УСТАНОВКА ДЛЯ ОТЖИГА БИОМАССЫ И ДРУГИХ ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель в целом относится к технологиям отжига биомассы и других твердых органических отходов. В частности полезная модель относится к установке для отжига биомассы и других твердых органических отходов, содержащей котел с кипящим слоем.
В настоящее время значительно увеличилось использование биомассы в различных процессах производства энергии. В частности использование древесного материала в качестве источника энергии, которое является возобновляемым и нейтральным с учетом выбросов двуокиси углерода, увеличилось и способствует замене использования не возобновляемых источников энергии, которые генерируют выбросы углекислого газа, такие как уголь, нефть, торф и природный газ.
В настоящей заявке термин «биомасса» относится к любым материалам биологического происхождения, которые пригодны для использования в производстве биоугля.
Биомасса обычно включает материалы или отходы растительного происхождения, таких как дерево или трава. В частности биомасса может содержать древесные материалы, то есть так называемое лесное топливо. Лесные виды топлива включают, например древесину, кору, древесную щепу, остатки каротажа, пни, ветки и кустарники.
К биомассе можно отнести также и отходы сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности (солома различных зерновых культур, лузга подсолнечника, проса, риса, гречихи, отходы производства оливкового масла, виноградарства, плодоводства и садоводства).
К биомассе можно отнести также значительную часть твердых бытовых отходов, а также ил очистных сооружений.
Использование биомассы в качестве источника энергии также сопряжено с проблемами: высокая влажность исходной биомассы снижает ее энергетическую плотность, биомасса может адсорбировать влагу при хранении, влажная биомасса может быть подвергнута гниению из-за заражения микроорганизмами, особенно грибами, и, кроме того, измельчение биомассы может быть затруднено.
Эти проблемы могут быть уменьшены за счет отжига биомассы, прежде чем она будет использована для получения энергии.
Отжиг - это один из способов поджаривания материала, такого как биомасса.
Отжиг - это термический процесс, который улучшает качество конечного продукта и дает дополнительную добавленную стоимость.
Известна технология отжига, описанная P.C.A. Bergman, A.R. Boersma, R.W.R. Zwart, and J.H.A. Kiel, "Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations", ECN-C-05-013 (2005).
При отжиге биомасса нагревается в инертных условиях, то есть в среде с низким содержанием кислорода и при атмосферном давлении; нагрев идет при температуре около 200-320 °С. Во время процесса из биомассы удаляются вода и небольшая часть как биополимеров, так и других летучих веществ. Кроме того, уничтожаются присутствующие в биомассе микроорганизмы.
Процесс отжига характеризуется длительным временем выдержки, обычно от 15 минут до одного часа. Длительное время выдержки связано с очень низкой скоростью нагрева материала, которая обычно ниже 50 °C/мин. Во время процесса отжига биомасса теряет около 30% массы, среди прочего, вместе с влажностью, но при этом теряется только 10% энергетического потенциала биомассы.
Таким образом, плотность энергии топлива после отжига увеличивается до 30 %.
Процесс отжига реализуется в реакторе для отжига, к которому тепло подается прямо или косвенно от источника тепла.
Согласно известному уровню техники тепло может быть получено в процессе сжигания, а также может быть извлечено из дымовых газов этого процесса посредством теплоносителя в теплообменнике, где такой теплообменник размещается в среде дымовых газов.
При прямом нагреве тепло переносится горячим теплоносителем, который подается в реактор для отжига и контактирует с биомассой, подлежащей переработке.
При прямом нагреве, согласно уровню техники, дымовые газы обычно используется в качестве теплоносителя.
При косвенном нагреве стенка, дно или верхняя часть реактора для отжига нагреваются с помощью теплоносителя, от которого тепло передается через стенку, дно или верхнюю часть реактора отжига к биомассе. В этом случае в качестве теплоносителя часто используется масло.
В процессе отжига получают конечный продукт, то есть обжаренный материал, который обычно представляет собой темный кокс, который также называют биоуглем.
Биоуголь, полученный путем отжига, представляет собой гомогенный, гидрофобный и очень хорошо сохраняемый продукт, для измельчения которого требуется значительно меньшее количество энергии, чем в случае измельчения обычных гранул.
Наконец, измельченный биоуголь может быть легко гранулирован с получением энергоемкого продукта, пригодного для хранения и транспортировки.
Отжиг также может рассматриваться как мягкая форма пиролиза. При пиролизе целью является удаление паров из биомассы с последующим их конденсированием и получением пиролизного масла.
При пиролизе биомасса обрабатывается при очень высокой температуре, например при температуре около 400-800°С. В процессе пиролиза образуются прежде всего пары пиролиза и в качестве побочного продукта получается кокс, количество которого меньше, чем количество кокса, получаемого в процессе отжига.
По сравнению с пиролизом температура, используемая в процессе отжига, значительно ниже, при этом из биомассы не выделяется значительное количество паров. Энергетическое содержание биоугля, полученное путем отжига, по существу не зависит от газов и паров, высвобождаемых из биомассы во время отжига.
Кроме того, поскольку из биомассы во время отжига выделяется лишь небольшое количество горючих газов, они не конденсируются, но могут быть направлены в котел для сжигания, но в некоторых случаях эти газы сжигают, чтобы использовать полученное тепло для сушки исходной биомассы.
Известно техническое решение по заявке EP 2748281 A1 (02.07.2014, B09B 3/00), согласно которому в реактор для отжига биомассы в качестве теплоносителя подается газ с низким содержанием кислорода, полученный от сжигания газообразных продуктов отжига, выведенных из реактора для отжига и подвергнутых окислению в плотном слое катализатора.
Недостатком данного способа является его низкая экономическая эффективность, связанная с затратами на дорогостоящий платиновый катализатор и необходимостью его периодической замены.
Известно также техническое решение по международной заявке WO 2010128209 A1 (11.11.2010, C10B49/02), согласно которому в реактор для отжига биомассы подается промежуточный теплоноситель, нагреваемый в котле, интегрированном с реактором. Нагретый промежуточный теплоноситель, подаваемый в реактор по соединяющим котел и реактор трубопроводам, нагревает находящуюся в реакторе биомассу и возвращается в теплообменник для повторного нагрева. При этом в качестве топлива в котле используют как газообразные продукты отжига биомассы, так и дополнительное высококалорийное топливо.
Недостатком указанного технического решения является низкая экономическая и энергетическая эффективность процесса, т.к. газы, полученные в результате отжига биомассы, содержат небольшое количество горючих компонентов, но могут содержать большое количество паров воды, для сжигания которых требуется значительное количество дополнительного высококалорийного топлива.
Известно техническое решение, раскрытое в международной заявке WO 2012113979 A1 (30.08.2012, C10B 49/04), в котором реактор для отжига биомассы интегрирован с котлом с топкой кипящего слоя, в котором за счет тепла дымовых газов, полученных от сжигания твердого топлива, происходит нагрев промежуточного теплоносителя в теплообменнике, расположенном за топкой с кипящим слоем по ходу дымовых газов, после чего теплоноситель по соединяющим котел и реактор для отжига трубопроводам подается от котла к реактору для отжига, нагревает находящуюся в реакторе биомассу и возвращается в теплообменник для повторного нагрева.
Недостатками данного технического решения являются:
- значительный унос не полностью сгоревших частиц топлива и частиц золы из топки с кипящим слоем;
- низкая эффективность процесса и низкая экологическая эффективность процесса в связи с тем, что газообразные продукты отжига, содержащие в том числе горючие компоненты, не используются в процессе, а выбрасываются в окружающую среду, что вызывает ее загрязнение.
Таким образом, техническая проблема заключается в низкой экономической и энергетической эффективности процесса отжига биомассы и других твердых органических отходов.
Указанная техническая проблема решена благодаря созданию установки для отжига  твердых органических отходов, содержащей реактор для отжига твердых органических отходов, интегрированный с котлом с кипящим слоем, и теплообменник, расположенный за котлом с кипящим слоем по ходу дымовых газов и выполненный с возможностью нагрева промежуточного теплоносителя за счет тепла дымовых газов, полученных от сжигания твердого топлива в котле с кипящим слоем, при этом установка содержит трубопроводы для подачи нагретого  промежуточного теплоносителя от теплообменника в реактор для отжига и возвращения промежуточного теплоносителя в теплообменник для повторного нагрева, причем теплообменник имеет встроенную камеру отделения и осаждения для отделения и осаждения в теплообменнике частиц не сгоревшего топлива и частиц золы, уносимых с дымовыми газами из кипящего слоя, а в установке обеспечена возможность удаления газообразных продуктов отжига из реактора для отжига и их продувки через неподвижный слой частиц не полностью сгоревшего топлива и частиц золы, осевших в камере отделения и осаждения теплообменника для нагрева промежуточного теплоносителя, а также возможность дожигания газообразных продуктов отжига, прошедших через неподвижный слой частиц не полностью сгоревшего топлива и частиц золы, в теплообменнике для нагрева промежуточного теплоносителя путем подачи воздуха над упомянутым неподвижным слоем.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении экономической и энергетической эффективности процесса отжига биомассы и других твердых органических отходов.
На фигуре изображена схема установки, в которой реализуется предложенная полезная модель.
Установка состоит из котла 1 с топкой кипящего слоя, за которым по ходу дымовых газов установлен теплообменник 2, в котором происходит нагрев промежуточного теплоносителя за счет тепла дымовых газов. Теплообменник 2 связан с реактором 5 для отжига твердых органических отходов с помощью трубопроводов 3 и 4.
Теплообменник 2 имеет встроенную камеру 6 для отделения и осаждения в пределах камеры 6 несгоревших частиц топлив и частиц золы, уносимых из котла 1 с топкой кипящего слоя, а также пучок дымогарных труб 7, по которым происходит движение дымовых газов, и дымовых коробок 8 и 9, в которых происходит разворот на 180° дымовых газов по мере движения через теплообменник 2. Теплообменник 2 связан с дымовой трубой (на схеме не показана), по которой происходит удаление охлажденных дымовых газов в атмосферу.
В нижней части осадительной камеры 6 теплообменника 2 расположена газораспределительная решетка 10, под которую по трубопроводу 11 подают газообразные продукты отжига из реактора 5. Над газораспределительной решеткой 10 имеется воздухораспределительная решетка 12, связанная трубопроводом 13 с дутьевым вентилятором 14.
Теплообменник 2 снабжен люком для удаления золы с решетки 10.
Реактор 5  снабжен корпусом 15, имеющим узел загрузки 16 исходных отходов и узел выгрузки 17 исходных отходов, а также рубашку 18, в которую подается промежуточный теплоноситель. Корпус 15 связан с теплообменником 2 посредством трубопроводов 3 и 4, а также трубопровода 11, по которому газообразные продукты отжига подаются в теплообменник 2 под газораспределительную решетку 10.
Установка работает следующим образом.
В котел 1 с топкой кипящего слоя известным способом подается твердое органическое топливо, в частности часть прошедшей отжиг биомассы или каких-либо других твердых органических отходов.
Твердое органическое топливо сгорает по известной технологии в топке с кипящим слоем, в результате чего образуются газообразные продукты сгорания, которые удаляются в теплообменник 2 за счет разряжения в газовом тракте, создаваемом дымовой трубой (на схеме не показана).
В теплообменнике 2 происходит нагрев промежуточного теплоносителя, в качестве которого предпочтительно использовать высокотемпературное масло, за счет не прямого нагрева теплоносителя дымовыми газами, которые движутся по дымогарным трубам 7. При этом дымовые газы совершают несколько ходов по теплообменнику 2, разворачиваясь в дымовых коробках 8 и 9 на 180°, после чего удаляются в дымовую трубу.
Нагретый в теплообменнике 2 промежуточный теплоноситель по трубопроводу 3 поступает в рубашку 18 реактора 5, в котором происходит отжиг биомассы и других твердых органических отходов, после чего промежуточный теплоноситель по трубопроводу 4 возвращается в теплообменник 2 для повторного нагрева. Циркуляция промежуточного теплоносителя между теплообменником 2 и реактором 5 осуществляется известным способом, например, с помощью циркуляционного насоса.
В корпус 15 реактора 5  исходное сырье загружается через узел загрузки 16 и известным способом, например, с помощью лопастей, установленных на валу мешалки, в свою очередь установленной по вертикальной оси реактора 5, направляется к узлу выгрузки 17.
Газообразные продуты отжига по трубопроводу 11 подаются под газораспределительную решетку 10 теплообменника 2. Движение газов осуществляется за счет разряжения в газовом тракте установки, создаваемым дымовой трубой.
Дымовые газы, которые движутся от котла с топкой кипящего слоя 1, попадают в камеру 6 теплообменника 2, где из потока газов происходит осаждение частиц несгоревшего топлива и частиц золы. Эти частицы падают на газораспределительную решетку 10 и создают слой частиц, имеющих температуру, примерно равную температуре горения топлива в котле 1 (750 – 1000°С).
Газообразные продукты отжига, удаляемые из реактора 5 по трубопроводу 11 содержат конденсирующиеся (смолы) и неконденсирующиеся компоненты (двуокись углерода, окись углерода, водород и др.).
При прохождении газообразных продуктов отжига через частицы несгоревшего топлива и частицы золы в этом слое протекает ряд химических реакций, часть которых приведена ниже:
2
CO + C → 2CO (1);
2
2
HO + C → CO + H (2);
4
4
2
2
CHO → 2CO + 2H (3);
2
2
2
CHO + C → 2CO + H (4);
3
6
3
2
CHO → 3CO + 3H (5);
3
6
2
CHO → CO + 3H + 2C (6);
5
4
2
2
CHO→ 2CO + 2H + 3C (7).
В результате на выходе из слоя частиц, лежащих на решетке 10, получается газ, состоящий, в основном из смеси окиси углерода и водорода.
Эксперименты показывают, что газообразные продукты отжига, проведенного при температуре 270°С, после прохождения через слой частиц недогоревшего топлива имеют следующие характеристики:
3
- теплота сгорания, МДж/м: для древесины – 10,9; для торфа – 10,4;
- содержание водорода, %: для древесины – 45, для торфа – 45;
- содержание окиси углерода, %: для древесины – 47, для торфа – 43;
4
- содержание СН, для древесины – 0,2, для торфа – 0,4.
Полученный таким образом высококалорийный газ сгорает в осадительной камере 6 теплообменника 2 за счет подачи воздуха через воздухораспределительную решетку 12 по трубопроводу 13 от вентилятора 14.
За счет протекания реакций типа (1) – (7) происходит полное срабатывания углерода, содержащегося в частицах несгоревшего топлива, уносимых из топки с кипящим слоем 1. Кроме того, при сжигании смеси окиси углерода и водорода в осадительной камере 6 теплообменника 2 развиваются высокие температуры, достаточные для дожигания частиц сажи, уносимых из топки с кипящим слоем 1.
Это особенно важно при отжиге таких материалов, как «хвосты» сортировки твердых бытовых отходов, которые содержат включения полипропилена, из которого изготавливается упаковка для многих видов пищевых продуктов. При отжиге таких «хвостов» сортировки в топку с кипящим слоем в качестве топлива будут попадать твердые продукты отжига, в том числе твердые продукты отжига полипропилена.
При сжигании полипропилена в кипящем слое образуется большое количество сажи, для дожигания которой требуется поддержание температуры выше 1000°С. При сжигании в кипящем слое поддерживать температуру около 1000°С и выше нельзя из-за опасности расплавления частиц золы, образования золошлаковых агломератов, дефлюидизации и прекращения работы топки с кипящим слоем.
При отжиге же «хвостов» сортировки твердых бытовых отходов в предложенной установке в кипящем слое можно поддерживать температуру ниже 1000°С, а дожигание сажи будет происходить вне топки с кипящим слоем, что исключит образование золошлаковых агломератов и повысит надёжность работы установки. Это также обеспечит высокую энергетическую эффективность процесса отжига.