УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к установкам для получения энергетических газов и твердых топлив с повышенными теплотехническими характеристиками.
К настоящему времени в качестве одного из основных направлений получения топлив из биомассы является пиролиз. На практике используются различные методы пиролиза, одним из них является низкотемпературный пиролиз, так называемая торрефикация, термическая обработка биомассы при температурах - 230-300°С. Конечным продуктом торрефикации является твердое топливо, обладающее повышенными теплотехническими характеристиками. При торрефикации теплотворная способность топлив повышается на 20-25%, снижается вес на 20-30% и, что может быть самым главным при топливном использовании биомассы, топливо становится гидрофобным, т.е. не поглощает воду. Это значительно упрощает процесс хранения и перевозки топлив из различных видов биомассы, поскольку в этом случае не требуется соблюдения специальных условий хранения, при которых обеспечивается отсутствие контакта топлив из биомассы с окружающей средой. При торрефикации происходит частичное отделение летучих из перерабатываемого материала, которые должны быть утилизированы, поскольку их попадание в атмосферу приводит к загрязнению окружающей среды.
Пиролиз - термическое разложение биомассы при температурах порядка 800-1200°С. Продуктами пиролиза является газовое топливо, в котором содержится порядка 25-30% энергии, запасенной в перерабатываемой биомассе. Остальная часть энергии биомассы примерно в равных долях распределяется между жидкой и твердой фазами пиролиза. Продукты, получаемые при пиролизе биомассы, используются в качестве топлива в различных энергетических установках. В зависимости от температурных режимов осуществления процесса пиролиза может быть получено различное соотношение между жидкой, твердой и газообразной фазами пиролиза. В принципе, необходимо иметь механизм, обеспечивающий осуществление различных режимов пиролиза биомассы, который позволяет реализовывать различные режимы пиролиза биомассы с целью изменения состава получаемых продуктов.
Пиролиз, вне зависимости от температурного интервала, в котором проводится нагрев биомассы, осуществляется в бескислородной среде. Пиролизный реактор представляет из себя сосуд, в котором без взаимодействия с окружающей средой осуществляется нагрев биомассы. Нагрев может осуществляться либо за счет прохождения через слой перерабатываемой биомассы высокотемпературных газов, не содержащих окислителей, либо за счет внешнего нагрева через стенку реактора.
Особенностью реакции пиролиза биомассы (нагрева биомассы в безокислительной среде) является самопроизвольный разогрев, который происходит без доступа кислорода, начиная с температур, примерно, 220-280°С. В результате этого процесса температура биомассы за счет внутренних источников тепла может подниматься до 600-1000°С. Границы, в которых проявляется эффект экзотермического разогрева, различаются для биомассы различных видов.
Данный эффект должен быть учтен в конструкции установок для пиролиза биомассы. При проведении торрефикации - самопроизвольный разогрев до температур, превышающих температурный уровень процесса, может привести к аварийной ситуации, поскольку температура, которая достигается в объеме перерабатываемого материала за счет экзотермических эффектов, может значительно превосходить допустимый уровень температур при торрефикации. При этом в данном процессе будет получена не тарифицированная биомасса, а биоуголь, который имеет несколько иные области использования, чем торрефикат. Неконтролируемое повышение температуры за счет внутренних источников тепла при торрефикации является основным ограничительным фактором при создании промышленных технологий улучшения потребительских свойств топлив из биомассы при низкотемпературном пиролизе (торрефикации).
Биоуголь - это продукт, получаемый при термическом воздействии на биомассу. В данном процессе использование эффекта экзотермического повышения температуры при нагреве приводит к экономии топлива, затрачиваемого на нагрев перерабатываемого сырья. Это, так называемый, процесс углежжения, при котором используется потенциал внутренних источников тепла в биомассе. Процесс выделения тепла за счет внутренних источников при углежжении тепла не регулируется и заканчивается, когда потенциал располагаемого выделения тепла за счет внутренних источников расходуется до конца. При осуществлении пиролиза с целью получения различных видов топлив, необходимо иметь возможность регулирования процесса нагрева перерабатываемого материала, т.е. управления процессом экзотермического нагрева перерабатываемой биомассы.
В настоящее время исследования по созданию технологии вовлечения биомассы в топливно-энергетический баланс проводятся во многих научных центрах мира. Одной из первоочередных задач в этом плане является создание процесса торрефикации, который должен обеспечить экономически оправданное использование данного процесса. Под экономически оправданной подразумевается схема, при которой затраты на получение торрефицированного продукта окупаются за счет обретения в процессе термической конверсии биомассы новых свойств, повышающих потребительскую ценность получаемых топлив из биомассы. При использовании стандартных процессов пиролиза т.е. термического разложения биомассы при температурах порядка 1000°С, также необходима разработка схемных решений, обеспечивающих возможность управления процессом изменения температуры в перерабатываемом материале.
Известны схемы осуществления процесса пиролиза, в частности торрефикации, в которых с целью построения экономически эффективной схемы процесса для нагрева перерабатываемого материала используются продукты сгорания газопоршневой электростанции или мини-ТЭЦ. Это устройство является энерготехнологическим комплексом, содержащим газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока, отличающийся тем, что содержит в качестве исполнительного механизма регулятор расхода воздуха в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,0, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. Патент РФ 136801.
В данном техническом решении реализуется когенерационная схема использования топлива. Природный газ используется в виде топлива в газопоршневом энергоблоке для выработки электроэнергии, затем за счет тепла продуктов сгорания газопоршневого энергоблока осуществляется термическая конверсия биомассы, в данном случае торрефикация. Недостатком данного технического решения является отсутствие возможности регулирования температуры биомассы в реакторе при прохождении экзотермических реакций.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является полезная модель, описанная в патенте РФ №161775. В данном техническом решении реализуется схема, препятствующая самопроизвольному разогреву перерабатываемого материала при торрефикации.
В данной схеме устройство для термической конверсии биомассы, содержащей газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, исполнительный
механизм регулирования расхода топлива в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,00, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и газов, охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. С целью предотвращения процессов самопроизвольного разогрева в реакторе торрефикации расположен датчик температуры, соединенный с исполнительным механизмом, который в случае самопроизвольного разогрева торрефицируемого материала отключает подачу в зону реакции теплоносителя, имеющего температуру торрефикации, и включает подачу в зону реакции охлажденных отработанных газов энергоблока.
Данная схема позволяет предотвратить процесс самопроизвольного разогрева перерабатываемой биомассы при разогреве. Недостатком данной схемы является то, что тепло, которое выделается при экзотермических процессах разогрева, не используется в цикле. При использовании в цикле пиролиза (в данном случае торрефикации), хотя бы частично, того тепла, которое выделяется при экзотермических процессах, эффективность процесса (в частности производительность установки) будет выше.
Целью заявляемой полезной модели является повышение тепловой эффективности процесса торрефикации за счет использования тепла, выделяющегося при экзотермических эффектах, сопровождающих процесс низкотемпературного пиролиза (торрефикации).
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для термической конверсии биомассы, содержащий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, исполнительный механизм регулирования расхода топлива в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,00, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор термической конверсии биомассы, снабженный устройствами загрузки-выгрузки, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе, отличающийся тем, что реактор снабжен датчиком температуры и исполнительным механизмом, управляющим действием разгрузочного устройства,
который при самопроизвольном разогреве биомассы осуществляет частичную выгрузку перерабатываемой биомассы в зону охлаждения, при этом оставшаяся в реакторе часть биомассы, в которой происходят реакции экзотермического разогрева, обеспечивает непрерывность экзотермического разогрева следующих слоев перерабатываемого сырья.
Устройство торрефикационной части комплекса приведено на фиг. 1
Блок загрузки, состоящий из бункера наполнения 1 и узла подачи пеллет 2 в реакторную зону, обеспечивают дозагрузку реакторной секции и автоматическое поддержание в ней необходимого уровня пеллет. Кроме этого, в бункере осуществляется предварительный подогрев пеллет до 80°С и организуется воздушная завеса, препятствующая попаданию газообразных продуктов процесса торрефикации из реактора в узел подачи пеллет 2.
Реактор 3 цилиндрической формы загружается пеллетами и прогревается не содержащим кислород теплоносителем до заданной температуры (250…270°С). В качестве теплоносителя используются отработавшие газы газопоршневого электроагрегата (ГПЭ), работающего на стехиометрической газовоздушной смеси.
В нижней части реактора находится блок 6 подачи-распределения теплоносителя и выгрузки горячих торрефицированных пеллет из реактора.
Блок охлаждения 7 обеспечивает снижение температуры пеллет после торрефикации до 130…150°С путем продувки их охлажденными в теплообменнике отработавшими газами ГПЭ.
Далее через блок заслонок 8, обеспечивающий герметичность нижней части реактора, предварительно охлажденные торрефицированные пеллеты выгружаются в нижний накопительный бункер 9, в котором происходит их окончательное охлаждение. Герметичный затвор 10, не допускает поступление воздуха в внутренние полости устройства при выгрузке пеллет из накопительного бункера 9.
Устройство работает следующим образом. Биомассу, например, в виде пеллет, загружают в бункер 1, нижняя часть которого состыкована с коническим перфорированным насадком. Через отверстия насадка воздуходувкой подается нагретый в теплообменнике воздух. Нагретый воздух, проходя через загруженные пеллеты под небольшим избыточным давлением, прогревает их до 80-120°С, и одновременно предотвращает поступление в бункер газов из реактора.
Блок подачи пеллет 2 автоматически обеспечивает постоянство необходимого количества пеллет в реакторе 3. Поворотной заслонкой узла подачи пользуются при прогреве и пуске холодной установки и в аварийных случаях возгорания биосырья в реакторе. Реактор 3 постоянно пополняется. Из блока подачи 2 нагретые пеллеты под
действием собственного веса поступают в реактор 3, до уровня, определяемого положением среза направляющего устройства в верхней части реактора.
В этом блоке происходит охлаждение выгруженных из реактора пеллет до 130…150°С. Теплоноситель, отработавший после охлаждения пеллет, догревается до 220-280°С путем смешения с его более горячей частью, так же поступающей в блок 7, и направляется далее в реактор 3.
Охлажденные торрефицированные пеллеты через блок герметичных заслонок 8 поступают в накопительный бункер 9, где происходит их дальнейшее охлаждение. По мере наполнения накопительного бункера 9 через герметичный затвор 10 производится выгрузка готового продукта на транспортер или подача в упаковочное устройство.
В реакторе 3 при постоянном количестве пеллет происходит их нагрев путем пропускания через них теплоностеля из блока подачи-распределения 6. Нагрев производят до температуры, определяющей процесс торрефикации данного вида биомассы, которая, как правило, лежит в интервале - 220…280°С. Реактор 3 в контрольной точке снабжен датчиком температуры 4 и исполнительным механизмом, управляющим действием поворотной заслонки реактора 5, которая при самопроизвольном разогреве биомассы осуществляет частичную выгрузку перерабатываемой биомассы в блок охлаждения 7. Значения температур, при которых происходит выгрузка биомассы при прохождении экзотермических реакций разогрева, выбирается в ходе пуско-наладочных работ на установке и зависит от вида перерабатываемой биомассы и размеров реактора.
Основная идея, реализуемая в данной конструкции, заключается в том, что при разогреве перерабатываемой биомассы, часть биомассы выгружается в зону охлаждения, при этом одновременно происходит загрузка в реактор свежих порций биомассы. Вновь загруженная биомасса понижает температуру в зоне термопары 4, при этом разгрузочной устройство закрывается и происходит разогрев вновь загруженных объемов биомассы в том числе, с использованием тепла переносимого из нижних слоев ОГ (отработанными газами), выделяющегося за счет внутренних источников тепла. При достижении определенного температурного уровня снова происходит частичная разгрузка, и за счет переноса тепла из нижних слоев тепла происходит экзотермический разогрев вновь загруженных объемов. Таким образом, обеспечивается непрерывность использования тепла, выделяющегося в перерабатываемой биомассе за счет внутренних источников тепла.
Заявляемая полезная модель обеспечивает сокращение тепла, затрачиваемого на разогрев биомассы в процессе ее термической конверсии с одновременным увеличением
производительности установки. Опыты на модельных стендах Объединенного Института высоких температур, показали, что сокращение потребления тепла на процесс в заявляемой схеме по сравнению с известной схемой, в которой для предотвращения экзотермического разогрева использовалось охлаждение разогреваемых слоев, позволяет сократить потребление тепла в процессе на, примерно, 60-70%.
Данная схема позволяет также увеличить производительность установки по термической конверсии биомассы на 50-60%.