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

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

sposobu

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 CH

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 chlodnym 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 wypełniona 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 explicité 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 SO

. 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 patentowego nr 156 779 lub zostało opisane w publikacji [Matros, Y. S.,Bunimovich, G. A., 1995- Control 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 165208 oraz 175716.

Opis patentowy nr 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 opis patentowy nr 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 pusta 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 strona 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 w 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 izolowana komora 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 izolowana 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 nisko stężonej 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 XXw. 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 (tzw. CFRR od ang. Catalytic Flow Reversal Reactors) oraz

termiczne (tzw. 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- Homogeneous 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 pół-techniczne, 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

/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 methane- air 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 MnO

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 IICh 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 Nr3/2010])

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 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 pół-cyklu, 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 3,870,474 i 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 wymaga dość skomplikowanej budowy reaktora. Stosunkowo prosty sposób eliminacji wydmuchów ujawniony we wspomnianym powyżej polskim opisie patentowym 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 MW

. Żaden lokalny odbiorca ciepła nie zaakceptuje tak nierównomiernej dostawy energii, zaś oddawanie jej po przetworzeniu, jako energii elektrycznej do systemu, też napotykać będzie 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 nisko stężonych mieszanek: składnik palny – powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej oraz opracowanie konstrukcji urządzenia rewersyjnego do realizacji tego sposobu, zwłaszcza do spalania mieszanek metan-powietrze o stężeniach CH

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 nisko-stężonej 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.

Jeśli odbiór ciepła realizowany jest przez upust gorącego gazu do aparatu odbioru ciepła urządzenie będące przedmiotem wynalazku winno zapewnić odpowiednio wysoką konwersję spalania nie tylko na wylocie z urządzenia, lecz także w punkcie, w którym dokonuje się upustu gazów do aparatu odbioru ciepła. Ten cel realizowany jest przez odpowiednie prowadzenie procesu 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 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. Wg 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.

Istota sposobu utylizacji nisko stężonych 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 wewnętrzne urządzenie grzewcze, czujniki temperatury i składu oraz elementy układu regulacji automatycznej, zasilanym nisko stężoną 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 wysoko stężonej mieszanki paliwowej wprowadza się w formie domieszki do strumienia nisko stężonej mieszanki zawierającej składnik palny, podawanej do urządzenia rewersyjnego lub do wewnętrznego urządzenia grzewczego.

Pod pojęciem wysoko stężonej mieszanki paliwowej rozumie się mieszankę

o stężeniu czynnika palnego znacznie wyższym niż stężenie mieszanki nisko

stężonej utylizowanej w urządzeniu, korzystnie o stężeniu powyżej 30% obj., natomiast pod pojęciem nisko stężonej mieszanki paliwowej rozumie się stężenie zwykle poniżej 1% obj.

Natężenie przepływu wysoko stężonej 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 przez 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 wahania temperatury w przewodzie podającym gaz do aparatu odbioru ciepła mieściły się w granicach 750 do 1100 °C.

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 T

i T

, 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 |T

– T

| nie przekracza ani nie osiąga zadanej dodatniej wartości T

, lub,

- gdy sekcja spalania I jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia w momencie, kiedy różnica temperatur (T

– T

) pomiędzy wybraną temperaturą w sekcji spalania II i wybraną temperaturą w sekcji spalania I osiąga zadaną wartość dodatnią T

, natomiast,

- gdy sekcja spalania II jest sekcją wlotową, dokonuje się przełączenia kierunku

przepływu w momencie kiedy różnica temperatur (T

– T

) osiąga zadaną wartość

dodatnią T

.

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 T

w sekcji spalania II osiąga zadaną przez operatora procesu wartość dodatnią T

, lub gdy sekcja spalania II jest sekcją wlotową przełączenia kierunku przepływu dokonuje się w momencie, gdy temperatura T

osiąga zadaną wartość dodatnią T

.

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 |T

– T

| zadanej dodatniej wartości T

, gdzie T

> T

, 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 t

przekracza

dopuszczalną wartość t

tzn. (t

> t

) zmiany kierunku przepływu dokonuje się

niezależnie od wartości temperatur T

i T

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 według wynalazku zasilanym nisko stężoną mieszanką: składnik palny – powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej, posiadającym żaroodporny korpus z zewnętrzną izolacją cieplną, mieszczący przynajmniej jedną parę sekcji spalania posiadające sekcje I i II w każdej parze, połączone z przestrzeni między sekcjami I i II rurociągiem kierującym część mieszanki gazowej do aparatu odbioru ciepła. Każda sekcja zawiera wypełnienie strukturalne, korzystnie z bloków monolitycznych posiadających kanaliki o niskich oporach przepływu, które mogą być osadzone na podsypce ceramicznej, wyposażone w przynajmniej jedno wewnętrzne urządzenie grzewcze, czujniki temperatury i składu chemicznego gazu oraz elementy układu regulacji automatycznej, zawór rewersyjny oraz układ doprowadzenia nisko stężonej mieszanki zawierającej składnik palny, które w sekcjach spalania ma umieszczone symetrycznie czujniki temperatury i posiada dodatkowe doprowadzenie wysoko stężonej mieszanki palnej przyłączone do układu doprowadzenia nisko stężonej mieszanki zawierającej składnik palny lub do wewnętrznego urządzenia grzewczego.

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 m

/g, a korzystnie poniżej 1 m

/g.

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 korzystnie, wyposażone jest w analizator i/lub czujnik stężenia czynnika palnego oraz organ odcinający dopływ paliwa do mieszalnika.

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 elektrycznych 7, 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 – profil 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 monolitycznego wypełnienia strukturalnego 1, 2,

usytuowanymi na ziarnistej podsypce z ceramicznych kształtek 3, 4 stanowiących

zabezpieczenie równomiernego rozpływu gazu w urządzeniu. Ściany urządzenia

rewersyjnego są wymurowane 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 grzejnikami 7 elektrycznymi, które są wyłączane w momencie, kiedy temperatura wypełnienia osiągnie temperaturę umożliwiającą zapłon mieszanki zawierającej składnik palny.

Alternatywnie, zamiast grzejników 7 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 sinego 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 zaworu rewersyjnego 11 przez króciec wlotowy

8, jeśli trzpień zaworów rewersyjnych 13 znajduje się w skrajnym lewym położeniu

i wówczas główny wylot mieszanki stanowi króciec 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 wlotowy 9 i wówczas główny wylot stanowi króciec 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 8, jeśli otwarte są zawory 11 i 12 a zamknięte zawory 13 i 14. Wówczas Sekcja I (wypełnienie 1 i podsypka 3) jest sekcją wlotową, a Sekcja II (wypełnienie 2 i podsypka 4) sekcją wylotową. W przeciwnym pół-cyklu rewersji mieszanina podawana jest przez króciec 9, gdyż otwarte są zawory 13 i 14 a zamknięte zawory 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 króćcem wylotowym 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 nisko stężoną mieszankę paliwową podawane

jest przewodem 15, do którego przez zawór 16 i przewód 17 może być dozowany

dodatkowy, wysoko stężony, czynnik palny. Po zmieszaniu wentylator 19 tłoczy

mieszankę przez przewód 21 do zaworu rewersyjnego 11 lub 12 w zależności od

aktualnego pół-cyklu rewersji. Część gorącego gazu pobierana pomiędzy sekcjami 1 i 2 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 zawór rewersyjny 12 lub 11 kierowana jest do komina 23, a następnie do atmosfery. Natężenie przepływu gazu kierowanego do aparatu odbioru ciepła 22 reguluje się przepustnicą 25.

Strumień gazu odbieranego rurociągiem 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 26 jest tylko nieznacznie wyższa niż średnia temperatura gazu w

rurociągu 21. Kiedy jednak przez dodatek wysoko stężonej mieszanki paliwowej

uzyskuje się stabilizację odbieranego ciepła w aparacie 22, to wówczas przepływ

odbierany rurociągiem 10 będzie też w przybliżeniu stały, jeśli tylko wahania

temperatury gazu pobieranego rurociągiem 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 do

wykonywania korekty tego przepływu może być zarówno przed, jak i za aparatem

odbioru ciepła. Ze względu jednak na temperaturę, w której pracuje ta przepustnica,

bardziej korzystne jest jej umieszczenie za aparatem 22, jak to pokazano na rysunku Fig. 3.

Sposób utylizacji nisko stężonych mieszanek: składnik palny – powietrze ze stabilnym odbiorem energii cieplnej wg wynalazku może być np. realizowany całkowicie, lub częściowo automatycznie przez zastosowanie sterownika 24.

Stabilizację ilości energii odbieranej w aparacie 22 (np. kocioł parowy) można osiągać sygnałem sterownika 24 na dwa sposoby: dodając w mieszalniku 18 do gazu przepływającego przewodem 15 wysoko stężonej mieszanki paliwowej podawanej rurociągiem 17, np. w przypadku spalania VAM mieszanki metanowej uzyskiwanej przy odmetanowaniu złoża, tak aby poprzez ustawianie zaworem 16 stężenia paliwa podawanego do urządzenia rurociągiem 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 palnika 7

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 rurociągiem 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 wysoko stężonej mieszanki paliwowej zaworem 16 do mieszalnika 18 stężenie czynnika palnego podawane do urządzenia rewersyjnego rurociągiem 21 jest kontrolowane analizatorem lub czujnikiem stężenia paliwa 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 paliwo rurociągiem 17 do mieszalnika. Zamknięcie dopływu wysoko stężonego 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 rurociąg 10, dokonywanej przepustnicą 25. Po dokonaniu korekty upustu można wznowić dostawę paliwa wysoko stężonego rurociągiem 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 wysoko stężonego do mieszalnika.

W obu odmianach urządzenia rewersyjnego, zarówno pokazanej na Fig. 1 lub

Fig. 2, w tych samych odległościach od wlotu do Sekcji wlotowej wypełnienia 1, 2

i wylotu z jego Sekcji wylotowej umieszczone są czujniki temperatur T

i T

,

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 (T

– T

) lub (T

– T

) 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: układ sterujący 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 |T

– T

|

nie przekracza zadanej wartości T

, bądź dokonuje przełączenia w momencie,

kiedy różnica temperatur (T

– T

) pomiędzy wybraną temperaturą w Sekcji II i

wybraną temperaturą w Sekcji I przekracza zadaną wartość dodatnią T

, jeśli

Sekcja I jest sekcją wlotową, lub w momencie kiedy różnica temperatur (T

– T

) osiąga zadaną wartość dodatnią T

, 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.

Układ sterujący 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 |T

– T

| zadanej dodatniej wartości T

, gdzie T

> T

, 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.

Układ sterujący 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 T

i T

, 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

. Tak więc, kiedy podczas sterowania automatycznego czas trwania bieżącego pół- cyklu t

przekracza dopuszczalną wartość t

, tzn. (t

> t

) to wówczas układ sterujący 24 dokonuje rewersji przepływu, niezależnie od wartości temperatur T

i T

.

Tabela 1.

Instalacja demonstracyjno badawcza (wyniki) (dla natężenia przepływu ok. 400 Nm

/h)

Stęż.

CH

Kon- wersja

CH

Upust gorącego gazu do utylizacji

Temp.

upustu

Odzysk ciepła na 100 tys. Nm

/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

demonstracyjno badawczej o przepustowości mieszanki metan-powietrze do ok. 400

Nm

/h. Skrót wyników badawczych ilustruje załączona Tabela 1, w której odzysk

ciepła z urządzenia przeliczono na przepływ 100 tys. Nm

/h przerabianej mieszaniny

metanowo-powietrznej.

Badania pozwoliły ustalić, że racjonalne ilości ciepła, które da się zagospodarować uzyskuje się dla stężeń powyżej 0,4 %obj. CH

w strumieniu zasilającym TFRR. 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. CH

, 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 upust 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.

1 2

3 4

5 6 7

8 9

10

12 T I

11

T II

13

Sekcja II Sekcja I

Fig. 1

1

2

5 3

4 8

6

7

1

9

10 11

13 12

14

T _II T _I

Sekcja I

Sekcja II

Fig. 2

15

16 17

18

22

23

1 2

11 12

T _I T _II

21 10

19

Sekcja I Sekcja II

25

A 20

26

Fig. 3

Symetryczny profil temperatury wzdłuż wypełnienia

0 250 500 750 1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Długość wypełnienia [ m ] [^oC]

Sekcja I Sekcja II

Asymetryczny profil temperatury wzdłuż wypełnie

0 250 500 750 1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Długość wypełnienia [ m ] [ ^oC ]

nia

3 Sekcja I Sekcja II

Fig. 4