FI20075374A - Menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi ja myötävirtakaasutin - Google Patents

Description

Menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi ja myötävirtakaasutin

Keksinnön kohteena on menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi, joka menetelmä käsittää pyrolyysivaiheen, jossa polttoaine hajoaa pyroiyysituotteiksi, ja kaasutusvalheen, jossa pyrolyysituotteet kaasutetaan tuotekaasuksi. Keksinnön kohteena on myös menetelmän mukaisesti toimiva myötävirtakaasutin.

Kiinteistä polttoaineista, kuten puuhakkeesta, voidaan valmistaa palavaa tuote-kaasua erilaisten kaasutusmenetelmien avulla. Kaasuttimet voidaan jakaa toimintaperiaatteensa mukaan kiinteäkerroskaasuttimiin, vastavirtakaasuttimiin, ristivir-takaasuttimiin ja myötävirtakaasuttimiin. Myötävirtakaasutuksessa käytettävä kaasutin käsittää pystyasennossa olevan reaktorin, jossa polttoaineen kaasutus tapahtuu. Polttoaine syötetään reaktorin yläosaan, josta se valuu painovoiman vaikutuksesta alaspäin. Kaasutuksessa tarvittava ilma syötetään reaktorin keskiosaan, ja syntyvä tuotekaasu poistuu reaktorin alaosasta.

Toiminnassa olevan myötävirtakaasuttimen reaktorissa voidaan erottaa seuraavat vyöhykkeet: Reaktorin yläosassa on kuivumisvyöhyke, jossa polttoaine lämpenee ja samalla kuivuu. Kuivumisessa tarvittava lämpö saadaan reaktorin kuumasta alaosasta, josta se johtuu ylöspäin reaktorin seinämiä pitkin ja polttoainekerrok-sen läpi. Koska polttoainekerros on yleensä huonosti lämpöä johtava, kuivumisvyöhyke on melko korkea suhteessa reaktorin kokonaiskorkeuteen. Kuivumis-vyöhykkeen alapuolella on pyrolyysivyöhyke, jossa polttoainetta kuumennetaan hapettomissa olosuhteissa. Tällöin polttoaineesta irtoaa haihtuvia primäärisiä tervoja ja pyrolyysikaasuja, ja syntyy kiinteää jäännöshiiltä. Pyrolyysi tapahtuu yleensä 200-500 °C lämpötilassa. Pyroiyysivyöhykkeen alapuolella on palamis-vyöhyke, jossa jäännöshiili palaa korkeassa lämpötilassa. Palamista ylläpidetään johtamalla palamisvyöhykkeeseen ilmaa tai happea. Pyrolyysikaasut ja höyrystyneet primääriset tervat kulkevat palamisvyöhykkeen läpi, jolloin tervayhdisteet krakkaantuvat pienemmiksi yhdisteiksi. Paiamisvyöhykkeessä jäännöshiili reagoi hiilidioksidin ja vesihöyryn kanssa, jolloin tapahtuu kaasuuntuminen, jossa syntyy hiilidioksidia, hiilimonoksidia, vetyä ja metaania sisältävää tuotekaasua. Kaasuuntuminen tapahtuu yleensä 600-1000 °C:n lämpötilassa. Reaktorin alaosassa on kavennus ja sen alapuolella tulipesä, josta syntynyt tuotekaasu poistetaan. Eräs edellä kuvatulia periaatteella toimiva myötävirtakaasutin on esitetty julkaisussa US 2002/0069798.

Tunnetun tekniikan mukaisiin kaasutusmenetelmiin ja myötävirtakaasuttimiin liittyy useita epäkohtia. Kaasuttimissa käytettävän polttoaineen tulisi olla mahdollisimman kuivaa. Tämä johtuu siitä, että kosteaa polttoainetta käytettäessä kaasutus-reaktorissa ei saavuteta riittävän korkeita lämpötiloja primääristen tervojen kokkaamiseksi. Polttoaineen tulee lisäksi olla rakenteeltaan pääosin palamaista, jotta polttoainekerros säilyisi kaasuja läpäisevänä. Kuivan ja paiamaisen polttoaineen käytöstä huolimatta tekniikan tason mukaisilla meneteimiilä valmistettu tuotekaasu sisältää huomattavan paljon epäpuhtauksia ja tervayhdisteitä, jotka vaikeuttavat tuotekaasun käyttämistä mm. moottoreissa. Tuotekaasun moottorikäyttö edellyttääkin aina jonkintasoista puhdistusta, josta syntyy lisäkustannuksia. Erityisesti tervan poistaminen tuotekaasusta on kuitenkin ongelmallista ja kallista varsinkin pienimittakaavaisessa tuotannossa. Puhdistusongelmien vuoksi tuotekaasua käytetäänkin nykyään lähes yksinomaan lämpöenergian tuottamiseen tuotekaasua polttamalla. Tunnetuissa ratkaisuissa kaasutuksessa syntyvä tuhka poistetaan mekaanisilla laitteilla kaasuttimen tuiipesästä. Poistettava tuhka on kuumaa ja voi sisältää hehkuvia hiiliä, minkä vuoksi tuhkanpoistoon sisältyy aina tulipaloriski.

Keksinnön tavoitteena on tuoda esiin uusi kaasutusmeneteimä ja myötävirtakaa-sutin, joilla voidaan merkittävästi vähentää tunnettuun tekniikkaan liittyviä haittoja ja epäkohtia.

Keksinnön mukaiset tavoitteet saavutetaan menetelmällä ja myötävirtakaasutti-mella, joille on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön kohteena on menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi, joka menetelmä käsittää pyrolyysivaiheen, jossa polttoaine hajoaa pyrolyysituotteiksi, sekä kaasutusvaiheen, jossa pyroiyysituotteet kaasutetaan tuotekaasuksi. Menetelmän perusajatuksena on, että siinä hidastetaan polttoaineen iämpötilan nousua ennen pyrolyysivaiheen alkamista. Polttoaineen lämpenemisen estämisellä varmistetaan, että polttoaine ei kuivu hakesiilossa ja että pyrolyysi ei pääse alkamaan polttoaineen ollessa vielä hakesiilossa. Menetelmässä pyrolyysin alkaminen siirretään tarkoituksella mahdollisimman lähelle kaasutusvaihetta ja pyrolyysivai-heesta pyritään tekemään ajallisesti mahdollisimman lyhyt. Keksinnön mukaisessa menetelmässä toimitaan siten täysin päinvastoin kuin tunnetuissa kaasuttimissa, joissa polttoainetta pyritään kuivaamaan sen ollessa hakesiilossa ja joissa polttoaineen pyrolyysi alkaa jo hakesiilossa.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä edullisessa suoritusmuodossa polttoaineen lämpötilan nousua hidastetaan rajoittamalla kaasutusvaiheessa syntyvän lämmön siirtymistä polttoaineeseen. Edullisesti lämmön siirtymistä polttoaineeseen rajoitetaan siirtämällä lämpöä kaasutusilmaan.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräässä toisessa edullisessa suoritusmuodossa käytetään biopolttoainetta, jonka kosteus on yii 20 painoprosenttia, edullisesti yli 30 painoprosenttia.

Keksinnön mukaisessa myötävirtakaasuttimessa on hakesiilo kaasutettavaa polttoainetta varten ja hakesiilon alapuolelle sijoitettu tulipesä. Kaasuttimessa on lisäksi välineet kaasutusilman johtamiseksi kaasuttimen sisään sekä tuotekaasu-putki syntyvän tuotekaasun johtamiseksi pois kaasuttimesta. Kaasuttimen perusajatuksena on, että hakesiilon ja tulipesän välissä on lämmön siirtymistä rajoittava rakenneosa. Edullisesti tämä rakenneosa on ilmakanava, joka on muodostettu siten, että kaasuttimessa on ylempi välipohja, joka muodostaa ilmakanavan yläpinnan, ja alempi välipohja, joka muodostaa ilmakanavan alapinnan, jolloin hakesiilo on sijoitettu ylemmän välipohjan yläpuolelle ja tulipesä alemman välipohjan alapuolelle.

Keksinnön mukaisen kaasuttimen eräässä edullisessa suoritusmuodossa tulipesä käsittää sisävaipan, keskivaipan, ulkovaipan ja arinan. Edullisesti sisävaippa kiinnittyy yläosastaan alempaan välipohjaan ja keskivaippa kiinnittyy yläreunastaan sisävaippaan, etäisyyden päähän alemmasta välipohjasta. Kaasutusilma on järjestetty johdettavaksi tulipesään keskivaipan ja ulkovaipan välisen tilan kautta.

Keksinnön mukaisen kaasuttimen eräässä toisessa edullisessa suoritusmuodossa tulipesän sisävaipan yläosassa on tulirengas poikkipinta-alan kavennuskohdan muodostamiseksi tulipesän yläosaan.

Keksinnön mukaisen kaasuttimen eräs kolmas edullinen suoritusmuoto käsittää ilmasuuttimia, jotka on sijoitettu tulipesän sisävaippaan tulirenkaan yläpuolelle.

Keksinnön etuna on, että se ei aseta juurikaan vaatimuksia käytettävän polttoaineen kosteudelle tai koostumukselle. Menetelmässä ja kaasutusgeneraattorissa voidaan käyttää polttoaineena suhteellisen kosteaa, ilmakuivattua (kosteuspro-sentti n. 30 painoprosenttia), kuorineen haketettua mäntyä, koivua, kuusta ja muita puulaatuja ja jopa talousjätteitä.

Lisäksi keksinnön etuna on, että kaasutuksessa syntyy erittäin vähän tervaa, minkä vuoksi tuotekaasun puhdistustarve on pieni. Vähäinen tervapitoisuus mahdollistaa myös syntyvän tuotekaasun polttamisen toiminnaltaan herkissä laitteissa, kuten ajoneuvojen moottoreissa.

Myötävirtakaasuttimen erään edullisen suoritusmuodon erityisenä etuna on, että siinä ei tarvita erillistä tuhkanpoistolaitteistoa, koska tuhka siirtyy lentotuhkana tuotekaasun mukana tulipesästä kaasunpuhdistimeen. Koska kaasuttimen tuli-pesässä ei ole tuhkanpoistoaukkoa, tulipalon syttymisen riski kaasuttimen ympäristössä vähenee.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkinomaisesti erästä keksinnön mukaista myötävirta- kaasutinta pystyleikkauksena ja kuvat 2a-2c esittävät esimerkinomaisesti kuvan 1 esittämää myötävirtakaasu-tinta vaakaleikkauksina.

Kuvassa 1 on esitetty esimerkinomaisesti eräs keksinnön mukainen myötävirta-kaasutin pystysuuntaisena poikkiieikkauskuvana. Kuvat 2a-2c esittävät kuvan 1 esittämää kaasutinta vaakasuuntaisina poikkileikkauskuvina leikkaustasoista A-A, B-B ja C-C kuvattuna. Keksinnön mukainen myötävirtakaasutin on käyttötilanteessa kuvan 1 mukaisessa pystyasennossa. Kaasuttimessa on lieriömäinen ulkokuori 10, jonka ylöspäin osoittavassa päässä on ilmatiivis, avattava kansi 12. Ulkokuoren sisällä on kaksi olennaisesti yhdensuuntaista, etäisyyden päässä toisistaan olevaa välipohjaa, ylempi välipohja 16a ja alempi välipohja 16b, jotka rajaavat väliinsä muodoltaan rengasmaisen ilmakanavan 18, jonka kautta polttoaineen kaasuttamisessa tarvittava kaasutusilma johdetaan sisään kaasuttimeen. Kaasuttimen ulkoseinämä muodostaa ilmakanavan ulkoseinämän ja kaasuttimen tulipesän si-sävaippa 34 muodostaa ilmakanavan sisäseinämän. Ilmakanavan alapuolinen osa muodostaa myötävirtakaasuttimen kaasutusosan, jossa tapahtuu varsinainen polttoaineen kaasuuntuminen. Ilmakanavan 18 yläpuolisessa osassa on välineet polttoaineen varastoimista ja kaasutusosaan syöttämistä varten. Käyttötilanteessa polttoaineosan ja kaasutusosan välissä oleva ilmakanava 18 toimii rakenneosana, joka vähentää lämmön siirtymistä kaasutusosasta polttoaineosaan.

Ylemmän välipohjan 16a yläpinnalla on rengasmainen tukikaulus 20, joka ohjaa muodoltaan lieriömäistä, molemmista päistä avointa hakesiiloa 14, johon kaasu tettava polttoaine annostellaan avattavan kannen 12 kautta. Hakesiilon halkaisija on selvästi pienempi kuin ulkokuoren halkaisija, joten hakesiilon ja ulkokuoren väliin jää rako, joka on leveydeltään edullisesti 50 mm. Hakesiilon pituus kaasuttimen korkeussuunnassa mitattuna on noin 2/3 kaasuttimen koko korkeudesta. Edullisesti hakesiilon pituus on 1100 mm ja halkaisija 500 mm. Hakesiilon alaspäin osoittavan ensimmäisen pään läheisyydessä on rengasmainen, hammastettu pyörityskehä 22, jonka halkaisija on olennaisesti yhtä suuri kuin tukikauluksen 20 halkaisija. Hakesiilon ensimmäinen pää on sovitettu tukikauluksen sisään siten, että pyörityskehän alaspäin osoittava reuna asettuu tukikauluksen ylöspäin osoittavaa reunaa kohti. Ulkokuoren 10 seinämään on järjestetty hakesiilon pyöritin 24, joka käsittää akselin päähän asennetun hammasrattaan 26 ja akselia pyörittävän toimilaitteen (toimilaitetta ei ole esitetty kuvissa). Hammasrattaan piikit on sovitettu asettumaan pyörityskehän 22 hammastuksiin siten, että hammasrattaan pyörittäminen saa aikaan hakesiilon kiertymisen pituusakselinsa ympäri. Pyörityskehä ja hakesiilo on tuettu hammasrattaan 26 varaan siten, että hakesiilon pyöriminen tapahtuu lähes kitkattomasti

Ylempi ja alempi välipohja 16a, 16b, ulkokuori 10 ja sisävaippa 34 muodostavat rengasmaisen ilmakanavan seinämät. Ilmakanavan sisällä on välilevy 48 (kuva 2b), joka sulkee kanavan yhdestä kohdasta kokonaan. Välilevyn ensimmäisellä puolella alemmassa välipohjassa on tuloaukko 57, jonka kautta kaasutusilma pääsee virtaamaa sisään ilmakanavaan, ja välilevyn toisella puolella on ilman poistoaukko 58, josta ilma pääsee virtaamaan pois ilmakanavasta. Kaasutusilma kiertää siten ilmakanavassa lähes täyden kierroksen. Ylemmässä ja alemmassa välipohjassa on lisäksi kohdakkain olevat reiät 59, joiden läpi kulkee poistoputki 61. Poistoputken yläpää päättyy ylemmän välipohjan yläpintaan hakesiilon ja ulkokuoren väliseen tilaan ja sen alapää ulottuu kaasuttimen ulkopuolelle. Poisto-putken kautta hakesiilon ja ulkokuoren väliin tiivistyvä kosteus ja muut sinne kertyvät epäpuhtaudet pääsevät poistumaan kaasuttimen ulkopuolelle. Edullisesti pyörivän hakesiilon ulkopintaan on kiinnitetty kaavin 49, jonka reunat kulkevat ylemmän välipohjan pintaa ja ulkokuoren seinämän pintaa pitkin ja ohjaavat siten joka kierroksella hakesiilon ja ulkokuoren välissä olevan veden ja epäpuhtaudet siirtymään poistoputkeen.

Ylemmässä ja alemmassa välipohjassa on reikä 30, jonka kautta avautuu yhteys hakesiilosta 14 kaasutusosaan. Reiät 30 on sijoitettu ylempään ja alempaan välipohjaan kohdakkain, mutta hakesiilon keskilinjaan nähden epäkeskisesti. Ylemmän yläpohjan yläpinnassa on sieppari 28, joka ohjaa ja siirtää hakesiilossa ole vaa polttoainetta välipohjan reikien läpi kaasutusosaan. Sieppari on kaareva, kou-rumainen metallilevy, joka on kiinnitetty alareunastaan ylempään välipohjaan hit-sikiinnityksellä siten, että siepparin yläreuna ulottuu hakesiilon alaosaan. Hakesii-Ion pyöriessä siepparin yläreuna kaapii alhaaitapäin hakesiilossa olevaa polttoai-nekerrosta, jolloin irtonainen polttoaine putoaa välipohjien reikien 30 läpi kaasutusosaan. Reiän 30 epäkeskinen sijoitus hakesiilon keskilinjaan nähden saa aikaan sen, että hakesiilon pyöriessä sieppari annostelee polttoainetta kaasutusosaan ylemmän välipohjan päällä olevalta, hakesiilon viileältä alueelta.

Myötävirtakaasuttimen kaasutusosassa on tulipesä 32, jossa on sisävaipan 34, keskivaipan 36 ja ulkovaipan 38 käsittävä kolmikerroksinen seinämärakenne. Kolmikerroksisella seinämällä saadaan aikaan suhteellisen viileä tulipesän ulkopinta ja samalla varmistetaan, ettei tulipesästä pääse karkaamaan kipinöitä ympäristöön. Tulipesän sisimmän seinämäpinnan muodostava sisävaippa on lieriömäinen osa, jonka yläreuna on ylemmän 16a välipohjan tasossa ja joka ulottuu ylemmän ja aiemman välipohjan reikien 30 läpi kaasutusosaan. Edullisesti sisävaippa on pituudeltaan n. 480 mm ja halkaisijaltaan n. 320 mm. Sisävaippa on kiinnitetty välipohjien reikien reunoihin hitsikiinnityksiliä, jolloin se muodostaa samalla ilma-kanavan 18 yhden seinämän. Sisävaipan alareunan tasossa on pyöreä arina 40. Arina on tuettu kahteen tukirenkaaseen 42, jotka on liitetty tappiliitoksella pyörö-tankoihin, jotka on puolestaan kiinnitetty tukilaippaan 45. Tukilaippa lepää arinan alle ulottuvan keskivaipan päällä. Tämä rakenne mahdollistaa sekä arinan että sen rakenteiden irrottamisen. Arinan keskiosan läpi kulkee pystysuuntainen akseli 46, jonka ensimmäinen pää ulottuu arinan yläpuolelle ja toinen pää ulottuu tulipesän seinämän läpi kaasuttimen ulkopuolelle. Akselin ensimmäiseen päähän on kiinnitetty siipimäinen tuhkakaavin 44. Akselia voidaan pyörittää toimilaitteella (ei esitetty kuvassa), jolloin tuhkakaavin pyörii arinan pintaa pitkin ja tuhka varisee arina läpi. Arinan puhdistus tuhkasta voidaan toteuttaa myös siten, että tuhkakaavin järjestetään tulipesään kiinteästi ja arina kiinnitetään pyöritettävän akselin päähän. Tällöin akselin pyörittäminen saa arinan pyörivään liikkeeseen.

Sisävaipan sisäpinnassa, hieman alemman välipohjan 16b korkeustason alapuolella on vaakasuuntainen, rengasmainen tulirengas 50, joka muodostaa tulipesän yläosaan sen poikkileikkausta pienentävän kavennuksen. Tulirengas on muodoltaan pyöreä, levymäinen osa, jonka keskellä on reikä. Edullisesti tulirenkaan reiän halkaisija on 90 mm. Tulirengas on tuettu paikoilleen lämpöliikkumisen mahdollistavalla tavalla kiinnittämällä sisävaipan sisäseinämään alempi tukirengas 52 ja sen päätie ylempi tukirengas 54 ja sovittamalla tulirengas tukirenkaiden väliin jää vään rakoon. Edullisesti tulirengas on vielä jaettu useaan, kuten kolmeen, olennaisesti yhtä suureen osaan kuumuuden aiheuttamien haitallisten muodonmuutosten estämiseksi.

Sisävaipan ympärillä on keskivaippa 36, joka muodostaa suljetun seinämäpinnan sisävaipan lieriömäisen sivuseinämän ulkopuolelle ja arinan 40 alapuolelle. Keskivaippa kaartuu yläreunastaan sisäänpäin ja yhdistyy sisävaippaan hieman tulirenkaan yläpuolella. Edullisesti keskivaippa on valmistettu teräksestä ja kiinnitetty yläreunastaan sisävaippaan hitsikiinnityksellä. Keskivaipan tehtävä on toimia säteilylämmön eristäjä. Keskivaipan ympärillä on ulkovaippa 38, joka muodostaa tulipesän uloimman kuoren. Ulkovaipan ja keskivaipan väliin muodostuu tulipesää ympäröivä tila, joka toimii kaasutusilman esilämmitysiilana. Esilämmitystilan yläpinnan muodostaa alempi välipohja 16b. Koska tulipesän ulkovaipan 38 ulkohalkaisija on pienempi kuin aiemman välipohjan ulkohalkaisija ja koska tulipesä sijaitsee epäkeskisesti alemman välipohjan alapuolella, osa alemmasta välipohjasta ulottuu ulkovaipan rajaaman alueen ulkopuolelle (kuva 2b). Tällä alemman välipohjan ulkovaipan ulkopuolisella osuudella on poistoaukko 58 (kuva 2b), johon on liitetty ilmaputken 64 ensimmäinen pää. Ilmaputken toinen pää on johdettu ulkovaippaan tehdyn reiän kautta ulkovaipan ja keskivaipan väliseen tilaan arinan alapuolelle. Poistoaukon kautta kaasutusilma pääsee virtaamaan ilmakanavasta ilmaputkeen 64 ja ilmaputkea pitkin edelleen esilämmitystilan alaosaan. Alemman välipohjan ja keskivaipan yläreunan välisellä osuudella esilämmitystila rajoittuu sisävaippaan 34. Tälle sisävaippaan rajoittuvalle rengasmaiselle esilämmitystilan seinämäosuudelle on järjestetty ilmasuuttimia 60, joiden kautta kaasutusilma johdetaan esilämmitystilasta tulirenkaan yläpuolelle. Edullisesti ilmasuuttimia on kuusi kappaletta ja niiden ilma-aukkojen halkaisija on 12 mm. Edullisesti kaasutusosan rakenteet on mitoitettu ja ilmasuuttimet on sijoitettu siten, että ilmasuuttimen keskipisteen etäisyys ylemmän välipohjan yläpinnan tasosta on 105 mm ja etäisyys tulirenkaasta 60 mm. Erityisesti tulirenkaan ja ilmasuuttimien välinen pieni etäisyys on merkittävää, koska vanhan kokemusperäisen tiedon mukaan näin pieni tulirenkaan ja ilmasuuttimien välinen etäisyys lisää tervan muodostusta. Keksinnön mukaisessa laitteessa näin ei kuitenkaan tapahdu, kuten myöhemmin osoitetaan.

Tulipesän sisältä johtaa kaasuttimen ulkopuolelle tuoteka asu putki 62. Tuotekaa-suputken ensimmäinen pää kiinnittyy tangentiaalisesti keskivaippaan 36 (kuva 2c) kulkien keskivaipan seinämän läpi. Tuotekaasuputken toinen pää on johdettu ulkovaipan 38 läpi kulkevan reiän kautta kaasuttimen ulkopuolelle. Ulkovaipan lä- pimenokohdassa ja tuotekaasuputken ympärillä on joustava paljetiiviste 66, joka varmistaa iäpimenokohdan tiiveyden myös lämpöliikkeiden tapahtuessa. Käyttötilanteessa tuotekaasuputken toiseen päähän järjestetään käynnistysimuri (käyn-nistysimuria ei ole esitetty kuvissa), jonka avulla kaasutusprosessi käynnistetään. Kun kaasutin on liitetty moottoriin, käynnissä oleva moottori kehittää jatkossa itse tarvittavan tuotekaasun imun. Kun tuotekaasua käytetään polttoaineena muissa käyttökohteissa, tuotekaasuputken päähän järjestetään erillinen imuri tuotekaasun imemistä varten.

Tuotekaasu poistuu tulipesästä arinan 40 läpi sisävaipan ja keskivaipan väliseen tilaan ja sieltä tuotekaasuputkea pitkin edelleen kaasuttimen ulkopuolelle. Tuote-kaasuputken tangentiaaiinen kiinnitys keskivaippaan saa aikaan pyörteisen tuote-kaasun virtauksen arinan alapuolelle, joka nostaa mukaansa tulipesässä syntyvän hienojakoisen lentotuhkan. Lentotuhka poistuu tulipesästä tuotekaasun mukana ja se erotetaan tuotekaasusta erillisessä pesurissa (pesuria ei ole esitetty kuvissa), jossa tuotekaasu puhdistetaan muistakin epäpuhtauksista. Keksinnön mukaisessa myötävirtakaasuttimessa ei siten tarvita erillistä tuhkanpoistolaitteistoa.

Keksinnön mukaiseen myötävirtakaasuttimeen kuuluu vielä sytytysmekanismi, jolla kaasutettava polttoaine sytytetään palamaan (sytytysmekanismia ei ole esitetty kuvissa). Kaasuttimessa voidaan käyttää useita erilaisia tunnetun tekniikan mukaisia sytytysmekanismeja, joita ei kuvata tässä yhteydessä tarkemmin. Edullisesti sytytysmekanismi on automaattinen, nestekaasutoiminen tai sähkötoiminen mekanismi. Automaattista sytytysmekanismia tarvitaan käytännössä vain kaasuttimen ylösajovaiheessa, kun tulipesässä ei ole lainkaan kytevää polttoainetta. Tulipesän hyvän lämmöneristyskyvyn ansiosta kaasuttimen käynnistysvalmius säilyy hyvänä pitkään käytön keskeytyksen jälkeen. On todettu, että uudeileensytytystä ei tarvita, jos kaasuttimen uudelleenkäynnistys tapahtuu alle kahden tunnin kuluttua käytön keskeytyksestä. Tällöin uudelleenkäynnistykseen riittää käynnistysimurin käynnistäminen ja polttoaineen annosteleminen tulipesään.

Keksinnön mukaisen menetelmän mukaisesti toimiva myötävirtakaasutin toimii seuraavaila tavalla. Hakesiilon 14 kansi 12 avataan ja hakesiiloon annostellaan sopiva määrä polttoainetta, jolloin osa polttoaineesta valuu tulipesään 32. Tämän jälkeen kansi suljetaan ilmatiiviisti. Keksinnön mukainen myötävirtakaasutin voidaan varustaa myös automaattisella, sulkusyöttimen käsittävällä täyttömekanismillä, jolla polttoainetta syötetään hakesiiloon. Tällöin hakesiilon kantta ei tarvitse avata polttoaineen syötön ajaksi.

Kaasuttimen polttoaineena voidaan käyttää kuorineen haketettua mäntyä, koivua, kuusta, pajua tai muita puulajeja. Puuhake saa olla ilmakuivattua, jolloin sen kosteuspitoisuus voi olla jopa 30-40 painoprosenttia. Myös talousjätteen käyttäminen polttoaineen osana on mahdollista. Keksinnössä käytettävälle polttoaineelle asetettavat laatuvaatimukset ovat siten selvästi matalammat kuin tekniikan tason mukaisissa myötävirtakaasuttimissa.

Tuotekaasuputkeen yhdistetty imuri käynnistetään ja tulipesässä oleva polttoaine sytytetään palamaan. Imurin aikaansaaman alipaineen ansiosta kaasutusilmaa virtaa sisään ilmakanavaan 18 kanavan alkupäässä olevan ulkotuloaukon 57 kautta. Kaasutusilma siirtyy ilmakanavasta poistoaukon 58 kautta ilmaputkeen 64 ja ilmaputkea pitkin edelleen keskivaipan 36 ja ulkovaipan 38 väliseen esilämmi-tystilaan, josta se johdetaan ilmasuuttimien 60 kautta tulirenkaan 50 yläpuolelle tulipesään.

Keksinnön mukainen myötävirtakaasutin saavuttaa normaalin käyttölämpötilansa noin 3-5 minuutin kuluttua sytytyksestä käytettävästä polttoaineesta riippuen. Mittauksin on todettu, että käyttötilanteessa tulipesän sisällä on n. 1050 °C:n lämpötila. Edelleen mittauksin on todettu, että esälämmitystilassa olevan kaasutusilman lämpötila on n. 230 °C sen saapuessa ilmasuuttimiin. Kaasutusilman lämmitys toimii siten suunnitellulla tavalla.

Tunnetun tekniikan mukaisissa myötävirtakaasuttimissa tulipesässä syntyvä lämpö siirtyy hakesiilon seinämiä pitkin johtumalla pitkälle hakesiiloon, josta lämpö siirtyy edelleen hakesiilossa olevaan polttoaineeseen. Polttoaineen lämpenemistä pidetään toivottavana ominaisuutena, koska sen ansiota polttoaineesta haihtuu vettä ja polttoaine kuivuu, jolloin sen lämpöarvo paranee. Tunnetuissa myötävirtakaasuttimissa hakesiilon yläosaan syntyykin selvä kuivumisvyöhyke, jossa polttoaineesta poistuu vettä. Kuivumisen jälkeen alkaa polttoaineen pyrolyysi, jossa polttoaineesta irtoaa haihtuvia primäärisiä tervoja ja pyroiyysikaasuja ja syntyy kiinteää jäännöshiiltä. Pyrolyysin alkaminen edellyttää yleensä yli 200 °C:n lämpötilaa. Tunnetuissa ratkaisuissa tällainen lämpötila vallitsee verrattain korkealla hakesiilossa, joten pyroiyysikin tapahtuu jo polttoainesiilossa.

Keksinnön mukaisessa myötävirtakaasuttimessa hakesiilon 14 ja tulipesän väliin on järjestetty ilmakanava 18, jonka tehtävänä on vähentää lämmön johtumista tu-lipesästä hakesiiloon. Kaasutusilma johdetaan sisään kaasuttimeen ilmakanavan kautta, jolloin lämpöä siirtyy ilmakanavan seinämistä kaasutusilmaan, jolloin kaasutusilman lämpötila nousee. Ilmakanava toimii siten myös kaasutusilman esi- lämmittimenä. Päinvastoin kuin tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa keksinnössä pyritään siten aktiivisesti estämään lämmön siirtyminen tulipesästä ha-kesiiioon ja polttoaineen lämpeneminen. Mittauksin on todettu, että kaasutusilman lämpötila ilmakanavassa on välillä 40-80 °C. Samoin mittauksin on todettu, että polttoaineen lämpötila hakesiilossa siepparin yläreunan tason korkeudella on noin 220 °C. Mittaustulokset vahvistavat, että ilmakanava toimii käyttötilanteessa suunnitellulla tavalla vähentäen tehokkaasti lämmön siirtymistä tulipesästä hakesiiloon.

Myötävirtakaasuttimen käyttötilanteessa hakesiiloa pyöritetään, jolloin siepparin 28 hakesiiion pohjasta kaapima polttoaine valuu tulipesään. Polttoaine kaasuuntuu tulipesässä korkeassa, n. 1050 °C:n lämpötilassa. Koska polttoaineen lämpötila hakesiilossa on matala, pyrolyysia ei tapahdu käytännössä lainkaan hakesiilossa. Hakesiilossa ei myöskään tapahdu merkittävästi polttoaineen kuivumista, vaan polttoaine on siepparin ohitettuaan likimain alkuperäisessä kosteustilassaan. Py-rolyysi tapahtuu siten erittäin lyhyellä, siepparin kärjen ja tulirenkaan välisellä matkalla. Tällä alueella lämpötila nousee nopeasti n. 220 °C:sta 1050 °C:een. On jopa mahdollista, että pyrolyysi tapahtuu pääosin tai kokonaan tulirenkaan alapuolella tulipesässä. Joka tapauksessa keksinnön mukaisessa myötävirtakaasut-timessa polttoaineen pyrolyysi tapahtuu ainakin pääosin olennaisesti korkeammassa lämpötilassa kuin tunnetun tekniikan mukaisissa myötävirtakaasuttimissa. Lisäksi samanaikaisesti pyrolyysin kanssa kosteasta polttoaineesta haihtuu runsaasti vettä, joten reaktiossa on läsnä paljon vesihöyryä. Erittäin korkean lämpötilan vuoksi pyrolyysi tapahtuu selvästi lyhyemmässä ajassa kuin tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa.

Kirjallisuuslähteiden perusteella tiedetään, että polttoainepartikkelin hajoaminen pienempiin osiin nopeuttaa pyrolyysia ja jäännöshiilen palamista. Pyrolyysin aikana partikkelit voivat hajota painevaikutuksen vuoksi, kun syntyvä vesihöyry ja/tai pyrolyysikaasut eivät pääse poistumaan partikkelin sisältä riittävän nopeasti. Myös nopeassa lämpenemisessä syntyvät lämpöjännitykset ja mekaaniset rasitukset voivat aiheuttaa hiukkasten hajoamisen. Edelleen tiedetään, että kun primääriset tervat reagoivat yli 500 °C:n lämpötilassa, tervojen määrä vähenee ja tuotekaasujen määrä lisääntyy. Edellä mainitut tieteelliset tulokset tukevat näkemystä, että keksinnön mukaisessa myötävirtakaasuttimessa polttoaine muutetaan tuotekaasuksi lähes optimaalisella tavalla ja optimaalisissa olosuhteissa. Erityisesti uskotaan, että keksinnön mukaisella menetelmällä ja myötävirtakaasuttimella tuotettu tuotekaasu sisältää merkittävästi vähemmän tuotekaasun käyttöä rajoittavia tervayhdisteitä.

Keksinnön mukaista myötävirta kaasutinta on käytetty koeolosuhteissa, joissa kaa-suttimella tuotettua polttoainetta on poltettu liikenteessä olevan ajoneuvon moottorissa. Koelaitteisto on käsittänyt lisäksi yksinkertaisen tuotekaasun vesipesurin, jolla tuotekaasusta on erotettu lentotuhka ja muita epäpuhtauksia. Ajoneuvolla on ajettu n. 100 000 km ilman ongelmia. Yleisesti tiedetään, että merkittävä este tuotekaasun käyttämiselle moottoreissa ovat tuotekaasun sisältämät tervayhdisteet, jotka tiivistyvät moottorin ja imusarjan pinnoille. Tervayhdisteiden poistaminen tuotekaasusta on hankalaa ilman tehokkaita ja kalliita puhdistimia. Keksinnön mukaisella myötävirtakaasuttimeiia tuotettu tuotekaasu ei selvästikään sisällä merkittäviä määriä tervayhdisteitä, koska moottori on toiminut moitteettomasti ilman puhti istustarvetta koko testiajanjakson.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei rajoitu juuri kuvattuihin ratkaisuihin, vaan keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla patenttivaatimusten asettamissa rajoissa. Keksinnön mukaisella myötävirtakaasuttimeiia tuotettua tuotekaasua voidaan käyttää lukuisissa erilaissa käyttökohteissa, kuten lämmöntuotannossa, teollisissa prosesseissa, yhdistetyssä sähkön- ja lämmöntuotannossa sekä ajoneuvojen moottoreissa.

Claims (14)

1. Menetelmä kiinteän polttoaineen kaasuttamiseksi myötävirtakaasuttimella, jossa on hakesiilo (14) kaasutettavaa polttoainetta varten ja tulipesä (32), joka menetelmä käsittää pyrolyysivaiheen, jossa polttoaine hajoaa pyrolyysituotteiksi, ja kaasutusvaiheen, jossa pyrolyys itu otteet kaasutetaan tuotekaasuksi, tunnettu siitä, että menetelmässä rajoitetaan lämmön siirtymistä tulipesästä hakesiiloon polttoaineen lämpenemisen hidastamiseksi ennen pyrolyysivaiheen alkamista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämmön siirtymistä polttoaineeseen rajoitetaan siirtämällä lämpöä kaasutusilmaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään biopolttoainetta, jonka kosteus on yli 20 painoprosenttia, edullisesti yli 30 painoprosenttia.

4. Myötävirtakaasutin, jossa on hakesiilo (14) kaasutettavaa polttoainetta varten, hakesiilon alapuolelle sijoitettu tulipesä (32) ja välineet kaasutusilman johtamiseksi kaasuttimen sisään (18, 64, 60), tunnettu siitä, että hakesiilon ja tulipe-sän välissä on ilmakanava (18) lämmön siirtymisen rajoittamiseksi tulipesästä hakesiiloon.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että siinä on ylempi välipohja (16a), joka muodostaa ilmakanavan (18) yläpinnan, ja alempi välipohja (16b), joka muodostaa ilmakanavan alapinnan, jolloin hakesiilo (14) on sijoitettu ylemmän välipohjan yläpuolelle ja tulipesä (32) alemman välipohjan alapuolelle.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että ylemmässä ja alemmassa välipohjassa (16a, 16b) on samankeskiset reiät (30) yhteyden muodostamiseksi hakesiilon (14) ja tuiipesän (32) välille.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4Π3 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että tulipesä (32) käsittää sisävaipan (34), keskivaipan (36), ulkovaipan (38) ja arinan (40).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että si-sävaippa (34) kiinnittyy yläosastaan alempaan välipohjaan (16b) ja keskivaippa (36) kiinnittyy yläreunastaan sisävaippaan, etäisyyden päähän alemmasta välipohjasta (16b).

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen myötävirta kaasutin, tunnettu siitä, että kaasutusilma on järjestetty johdettavaksi tulipesään (32) keskivaipan (36) ja ulkovaipan (38) välisen tilan kautta.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 709 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että tulipesän (32) sisävaipan (34) yläosassa on tulirengas (50) poikkipinta-alan kavennuskohdan muodostamiseksi tulipesän yläosaan.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että se käsittää ilmasuuttimia (60), jotka on sijoitettu tulipesän sisävaippaan (34) tuleenkaan (50) yläpuolelle.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 4011 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että siinä on tuotekaasuputki (62) syntyvän tuotekaasun johtamiseksi pois kaasuttimesta ja tuhkanpoisto tulipesästä (32) on järjestetty tapahtuvaksi tuote- kaasuputken (62) kautta.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 4 OI 2 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että tulipesä (32) ja hakesiilo (14) on sijoitettu toisiinsa nähden epäkeskises-ti.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 4013 mukainen myötävirtakaasutin, tunnettu siitä, että hakesiilo (14) on muodostettu pituusakselin ympäri pyöriväksi ja kaasuttaessa on pyöritin (24) hakesiilon pyörittämistä varten.