PL236976B1 - Method for generating electrical energy using fuel cells, preferably taking advantage of utilization of fuel waste materials and a power plant that executes such method to generate electrical energy - Google Patents

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii elektrycznej z zastosowaniem ogniw paliwowych, zwłaszcza z wykorzystaniem utylizacji opałowych materiałów odpadowych. Przedmiotem wynalazku jest również elektrownia realizująca taki sposób wytwarzania energii elektrycznej.The subject of the invention is a method of producing electricity with the use of fuel cells, in particular with the utilization of fuel waste materials. The invention also relates to a power plant implementing such a method of generating electricity.

Ze stanu techniki znane są instalacje konwertujące energię z odpadów przemysłowych na energię elektryczną bądź cieplną. Niedogodnością tych instalacji pozostaje jednak ich niska efektywność.Installations converting energy from industrial waste into electric or thermal energy are known from the state of the art. However, the disadvantage of these installations is their low efficiency.

W publikacji US 2012/238645 A1 ujawniono sposób wytwarzania energii i/lub węglowodorów oraz innych produktów z wykorzystaniem utylizacji materiałów zawierających węgiel. W pierwszym etapie ujawnionego tam procesu materiały zawierające węgiel poddawane są pirolizie, tworząc przy tym koks oraz gaz pirolityczny. W drugim etapie koks pirolityczny z pierwszego etapu jest poddawany zgazowaniu tworząc gaz syntezowy, a żużel oraz osady są usuwane. W trzecim etapie gaz syntezowy z drugiego etapu zostaje przekształcony w węglowodory i/lub w inne produkty stałe i/lub ciekłe i/lub gazowe, które są następnie odprowadzane. Trzy etapy przetwarzania tworzą obieg zamknięty. Nadmiar gazu z trzeciego etapu jest przekazywany jako gaz odzyskany do pierwszego i/lub drugiego etapu, a gaz pirolityczny, z pierwszego etapu jest przekazywany do drugiego i/lub trzeciego etapu.US 2012/238645 A1 discloses a method of producing energy and / or hydrocarbons and other products by utilizing carbonaceous materials. In the first step of the process disclosed therein, the carbonaceous materials are pyrolyzed to form coke and pyrolysis gas. In the second stage, the pyrolysis coke from the first stage is gasified to form synthesis gas, and the slag and deposits are removed. In a third stage, the synthesis gas from the second stage is converted into hydrocarbons and / or into other solid and / or liquid and / or gaseous products which are then discharged. The three processing steps form a closed circuit. Excess gas from the third stage is passed as recycle gas to the first and / or second stage, and pyrolysis gas from the first stage is passed to the second and / or third stage.

Publikacja EP2481788A1 ujawnia sposób produkcji paliwa z biomasy wsadu węglowego obejmujący suszenie materiałów w komorze suszenia, następującą po tym ich pirolizę w komorze pirolizy, separację bio-oleju z uzyskanego gazu pirolitycznego i pary, usuwanie gazu i mieszaniny pary wodnej z lotnymi produktami spalania, spalanie żywic wolnych od gazu i pary wodnej w komorze spalania zasilanej powietrzem, oraz rozpad materiałów pirolitycznych (pirowęgiel) podczas pirolizy przeprowadzanej w komorze obracającej się poziomo wokół osi podłużnej i częściowo wypełnionej kulami mielącymi.Publication EP2481788A1 discloses a method of producing fuel from biomass of coal feed comprising drying the materials in a drying chamber, followed by their pyrolysis in a pyrolysis chamber, separation of bio-oil from the obtained pyrolysis gas and steam, removal of gas and a mixture of water vapor with volatile combustion products, burning resins free of gas and water vapor in an air-fed combustion chamber, and the breakdown of pyrolytic materials (pyrocarbon) during pyrolysis carried out in a chamber rotating horizontally around a longitudinal axis and partially filled with grinding balls.

Publikacja US 6209494 B1 ujawnia sposób wytwarzania energii mechanicznej oraz hybrydową jednostkę wytwarzania energii dla realizacji takiego rodzaju procesu. W szczególności w procesie tym stosuje się termiczny lub katalityczny kraker procesu krakingu bądź częściowej lub całkowitej pirolizy ciekłego lub gazowego paliwa w celu wytwarzania podstawowego strumienia gazowego zawierającego głównie wodór bądź metan lub inne węglowodory o krótkim łańcuchu. Wodór może być używany w ogniwie paliwowym do wytwarzania energii elektrycznej, która jest używana w liniowym lub obrotowym silniku elektrycznym. W korzystnym procesie, pozostałość spirolizowanego surowca pozostaje w reaktorze. Etap regeneracji stosuje się do usuwania tej pozostałości i wytwarzania gazu bogatego w tlenek węgla, który następnie może być wprowadzony do wewnętrznego lub zewnętrznego silnika spalinowego celem dalszego wytwarzania energii mechanicznej. Korzystnie stosowane są silniki spalinowe o wysokiej sprawności cieplnej. W rezultacie zastosowania kombinacji pirolizy, ogniw paliwowych i silników cieplnych o wysokiej wydajności uzyskuje się znacznie bardziej efektywne wykorzystanie energii zawartej w paliwie surowca węglowodorowego. Dodatkowo, pod działaniem wysokiej temperatury, gdy paliwem do silnika jest gaz bogaty w tlenek węgla, emisje z systemu są znacznie niższe niż w przypadku tradycyjnych systemów energetycznych. Pewna część ciepła procesowego wymaganego podczas operacji pirolizy i dekoksowania jest otrzymywana z ciepła odpadowego silnika, zwiększając ogólną ekonomiczność paliwową systemu hybrydowego.Publication US 6209494 B1 discloses a mechanical energy generation method and a hybrid power generation unit for carrying out such a process. More particularly, this process uses a thermal or catalytic cracker of the cracking process or partial or total pyrolysis of a liquid or gaseous fuel to produce a primary gaseous stream containing mainly hydrogen or methane or other short chain hydrocarbons. Hydrogen can be used in a fuel cell to generate electricity that is used in a linear or rotary electric motor. In a preferred process, a residue of the spirolized feed remains in the reactor. The regeneration step is used to remove this residue and produce a carbon monoxide rich gas which can then be fed to an internal or external internal combustion engine to further generate mechanical energy. Combustion engines with high thermal efficiency are preferably used. The use of a combination of pyrolysis, fuel cells and high efficiency heat engines results in a much more efficient use of the energy contained in the hydrocarbon feed fuel. Additionally, under high temperature exposure, when the engine fuel is carbon monoxide-rich gas, the emissions from the system are significantly lower than with traditional energy systems. A certain proportion of the process heat required during pyrolysis and decoking operations is obtained from the engine waste heat, increasing the overall fuel economy of the hybrid system.

Jednymi z największych barier rozwoju technologii termicznego pozyskiwania energii użytkowej z odpadowego paliwa alternatywnego jest jego niska wartość energetyczna oraz duża zawartość zanieczyszczeń obejmujących pierwiastki takie jak siarka i chlor, oraz co najmniej dziesięciokrotnie mniejsza wydajność w stosunku do standardowych układów generowania energii z paliwa kopalnego. Innym problemem jest konieczność częstego okresowego czyszczenia gazogeneratorów ze względu na zalepianie komory zgazowującej przez zanieczyszczenia.One of the biggest barriers to the development of thermal utilization energy technology from waste alternative fuel is its low energy value and high content of pollutants including elements such as sulfur and chlorine, and at least ten times lower efficiency compared to standard fossil fuel energy generation systems. Another problem is the need for frequent periodic cleaning of gas generators due to the clogging of the gasification chamber by impurities.

Celem wynalazku było dostarczenie rozwiązań umożliwiających wytwarzanie energii elektrycznej z użyciem ogniwa paliwowego z różnego rodzaju materiałów opałowych, w tym zwłaszcza odpadowych materiałów opałowych, z wysoką sprawnością i cechujących się dobrymi własnościami eksploatacyjnymi. W przypadku zastosowania do zasilania materiałów odpadowych, rozwiązania takie powinny zapewniać efektywną utylizację użytych odpadów.The aim of the invention was to provide solutions enabling the production of electricity with the use of a fuel cell from various types of fuel, especially waste fuel, with high efficiency and good operational properties. If used to supply waste materials, such solutions should ensure effective disposal of the waste used.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania energii elektrycznej z zastosowaniem ogniw paliwowych, zwłaszcza z wykorzystaniem utylizacji opałowych materiałów odpadowych, charakteryzujący się tym, że obejmuje etapy:The essence of the invention is a method of generating electricity with the use of fuel cells, in particular using the utilization of fuel waste materials, characterized by the steps of:

a) pirolizy materiału opałowego w komorze pirolizy;(a) pyrolysis of the fuel in the pyrolysis chamber;

b) zgazowania pozostałości popirolitycznej uzyskanej w etapie a); orazb) gasification of the pyrolysis residue obtained in step a); and

PL 236 976 B1PL 236 976 B1

c) wytwarzania energii elektrycznej w co najmniej jednym ogniwie paliwowym zasilanym gazem syntezowym uzyskanym w etapie b), przy czym rzeczone ogniwo paliwowe jest ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 100°C, a korzystnie wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem i znajduje się wraz z komorą pirolizy w jednej wspólnie ogrzewanej obudowie.c) generating electricity in at least one fuel cell fed with the synthesis gas obtained in step b), said fuel cell being a fuel cell with an operating temperature greater than 100 ° C, preferably a solid oxide high temperature fuel cell and located with a pyrolysis chamber in one jointly heated housing.

Dzięki umieszczeniu ogniw paliwowych w jednej obudowie wraz z komorą pirolizy płaszcz ogrzewania pośredniego ogrzewa zarówno warstwę ogniw jak i samą komorę reaktora pirolitycznego co podnosi sprawność sposobu według wynalazku, a ponadto zmniejsza przestrzeń użytkową niezbędną dla posadowienia instalacji realizującej taki sposób. W chwili rozruchu reaktora pirolitycznego automatycznie następuje również rozruch ogniw paliwowych, co przekłada się na szybki start produkcji energii elektrycznej. Paliwem ogniwa paliwowego może być przy tym wiele związków, a w szczególności wodór cząsteczkowy, metan czy tlenek węgla.Due to placing the fuel cells in one casing with the pyrolysis chamber, the indirect heating jacket heats both the layer of cells and the pyrolysis reactor chamber itself, which increases the efficiency of the method according to the invention, and also reduces the usable space necessary for the foundation of the installation carrying out such a method. When the pyrolysis reactor is started up, the fuel cells are also started automatically, which translates into a quick start of electricity production. The fuel of a fuel cell can be many compounds, in particular molecular hydrogen, methane or carbon monoxide.

Korzystnie sposób według wynalazku obejmuje dodatkowy etapPreferably, the method according to the invention comprises an additional step

e) oczyszczania gazu syntezowego uzyskanego w etapie b).e) purifying the synthesis gas obtained in step b).

Oczyszczanie prowadzone jest separatorze opartym w szczególności na technologii membranowej, zeolitowej, asorbcyjnej, desorbcyjnej, czy masowej. Celem tego etapu jest przed wszystkim wydzielenie z gazu syntezowego uzyskanego w reaktorze zgazowania gazów, które nie mogłyby zostać wykorzystane jako paliwo rzeczonego ogniwa paliwowego. Dzięki temu do ogniw paliwowych dostarczane jest paliwo pozbawione zanieczyszczeń co podwyższa zarówno ich sprawność jak i okres eksploatacji.Purification is carried out in a separator based in particular on membrane, zeolite, absorption, desorption or mass technology. The purpose of this stage is primarily to separate from the synthesis gas obtained in the gasification reactor gases which could not be used as fuel for said fuel cell. As a result, fuel is supplied to the fuel cells without any contamination, which increases both their efficiency and service life.

Korzystnie sposób według wynalazku przed etapem e) obejmuje dodatkowy etapPreferably, the process according to the invention comprises an additional step prior to step e)

d) chłodzenia gazu syntezowego uzyskanego w etapie b), w którym uzyskiwane jest ciepło użytkowe.d) cooling the synthesis gas obtained in step b) in which useful heat is obtained.

Zwiększa to również sprawność sposobu według wynalazku.This also increases the efficiency of the method according to the invention.

Korzystnie sposób według wynalazku obejmuje dodatkowy etapPreferably, the method according to the invention comprises an additional step

f) zasilania ogrzewacza komory pirolizy wtórnym gazem syntezowym uzyskanym w etapie e).f) feeding the pyrolysis chamber heater with the secondary synthesis gas obtained in step e).

Korzystnie sposób według wynalazku obejmuje dodatkowy etapPreferably, the method according to the invention comprises an additional step

g) zasilania silnika spalinowego wtórnym gazem syntezowym uzyskanym w etapie e), przy czym rzeczony silnik jest sprzężony z generatorem energii elektrycznej.g) feeding the internal combustion engine with the secondary synthesis gas obtained in step e), said engine being coupled to an electric power generator.

Zastosowanie dodatkowego generatora energii elektrycznej zwiększa zarówno wydajność jak i sprawność sposobu według wynalazku.The use of an additional electric power generator increases both the efficiency and the efficiency of the method according to the invention.

W sposobie według wynalazku uzyskana w etapie c) para wodna zawarta w spalinach ogniwa paliwowego jest wykorzystywana w procesie zgazowania pozostałości popirolitycznej w etapie b).In the method according to the invention, the water vapor obtained in step c) contained in the exhaust gas of the fuel cell is used in the process of gasification of pyrolysis residue in step b).

Korzystnie etap e) oczyszczania gazu syntezowego obejmuje wydzielenie z gazu syntezowego związków chloru.Preferably, the synthesis gas purification step e) comprises separating chlorine compounds from the synthesis gas.

Szkodliwe związki chloru mogą być następnie składowane.The harmful chlorine compounds can then be stored.

Korzystnie karbonizat uzyskany w etapie b) poddawany jest wraz ze spoiwem brykietowaniu.Preferably, the char obtained in step b) is subjected to briquetting together with the binder.

Korzystnie piroliza jest realizowana w etapie a) w temperaturze od 600 do 1100°C.Preferably, the pyrolysis is carried out in step a) at a temperature of 600 to 1100 ° C.

Korzystnie zgazowanie w etapie b) jest realizowane w temperaturze wyższej od 750°C.Preferably, the gasification in step b) is carried out at a temperature greater than 750 ° C.

Korzystnie rzeczone ogniwo paliwowe jest wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 500°C, a korzystnie ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem (SOFC).Preferably, said fuel cell is a high temperature fuel cell with an operating temperature greater than 500 ° C, and preferably a solid oxide fuel cell (SOFC).

Ogniwa wysokotemperaturowe charakteryzują się wyższą sprawnością niż ogniwa nisko- bądź średniotemperaturowe sięgającą do ok. 60%. Ogniwa typu SOFC są także odporne na zanieczyszczenia paliwa przez związki ciężkie.High-temperature cells are characterized by higher efficiency than low- or medium-temperature cells, reaching up to approx. 60%. SOFC cells are also resistant to fuel contamination by heavy compounds.

Istotą wynalazku jest również elektrownia wytwarzająca energię elektryczną z zastosowaniem ogniw paliwowych, zwłaszcza z wykorzystaniem utylizacji opałowych materiałów odpadowych, charakteryzująca się tym, że zawiera system pirolityczno-energetyczny zawierający komorę pirolizy oraz co najmniej jedno ogniwo paliwowe, oraz system zgazowania zawierający reaktor zgazowania, przy czym rzeczone ogniwo paliwowe jest ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 100°C, a korzystnie wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem, jest zasilane gazem syntezowym uzyskanym w reaktorze zgazowania i znajduje się wraz z komorą pirolizy w jednej wspólnie ogrzewanej obudowie.The essence of the invention is also a power plant generating electricity using fuel cells, in particular using the utilization of fuel waste materials, characterized in that it comprises a pyrolysis-energy system containing a pyrolysis chamber and at least one fuel cell, and a gasification system containing a gasification reactor, whereby said fuel cell is a fuel cell having an operating temperature greater than 100 ° C, preferably a high temperature solid oxide fuel cell, is fed with synthesis gas obtained in a gasification reactor and is located together with the pyrolysis chamber in one co-heated housing.

Wynalazek pozwala na wysoce efektywne wytwarzanie energii elektrycznej z różnego konwencjonalnych rodzaju materiałów opałowych takich jak na przykład węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, drewno, biomasa. Ponadto co bardzo istotne materiałem opałowym dla rozwiązań według wynalazkuThe invention allows for highly efficient production of electricity from various conventional types of fuel materials, such as, for example, hard coal, lignite, peat, wood, biomass. Moreover, what is very important, the fuel for the solutions according to the invention

PL 236 976 B1 mogą być różnego rodzaju materiały odpadowe takie jak na przykład odpady przemysłowe, w tym na przykład ciężkie pozostałości po destylacji ropy naftowej, odpady zawierające gumy i polimery o różnorodnych gatunkach zawierające zanieczyszczenia w postaci chloru czy siarki, czy odpady komunalne. Przedmiotowy wynalazek umożliwia bardzo skuteczną utylizację materiałów odpadowych z jednoczesnym wysokosprawnym wytwarzaniem energii elektrycznej i cieplnej.Various types of waste materials can be used, such as, for example, industrial waste, including, for example, heavy petroleum distillation residues, waste containing rubber and polymers of various grades containing chlorine or sulfur impurities, and municipal waste. The present invention enables a very efficient utilization of waste materials with a simultaneous highly efficient generation of electricity and heat.

Wynalazek opisano szczegółowo poniżej oraz zilustrowano na rysunku fig. 1 przedstawiającym schematycznie przykładową instalację elektrowni utylizującej materiał odpadowy poprzez realizację przykładowego sposobu według wynalazku.The invention is described in detail below and illustrated in Fig. 1 schematically showing an exemplary plant for utilizing waste material by carrying out an exemplary method according to the invention.

Jak przedstawiono na rysunku fig. 1 przykładowa instalacja według wynalazku obejmuje system osuszania 1, system pirolityczno-energetyczny 2, którego komponentami są ogniwa paliwowe 24, system zgazowania 3, system przetwarzania karbonizatu 4, system separacji 5 oraz system energetyczny 6, którego komponentem jest generator energii elektrycznej 62. Systemy te współpracują ze sobą i są ze sobą połączone w opisany poniżej sposób.As shown in Fig. 1, an exemplary installation according to the invention comprises a drying system 1, a pyrolysis-energy system 2, the components of which are fuel cells 24, a gasification system 3, a char processing system 4, a separation system 5 and an energy system 6, the component of which is a generator electricity 62. The systems work together and are connected to each other as follows.

System osuszania 1 zawiera zasyp 11, osuszacz 12 oraz cyklon 13. W tym przykładzie wykonania materiałem opałowym elektrowni jest materiał odpadowy w postaci odpadów przemysłowych zawierających różnego rodzaju gumy i polimery, w tym dodatkowo zanieczyszczenia w postaci siarki i chloru.The drying system 1 comprises a hopper 11, a dryer 12 and a cyclone 13. In this embodiment, the fuel of the power plant is a waste material in the form of industrial waste containing various types of rubbers and polymers, including additionally sulfur and chlorine impurities.

Wsad podawany jest podajnikiem taśmowym 111 z zasypu 11 do osuszacza 12. W osuszaczu 12 wsad poddawany jest osuszaniu strumieniem gorącego powietrza. Osuszony w osuszaczu 12 materiał jest następnie podawany transporterem 121 do cyklonu 13, gdzie następuje wirowe oddzielanie materiału stałego od pary wodnej uzyskanej podczas procesu osuszania. Wysuszony i odpowietrzony materiał wsadowy przekazywany jest podajnikiem próżniowym 14 do komory pirolizy 23 systemu pirolityczno-energetycznego 2, natomiast osuszone powietrze przekazywane jest z cyklonu 13 kanałem zwrotnym 15 z powrotem do osuszacza 12.The charge is fed by a conveyor belt 111 from the hopper 11 to the dryer 12. In the dryer 12, the charge is dried with a stream of hot air. The material dried in dryer 12 is then fed by a conveyor 121 to a cyclone 13, where the solid material is separated from the water vapor obtained during the drying process by vortex separation. The dried and deaerated feed material is transferred via a vacuum conveyor 14 to the pyrolysis chamber 23 of the pyrolysis-energy system 2, while the dried air is transferred from the cyclone 13 through the return duct 15 back to the dryer 12.

System pirolityczno-energetyczny 2 zawiera obudowę 21, w której znajduje się komora pirolizy 23, ogrzewacz 22 oraz ogniwa paliwowe 24.The pyrolysis-energy system 2 comprises a casing 21 in which there is a pyrolysis chamber 23, a heater 22 and fuel cells 24.

W tym przypadku ogniwa paliwowe 24 są wysokotemperaturowymi ogniwami ze stałym tlenkiem (ang. Solid Oxide Fuel Cell - SOFC) o temperaturze pracy wynoszącej w przybliżeniu 1000°C. W tego rodzaju ogniwach paliwem może być nie tylko wodór cząsteczkowy ale także metan i tlenek węgla.In this case, the fuel cells 24 are Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) high temperature cells with an operating temperature of approximately 1000 ° C. In this type of cells, the fuel can be not only molecular hydrogen but also methane and carbon monoxide.

Ogrzewacz 22 ma formę ogrzewczego płaszcza zewnętrznego otaczającego komorę pirolizy 23 i ogniwa paliwowe 24. Wysoka temperatura ogrzewacza 22 jest uzyskiwana poprzez spalanie w nim gazu.The heater 22 is in the form of an outer heating jacket surrounding the pyrolysis chamber 23 and the fuel cells 24. The high temperature of the heater 22 is obtained by burning gas therein.

Ogniwa paliwowa 24 znajdują się we wnętrzu ogrzewacza 22 komory pirolizy 23. Wszystkie te elementy (ogniwa paliwowe 24, komora pirolizy 23 i ogrzewacz 22) są zabudowane w jednej obudowie. Dzięki takiej konstrukcji ogrzewczy płaszcz zewnętrzny ogrzewacza 22 pośrednio ogrzewa zarówno komorę pirolizy 23 jak i ogniwa paliwowe 24.The fuel cells 24 are contained within the heater 22 of the pyrolysis chamber 23. All these components (fuel cells 24, pyrolysis chamber 23 and heater 22) are housed in a single housing. Due to this design, the heating outer jacket of the heater 22 indirectly heats both the pyrolysis chamber 23 and the fuel cells 24.

System zgazowania 3 zawiera reaktor zgazowania 31, w którym zainstalowane są dysze 32 doprowadzające parę wodną. Wlot przetwarzanego materiału reaktora zgazowania 31 jest połączony z wyjściem komory pirolizy 23 w wyniku czego pozostałości popirolityczne z komory pirolitycznej 23 trafiają do reaktora 31, gdzie następuje ich zgazowanie. Dysze 32 pary wodnej są połączone z wylotami spalin ogniw paliwowych 24 systemu pirolityczno-energetycznego 2 oraz wylotem 151 pary wodnej z cyklonu 13 systemu osuszania 1. W szczególności reaktorem zgazowania 31 może być zgazowarka QM12 firmy Qenergy Sp. z o.o.The gasification system 3 comprises a gasification reactor 31 in which nozzles 32 for the supply of steam are installed. The inlet of the processed material of the gasification reactor 31 is connected to the outlet of the pyrolysis chamber 23, as a result of which pyrolysis residues from the pyrolysis chamber 23 are transferred to the reactor 31, where they are gasified. The steam nozzles 32 are connected to the exhaust outlets of the fuel cells 24 of the pyrolysis-energy system 2 and the steam outlet 151 of the cyclone 13 of the drying system 1. In particular, the gasification reactor 31 may be a QM12 gasifier manufactured by Qenergy Sp. z o.o.

W dolnej części reaktor zgazowania 31 zawiera odprowadzenie karbonizatu do systemu obróbki karbonizatu 4, natomiast w górnej części zawiera on kanał 311 odprowadzający gaz syntezowy i połączony z wlotem systemu separacji 5.In the lower part, the gasification reactor 31 includes a char outlet to the char treatment system 4, while in the upper part it includes a syngas outlet channel 311 connected to the inlet of the separation system 5.

System obróbki karbonizatu 4 zawiera młyn elektromagnetyczny 41 z komorą mielącą. Po obróbce w młynie 41 z karbonizatu tworzone są brykiety przechowywane w składzie brykietów 42.The char treatment system 4 comprises an electromagnetic mill 41 with a grinding chamber. After processing in the mill 41, the char is made into briquettes stored in the briquettes 42.

System separacji 5 zawiera chłodnicę gazu syntezowego 52, separator 51 oraz komorę składowania chloru 53.The separation system 5 includes a synthesis gas cooler 52, a separator 51, and a chlorine storage chamber 53.

Wylot 521 czynnika odbierającego ciepło od gazu syntezowego w chłodnicy 52 jest połączony z wlotem czynnika dostarczającego ciepło osuszacza 12 systemu osuszania 1.The syngas heat sink 521 in the cooler 52 is connected to the heat supply inlet of the dryer 12 of the drying system 1.

W separatorze 51 następuje rozdzielanie gazu syntezowego na trzy frakcje odprowadzane trzema wylotami: wodór cząsteczkowy i proste jego związki typu metan wyprowadzane są wylotem 511 połączonym z ogniwami paliwowymi 24 systemu pirolityczno-energetycznego 2; dłuższe cząstki energetyczne typu etan, propan, dwutlenek i tlenek węgla wyprowadzane są wylotem 512 połączonym odIn the separator 51, the synthesis gas is separated into three fractions discharged through three outlets: molecular hydrogen and its simple methane compounds are discharged through outlet 511 connected to the fuel cells 24 of the pyrolysis-energy system 2; longer energetic particles such as ethane, propane, carbon dioxide and carbon monoxide are discharged through outlet 512 connected to

PL 236 976 B1 powiednio kanałem 512a z ogrzewaczem 22 komory pirolizy 23 oraz kanałem 512b z silnikiem spalinowym 61 systemu energetycznego 6; chlor oraz inne szkodliwe pierwiastki ciężkie wyprowadzane są wylotem 513 połączonym z komorą składowania chloru 53.Respectively a conduit 512a with a heater 22 of the pyrolysis chamber 23 and a conduit 512b with an internal combustion engine 61 of the power system 6; chlorine and other harmful heavy elements are discharged through the outlet 513 connected to the chlorine storage chamber 53.

System energetyczny 6 zawiera silnik spalinowy 61 sprzężony z generatorem energii elektrycznej 62. Wlot paliwa silnika spalinowego 61 jest połączony kanałem 512b z wylotem 512 separatora 51.The power system 6 comprises an internal combustion engine 61 coupled to an electric power generator 62. The fuel inlet of the internal combustion engine 61 is connected by a conduit 512b to the outlet 512 of the separator 51.

Czynnik odbierający ciepło od silnika spalinowego 61 przekazywany jest dodatkowo kanałem 611 z osuszaczem 12 systemu osuszania 1.The factor collecting heat from the combustion engine 61 is additionally transferred through the conduit 611 with the dryer 12 of the drying system 1.

Przedstawiony na rysunku fig. 1 system jest pewnym rozwinięciem bazowej konstrukcji elektrowni według wynalazku, która w nieprzedstawionym na rysunku najprostszym przykładzie wykonania może zawierać jedynie system pirolityczno-energetyczny 2 z ogniwem paliwowym 24 i system zgazowania 3, w którym odprowadzenie gazu syntezowego z systemu zgazowania 3 zasila ogniwo paliwowe 24. Pozostałe komponenty systemów przedstawionych na rysunku fig. 1 korzystnie poprawiają sprawność elektrowni i polepszają jej eksploatacyjne warunki pracy.The system shown in Fig. 1 is a development of the basic structure of the power plant according to the invention, which in the simplest embodiment not shown in the drawing can only include a pyrolysis-energy system 2 with a fuel cell 24 and a gasification system 3, in which the syngas is removed from the gasification system 3 feeds fuel cell 24. The other components of the systems shown in Fig. 1 advantageously improve the efficiency of the power plant and improve its operating conditions.

Elektrownia przedstawiona na rysunku fig. 1 wytwarza energię z użyciem ogniwa paliwowego 24 w następujących etapach.The power plant shown in Fig. 1 produces power using a fuel cell 24 in the following steps.

W pierwszej kolejności materiał opałowy jest wstępnie osuszany w systemie osuszania 1 z wykorzystaniem wirowego oddzielania materiału stałego od pary wodnej w cyklonie 13.First, the fuel is pre-dried in the drying system 1 using the vortex separation of solids from water vapor in a cyclone 13.

Następnie osuszony i odpowietrzony materiał opałowy jest za pomocą podajnika próżniowego 14 dostarczany do komory pirolizy 23 systemu pirolityczno-energetycznego 2, gdzie poddawany jest procesowi częściowej pirolizy szybkiej w temperaturze około 1000°C z ogrzewaniem pośrednim z wykorzystaniem płaszczowego ogrzewacza 22.Then, the dried and deaerated fuel is supplied by a vacuum feeder 14 to the pyrolysis chamber 23 of the pyrolysis-energy system 2, where it is subjected to a partial rapid pyrolysis process at a temperature of about 1000 ° C with indirect heating using a jacket heater 22.

Kolejno, otrzymana na wyjściu komory pirolizy pozostałość popirolityczną, zawierająca głównie ciało stałe o podwyższonej wartości opałowej i oddzielone od niego gazowe związki chloru, trafia do reaktora zgazowania 31 systemu zgazowania 3, gdzie jest poddawana procesowi zgazowania w temperaturze przekraczającej 750°C z dostarczaniem pary wodnej za pośrednictwem dysz 32. W wyniku zgazowania na wyjściach reaktora 31 otrzymuje się dwa oddzielne produkty: wysokoenergetyczny gaz syntezowy zawierający gazy palne takie jak wodór, metan lub tlenek węgla i przetwarzany dalej w systemach 2, 5 i 6; oraz niskokaloryczny, higroskopijny i kruchy karbonizat w formie ciała stałego przetwarzany dalej w systemie 4.Subsequently, the pyrolysis residue obtained at the exit of the pyrolysis chamber, containing mainly a solid with increased calorific value and gaseous chlorine compounds separated from it, goes to the gasification reactor 31 of the gasification system 3, where it is subjected to the gasification process at a temperature exceeding 750 ° C with steam supply via nozzles 32. Gasification at the outputs of reactor 31 produces two separate products: high energy synthesis gas containing combustible gases such as hydrogen, methane or carbon monoxide and further processed in systems 2, 5 and 6; and low caloric, hygroscopic and brittle solid char, further processed in system 4.

Gaz syntezowy jest następnie poddawany chłodzeniu w chłodnicy 52, przy czym odbierane ciepło kierowane jest zwrotnie do wykorzystania w osuszaczu 12 systemu osuszania 1.The syngas is then cooled in a cooler 52, the heat extracted back for use in the dryer 12 of the drying system 1.

W następnym etapie w separatorze 51 z gazu syntezowego wydzielany jest wodór cząsteczkowy i proste jego związki oraz związki chloru. Pozostałość gazu syntezowego po oddzieleniu tych składników stanowi wtórny gaz syntezowy.In the next step, molecular hydrogen and its simple compounds as well as chlorine compounds are separated from the synthesis gas in the separator 51. The residual synthesis gas after the separation of these components constitutes secondary synthesis gas.

Związki wodoru kierowane są do wysokotemperaturowych ogniw paliwowych 24 ogrzewanych za pomocą ogrzewacza 22, w których są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Z kolei para wodna zawarta w spalinach ogniw paliwowych 24 powstałych w wyniku spalania wtórnego gazu syntezowego jest przekazywana kanałem 211 i wykorzystywana w procesie zgazowania pozostałości popirolitycznych w reaktorze zgazowania 31.The hydrogen compounds are directed to high temperature fuel cells 24 heated by a heater 22, where they are used to generate electricity. On the other hand, the water vapor contained in the flue gases of fuel cells 24 resulting from the combustion of secondary synthesis gas is transferred through the channel 211 and used in the process of gasification of pyrolysis residues in the gasification reactor 31.

Wtórny gaz syntezowy kierowany jest również do silnika spalinowego 61 sprzężonego mechanicznie z generatorem energii elektrycznej 62 oraz zwrotnie do zasilania ogrzewacza 22 komory pirolitycznej 23.The secondary synthesis gas is also directed to the combustion engine 61 mechanically coupled to the electric energy generator 62 and feed back to the heater 22 of the pyrolysis chamber 23.

Karbonizat jest z kolei przetwarzany w systemie obróbki karbonizatu 4 poprzez wytworzenie jego mieszaniny z rozdrobnionym węglem i spoiwem w młynie 41, która to mieszanina jest następnie poddawana brykietowaniu.The char is in turn processed in the char treatment system 4 by producing a mixture thereof with ground coal and a binder in a mill 41, which mixture is then briquetted.

Ponadto sposób wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni zilustrowanej na rysunku fig. 1 zawiera również dwa etapy pozyskiwania ciepła użytkowego. W pierwszym z nich wykorzystywane jest ciepło od silnika spalinowego 61 zasilanego wtórnym gazem syntezowym, zaś w drugim wykorzystywane jest ciepło pierwotnego gazu syntezowego schładzanego w chłodnicy 52. Tak więc elektrownia z rysunku fig. 1 jest w zasadzie elektrociepłownią, choć w obu przypadkach ciepło to wykorzystywanego jest w całości na jej potrzeby i dostarczane do osuszacza 12.In addition, the method of generating electricity in the power plant illustrated in Fig. 1 also includes two steps for generating useful heat. The former uses heat from an internal combustion engine 61 powered by secondary synthesis gas, while the latter uses the heat of primary synthesis gas cooled in a cooler 52. Thus, the power plant in Figure 1 is essentially a combined heat and power plant, although in both cases this heat is used. it is fully provided for its needs and supplied to the dehumidifier 12.

Realizowany w systemie przedstawionym na rysunku fig. 1 sposób wytwarzania energii elektrycznej jest pewnym rozwinięciem podstawowego sposobu według wynalazku, który w najprostszym przykładzie realizacji nie musi obejmować, korzystnych ale jedynie opcjonalnych według wynalazku, etapów wstępnego suszenia materiału opałowego, separacji pierwotnego gazu syntezowego czy dodatkowego wytwarzania energii elektrycznej poza ogniwami paliwowymi. Nieodzownymi etapami sposobów wedługThe method of generating electricity carried out in the system shown in Fig. 1 is a development of the basic method according to the invention, which in the simplest embodiment does not have to include the steps of pre-drying the fuel, separation of primary synthesis gas or additional production, preferred but only optional according to the invention. electricity beyond fuel cells. The indispensable steps of the ways according to

PL 236 976 B1 wynalazku są bowiem jedynie etapy częściowej pirolizy wstępnej i następującego po niej zgazowania pozostałości popirolitycznych z wytwarzaniem pierwotnego gazu syntezowego, który może być bezpośrednio wykorzystywany w ogniwach paliwowych 24 ogrzewanych przez ogrzewacz 22 współdzielony z komorą pirolizy 23.For the purposes of the invention, there are only the steps of partial pre-pyrolysis and subsequent gasification of pyrolysis residues to produce primary synthesis gas that can be directly used in fuel cells 24 heated by heater 22 shared with pyrolysis chamber 23.

Na przedstawionym rysunku, celem lepszego zilustrowania wynalazku niektóre jego cechy mogły zostać pokazane z przesadą lub w pomniejszeniu, czy powiększeniu. Przedstawionych przykładów wykonania nie należy zatem traktować jako ograniczających zakres ochrony zdefiniowany w zastrzeżeniach patentowych.In the presented drawing, in order to better illustrate the invention, some of its features may have been exaggerated, or reduced or enlarged. The illustrated embodiments should therefore not be considered as limiting the scope of protection as defined in the claims.

Lista odsyłaczy numerycznych:List of numeric cross-references:

1. system osuszania1st drying system

11. zasyp11. charge

111. podajnik taśmowy111. belt feeder

12. osuszacz12. dryer

121. transporter121st transporter

13. cyklon13. cyclone

14. podajnik próżniowy kanał zwrotny14.vacuum feeder return channel

151. wylot (pary wodnej)151. outlet (steam)

2. system pirolityczno-energetyczny2. pyrolytic-energy system

21. obudowa21.casing

211. kanał (pary wodnej)Channel 211 (steam)

22. ogrzewacz22. heater

23. komora pirolizy23. pyrolysis chamber

24. ogniwa paliwowe24. fuel cells

3. system zgazowania3. gasification system

31. reaktor zgazowania31st gasification reactor

311. kanał (gazu syntezowego)311st Channel (Syngas)

32. dysze (pary wodnej)32 nozzles (steam)

4. system obróbki karbonizatu4. char treatment system

41. młyn elektromagnetyczny41. electromagnetic mill

42. skład brykietów42. briquette warehouse

5. system separacji5.separation system

51. separator51st separator

511. wylot (ogniw paliwowych)511th outlet (fuel cell)

512. wylot (wtórnego gazu syntezowego)512.outlet (secondary synthesis gas)

512a. kanał (ogrzewacza 22 komory pirolizy 23)512a. duct (heater 22 pyrolysis chamber 23)

512b. kanał (silnika spalinowego)512b. duct (internal combustion engine)

513. wylot (związków chloru)513. outlet (chlorine compounds)

52. chłodnica gazu syntezowego52. synthesis gas cooler

521. wylot (cieplny)521. outlet (thermal)

53. komora składowania chloru53. chlorine storage chamber

6. system energetyczny6. energy system

61. silnik spalinowy61st internal combustion engine

611. kanał (cieplny)611.Duct (thermal)

62. generator energii elektrycznej62nd electricity generator

Claims (16)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób wytwarzania energii elektrycznej z zastosowaniem ogniw paliwowych, zwłaszcza z wykorzystaniem utylizacji opałowych materiałów odpadowych, znamienny tym, że obejmuje etapy:A method of generating electricity with the use of fuel cells, in particular using the utilization of fuel waste materials, characterized in that it comprises the steps of: a) pirolizy materiału opałowego w komorze pirolizy;(a) pyrolysis of the fuel in the pyrolysis chamber; b) zgazowania pozostałości popirolitycznej uzyskanej w etapie a); orazb) gasification of the pyrolysis residue obtained in step a); and c) wytwarzania energii elektrycznej w co najmniej jednym ogniwie paliwowym zasilanym gazem syntezowym uzyskanym w etapie b), przy czym rzeczone ogniwo paliwowe jest ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 100°C, a korzystnie wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem, i znajduje się wraz z komorą pirolizy w jednej wspólnie ogrzewanej obudowie.c) generating electricity in at least one fuel cell fueled by the synthesis gas obtained in step b), said fuel cell being a fuel cell with an operating temperature greater than 100 ° C, preferably a solid oxide high temperature fuel cell, and located with with a pyrolysis chamber in one jointly heated housing. 2. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według zastrz. 2, znamienny tym, że obejmuje dodatkowy etap2. The method of generating electricity according to claim 1, The process of claim 2, which comprises an additional step e) oczyszczania gazu syntezowego uzyskanego w etapie b), w którym uzyskiwany jest wtórny gaz syntezowy.e) purifying the synthesis gas obtained in step b) wherein secondary synthesis gas is obtained. 3. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według zastrz. 2, znamienny tym, że przed etapem e) obejmuje dodatkowy etap3. The method of generating electricity according to claim 1, The process according to claim 2, characterized in that it comprises an additional step prior to step e) d) chłodzenia gazu syntezowego uzyskanego w etapie b), w którym uzyskiwane jest ciepło użytkowe.d) cooling the synthesis gas obtained in step b) in which useful heat is obtained. 4. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że obejmuje dodatkowy etap4. The method of generating electricity according to claim 1, A process as claimed in claim 2 or 3, characterized in that it comprises an additional step f) zasilania ogrzewacza komory pirolizy wtórnym gazem syntezowym uzyskanym w etapie e).f) feeding the pyrolysis chamber heater with the secondary synthesis gas obtained in step e). 5. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według zastrz. 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że obejmuje dodatkowy etap5. The method of generating electricity according to claim 1 A process as claimed in any of claims 2 to 3 or 4 which comprises an additional step g) zasilania silnika spalinowego wtórnym gazem syntezowym uzyskanym w etapie e), przy czym rzeczony silnik jest sprzężony z generatorem energii elektrycznej.g) feeding the internal combustion engine with the secondary synthesis gas obtained in step e), said engine being coupled to an electric power generator. 6. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że uzyskana w etapie c) para wodna zawarta w spalinach ogniwa paliwowego jest wykorzystywana w procesie zgazowania pozostałości popirolitycznej w etapie b).6. The method of generating electricity according to any of the preceding claims, characterized in that the water vapor contained in the exhaust gas of the fuel cell obtained in step c) is used in the process of gasification of pyrolysis residue in step b). 7. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że etap e) oczyszczania gazu syntezowego obejmuje wydzielenie z gazu syntezowego związków chloru.A method for generating electricity according to any of the preceding claims, characterized in that the step e) purifying the synthesis gas comprises separating chlorine compounds from the synthesis gas. 8. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że karbonizat uzyskany w etapie b) poddawany jest wraz ze spoiwem brykietowaniu.8. The method of generating electricity according to any of the preceding claims, characterized in that the char obtained in step b) is subjected to briquetting together with the binder. 9. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że piroliza jest realizowana w etapie a) w temperaturze od 600 do 1100°C.9. Electricity generation method according to any of the preceding claims, characterized in that the pyrolysis is carried out in step a) at a temperature of 600 to 1100 ° C. 10. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że zgazowanie w etapie b) jest realizowane w temperaturze wyższej od10. The method of generating electricity according to any of the preceding claims, characterized in that the gasification in step b) is carried out at a temperature higher than 750°C.750 ° C. 11. Sposób wytwarzania energii elektrycznej według dowolnego z zastrz. 1-9, znamienny tym, że rzeczone ogniwo paliwowe jest wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 500°C, a korzystnie ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem (SOFC).11. A method of generating electricity according to any one of the preceding claims. The method of any of claims 1 to 9, characterized in that said fuel cell is a high temperature fuel cell with an operating temperature greater than 500 ° C, preferably a solid oxide fuel cell (SOFC). 12. Elektrownia wytwarzająca energię elektryczną z zastosowaniem ogniw paliwowych, zwłaszcza z wykorzystaniem utylizacji opałowych materiałów odpadowych, znamienna tym, że zawiera system pirolityczno-energetyczny (2) zawierający komorę pirolizy (23) oraz co najmniej jedno ogniwo paliwowe (24), oraz system zgazowania (3) zawierający reaktor zgazowania (31), przy czym rzeczone ogniwo paliwowe (24) jest ogniwem paliwowym o temperaturze pracy wyższej od 100°C, a korzystnie wysokotemperaturowym ogniwem paliwowym ze stałym tlenkiem, jest zasilane gazem syntezowym uzyskanym w reaktorze zgazowania (31) i znajduje się wraz z komorą pirolizy (23) w jednej wspólnie ogrzewanej obudowie (21).12. Power plant for generating electricity using fuel cells, in particular using the utilization of combustible waste materials, characterized in that it comprises a pyrolysis-energy system (2) comprising a pyrolysis chamber (23) and at least one fuel cell (24), and a gasification system (3) comprising a gasification reactor (31), said fuel cell (24) being a fuel cell with an operating temperature greater than 100 ° C, preferably a high temperature solid oxide fuel cell, fed with synthesis gas obtained in the gasification reactor (31) and is located together with the pyrolysis chamber (23) in one co-heated housing (21). 13. Elektrownia według zastrz. 12, znamienna tym, że zawiera system separacji (5) zawierający separator (51) gazu syntezowego.13. Power plant according to claim The method of claim 12, wherein the separation system (5) comprises a syngas separator (51). PL 236 976 Β1PL 236 976 Β1 14. Elektrownia według zastrz. 13, znamienna tym, że system separacji (5) zawiera dodatkowo chłodnicę (52) gazu syntezowego.14. Power plant according to claim The apparatus of claim 13, characterized in that the separation system (5) further comprises a syngas condenser (52). 15. Elektrownia według zastrz. 13 albo 14, znamienna tym, że zawiera system energetyczny (6) zawierający silnik spalinowy (61) sprzężony z generatorem energii elektrycznej (62).15. Power plant according to claim A gasoline engine according to claim 13 or 14, characterized in that it comprises a power system (6) comprising an internal combustion engine (61) coupled to an electric power generator (62). 16. Elektrownia według zastrz. 12 albo 13 albo 14 albo 15, znamienna tym, że zawiera system osuszania (1) zawierający osuszacz (12) materiałów opałowych, cyklon (13) oddzielania materiału opałowego od pary wodnej oraz podajnik próżniowy (14) dostarczający wysuszony i odpowietrzony materiał opałowy do komory pirolizy (23).16. Power plant according to claim 12 or 13 or 14 or 15, characterized in that it comprises a drying system (1) comprising a fuel dryer (12), a cyclone (13) for separating the fuel material from steam, and a vacuum feeder (14) for delivering dried and deaerated fuel to the chamber pyrolysis (23).