej, czego konsekwencją (z wysokim prawdopodobieństwem) może być zanik spalania, często w całej połowie wypełnienia reaktora. Wystąpienie takiej sytuacji jest bardzo niekorzystne z dwóch powodów: co drugi pół-cykl rewersji temperatura gazów wprowadzanych do aparatu odbioru ciepła jest o wiele niższa od temperatury wprowadzanej podczas poprzedniego półcyklu, a ponadto, kiedy stosuje się pracę z upustem części gorącego strumienia, co drugi pół-cykl w strumieniu upuszczanym znajdują się nieprzereagowane substraty, które nie wracają już do reaktora, gdyż wypuszczane są do atmosfery. Aparat do odbioru ciepła (np. kocioł parowy) nie powinien pracować przy silnych wahaniach temperatury na wlocie, zaś wypuszczanie znacznej części niespalonego metanu do atmosfery skutkuje stratą cennego paliwa, co także jest niekorzystne ekologicznie. W takiej sytuacji jakikolwiek odbiór ciepła jest bardzo niewydolny. Co drugi pół-cykl (np. nieparzysty) odbierana jest znaczna moc cieplna, zaś co drugi (np. parzysty) odbiór może być praktycznie zerowy.

Innym znanym problemem występującym w reaktorach rewersyjnych są krótkotrwałe wydmuchy nieprzereagowanego palnego substratu po każdorazowej rewersji, powodowane kierowaniem do komina przez krótki okres czasu, bezpośrednio po zmianie kierunku przepływu pewnej ilości niespalonej mieszanki, która znajdowała się w wolnych chłodnych przestrzeniach wypełnienia, a także była zaadsorbowana na powierzchni i w porach tego wypełnienia, zwłaszcza, jeśli jest ono silnie porowate. Istnieją różne rozwiązania, których celem jest ograniczenie, czy nawet zlikwidowanie tego zjawiska. Konstrukcje reaktorów rewersyjnych znane z amerykańskich opisów patentowych US 3,870,474 i US 5,620,668 ujawniają trójkomorowy schemat reaktora, w którym stosuje się specjalny system przełączeń przepływu, i powodujący, że komora pracująca przed rewersją na wlocie oczyszczanego gazu nie jest po rewersji natychmiast przełączana jako wylotowa, lecz na jeden pół-cykl przełączana jest do podciśnieniowego odgazowania wypełnienia ze znajdującego się w jego wolnych przestrzeniach i zaadsorbowanego na powierzchni składnika zanieczyszczającego, który jest zawracany na wlot reaktora, i dopiero w następnym pół-cyklu przełączana jest jako wylotowa. W ten sposób system rewersji przepływu staje się trójfazowy, z fazą oczyszczającą wypełnienie pomiędzy kolejnymi pół-cyklami rewersji. Rozwiązanie takie stanowi dość radykalne zabezpieczenie przed wydmuchami nieprzereagowanego substratu, jednak za cenę znacznego skomplikowania układu i jego sterowania. Rozwiązania takie oferowane handlowo np. przez międzynarodową korporację Haden Drysys Environmental Ltd są jednak znacznie bardziej skomplikowane niż zwykły dwusekcyjny reaktor rewersyjny i można się spodziewać, że ich stosowanie jest uzasadnione tylko w przypadkach usuwania wyjątkowo toksycznych zanieczyszczeń i w stosunkowo niewielkich instalacjach. Inne sposoby eliminacji wydmuchów nieprzereagowanego substratu zawarto w amerykańskim opisie patentowym US 5,366,708, według którego w etapie przejściowym całkowitej zmiany kierunku przepływu gazu przez reaktor gaz zasilający wprowadza się do strefy centralnej reaktora i poddaje reakcji w strefie wymiany ciepła i prowadzenia reakcji, która była grzana tuż przed etapem przejściowym. Rozwiązanie to wym aga dość skomplikowanej budowy reaktora. Stosunkowo prosty sposób eliminacji wydmuchów ujawniony we wspomnianym powyżej polskim opisie patentowym PL 175716 jest natomiast tylko częściowo skuteczny. Na podstawie prostych obliczeń można wykazać, że ilość paliwa wydmuchiwana z wolnych przestrzeni wypełnienia oraz pod nim ma niewielki wpływ na pogorszenie średniej konwersji paliwa w czasie ustabilizowanej pracy urządzenia. Znacznie większy udział może mieć desorpcja paliwa zaadsorbowanego w porach wypełnienia. Zastosowanie wypełnienia o małej porowatości znacznie zmniejsza to niekorzystne zjawisko, bez konieczności komplikowania schematu obiegu gazów w systemie, bądź komplikowania budowy samego aparatu rewersyjnego.

Aplikacje reaktorów rewersyjnych w ochronie środowiska często pracują przy silnie zmiennych natężeniach przepływu i stężeniach gazów. Powoduje to, że odbiór ciepła, powstającego podczas spalania metanu zawartego w powietrzu wentylacyjnym pobieranym z szybu kopalnianego wahałby się pomiędzy praktycznie zerowym odbiorem ciepła, a odbiorem nawet do kilkudziesięciu MWt. Żaden

PL 228 661 B1 lokalny odbiorca ciepła nie zaakceptuje tak nierównomiernej dostawy energii, zaś oddawanie jej po przetworzeniu, jako energii elektrycznej do systemu, też napotykać może na sprzeciwy dystrybucji energii elektrycznej. Z tego względu stabilizacja zarówno pracy samego urządzenia, jak i ilości utylizowanej energii jest tutaj ważnym postulatem zwiększającym użyteczność odzysku energii z takich reaktorów.

Celem rozwiązań według wynalazku było opracowanie sposobu utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej oraz opracowanie konstrukcji urządzenia rewersyjnego do realizacji tego sposobu, zwłaszcza do spalania mieszanek metanpowietrze o stężeniach CH4 występujących w powietrzu wentylacyjnym kopalń węgla kamiennego (VAM) w termicznym rewersyjnym urządzeniu z regeneracją ciepła. Sposób i urządzenie wg wynalazku winny zapewniać utylizację ciepła spalania w aparacie odbioru ciepła, w warunkach pracy urządzenia zapewniających wysoką sprawność (konwersję) spalania oraz wystarczającą symetrię profili temperatur wzdłuż wypełnienia urządzenia a także stabilność odbioru energii, polegającą na tym, że strumień energii dostarczanej odbiorcom będzie w przybliżeniu stały w czasie pracy urządzenia. Oznacza to, że strumień energii odbieranej w aparacie odbioru ciepła, zwłaszcza kotle parowym z urządzenia będącego przedmiotem wynalazku, w warunkach silnie zmiennej ilości czynnika palnego podawanego do reaktora, czyli wahaniach jego przepływu i stężenia składnika palnego byłby w przybliżeniu stały. Do takiej stabilizacji niezbędne może być okresowe lub stałe dostarczanie dodatkowego paliwa w sytuacjach, kiedy w strumieniu niskostężonej mieszanki paliwo-powietrze wprowadzanej do urządzenia będącego przedmiotem wynalazku stężenie czynnika palnego jest zbyt małe, by spełnić ilościowe wymagania odbiorcy energii. W przypadku spalania VAM takim dodatkowym paliwem może być wyżej stężony metan pochodzący z odmetanowania złóż węgla kamiennego. Dodatkowo sposób i urządzenie wg wynalazku powinny zapewnić odpowiednie zabezpieczenia przed powstaniem sytuacji awaryjnej grożącej wybuchem mieszanki lub zniszczeniem urządzeń.

Sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej, będący przedmiotem wynalazku, obejmuje reakcję spalania oraz proces regeneracji ciepła w urządzeniu rewersyjnym pomiędzy produktami spalania a mieszanką wejściową, przy czym reakcję spalania prowadzi się przepuszczając wejściową niskostężoną mieszankę składnika palnego i powietrza przez wypełnienie strukturalne sekcji spalania urządzenia rewersyjnego z bloków monolitycznych wykonanych z mało porowatego materiału akumulującego ciepło, o powierzchni właściwej mniejszej niż 30 m²/g, a korzystnie poniżej 1 m²/g, posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, z równoczesną wymianą ciepła pomiędzy mieszanką wylotową zawierającą produkty spalania, a mieszanką wejściową zawierającą składnik palny i powietrze, a ilość energii oddawanej w aparacie odbioru ciepła stabilizowana jest poprzez: dozowanie do urządzenia rewersyjnego dodatkowego paliwa, natomiast stabilny odzysk ciepła i symetryczny profil temperatury utrzymuje się przez wybieranie momentu rewersji przepływu w urządzeniu rewersyjnym w zależności od wartości różnic temperatur (Ti, Tii) w sekcjach spalania (I i II) tak, aby czas pół-cyklu różnił się w zależności od kierunku przepływu w każdym pół-cyklu oraz przez dobieranie wielkości natężenia przepływu gorącej mieszanki wylotowej do aparatu odbioru ciepła.

Jeśli odbiór ciepła realizowany jest przez upust gorącego gazu do aparatu odbioru ciepła, to urządzenie będące przedmiotem wynalazku winno zapewnić odpowiednio wysoką konwersję spalania (tzn. wyrażony w % stopień spalania określający procentowo, jaka część ilości metanu podawanego na wejściu ulega spaleniu) nie tylko na wylocie z urządzenia, lecz także w punkcie, w którym dokonuje się upustu gazów do aparatu odbioru ciepła, po którym upuszczana część gazu nie wraca już do urządzenia rewersyjnego, w którym mogłoby nastąpić dopalenie niespalonych składników palnych, gdyż po aparacie odbioru ciepła składniki te byłyby wypuszczane do atmosfery. Ten cel realizowany jest w sposobie według wynalazku przez odpowiednie prowadzenie procesu, polegające na tym, że dla danego natężenia przepływu mieszanki paliwowej przez urządzenie rewersyjne, czas pół-cyklu rewersji dobiera się tak, aby co najmniej 70%, a korzystnie nawet 95% podawanych na wlocie składników palnych zostało spalone zanim gaz dopłynie do końca wlotowej sekcji spalania. Skutkuje to tym, że udział niespalonych składników palnych po aparacie odbioru ciepła nie przekracza 30%, a korzystnie nawet 5% udziału w gazie podawanym na wlocie urządzenia rewersyjnego. Jest to istotne w urządzeniu, zwłaszcza w sytuacjach, kiedy mogłaby pojawiać się wyraźna asymetria profili temperatur wzdłuż wypełnienia reaktora.

Dodatkowym celem, jest zapewnienie wysokiej średniej konwersji spalania poprzez zmniejszenie ilości nieprzereagowanego składnika, pojawiającego się w krótkotrwałych wydmuchach na wylocie

PL 228 661 B1 reaktora po każdorazowej rewersji bez komplikowania schematu obiegu gazów w instalacji zawierającej urządzenie, przez ograniczenie pojemności sorpcyjnej wypełnienia, którego głównym celem jest akumulacja ciepła, a nie masy. Według wynalazku można to uzyskać przez zastosowanie wypełnienia o małej powierzchni właściwej, a co za tym idzie o małej pojemności sorpcyjnej składników palnych spalanych w takich reaktorach.

Miarą tej pojemności jest tzw. powierzchnia właściwa wyrażona, jako wielkość powierzchni substancji (ciała stałego) przypadającej na jego ilość np. w m²/g. Jest to wartość, którą można uzyskać od producenta wypełnienia, bądź określić metodą niskotemperaturowej adsorpcji azotu według normy ISO 9277:2010 Determination of the specific Surface area of solids by gas adsorption (BET method) [Brunnauer S., Emmet P.H., Teller E. Adsorption of gases in multimolecular layers, J. Am. Chem. Soc., 1938, 60 (2), strony 309-319]. Dla rozwiązań wg wynalazku wartość ta powinna być mniejsza niż 30 m²/g, a korzystnie mniejsza niż 1 m²/g.

Istota sposobu utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej, polega na spalaniu, z regeneracją ciepła, tych mieszanek w urządzeniu rewersyjnym, posiadającym przynajmniej jedną parę sekcji spalania, z których każda zawiera wypełnienie strukturalne z bloków monolitycznych posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, wyposażonym w urządzenia rozruchowe, czujniki temperatury i składu oraz elementy urządzenia sterującego, zasilanym niskostężoną mieszanką zawierającą składnik palny i połączonym rurociągiem z aparatem odbioru ciepła, przy czym ilość energii oddawanej w aparacie odbioru ciepła stabilizowana jest poprzez dozowanie do urządzenia rewersyjnego dodatkowego paliwa, wybieranie momentu rewersji przepływu, a także dobór wielkości natężenia przepływu gorącego gazu, podawanego rurociągiem do aparatu odbioru ciepła. Dodatkowe paliwo w postaci wysokostężonej mieszanki paliwowej wprowadza się w formie domieszki do strumienia niskostężonej mieszanki zawierającej składnik palny, podawanej do urządzenia rewersyjnego lub urządzenia rozruchowego.

Pod pojęciem wysokostężonej mieszanki paliwowej rozumie się mieszankę o stężeniu czynnika palnego znacznie wyższym niż stężenie mieszanki niskostężonej utylizowanej w urządzeniu, korzystnie o stężeniu powyżej 30% obj., natomiast pod pojęciem niskostężonej mieszanki paliwowej rozumie się stężenie zwykle poniżej 1% obj.

Natężenie przepływu wysokostężonej mieszanki paliwowej reguluje się ręcznie lub automatycznie zaworem zależnie od wartości sygnału zawierającego informację o aktualnym strumieniu ciepła oddawanym w aparacie odbioru ciepła.

Natężenie przepływu mieszanki paliwowej przez urządzenie rewersyjne oraz czas pół-cyklu rewersji dobiera się tak, aby na końcu wypełnienia wlotowej sekcji spalania w każdym pół-cyklu, w stabilnym okresie pracy urządzenia, konwersja składników palnych była nie mniejsza niż 70%, a korzystnie powyżej 95%, oraz aby w wypełnieniu wylotowej sekcji spalania ulegało spalaniu nie więcej niż 30%, a korzystnie mniej niż 5% składników palnych, zaś stężenie tlenku węgla w upuście gorącego gazu było śladowe, korzystnie poniżej 5 ppm.

W sposobie według wynalazku płyn przepływający pomiędzy sekcjami spalania (I i II) urządzenia rewersyjnego jest korzystnie rozdzielany tak, że z przestrzeni między sekcjami spalania urządzenia rewersyjnego do aparatu odbierającego ciepło, wypływa nie więcej niż 50% płynu, zaś pozostałość wpływa do następnej sekcji spalania. Jeśli przepływ odbywa się tak, że medium wpływa najpierw do Sekcji I, a następnie do Sekcji II, to Sekcję I nazwiemy sekcją wlotową, a Sekcję II - sekcją wylotową. Przy kierunku odwrotnym Sekcja II będzie nazwana sekcją wlotową a Sekcja I - sekcją wylotową.

Dla stabilizacji odbioru energii korzystne jest, gdy długość trwania pół-cykli dobiera się tak, aby mierzone dowolnym urządzeniem pomiarowym (np. przy pomocy termopar) wahania temperatury w przewodzie podającym gaz do aparatu odbioru ciepła mieściły się w granicach 750 do 1100°C. Zakres taki pozwala produkować wysoko wartościowy nośnik energii, bez obawy nadmiernej generacji tlenków azotu.

W celu uzyskania stabilnego odzysku energii, z zachowaniem symetrii profili temperatur w obu sekcjach urządzenia, sposób według wynalazku prowadzi się w urządzeniu rewersyjnym wyposażonym w symetrycznie umieszczone czujniki temperatur Ti i Tii, a wybór momentu zmiany kierunku przepływu realizuje się tak, że przełączenie kierunku przepływu przez urządzenie rewersyjne odbywa się w stałym pół-cyklu przełączeń, w równoodległych momentach czasowych tylko wtedy, gdy bezwzględna wartość różnicy pomiędzy temperaturą mierzoną w sekcji spalania II w wybranej odległości od wylotu z tej sekcji, a temperaturą mierzoną w tej samej odległości od wlotu do sekcji spalania I |Tii - Ti| nie przekracza ani nie osiąga zadanej dodatniej wartości ATzad,i, lub,

PL 228 661 B1

- gdy sekcja spalania I jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia w momencie, kiedy różnica temperatur (Tii - Ti) pomiędzy wybraną temperaturą w sekcji spalania II i wybraną temperaturą w sekcji spalania I osiąga zadaną wartość dodatnią ATzad.i, natomiast,

- gdy sekcja spalania II jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia kierunku przepływu w momencie kiedy różnica temperatur (Ti - Tii) osiąga zadaną wartość dodatnią ATzad.i.

W celu zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem temperatury na wylocie z urządzenia według wynalazku stosuje się następujący sposób przełączania kierunku przepływu:

- gdy sekcja spalania I jest sekcją wlotową przełączenia kierunku przepływu dokonuje się w momencie, gdy wybrana temperatura Tii w sekcji spalania II osiąga zadaną przez operatora procesu wartość dodatnią Tzad, lub gdy sekcja spalania II jest sekcją wlotową przełączenia kierunku przepływu dokonuje się w momencie, gdy temperatura Ti osiąga zadaną wartość dodatnią Tzad.

W przypadku, gdy z jakiegokolwiek powodu pojawia się znaczna asymetria profili temperatur wypełnień obu sekcji spalania, której wskaźnikiem jest przekroczenie przez bezwzględną wartość różnicy temperatur |Tii - Ti| zadanej dodatniej wartości ATzad,2, gdzie ATzad,2 > ATzad.i, korzystnie wydłuża się czas pół-cyklu, w którym płyn z sekcji spalania o średnio wyższych temperaturach wpływa do sekcji spalania o średnio niższych temperaturach, natomiast skraca się czas pół-cyklu, w którym płyn wypływający z sekcji spalania o średnio niższych temperaturach wpływa do sekcji spalania o średnio wyższych temperaturach.

W przypadku jednak, gdy czas trwania bieżącego pół-cyklu tc przekracza dopuszczalną wartość tc,max tzn. (tc > tc,max) zmiany kierunku przepływu dokonuje się niezależnie od wartości temperatur Ti i Tii oraz wartości ich bezwzględnej różnicy, sygnalizując alarmem sytuację nietypową. Stanowi to zabezpieczenie przed powstaniem sytuacji grożącej awarią urządzenia.

W sposobie według wynalazku regulację czasu trwania kolejnych pół-cykli w urządzeniu rewersyjnym prowadzić można zdalnie ręcznie, zgodnie z decyzjami operatora procesu, bądź automatycznie.

Sposób według wynalazku realizować można w urządzeniu rewersyjnym. Urządzenie rewersyjne według wynalazku posiada żaroodporny korpus z zewnętrzną izolacją cieplną, mieszczący przynajmniej jedną parę sekcji spalania, połączonych rurociągiem z aparatem odbioru ciepła, z których każda zawiera wypełnienie strukturalne osadzone na podsypce ceramicznej, zbudowane z bloków monolitycznych wykonanych z mało porowatego materiału akumulującego ciepło o powierzchni właściwej mniejszej niż 30 m²/g, a korzystnie poniżej 1 m²/g, posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, oraz wyposażone jest w przynajmniej jedno urządzenie rozruchowe, czujniki temperatury i czujniki składu mieszanki i elementy urządzenia sterującego, zawór rewersyjny oraz przewód wlotowy doprowadzający niskostężoną mieszankę zawierającą składnik palny, przy czym w sekcjach spalania ma umieszczone symetrycznie czujniki temperatury i posiada dodatkowe doprowadzenie wysokostężonej mieszanki palnej przyłączone do układu doprowadzenia niskostężonej mieszanki zawierającej składnik palny lub do urządzenia rozruchowego.

W celu sterowania ilością ciepła oddawanego w aparacie odbioru ciepła urządzenie według wynalazku posiada przepustnicę, umieszczoną korzystnie na wylocie gazów z aparatu odbioru ciepła.

Ze względów bezpieczeństwa urządzenie według wynalazku jest wyposażone w analizator i/lub czujnik składu mieszanki oraz organ sygnalizujący alarmem przekroczenie progu bezpieczeństwa ze względu na wybuchowość mieszanki i odcinający dopływ paliwa do mieszalnika.

Dla minimalizacji wydmuchów paliwa po każdorazowej rewersji korzystne jest, gdy sekcje spalania urządzenia według wynalazku wypełnione są mało porowatym materiałem akumulującym ciepło o powierzchni właściwej mniejszej niż 30 m²/g, a korzystnie poniżej 1 m²/g.

Urządzenie rewersyjne według wynalazku przedstawione jest w przykładach wykonania na załączonym rysunku, którego:

Fig. 1 pokazuje urządzenie rewersyjne z dwoma sekcjami spalania rozlokowanymi poziomo obok siebie i z zastosowaniem wstępnego rozgrzewania wypełnienia przy pomocy grzejników, zaś Fig. 2 ukazuje rozwiązanie urządzenie rewersyjne, w którym obie sekcje rozmieszczone są w układzie pionowym z rozgrzewaniem przy pomocy palnika gazowego, Fig. 3 przedstawia schemat przykładowej instalacji zawierającej urządzenie rewersyjne będące przedmiotem wynalazku, a Fig. 4 - profile temperatury wzdłuż wypełnienia.

Urządzenie według wynalazku posiada żaroodporny korpus z zewnętrzną izolacją cieplną, w którego wnętrzu znajdują się dwie sekcje spalania I, II, wypełnione ceramicznymi blokami monolitycznymi-1,2, usytuowanymi na ziarnistej podsypce z podsypek ceramicznych 3, 4 stanowiących zabezpieczenie równomiernego rozpływu gazu w urządzeniu. Ściany urządzenia rewersyjnego są wyPL 228 661 B1 murowane wymurówką żaroodporną 5, a na zewnątrz izolowane cieplnie warstwą izolacji termicznej 6. Celem zapoczątkowania spalania czynnika palnego obie sekcje I, II wypełnienia są wstępnie rozgrzewane urządzeniem grzewczym rozruchowym 7 np.: grzejnikami rozruchowymi, które są wyłączane w momencie, kiedy temperatura wypełnienia osiągnie temperaturę umożliwiającą zapłon mieszanki zawierającej składnik palny. Jako grzejniki rozruchowe można stosować grzałki elektryczne, bądź alternatywnie, zamiast grzejników elektrycznych mogą być zastosowane palniki gazowe lub olejowe. Grzejniki w postaci palników mogą być również wykorzystywane w sytuacjach, kiedy zawartość czynnika palnego w strumieniu podawanym do urządzenia jest zbyt niska, by spełnić wymagania odbiorcy utylizowanej energii, bądź, gdy wskutek silnego spadku stężenia czynnika palnego w strumieniu zasilającym grozi wygaszenie urządzenia wg wynalazku.

Urządzenie pracuje przy okresowo zmienianym kierunku przepływu. Jeśli przepływ odbywa się tak, że medium wpływa najpierw do Sekcji I, a następnie do Sekcji II, to Sekcję I nazwiemy sekcją wlotową, a Sekcję II - sekcją wylotową. Przy kierunku odwrotnym (najpierw Sekcja II a następnie Sekcja I) Sekcja II będzie nazwana sekcją wlotową a Sekcja I - sekcją wylotową.

W urządzeniu rewersyjnym pokazanym na Fig. 1 mieszanka zawierająca składnik palny podawana jest do urządzenia z lewej komory zaworu rewersyjnego 11 przez króciec wlotowo-wylotowy 8, jeśli trzpień zaworów rewersyjnych 13 znajduje się w skrajnym lewym położeniu i wówczas główny wylot mieszanki stanowi króciec wlotowo-wylotowy 9, natomiast mieszanka wypływa poprzez prawą komorę zaworu 12. Po pewnym czasie, nazywanym pół-cyklem rewersji, trzpień zaworów 13 przestawia się w przeciwne położenie i mieszanka wpływa przez lewą komorę zaworu 12 i wpływa do urządzenia przez króciec wlotowo-wylotowy 9 i wówczas główny wylot stanowi króciec wlotowo-wylotowy 8 i lewa komora zaworu 11 .

Odmianę urządzenia stanowi konstrukcja pokazana na Fig. 2. W rozwiązaniu pokazanym na Fig. 2 mieszanka zawierająca składnik palny podawana jest do urządzenia przez króciec wlotowowylotowy 8, jeśli otwarte są komory zaworów 11 i 12 a zamknięte komory zaworów 13 i 14. Wówczas Sekcja I (blok monolityczny 1 i podsypka ceramiczna 3) jest sekcją wlotową, a Sekcja II (blok monolityczny 2 i podsypka ceramiczna 4) sekcją wylotową. W przeciwnym pół-cyklu rewersji mieszanina podawana jest przez króciec 9, gdyż otwarte są komory zaworów 13 i 14 a zamknięte komory zaworów 11 i 12 i wtedy Sekcja II jest sekcją wlotową, a Sekcja I wylotową.

W obu odmianach konstrukcji urządzenia rewersyjnego, pokazanych na rysunku Fig. 1 i Fig. 2, dla przypadku pracy z odzyskiem ciepła, w obu pół-cyklach rewersji część mieszanki opuszcza urządzenie przewodem upustowym 10 i ta część kierowana jest do aparatu odbioru ciepła 22, którym może być kocioł parowy.

Na schemacie instalacji zwierającej urządzenie wg wynalazku pokazanym na rysunku Fig. 3 powietrze zawierające niskostężoną mieszankę paliwową podawane jest przewodem wlotowym 15, do którego przez zawór dodatkowego paliwa 16 i przewód dodatkowego paliwa 17 może być dozowany dodatkowy, wysokostężony, czynnik palny. Po zmieszaniu wentylator 19 tłoczy mieszankę przez przewód wlotowy 21 do komór zaworów rewersyjnych 11 lub 12 w zależności od aktualnego pół-cyklu rewersji. Część gorącego gazu pobierana pomiędzy sekcjami (I i II) kierowana jest do aparatu odbioru ciepła 22, zwykle kotła parowego, w którym ulega schłodzeniu, najczęściej do ok. 200°C i kierowana jest do atmosfery przez komin 23. Pozostała część gazu przepływa przez następną sekcję urządzenia i w zależności od aktualnego pół-cyklu rewersji poprzez komory zaworów rewersyjnych 12 lub 11 kierowana jest do komina 23, a następnie do atmosfery. Natężenie przepływu gazu kierowanego z aparatu odbioru ciepła 22 reguluje się przepustnicą 25.

Strumień gazu odbieranego przewodem upustowym 10 winien być w zasadzie taki, by tylko niewielka część ciepła generowanego w procesie spalania była kierowana do komina z gazem płynącym rurociągiem 26. Z tego względu urządzenie rewersyjne według wynalazku w przypadku, kiedy w aparacie odbioru ciepła 22 odbierane jest ciepło, powinno pracować stale w pobliżu progu wygasania, co objawia się tym, że w dłużej trwających stabilnych okresach pracy urządzenia średnia temperatura gazu w rurociągu wylotowym 26 jest tylko nieznacznie wyższa niż średnia temperatura gazu w przewodzie wlotowym 21. Kiedy jednak przez dodatek wysokostężonej mieszanki paliwowej uzyskuje się stabilizację odbieranego ciepła w aparacie 22, to wówczas przepływ odbierany przewodem upustowym 10 będzie też w przybliżeniu stały, jeśli tylko wahania temperatury gazu pobieranego przewodem upustowym 10 będą miały w przybliżeniu stałą wartość średnią. Dopuszcza się możliwość korekty tego przepływu zdalnie lub miejscowo, nie w trybie automatycznym, lecz ręcznym. Lokalizacja przepustnicy 25 do wykonywania korekty tego przepływu może być zarówno przed, jak i za aparatem od10

PL 228 661 B1 bioru ciepła 22. Ze względu jednak na temperaturę, w której pracuje ta przepustnica, bardziej korzystne jest jej umieszczenie za aparatem odbioru ciepła 22, jak to pokazano na rysunku Fig. 3.

Sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej wg wynalazku może być np. realizowany całkowicie, lub częściowo automatycznie przez zastosowanie urządzenia sterującego 24.

Stabilizację ilości energii odbieranej w aparacie odbioru ciepła 22 (np. kocioł parowy) można osiągać sygnałem urządzenia sterującego 24 na dwa sposoby: dodając w mieszalniku 18 do gazu przepływającego przewodem 15 wysokostężonej mieszanki paliwowej podawanej przewodem dodatkowego paliwa 17, np. w przypadku spalania VAM mieszanki metanowej uzyskiwanej przy odmetanowaniu złoża, tak aby poprzez ustawianie zaworem dodatkowego paliwa 16 stężenia paliwa podawanego do urządzenia przewodem wlotowym 21, stabilizować wytwarzaną ilość energii spalania i także ilość energii odbieraną z urządzenia w aparacie odbioru ciepła 22. Alternatywnie podobną ilość paliwa można także dozować wprost do urządzenia grzewczego rozruchowego 7 (palnika) pokazanego na rysunku Fig. 2, który w takim rozwiązaniu służyłby nie tylko do wstępnego rozgrzania złoża, lecz także do stabilizacji ilości energii odbieranej z urządzenia. Ilość energii pobieranej w aparacie 22 można w przybliżeniu określać, jako iloczyn natężenia przepływu medium odbieranego przewodem upustowym 10 i jego temperatury, przyjmując, że temperatura gazu po aparacie 22 jest w przybliżeniu stała. Można też stosować bardziej dokładne metody określania ilości ciepła utylizowanego w aparacie 22.

W przypadku dozowania wysokostężonej mieszanki paliwowej zaworem dodatkowego paliwa 16 do mieszalnika 18 stężenie czynnika palnego podawane do urządzenia rewersyjnego przewodem wlotowym 21 jest kontrolowane czujnikiem składu mieszanki 20 z alarmem. Próg alarmu ustawia się tak, aby zachować stężenie mieszanki podawanej do urządzenia odpowiednio poniżej zadawanego progu wybuchowości mieszanki. Przekroczenie tego progu stwarza sytuację grożącą awarią i dlatego jednocześnie z sygnałem alarmu następuje zamknięcie zaworu podającego dodatkowe paliwo przewodem dodatkowego paliwa 17 do mieszalnika 18. Zamknięcie dopływu wysokostężonego paliwa może być dokonane zaworem 16 lub też innym zaworem odcinającym. W takich sytuacjach po alarmie i odcięciu paliwa należy przejść na sterowanie ręczne, polegające głównie na obniżeniu zadanej wartości oddawania ciepła w aparacie 22 i zmniejszeniu upustu gazów poprzez przewód upustowy 10, dokonywanej przepustnicą 25. Po dokonaniu korekty upustu można wznowić dostawę paliwa wysokostężonego przewodem dodatkowego paliwa 17 do mieszalnika 18 i ponownie przejść na sterowanie automatyczne. Korzystne jest stosowanie alarmu ostrzegawczego po przekroczeniu nastawianego progu alarmowego nieco niższego, niż alarm powodujący odcięcie dopływu paliwa wysokostężonego do mieszalnika 18.

W obu odmianach urządzenia rewersyjnego, zarówno pokazanej na Fig. 1 lub Fig. 2, w tych samych odległościach od wlotu do Sekcji (I lub II) wlotowej bloków monolitycznych 1,2 i wylotu z jego Sekcji (I lub II) wylotowej umieszczone są czujniki temperatur Ti i Tii, których wskazania wykorzystywane są przy wybieraniu momentu rewersji przepływu.

W znanych urządzeniach rewersyjnych sterowanie momentem rewersji odbywa się bądź poprzez nastawianie stałej wartości czasu trwania pół-cyklu, bądź przełączenie może następować po przekroczeniu zadanej wartości przez różnicę temperatur (Tii - Ti) lub (Ti - Tii) w zależności od aktualnego kierunku przepływu. Oba te sposoby sterowania nie pozwalają w wystarczający sposób uniknąć występowania asymetrycznej pracy urządzenia, a tym samym spełnienia wymagania stabilnego odbioru ciepła w celu jego utylizacji.

Moment przełączania kierunku przepływu, czyli dokonanie rewersji w sposobie według wynalazku odbywa się z wykorzystaniem informacji o wartościach wybranych temperatur w urządzeniu rewersyjnym według wynalazku, bądź wartościach ich różnicy i znajomości aktualnego kierunku przepływu mieszanki przez urządzenie.

Przykładowo: urządzenie sterujące 24 w reżimie sterowania automatycznego wybiera moment zmiany kierunku przepływu tak, że zmiana kierunku przepływu przez urządzenie rewersyjne odbywa się w stałym pół-cyklu przełączeń (w równoodległych momentach czasowych), jeśli bezwzględna wartość różnicy pomiędzy temperaturą mierzoną w Sekcji II w wybranej odległości od wylotu z tej sekcji a temperaturą mierzoną w tej samej odległości od wlotu do Sekcji I |Tii - Ti| nie przekracza zadanej wartości ATzad,1, bądź dokonuje przełączenia w momencie, kiedy różnica temperatur (Tii - Ti) pomiędzy wybraną temperaturą w Sekcji II i wybraną temperaturą w Sekcji I przekracza zadaną wartość dodatnią ATzad,1, jeśli Sekcja I jest sekcją wlotową, lub w momencie kiedy różnica temperatur (Ti - Tii)

PL 228 661 Β1 osiąga zadaną wartość dodatnią AT_zati,i, jeśli Sekcja II jest sekcją wlotową. Powoduje to, że w okresach, kiedy profil nagrzania Sekcji I i II jest w przybliżeniu symetryczny, to czas trwania obu pół-cykli jest równy, lub w przybliżeniu równy.

Urządzenie sterujące 24, w automatycznym reżymie sterowania, w przypadku, kiedy z jakiegokolwiek powodu pojawia się znaczna asymetria profili temperatur obu złóż, której wskaźnikiem jest przekroczenie przez bezwzględną wartość różnicy temperatur |Tn - Ti| zadanej dodatniej wartości AT_zad,2, gdzie ΔΤ_Ζ3£ι,2 > AT_zati,i, wydłuża czas pół-cyklu, w którym płyn z Sekcji o średnio wyższych temperaturach wpływa do Sekcji o średnio niższych temperaturach, zaś skraca czas pół-cyklu, w którym płyn wypływający z Sekcji o średnio niższych temperaturach wpływa do Sekcji o średnio wyższych temperaturach i w ten sposób ułatwia powrót do symetrii profili temperatur w reaktorze.

Urządzenie sterujące 24 może umożliwiać również dokonywanie powrotu do symetrii temperatur w urządzeniu sposobem zdalnego sterowania ręcznego, z nastawianiem zadanych czasów trwania pół-cykli, odmiennych dla każdego kierunku przepływu przez urządzenie.

W przypadku, kiedy różnego rodzaju zakłócenia powodują, że podczas sterowania automatycznego np. w zakresie, kiedy sterowanie odbywa się od różnicy temperatur Ti i Tu, czas przepływu w jednym kierunku nadmiernie się wydłuża, co zwykle powoduje kształtowania się asymetrii profili temperatur, wówczas należy dokonać rewersji po przekroczeniu pewnej wyznaczonej doświadczalnie dla danego obiektu wartości maksymalnego czasu trwania pojedynczego pół-cyklu pracy przy przepływie w jednym kierunku, t_c,max. Tak więc, kiedy podczas sterowania automatycznego czas trwania bieżącego pół-cyklu t_c przekracza dopuszczalną wartość t_c,max, tzn. (t_c > t_c,max) to wówczas urządzenie sterujące 24 dokonuje rewersji przepływu, niezależnie od wartości mierzonych czujnikami temperatur T, i Τ,,.

Tabela 1

Instalacja demonstracyjno-badawcza (wyniki dla natężenia przepływu ok. 400 Nm3/h)
1	2	3	4	5
Stęż. CK,	Kon- wersjaCHł	Upust gorącego gazu do utylizacji	Temp, upustu	Odzysk ciepła na 100 tys. Nm3/h
%obj.	%	%	°C	MW,
0,1	wygasanie reaktora
0,22	87	0	-	0
0,35	85	0	-	0
0,42	90	2,3	863	0,6
0,75	96	9,9	905	2,8
1,0	97	17,4	950	5,3

Sposób według wynalazku zrealizowano wykorzystując urządzenie instalacji demonstracyjnobadawczej o przepustowości mieszanki metan-powietrze do ok. 400 Nm³/h. Skrót wyników badawczych ilustruje załączona Tabela 1, w której odzysk ciepła z urządzenia przeliczono na przepływ 100 tys. Nm³/h przerabianej mieszaniny metanowo-powietrznej.

Badania pozwoliły ustalić, że racjonalne ilości ciepła, które da się zagospodarować uzyskuje się dla stężeń powyżej 0,4% obj. CHU w strumieniu zasilającym urządzenie rewersyjne stanowiące w istocie termiczny reaktor rewersyjny (TFRR). Dla takich stężeń w kolumnie 4 Tabeli 1 podano wartości temperatur gazu podawanego przewodem upustowym 10 do aparatu odbioru ciepła 22. Przeprowadzone badania wykazały, że racjonalne ilości ciepła można skutecznie utylizować jeśli temperatura

PL 228 661 B1 w przewodzie upustowym 10 mieści się w granicach 750 do 1100°C. Stąd zastosowanie, zgodnie ze sposobem według wynalazku dodatkowej mieszanki paliwowej wydaje się być z tego punktu widzenia rozwiązaniem racjonalnym w przypadkach, kiedy stężenie metanu w strumieniu wlotowym do urządzenia jest niższe niż 0,4% obj.

W czasie eksperymentów znaczną uwagę poświęcono badaniu powstawania asymetrii temperaturowych, które mogą tworzyć się w urządzeniu rewersyjnym według wynalazku. Wykresy pokazane na Fig. 4 przedstawiają rzeczywiste przykłady symetrycznego i asymetrycznego profilu, które zmierzono podczas pracy urządzenia rewersyjnego w instalacji demonstracyjno-badawczej.

Pokazany na Fig. 4 profil symetryczny ukształtował się podczas pracy urządzenia zasilanego mieszanką o stężeniu 1% obj. CH4, bez upustu gorącego gazu do utylizacji, podczas gdy pokazany obok profil, wyraźnie asymetryczny, powstał podczas zasilania mieszanką o podobnym stężeniu, lecz w sytuacji, gdy ok. 15% ogólnej ilości gazu wyprowadzano przez przewód upustowy z łącznika pomiędzy sekcjami urządzenia.

Odpowiednie prowadzenie procesu sposobem według wynalazku pozwala jednak unikać tworzenia się asymetrii, które mogą mieć bardzo niekorzystny wpływ na stabilność odbioru ciepła w aparacie 22.

Sposób według wynalazku, który może być realizowany w urządzeniu rewersyjnym według wynalazku, umożliwia oczyszczanie gazów wentylacyjnych z podziemnych wyrobisk górniczych, a także oczyszczanie gazów odlotowych występujących w przemyśle chemicznym, petrochemicznym i koksowniczym, zawierających niepożądane składniki palne, a także daje możliwość stabilnego wytwarzania energii cieplnej i dostarczanie jej do odbiorników z możliwością efektywnego jej wykorzystania.

Claims (12)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej, obejmujący reakcję spalania oraz proces regeneracji ciepła w urządzeniu rewersyjnym, w którym niskostężoną mieszankę gazową: składnik palny - powietrze przepuszcza się przez sekcje spalania (I, II) wypełnione ceramicznymi blokami monolitycznymi (1, 2) akumulującymi ciepło, z regeneracją ciepła zachodzącą pomiędzy produktami spalania a mieszanką wejściową, polegający na spalaniu, tej mieszanki w urządzeniu rewersyjnym, odprowadzającym część gorących spalin przewodem upustowym (10) do aparatu odbioru ciepła (22), po którym gaz jest wypuszczany do atmosfery, gdzie ilość energii oddawanej w aparacie odbioru ciepła (22) stabilizowana jest poprzez dozowanie do urządzenia rewersyjnego dodatkowego paliwa przez zawór dodatkowego paliwa (16), przy czym profil temperatury kontroluje się przez czujniki temperatury (Ti, Tii), a skład mieszanki gazów kontroluje się przez czujniki składu mieszanki (20), znamienny tym, że, stabilny odzysk ciepła i symetryczny profil temperatury utrzymuje się przez wybieranie momentu rewersji przepływu niskostężonej mieszanki: składnik palny - powietrze w urządzeniu rewersyjnym w zależności od wartości różnic temperatur (Ti, Tii) w sekcjach spalania (I i II) tak, aby czas pół-cyklu różnił się w zależności od kierunku przepływu w każdym pół-cyklu oraz przez dobieranie wielkości natężenia przepływu gorącej mieszanki wylotowej do aparatu odbioru ciepła (22), tak, aby wahania temperatury mierzonej w przewodzie upustowym (10) podającym gaz do aparatu odbioru ciepła (22) mieściły się w granicach 750 do 1100°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję spalania prowadzi się przepuszczając wejściową niskostężoną mieszankę składnika palnego i powietrza przez wypełnienie strukturalne sekcji spalania (I, II) urządzenia rewersyjnego z bloków monolitycznych (1, 2) wykonanych z mało porowatego materiału akumulującego ciepło, o powierzchni właściwej mniejszej niż 30 m²/g, a korzystnie poniżej 1 m²/g, posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, z równoczesną wymianą ciepła pomiędzy mieszanką wylotową zawierającą produkty spalania, a mieszanką wejściową zawierającą składnik palny i powietrze.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stabilizację odzyskiwanego ciepła uzyskuje się poprzez ręczną lub automatyczną regulację natężenia przepływu wysokostężonej mieszanki paliwowej zaworem dodatkowego paliwa (16) zależnie od wartości sygnału zawierającego informację o aktualnym strumieniu energii oddawanej w aparacie odbioru ciepła (22).

   PL 228 661 B1
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że natężenie przepływu mieszanki paliwowej przez urządzenie rewersyjne, ilość wypełnienia oraz czas pół-cyklu rewersji dobiera się tak, aby na końcu wypełnienia wlotowej sekcji spalania (I lub II) w każdym pół-cyklu, w stabilnym okresie pracy urządzenia, uległo spaleniu co najmniej 70%, a korzystnie powyżej 95% podawanych na wlocie składników palnych, oraz aby w wypełnieniu wylotowej sekcji spalania (I lub II) ulegało spaleniu nie więcej niż 30%, a korzystnie mniej niż 5% składników palnych podawanych na wlocie reaktora, oraz aby stężenie tlenku węgla w przewodzie upustowym (10) gorącej gazowej mieszanki wylotowej było śladowe, korzystnie poniżej 5 ppm.
5. 5. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 2, znamienny tym, że niskostężona mieszanka: składnik palny - powietrze przepływająca pomiędzy sekcjami spalania (I, II) urządzenia rewersyjnego jest rozdzielana tak, że z przestrzeni między sekcjami spalania (I, II) urządzenia rewersyjnego do aparatu odbioru ciepła (22), wypływa przewodem upustowym (10) nie więcej niż 50% niskostężonej mieszanki: składnik palny - powietrze, zaś pozostałość wpływa do następnej sekcji spalania.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 2, albo zastrz. 4, albo zastrz. 5, znamienny tym, że wybór momentu zmiany kierunku przepływu realizuje się tak, że przełączenie kierunku przepływu przez urządzenie rewersyjne odbywa się:

   - w stałym pół-cyklu przełączeń, w równoodległych momentach czasowych, jeżeli bezwzględna wartość różnicy pomiędzy temperaturą mierzoną czujnikiem temperatury Tii w sekcji spalania (II) w wybranej odległości od wylotu z tej sekcji, a temperaturą mierzoną czujnikiem temperatury Ti w tej samej odległości od wlotu do sekcji spalania (I) |Tii - Ti| nie przekracza ani nie osiąga zadanej dodatniej wartości ATzad,1, lub,

   - jeżeli sekcja spalania (I) jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia w momencie, kiedy różnica temperatur (Tii - Ti) pomiędzy wybraną temperaturą w sekcji spalania (II) i wybraną temperaturą w sekcji spalania (I) osiąga zadaną wartość dodatnią ATzad,1, natomiast,

   - jeżeli sekcja spalania (II) jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia kierunku przepływu w momencie kiedy różnica temperatur (Ti - Tii) osiąga zadaną wartość dodatnią ATzad,1.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 6, znamienny tym, że

   - jeśli sekcja spalania (I) jest sekcją wlotową przełączenia kierunku przepływu dokonuje się w momencie, gdy wybrana temperatura (Tii) w sekcji spalania (II) osiąga zadaną przez operatora procesu wartość dodatnią (Tzad), lub

   - jeśli sekcja spalania (II) jest sekcją wlotową przełączenia kierunku przepływu dokonuje się w momencie, gdy temperatura (Ti) w sekcji spalania (I) osiąga zadaną wartość dodatnią (Tzad).
8. 8. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 6, albo zastrz. 7, znamienny tym, że w przypadku, gdy z jakiegokolwiek powodu pojawia się znaczna asymetria profili temperatur bloków monolitycznych (1, 2) obu sekcji spalania (I, II), której wskaźnikiem jest przekroczenie przez bezwzględną wartość różnicy temperatur |Tii - Ti| zadanej dodatniej wartości ATzad,2, gdzie ATzad,2 > ATzad,1, wydłuża się czas pół-cyklu, w którym niskostężona mieszanka: składnik palny - powietrze z sekcji spalania (I albo II) o średnio wyższych temperaturach wpływa do sekcji spalania (I albo II) o średnio niższych temperaturach, natomiast skraca się czas półcyklu, w którym niskostężona mieszanka: składnik palny - powietrze wypływająca z sekcji spalania (I albo II) o średnio niższych temperaturach wpływa do sekcji spalania (I albo II) o średnio wyższych temperaturach.
9. 9. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 6, albo zastrz. 7, albo zastrz. 8, znamienny tym, że zmiany kierunku przepływu, sygnalizowanej alarmem, dokonuje się niezależnie od wartości temperatur (Ti i Tii) oraz wartości ich różnicy i bezwzględnej różnicy, gdy czas trwania bieżącego pół-cyklu tc przekracza dopuszczalną wartość tc,max.
10. 10. Sposób według zastrz. 1 albo zastrz. 6, albo zastrz. 7, albo zastrz. 8, znamienny tym, że czujniki składu mieszanki (20) generują sygnał alarmu przekroczenia progu bezpieczeństwa ze względu na wybuchowość mieszanki i odcinają dopływ zaworem dodatkowego paliwa (16) do mieszalnika (18).
11. 11. Urządzenie rewersyjne do utylizacji niskostężonych mieszanek: składnik palny - powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej, posiadające żaroodporny korpus z zewnętrzną izolacją cieplną, mieszczący przynajmniej jedną parę sekcji spalania (I, II), połączonych przewodem upustowym (10) z aparatem odbioru ciepła (22), z których każda zawiera wypełnienie

    PL 228 661 B1 strukturalne, z bloków monolitycznych (1, 2) posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, które są osadzone na podsypce ceramicznej (3, 4), wyposażone w przynajmniej jedno wewnętrzne urządzenie rozruchowe (7) umieszczone wewnątrz reaktora, zawór dodatkowego paliwa (16) umieszczony na przewodzie dodatkowego paliwa (17), czujniki temperatury (Ti, Tii) umieszczone w sekcjach (I i II) i składu mieszanki (20) w przewodzie wlotowym (21) oraz elementy urządzenia sterującego (24), komory zaworu rewersyjnego (11, 12, 13, 14) na wlocie urządzenia rewersyjnego oraz przewód wlotowy (21) doprowadzający niskostężoną mieszankę zawierającą składnik palny, znamienne tym, że sekcje spalania (I, II) zbudowane są z bloków monolitycznych (1, 2) wykonanych z mało porowatego materiału akumulującego ciepło o powierzchni właściwej mniejszej niż 30 m²/g, a korzystnie poniżej 1 m²/g, zaś w sekcjach spalania (I, II) znajdują się czujniki temperatury (Ti - Tii), które umieszczone są symetrycznie, a ponadto sekcje spalania (I, II) połączone są przewodem upustowym (10) z aparatem odbioru ciepła (22).
12. 12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że posiada przepustnicę (25), umieszczoną korzystnie na wylocie gazów z aparatu odbioru ciepła (22).