ТОПЛИВО, СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ
FUEL, METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING HEAT ENERGY FROM BIOMASS

Краткое содержание изобретения.
Изобретение относится к топливу, состоящему из смеси, один компонент которой представляет собой биомассу с низкой температурой плавления золы, например, барда от процесса производства биоэтанола, солома, хлебные злаки, отходы от производства подсолнечного масла или рапсового масла, экстрагированная кукурузная мука, кукурузный крахмал, цельная или молотая крупа. Изобретение также относится к способу получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы и к устройствам для осуществления этого способа.
Предпосылки создания изобретения
В сельскохозяйственном производстве и при изготовлении различных продуктов остается много отходов, которые иногда подвергаются дальнейшей обработке, например, древесная щепа используется для производства целлюлозы, солома как подстилка или стебли кукурузы для силоса. В случае, когда поставка вышеупомянутых материалов превышает их потребность, можно использовать некоторые из них, например, древесную щепу для генерации энергии путем ее сжигания, однако, другие материалы, например, солома, не могут быть просто полностью сожжены и если не используются печи с колосниковой решеткой специальной конструкции, например, котлы с колосниками с водяным охлаждением, в которых продукты горения охлаждаются в камере сгорания, необходимо применять неэффективную утилизацию таких отходов.
Многие материалы, которые рассматриваются как топлива, имеют высокую температуру плавления золы, обычно свыше 1300°С. Другие материалы, содержащие углерод и иные потенциально горючие материалы, такие как солома, жмых от производства метилового эфира или отходы от производства подсолнечного масла, имеют более низкую температуру плавления золы, которая обычно лежит в диапазоне 850-1050°С. Конкретно, температура плавления золы соломы составляет около 850°С, зерна и кукурузной муки 620-750°С и даже менее, отходы от производства семян подсолнечника 1010°С, жмыха метиловых эфиров из рапса около 1210°С. Низкая температура плавления золы вызывает повышенное содержание зольных остатков в камере сгорания, в объеме топки камеры котла и даже на поверхностях теплопередачи, и это затрудняет операцию кипения в котлах и иногда даже делает эту операцию невозможной. В котлах с псевдоожиженным слоем эти материалы полностью не выгорают из-за низкой температуры плавления золы.
2
В настоящее время, благодаря усилиям, направленным на избавления от зависимости от импорта ископаемого топлива, в частности, сырой нефти, резко возрос интерес к использованию пока неиспользуемых органических веществ, особенно отходов, для производства энергии. Этот интерес, в частности, сосредоточен на производстве биоэтанола, который может быть произведен в любой стране из ее местных сельскохозяйственных зерновых культур, и, таким образом, большая часть сырой нефти могла бы быть замещена этими культурами. Для производства биоэтанола, сахара, зерна и крахмала может использоваться сахарная свекла и хлебные злаки. Полученный биоэтанол может использоваться непосредственно в двигателях внутреннего сгорания в качестве топлива, однако в настоящее время он обычно используется как присадка, добавляемая в количестве от 5% до 10% к обычным минеральным топливам. Этиловый спирт повышает октановое число и снижает выброс CO.
Этиловый спирт из сахарного тростника нашел широкое применение, особенно в Бразилии, где он используется как автомобильное топливо. В 80-х годах прошлого столетия около двух третей автомобилей в Бразилии были снабжены двигателями, приспособленными для горения чистого биоэтанола. В настоящее время новые автомобили больше не модернизируются, таким образом, однако, любой автомобильный бензин в Бразилии содержит 26% биоэтанола из сахарного тростника. Современные двигатели внутреннего сгорания могут отлично работать на этой смеси.
Полученный из кукурузы биоэтанол также используется как топливная добавка к большинству автомобильных бензинов в США, обычно в виде 10% добавки.
Отходы производства биоэтанола из кукурузы, хлебных злаков или сахарного тростника и сахарной свеклы представляют собой барду. Барда потенциально также могла бы использоваться как топливо, однако, из-за низкой температуры плавления ее золы, она не используется как топливо. В настоящее время, барда обычно центрифугируется на центрифуге, твердая фракция, называемая кеком или жмыхом, высушивается в паровой сушилке или вальцовой сушилке, где сухой теплоноситель является ископаемым топливом. Жидкая фракция, называемая фугатом, конденсируется в многоступенчатых испарителях, чтобы получить сироп, который добавляется к твердой фракции - кеку, и вся смесь высушивается вместе в паровой или вальцовой сушилке. Таким образом, получается побочный продукт, который используется как присадка в виде сухих гранул. Неиспользованная часть выбрасывается в море в странах, имеющих соответствующие условия для этого.
Таким образом, основная часть барды, особенно в налаженном производстве биоэтанола, больше не используется и идет вне своего использования в качестве добавки, и, таким образом, необходимо искать другие возможности ее применения. Прямое сжигание барды невозможно, поскольку не высушенная барда имеет низкую теплотворную способность и обычно содержит около 90% воды. Если бы барда могла быть высушена до 40-30-10% содержания влаги, ее теплотворная способность увеличилась бы примерно до 9-13-17 МДж/кг. С энергетической точки зрения такая высушенная барда является термически самоподдерживающейся и создает одну из предпосылок для ее использования в качестве топлива в существующих котельных установках. Однако было найдено, что высушенная барда не может гореть в существующих котлах, по меньшей мере, никто не достиг в этом успеха из-за низкой температуры плавления золы. При горении этот сорт барды, имеющий низкую температуру плавления золы в колосниковых котлах, в котлах с псевдоожиженным слоем и в котлах с сухим шлакоудалением приводят к тому, что расплавленная зола агломерирует псевдоожиженный слой, и это формирует шлак в печи и на поверхностях теплообмена котла, приводя к повреждению котла, который может выйти из строя в течение нескольких минут.
В настоящее время эксперты сходятся во мнении, что проблема эксплуатации биологических отходов с низкой температурой плавления золы может быть решена, путем модернизации котла. Однако пока никто в этом не преуспел.
Другой возможный способ использования барды является создание системы, в которой вся жидкая барда передается на биогазовую станцию для производства биогаза из этой барды. Неудобство этого способа заключается в том, что биогаз производится только из жидкой фракции барды и, таким образом, твердая фракция фактически теряется. Продление времени разложения увеличило бы выход биогаза, однако это приводит к более высоким производственным и эксплуатационным затратам. В дополнение к этому, твердый остаток остается и после того, как использование барды в биогазовой станции превысило бы 50%, даже в случае очень долгого периода ферментации. Таким образом, эта система не находит решения проблемы использования твердой фракции барды.
Краткое раскрытие изобретения
Вышеупомянутая проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы в значительной степени решена в топливе, состоящем из смеси, одна фракция которой состоит из биомассы с низкой температурой плавления золы, например, из барды от производства биоэтанола, соломы, зернового продукта, отходов от производства подсолнечного масла или рапсового масла, кукурузной муки, кукурузного крахмала, цельной или молотой крупы, где объект изобретения состоит в том, что дальнейший компонент смеси - по меньшей мере, один молотый материал, выбранный из группы включающей известняк, гидроокись кальция, известь, камень, песок, зольные остатки, продукты десульфурации, отходы пыли от производства и обработки руды, агрегаты, ископаемые топлива, такие как уголь, лигнит, торф, твердые топлива, произведенные из отстоя очистки воды, искусственные топлива, произведенные из группы бензиновых коксов, топлив биомассы с высокой температурой плавления золы, таких как щепа, солома, сено, трава, отходы от обработки дерева, зерновые культуры, такие как щавель, хмелевое дерево, при установлении отношения биомассы с низкой температурой плавления золы молотых материалов с тем, чтобы достичь отношения общего веса натрия и калия в пепле к весу остающихся негорючих компонентов в золе менее чем 1:5,85 или для достижения полученной температуры плавления золы смеси свыше 760°С.
В предпочтительном примере осуществления изобретения отношение биомассы с низкой температурой плавления золы к молотым материалам в топливной смеси устанавливается с расчетом достижения отношения веса натрия и калия в золе к весу других негорючих компонентов менее чем 1:6,50 и/или оно устанавливается для достижения полученной температуры плавления золы свыше 1200°С или еще более предпочтительно до величины менее 1:15 и/или для достижения полученной температуры плавления золы смеси свыше 1300°С.
В другом предпочтительном примере осуществления топливная смесь обезвоживается до содержания сухого твердого вещества более 20% по весу или еще более предпочтительно до содержания сухому твердому более 86% по весу.
Указанная проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также в значительной степени решается в способе производства тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы, такой как солома, хлебные злаки, отходы от производства подсолнечного масла или рапсового масла, экстрагированная кукурузная мука, кукурузный крахмал, цельная или молотая крупа, где цель изобретения состоит в том, что биомасса с низкой температурой плавления золы дополняется молотым материалом, выбранным из группы, включающей известняк, гидроокись кальция, известь, камень, песок, продукты горения, продукты десульфурации, пылевидные отходы от производства и обработки руды, агрегаты, твердые ископаемые топлива, такие как уголь, лигнит, торф, твердые топлива, произведенные из шлама водоочистки, искусственные топлива, произведенные из группы бензиновых коксов, биомассы с высокой температурой плавления золы, такие как щепа, солома, сено, трава, отходы деревообработки, энергетические зерновые культуры, такие как кислица, хмелевое дерево, причем отношение биомассы с низкой температурой плавления золы молотых материалов устанавливается таким, чтобы горение, ошлакование в печи и/или на поверхностях теплопередаче и/или псевдоожиженного слоя и отношения, в котором биомасса с низкой температурой плавления золы дополнена с молотым веществами, достигает более высокой температуры плавления золы полученной смеси, чем установленная критическая температура горения, и затем полученная смесь постепенно воспламеняется в печи котельной установки.
В предпочтительном примере осуществления этого способа получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы смешана с молотым материалом до передачи его в печь котельной установки или непосредственно в печь.
В другом предпочтительном примере осуществления этого способа биомасса с низкой температурой плавления золы или ее смесь с молотым материалом частично обезвожена, чтобы получить сухое твердое вещество, по меньшей мере, 20% по весу смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов, и наиболее предпочтительно сухое твердое вещество, по меньшей мере, в количестве 86% по весу смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов.
Также выгодно, если отношение биомассы с низкой температурой плавления золы к молотым материалам установлено с расчетом достижения отношения веса натрия и калия в золе к весу других негорючих компонентов менее чем 1:5.85 и/или это отношение установлено с расчетом достижения температуры плавления золы свыше 760°С или наиболее предпочтительно для достижения этого отношения менее чем 1:6,50 и/или это отношение установлено с расчетом достижения температуры плавления золы смеси при температуре свыше 1200°С или наиболее предпочтительно для достижения этого отношения менее чем 1:15 и/или это отношение установлено с расчетом достижения температуры плавления золы смеси свыше 1300°С.
Выгодно, если частичное обезвоживание биомассы с низкой температурой плавления золы или ее смеси с молотым материалом выполнено механически и/или термически и/или абсорбцией. Например, обезвоживание может быть выполнено процессом, включающим, по меньшей мере, сушку, центрифугирование и прессование биомассы с низкой температурой плавления золы или ее смеси с молотым материалом. Перед передачей этого материала для сжигания в печи котельной установки выгодно гомогенизировать смесь биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов. Считается, что чем ниже температура плавления золы биомассы и молотых материалов, тем более однородной должна быть смесь, чтобы предотвратить в случае несовершенной гомогенизации быстрое сгорание смеси со слишком низкой температурой плавления золы, что привело бы к ошлакованию в печи или засорению псевдоожиженного слоя.
В некоторых случаях достаточно добавить другое ископаемое топливо к смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов, чтобы увеличить теплотворную способность горючей смеси, по меньшей мере, до 7 МДж/кг или, еще лучше, до 8 МДж/кг. Чтобы увеличить теплотворную способность горючей смеси, добавляемое ископаемое топливо обычно передается в печь отдельно от биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов, и это топливо смешивается с этими компонентами непосредственно в печи котельной установки.
Частичное обезвоживание барды приводит к образованию фугата, который полезно подвергнуть анаэробному разбиению, в ходе которого биогаз и обратная вода со шламом отделяются от органического вещества, содержавшегося в нем, и полученный биогаз используется для горения. Продукты горения, полученные при сгорании биогаза, выделенного из фугата, далее используются для производства пара и/или горячей воды и/или теплой воды и/или высушенной барды из процесса производства биоэтанола или кека, полученного обезвоживанием, и/или для производства электроэнергии.
Барда из процесса производства биоэтанола, или кек, полученный ее обезвоживанием, высушивается теплоносителем низкого потенциала, например воздухом или газом, или горячим теплоносителем, таким как горячий воздух и/или горячие продукты горения и/или горячей водой и/или паром.
Проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, в основном, решена в установке для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола. Эта установка включает одну дистилляционную колонну или несколько дистилляционных колонн. По меньшей мере, одна из дистилляционных колонн соединена своим выходом паров спирта с входом конденсатора/охладителя, снабженного патрубком для выхода биоэтанола, и, по меньшей мере, одна дистилляционная колонна соединена своим выходом барды с устройством обезвоживания. Сущность технического решения согласно настоящему изобретению заключается в том, что устройство обезвоживания соединено своим выходом фугата барды с биогазовой станцией и своим выходом кека барды с линией подачи топлива к котлу, при этом между дистилляционной колонной и камерой сгорания предусмотрено смесительное оборудование для смешивания кека и/или барды с молотыми материалами.
Указанная проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, а основном, решена в другой установке для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола. Эта установка включает одну дистилляционную колонну или несколько дистилляционных колонн. По меньшей мере, одна из дистилляционных колонн соединена своим выходом паров спирта барды с входом конденсатора/охладителя, снабженного патрубком для выхода биоэтанола, и, по меньшей мере, одна дистилляционная колонна соединена своим выходом барды с устройством обезвоживания. Сущность технического решения согласно настоящему изобретению заключается в том, что устройство обезвоживания соединено своим выходом фугата барды со биогазовой станцией и своим выходом кека барды с линией подачи топлива к котлу, в то время как питатель биомассы с низкой температурой плавления золы и питатель молотых материалов соединены непосредственно с камерой сгорания котла.
В обеих установках котел может быть предпочтительно соединен своим выпускным паровым патрубком с входом пара в дистилляционную колонну, или устройство обезвоживания может быть соединено с сушилкой барды, и указанная сушилка, в свою очередь, может быть соединена отверстием для выхода кека с линией подачи топлива к котлу. Сушилка предпочтительно может состоять, по меньшей мере, из одного теплообменника.
В еще одном примере воплощения изобретения выход биогазовой станции соединен с горелкой турбины внутреннего сгорания, выпускное отверстие которой соединено с выпускным отверстием генератора электроэнергии и выхлоп отходящих газов соединен с сушилкой и/или с котлом-утилизатором для производства пара и/или горячей воды и/или теплой воды, тогда как паровыпускной патрубок котла соединен с входом паровой турбины и/или сушилки. Альтернативно, выпускной патрубок биогазовой станции соединен с горелкой камеры сгорания биогаза, например, паровой турбины и/или котла-утилизатора для получения горячей и/или теплой воды, и/или с сушилкой и/или турбиной внутреннего сгорания и/или с камерой сгорания. Отверстие для выпуска отходящих газов из камеры сгорания биогаза может быть предпочтительно соединено с сушилкой. Сушилке может иметь, по меньшей мере, один теплообменник.
В еще одном примере воплощения изобретения в установке для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола, выпускной патрубок биогазовой станции соединен с газовым двигателем генератора электроэнергии.
Если установка для производства тепловой энергии из барды, полученной из процесса обработки биоэтанола, оснащена теплообменником, достаточно соединить такой теплообменник с контуром охлаждения конденсатора пара паровой турбины и/или с контуром охлаждения фугата и/или с контуром охлаждения конденсатора/охладителя биоэтанола и/или с контуром охлаждения газового двигателя. Сушилка может быть ленточной сушилкой, сушилкой с псевдоожиженным слоем или вальцовой сушилкой, или она может быть паровой или водяной сушилкой.
В еще одном предпочтительном примере воплощения установка для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола, которая содержит блок смесителя кека, имеет гранулятор топлива, предпочтительно соединенный с блоком смесителя кека и молотых материалов
В еще одном предпочтительном примере воплощения установка для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола, биогазовая станция соединена своим выпускным отверстием для обратной воды со шламом с входом биологической очистной установки, выпускное отверстие которой соединено с входом сушилки, обычно через центрифугу.
В еще одном типичном примере воплощения в установке для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола, устройство обезвоживания включает центрифугу и/или пресс и/или одноступенчатый или многоступенчатый испаритель и отстойник.
В еще одном типичном примере воплощения установка для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола. отличается тем, что паровыпускной патрубок котла соединен с паровым входом турбины, связанной с электрогенератором. Паровыпускной патрубок может быть соединено с паровым входом дистилляционной колонны.
В еще одном типичном примере воплощения в установке для производства тепловой энергии из барды, полученной от процесса производства биоэтанола, паровыпускной патрубок соединен с сушилкой кека.
В примере воплощения, включающим мешалку кека, мешалка кека и молотых материалов предпочтительно установлена между устройством обезвоживания и сушилкой.
В примере воплощения, включающем мешалку кека и молотых материалов, блок смесителя кека может быть установлен между выпускным отверстием кека сушилки барды и камерой сгорания котла или между выпускным отверстием кека сушилки и линией подачи топлива к котлу.
Проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, в основном, решена в котельной установке с псевдоожиженным слоем для горения топлива, состоящего из смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотых материалов, при этом цель изобретения достигается благодаря тому, что этот котел с псевдоожиженным слоем оборудован печью с неподвижным окислительным псевдоожиженным слоем, состоящим из слоя инертного материала высотой 1,5 метра и гранул размером от 0.3 до 2.5 мм, где печь псевдоожиженного слоя разделена воздухонепроницаемой охлаждаемой боковой стенкой, и ее нижняя часть имеет решетку с псевдоожиженным слоем, снабженную форсунками, соединенными с линией подачи воздуха для горения, который передается под давлением 3000-25000 Па при нормальной температуре, чтобы получить скорость ожиженного слоя от 0,3 до 1,2 м/с, в условиях стандартной температуры и давления, при этом нагнетатель воздуха высокого давления с регулируемым расходом псевдоожиженного слоя воздуха для горения соединен с решеткой с псевдоожиженным слоем и, по меньшей мере, с одним вытяжным вентилятором, соединенным с выхлопной трубой котельной установки и создающим управляемый вакуум в котле, при этом к камере сгорания подключено, по меньшей мере, одно устройство для дозирования топлива, состоящего из смеси барды и молотых материалов и/или, по меньшей мере, двух дозирующих устройств, одно из которых является дозирующим устройством биомассы с низкой температурой плавления золы, а другое дозирующим устройством молотых материалов, причем взаимное положение и направление выпускного отверстия биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала выбраны с расчетом достижения эффективного перемешивания биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала в псевдоожиженном слое.
Проблема производства тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, в основном, решена в котельной установке с циркулирующим псевдоожиженным слоем, предназначенным для горения топлива, состоящего из смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала, в которой цель изобретения достигается благодаря тому, что этот котел оборудован камерой сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем, состоящим из слоя инертного материала с размером гранул в диапазоне от 0.3 до 5 мм, где камера печи псевдоожиженного слоя разделена воздухонепроницаемой охлаждаемой боковой стенкой, и ее нижняя часть имеет решетку с псевдоожиженным слоем, снабженную форсунками, с которыми соединена линия подачи воздуха для горения, который передается под давлением 10-50 кПа, измеренным при нормальной температуре, чтобы получить скорость ожиженного слоя 3-15 м/с, измеренной при нормальной температуре и давлении, при этом нагнетатель воздуха высокого давления или с регулируемым расходом псевдоожиженного слоя воздуха для горения соединен с решеткой псевдоожиженного слоя и, по меньшей мере, с одним вытяжным вентилятором, соединенным с выхлопной трубой котельной установки, чтобы получить управляемый вакуум в котле, причем камера сгорания соединена, по меньшей мере, с одним устройством для дозирования топлива, состоящего из смеси барды и молотых материалов и/или, по меньшей мере, с двумя дозирующими устройствами, одно из которых является дозирующим устройством биомассы с низкой температурой плавления золы дозирующим устройством молотых материалов, при этом взаимное положение и направление выхода биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала выбираются с расчетом эффективного перемешивание биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала в псевдоожиженном слое.
Проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, в основном, решена в котельной установке с колосниками для горения топлива, состоящего из смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала, в которой цель изобретения достигается благодаря тому, что этот котел оснащен подвижной решеткой с водяным охлаждением и/или ленточной решеткой и, по меньшей мере, одним устройством дозирования топлива, состоящего из смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала.
Проблема получения тепловой энергии из биомассы с низкой температурой плавления золы также, в основном, решена в котельной установке с сухим шлакоудалением для использования топлива, состоящего из смеси биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала, в которой цель изобретения достигается благодаря тому, что к камере сгорания подключено, по меньшей мере, одно устройство для дозирования топлива, состоящего из смеси барды и молотых материалов и/или, по меньшей мере, два дозирующих устройства, одно из которых является дозирующим устройством биомассы с низкой температурой плавления золы, а другое - дозирующим устройством для дозирования молотых материалов, причем взаимное положение и направление выхода биомассы с низкой температурой плавления золы и молотого материала выбраны так, чтобы эффективно перемешивать биомассу с низкой температурой плавления золы и молотый материал в камере сгорания.
Выгодно, если, по меньшей мере, одно устройство для дозирования ископаемого топлива направлено к камере сгорания любой из вышеупомянутых котельных установок, при этом указанное дозирующее устройство взаимодействует с устройством для дозирования топлива, состоящего из смеси низкой биомассы температуры плавления золы и молотых материалов, чтобы получить топливную смесь с теплотворной способностью, по меньшей мере, 7 МДж/кг или еще лучше 8 МДж/кг.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на приложенные чертежи, где на фигуре 1 показана основная блок-схема установка согласно изобретению, на фигуре 2 показана система нагрева сушилки, основанная на высокой температуре низкой энергии, на фигуре 3 показана другая блок-схема примера воплощения установки согласно изобретению, включающая котел-утилизатор для тепла отходящих газов от газовой турбины внутреннего сгорания, на фигуре 4 представлена блок-схема другого примера воплощения установки согласно изобретению, в которой биогазовая станция соединена с системой биологической очистки сточных вод, на фигуре 5 показана блок-схема еще одного примера воплощения установка согласно изобретению, в которой использует шлам от системы биологической очистки сточных вод, на фигуре 6 показана другая блок-схема еще одного примера воплощения установка согласно изобретению, в которой пар от паровой турбины подается на вход дистилляционной колонны.
Примеры воплощения изобретения
Был проведен ряд испытаний, чтобы проверить, можно ли сжигать барду от производства биоэтанола в существующих котлах, в частности, в котлах с псевдоожиженным слоем.
В первых трех экспериментах к барде на было добавлено никаких присадок.
Пример 1
Обезвоженная кукурузная барда сжигалась в лабораторных условиях, не добавляя присадок. После сгорания был определен вес золы, который в этом случае составлял 2,07% по весу сгоревшей барды Анализируя зольный остаток, было найдено, что процент натрия и калия, то есть их количество от оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках составляло 18,32%. Температура плавления золы была менее чем 630°С.Было доказано, что эта барда является абсолютно неподходящим топливом, поскольку температура камеры сгорания обычно выше температуры плавления золы этого сорта барды, так что расплавленная зола немедленно отшлаковала бы псевдоожиженный слой и/или печь, и/или теплообменные поверхности котла.
Пример 2
Обезвоженная зерновая барда сжигалась в лабораторных условиях, не добавляя присадок. После сгорания был определен вес золы, который в этом случае составлял 3% веса сожженной барды. Анализируя зольный остаток, было найдено, что процентное содержание натрия и калия, то есть их количество от оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках составляло 30%. Температура плавления золы была менее чем 600°С.Было доказано, что эта барда является абсолютно неподходящим топливом, поскольку температура камеры сгорания обычно выше температуры плавления золы этого сорта барды, так что расплавленная зола немедленно отшлаковала бы псевдоожиженный слой и/или печь и/или теплообменные поверхности котла.
Пример 3
Обезвоженная кукурузная барда сжигалась в лабораторных условиях, не добавляя присадок. После сгорания был определен вес золы, который в этом случае составлял 3,38% по весу сожженной барды. Анализируя зольный остаток, было найдено, что процентное содержание натрия и калия, то есть их количество от оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках составляло 21%. Температура плавления золы была менее чем 630°С.Было доказано, что эта барда является абсолютно неподходящим топливом, поскольку температура камеры сгорания обычно выше температуры плавления золы этого сорта барды, так что расплавленная зола немедленно отшлаковала бы псевдоожиженный слой и/или печь и/или теплообменные поверхности котла.
После испытания барды было найдено, что главная причина непригодности барды в качестве топлива заключалась в ее низких свойствах, в частности, чрезвычайно низкая температура плавления золы. Измерения показали, что в данной барде температура плавления золы лежит в диапазоне около 620°С и часто значительно ниже. Понятно, что такое топливо не может быть использовано в котлах-утилизаторах, поскольку расплавленная зола немедленно агломерировала бы псевдоожиженный слой или отшлаковала бы печь или теплообменные поверхности котла. Никакой положительный результат не может быть достигнут без решения проблемы низкой температуры плавления золы. Таким образом, пришли к выводу, что сначала должна быть решена проблема низкой температуры плавления золы, чтобы разработать способ получения тепловой энергии из отходов производства биоэтанола.
Эксперименты и измерение показали, что температура плавления золы зависит от присутствия натрия и калия в топливе. Содержание натрия и калия в топливе не важно, поскольку обычно оно низкое, прядка величины от 0,2 до 2%. Для температуры плавления золы очень важным является содержание натрия и калия в золе, и в барде, полученной от процесса обработки биоэтанола, концентрация натрия и калия в зольных остатках, составляет десятки процентов, что приводит к чрезвычайно низкой температуре плавления золы.
Каждый состав, если он определяется как топливо, обычно характеризуется следующими исходными данными:
- теплотворная способность топлива в МДж/кг зольность в %
- содержание серы в %
- содержание воды в %
- теплота сгорания в МДж/кг
- содержание горючих летучих в %.
Основные параметры могут иногда включать определение углерода, водорода, азота, кислорода, в некоторых случаях также определение хлора и фтора.
На основе вышеупомянутых основных параметров обычно можно приблизительно определить состав выделяемых горючих газов и рекомендовать тип используемого котла. Однако вышеупомянутые параметры в целом недостаточны, чтобы принять однозначное решение о том, является ли топливо полностью сгораемым топливом в данной установке. В данном потенциальном топливе также необходимо определить химический состав материала самой золы, прежде всего содержание кремния, алюминия, железа, магния, кальция и других элементов, включающих натрий и калий. Из состава материала золы могут быть выведены другие свойства топлива. Важным свойством при определении, является ли топливо хорошо сжигаемым или нет в данной котельной установке, что определяется плавкостью золы. Плавкость золы характеризуется четырьмя температурами:
- температура деформации DT
- температура размягчения ST
- температура сплавления НТ
- температура текучести FT
Элементы, такие как натрий и калий снижают температуру плавления золы, другие элементы, или их окиси, такие как кремний, алюминий, железо, марганец, кальций, увеличивают температуру плавления золы. В зависимости от их содержания, мы можем судить о низкой или высокой температуре плавления золы. Определение температуры на основе химического состава будет в этом случае затруднительным, и температура плавления золы может быть только оценена. Самый простой способ определить температуру плавления золы состоит в том, чтобы сделать это на определенном испытательном образце, например, используя анализатор согласно по стандарту ISO CSN 540. Зола может быть подготовлена, например, по стандарту CSN 441358.
В других испытаниях к барде были добавлены другие молотые материалы, которые являются предпочтительными для увеличения температуры плавления золы. Топливная смесь, годная к употреблению могла быть подготовлена только после того, как в барду были введены подходящие молотые материалы.
Пример 4
Обезвоженная кукурузная барда сжигалась в лабораторных условиях вместе с добавкой измельченного известняка. Анализируя золу, было найдено, что процентное содержание натрия и калия, то есть их количество от общего веса золы, составляло от 1 к 5,91, т.е. 14,5% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представленных натрием и калием. Температура плавления золы была равна 805°С.Подобные результаты также были достигнуты, когда вместо известняка использовалась окись кальция СаО. Однако эта топливная смесь могла гореть только при тщательном соблюдении технологической дисциплины, поскольку любое случайное изменение отношения барды к известняку в смеси могло привести к увеличению температуры печи выше температуры плавления золы, после чего расплавленная зола немедленно агломерирует псевдоожиженный слой или забивает колосники печи или поверхности теплопередачи котла.
Пример 5
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой измельченного известняка. Анализируя полученную золу, было найдено, что процентное содержание натрия и калия, т.е. их количество к общему весу золы, составляло от 1 к 6,5, из чего следует, что 13,3% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках было представлено натрием и калием. Температура плавления золы была 1230°С.Подобные результаты также были достигнуты, когда вместо известняка использовалась окись кальция СаО. Однако и в этом случае для воспламенения топливной смеси было необходимо строго соблюдать технологическую дисциплину, так как в случае любого случайного изменения отношения барды или известняка или СаО в смеси, не исключено, что температура печи могла превысить температуру плавления золы, после чего расплавленная зола немедленно агломерирует псевдоожиженный слой или забивает печь или поверхности теплопередачи котла.
Пример 6
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой измельченного известняка. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их отношение к весу оставшейся золы было 1 к 8,41, из чего следует, что 10,6% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была 1240°С.Аналогичные результаты также были достигнуты, когда вместо известняка использовалась окись кальция СаО. Эта топливная смесь уже могла гореть, однако и в этом случае было необходимо строго придерживаться требований технологической дисциплины, так как в случае любого случайного изменения отношения барды или СаО в смеси, не исключено, что температура печи могла увеличиться выше температуры плавления золы после чего, расплавленная зола немедленно агломерирует псевдоожиженный слой или забивает печь или поверхности теплопередачи котла.
Пример 7
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой измельченного известняка. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их отношение к весу оставшейся золы было 1 к 15,17, из чего следует, что 6.2% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была выше 1340°С.Аналогичные результаты также были достигнуты, когда вместо известняка использовалась окись кальция СаО. Эта топливная смесь уже могла гореть, и оказалась стойкой к случайному изменению отношения барды и известняка или СаО в смеси. В случае применения этой топливной смеси нет никакой опасности повышения температуры печи выше температуры плавления золы, поэтому не существует никакой угрозы агломерирации псевдоожиженного слоя или забивания печи или поверхностей теплопередачи котла.
Пример 8
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой пылевидных отходов от обработки камня. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их отношение к весу оставшейся золы было 1 к 15,01, из чего следует, что 6,25% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была выше 1340°С.Эта топливная смесь уже могла гореть и являлась стойкой к случайному изменению отношения барда/известняк в смеси. В этой топливной смеси нет никакой опасности увеличения температуры печи выше температуры плавления золы, и не существует никакой угрозы агломерации псевдоожиженного слоя или забивания печи или поверхностей теплопередачи котла.
Пример 9
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой минерального вещества от сгорания угля в псевдоожиженном слое котла. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их количество, к весу оставшейся золы было 1-20, из чего следует, что 4,76% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была выше 1340°С. Эта топливная смесь уже могла гореть, причем эта смесь является стойкой к случайному изменению отношения барда/известняк в смеси. В этой топливной смеси нет никакой опасности увеличения температуры печи выше температуры плавления золы, и не существует никакой угрозы агломерации псевдоожиженного слоя или забивания печи или поверхностей теплопередачи котла.
Пример 10
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой угольной пыли при содержании 32% золы в сухом веществе. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их количество, к весу оставшейся золы было 1-25, из чего следует, что 3,85% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была выше 1340°С.Эта топливная смесь могла гореть, причем эта смесь является стойкой к случайному изменению отношения барда/известняк в смеси. В этой топливной смеси нет никакой опасности увеличения температуры печи выше температуры плавления золы, и не существует никакой угрозы агломерации псевдоожиженного слоя или забивания печи или поверхностей теплопередачи котла.
Пример 11
В лабораторных условиях обезвоженная кукурузная барда сжигалась с добавкой измельченного известняка. Анализируя зольный остаток, было найдено, что отношение натрия и калия, т.е. их количество, к весу оставшейся золы было 1-14, т.е. 6,67% оставшихся негорючих компонентов в зольных остатках представлено натрием и калием. Температура плавления золы была выше 1340°С.Эта топливная смесь уже могла гореть, причем эта смесь является стойкой к случайному изменению отношения барда/известняк в смеси. В этой топливной смеси нет никакой опасности увеличения температуры печи выше температуры контрольных образцах золы топлива, содержащего от 0,5 до 3% известняка от веса сухого топлива.
Измерялись следующие температуры:
DT - температура, при которой обнаруживаются первые признаки скругления точек или краев контрольного образца.
ST - температура, при которой, в случае использования пирамидального контрольного образца, основная высота и ширина остаются теми же самыми (температура размягчения).
НТ - температура, при которой контрольный образец формирует полушарие, т.е. когда высота равна половине диаметра основания («полусферическая» температура).
FT - температура, при которой зола распределена в основании в слое, высота которого равна 1/3 высоты контрольного образца при температуре плавления (температура жидкости).
Определение плавкости было выполнено на анализаторе в соответствии со стандартом ISO CSN 540, просматривая изменения деформации контрольного образца в виде треугольной пирамиды через электронную видео систему оператором в ходе анализа. Таким образом, были получены значения температуры деформации.
Зола была подготовлена в соответствии со стандартом CSN441358, и эта обработка осуществлялась при температуре 600°С.
Контрольные образцы имели следующие характеристики:
7104 известняк добавлен к топливу в количестве 0,5% по весу сухого вещества топлива
7105 известняк добавлен к топливу в количестве 1,0% по весу сухого вещества топлива
7106 известняк добавлен к топливу в количестве 1,5% по весу сухого вещества топлива
7107 известняк добавлен к топливу в количестве 2,0% по весу сухого вещества топлива
7108 известняк добавлен к топливу в количестве 3,0% по весу сухого вещества топлива
Тип атмосферы
Окисление
Температуры деформации
Температура деформации DT
Температура размягчения Температура ST
Полусферическая температура НТ
Температура жидкости Температура FT
Содержание натрия и калия
Обозначение образца для испытания
°С
°С
°С
°С
%
7104
660
750
800
930
15,08
7105
730
1140
1220
1350
12,73
7106
780
1200
1340
1400
10,94
7107
860
1290
1380
1410
10,50
7108
1280
1300
1340
1410
8,18
Те же самые измерения были выполнены на образцах для испытания барды, к которым было добавлено вещество золы, т.е. зола после сгорания угля, и были получены следующие результаты:
Контрольные образцы золы:
7109 материнская зола была добавлена к топливу в количестве 0,5% веса сухого вещества, используемого в качестве топлива
7110 материнская зола была добавлена к топливу в количестве 1,0% веса сухого вещества, используемого в качестве топлива
7111 материнская зола была добавлена к топливу в количестве 1,5% веса сухого вещества, используемого в качестве топлива
7112 материнская зола была добавлена к топливу в количестве 2,0% веса сухого вещества, используемого в качестве топлива
7113 материнская зола была добавлена к топливу в количестве 3,0% веса сухого вещества, используемого в качестве топлива
Тип атмосферы
Окисление
Температуры
Температу ра
Температура
Полусферичеекая
Температура
Содержание натрия и
деформации
деформации DT
размягчения ST
температура НТ
жидкости FT
калия
Обозначение образца для испытания
°C
°С
°С
°C
°С
7109
700
760
940
ИЗО
15,1
7110
790
860
1150
1310
13,1
7111
1020
1160
1240
1340
11,7
7112
ИЗО
1180
1260
1380
11,4
7113
1210
1250
1310
1390
9,86
В контрольном образце барды с материнской золой уже наблюдались более высокие температуры плавления, когда было добавлено небольшое количество материнской золы, и когда было добавлено свыше 3% или еще лучше 5% материнской золы, температуры плавления золы были относительно высокими, что позволяет эксплуатировать котел-утилизатор с относительной безопасностью и без угрозы псевдоожиженной агломерации слоя или забивания колосников печи или поверхностей теплопередачи котла.
Таким образом, при испытаниях топлива с обработанной бардой, полученной от производства биоэтанола, было найдено, что можно извлекать тепловую энергию из барды от производства биоэтанола при условии, что барда от производства биоэтанола частично обезвожена и смешана с молотым материалом в отношении, обеспечивающем температуру плавления золы в полученной смеси выше критическая температуры, вызывающей забивание печи и/или поверхностей теплопередачи и/или псевдоожиженного слоя расплавленной золой после воспламенения смеси в камере сгорания. Оказалось, что можно не только сначала высушить барду биоэтанола, чтобы затем смешать ее с молотым материалом, но также можно смешивать барду биоэтанола с молотым материалом, чтобы в дальнейшем обезводить полученную смесь. Однако первый способ, кажется, более выгоден.
Чтобы в этом способе вырабатывать тепловую энергию из барды биоэтанола с наиболее высокой возможной эффективностью, т.е. гарантировать полное сгорание барды биоэтанола, необходимо выполнить процесс удаления влаги таким образом, чтобы затратить на это минимум тепловой энергии. Выгодно применить двухступенчатое обезвоживание, когда первая ступень является стадией механического обезвоживания, в котором жидкая барда центрифугируется, предпочтительно в декантирующей центрифуге, в которой может быть достигнуто обезвоживание порядка 30-36% сухого вещества. Еще один возможный тип механического обезвоживания - прессование барды. Более высокая степень обезвоживания обычно достигается при высыхании, предпочтительно в вальцовой сушилке. Сухое вещество может быть полностью обезвожено, т.е. до 100% сухого вещества; однако, сушка в сушилке обычно практически возможна до уровня 86-88% сухого вещества. Сушильный агент может быть продуктами горения от природного газа или горелки, работающие на биогазе, или друга среда. Для сушки может также использоваться горячий воздух, нагретый паром или продуктами горения. Чтобы высушить барду, мы можем также использовать котел, в котором пар обычно используется как сушильный агент.
Степень самоподдерживающей теплотворной способности барды зависит от степени обезвоживания. В случае высокой степени обезвоживания теплотворная способность барды может достигать 19 МДж/кг.
Чтобы гранулировать барду, рекомендуемое содержание сухого вещества лежит в диапазоне 86-88%. Грануляция обычно выполняется на роторных грануляторах.
Часть основного компонента обработки барды, полученной из производства биоэтанола, должна быть смешана с подходящим материалом для барды с тем, чтобы полученная смесь была бы однородна и отношение барды к молотому материалу было бы постоянным. Гранулометрический состав молотых материалов должен быть сопоставимым с гранулометрическим составом первоначальной барды, которая предпочтительно имеет размер частиц молотого материала от 0 до 2 мм, при этом частицы, находятся во всем спектре этого диапазона. Если используется известняк, он определяется в терминологии специалистов по цементу как "абразивные частицы". Термин абразивные частицы для специалистов по цементу означает предопределенный материал и его Гранулометрический состав. В других типах биомассы, таких как кукурузная мука, молотый маис, кукуруза, порошок кукурузы или кукурузный крахмал, можно использовать материалы с более высокой температурой плавления золы, и можно выполнять процесс таким же образом, как и в случае барды. В случае применения соломы, зернового продукта и, например, отходов от производства подсолнечного масла или рапсового масла, частицы биомассы в основном больше частиц молотого материала, размер которого лежит в диапазоне от 0 до 2 мм, и, следовательно, лучше молоть эти материалы таким образом, чтобы их гранулометрический состав мог бы быть сопоставим с гранулометрическим составом молотых материалов и затем смешивать их, или сначала смешивать и только потом молоть с тем, чтобы полученная смесь была бы однородной. Если гранулометрический состав биомассы и добавляемых молотых материалов заметно отличается, желательно увеличить количество примешиваемых молотых материалов, чтобы получить нужный результат.
Топливная смесь, в которой отношение барды и молотых материалов установлено так, чтобы получить конечную температуру плавления НТ золы смеси около 760°С, или в котором отношение барды к молотым материалам установлено так, чтобы получить общее весовое количество натрия и калия в зольных остатках к весу других негорючих компонентов в зольных остатках величиной несколько ниже 1:5,85, такую смесь можно сжигать в котлах-утилизаторах, однако, трудно поддерживать работу котла на таком топливе в постоянном рабочем режиме, и есть опасность выхода установки из рабочих параметров. Также трудно получить действительно однородное топливо так, чтобы при каждой загрузке топлива в котел, было то же самое отношение барды к смешанным молотым материалам. Из-за неоднородности смешанных материалов, вещество золы может накапливаться в печи или на поверхностях теплопередачи, или оно может вызвать забивание псевдоожиженного слоя.
Однако, такой котел может эксплуатироваться даже при низких температурах, т.е. при температуре, не слишком далекой от температуры плавления, которая доказана надлежащим пуском котла. Например, котел с псевдоожиженныым слоем может эксплуатироваться, даже если температура псевдоожиженного слоя будет всего 500 или 600°С. Однако в котле с колосниками или в котле с сухим шлакоудалением такая работа не является оптимальной, даже если она возможна.
Лучшие результаты были получены в топливной смеси, в которой отношение барды и молотым материалам установлено так, чтобы получить температуру плавления НТ золы смеси около 1200°С, или в котором отношение барды к молотым материалам установлено так, чтобы получить отношение веса натрия и калия в зольных остатках к весу других негорючих компонентов в зольных остатках порядка несколько менее 1:6,50. В таком случае работа котла будет менее требовательной к соблюдению технологической дисциплины. В виду того, что также и в этом случае топливо расположено в критической области, где каждое изменение концентрации молотого материала может вызвать технологические проблемы, рекомендуется, использовать такую топливную смесь, в которой отношение барды к молотым материалам установлено так, чтобы получить температуру плавления (НТ) золы смеси порядка 1300°С, или в котором отношение барды к молотым материалам позволяет получить отношение веса натрия и веса калия в зольных остатках к весу других негорючих компонентов в зольных остатках менее чем 1:15. Это решение дает лучшие результаты и в работе котла и в производстве топлива.
Наилучшие результаты были достигнуты в топливах, в которых добавленные молотые материалы содержали кальций, известняк, гашеную известь или гидроокись кальция, в частности, когда барда содержит значительное количество серы, а именно, около 0,6% и даже хлора от 0,12 до 0,4%, которые могут вызвать высокотемпературную коррозию котла. Эти содержащие кальций материалы способны десульфировать продукты горения и также уменьшить содержание хлора в продуктах горения. Эффект этих материалов, особенно в котлах с псевдоожиженным слоем, заметно снижает риск формирования диоксинов и фуранов и риск стимулирования высокотемпературной коррозии хлором. Кроме того, материалы, богатые кальцием, снижают содержание других галогенных элементов в продуктах горения в котлах с псевдоожиженным слоем.
В колосниковых котлах кальций имеет только ограниченное влияние на выделяемые газы.
В качестве подходящих молотых материалов выгодно использовать топливо, полученное из шлама станций водоочистки согласно чешскому промышленному образцу No. 16624 на "Топлива для котельных установок, особенно для котельных установок с псевдоожиженным слоем".
В качестве подходящих молотых материалов также можно использовать нефтяные коксы, которые представляет собой твердые остатками процесса переработки нефти. В качестве других молотых материалов, можно использовать щепу, солому, сено, кислицу, хмелевое дерево и т.д., однако здесь мы имеет недостаток, состоящий в том, что эти материалы содержат только небольшое количество золы, и они должны быть добавлены в довольно большом количестве по сравнению с кальцием. Солома не является подходящим материалом, поскольку температура плавления золы соломы обычно около 800°С и если бы мы добавляли солому, то ее эффект был бы скорее отрицательным.
Наиболее подходящими котлами для сгорания топливной смеси, полученной согласно вышеописанному способу являются котлы с псевдоожиженным слоем, особенно котлы с неподвижным псевдоожиженным слоем. Эти котлы являются особенно подходящими для горения топлива, смешанного с молотым материалом, богатым кальцием, и, помимо того что эти топлива могут быть использованы в таких котлах, имеется дополнительный положительный эффект кальция, который уменьшает содержание серы, хлора и других галогенных элементов в продуктах горения. Снижение содержания хлора в продуктах горения имеет значительный эффект при подавлении высокотемпературной коррозии, которая имеет место в других котлах без псевдоожиженного слоя и вызывают значительные проблемы при эксплуатации этих котлов, т.е. хлорную коррозию, которая заметно снижает срок службы котельной установки. Котлы с неподвижным псевдоожиженным слоем подходят для выработки электроэнергии порядка 1-50 МВт. Котлы с циркулирующим псевдоожиженным слоем обеспечивают тот же эффект, что и котлы с неподвижным псевдоожиженным слоем, но они используются для производства энергии от 50 МВт и выше. Представляется, что наиболее подходящими котлами с колосниковыми решетками являются котлы с решетками с водяным охлаждением. Котлы с сухим шлакоудалением также могут использоваться для сгорания указанных топливных смесей.
Результаты, полученные при сгорании барды, могут быть использованы для обеспечения горения любого вида биомассы с низкой температурой плавления золы. В других видах биомассы типа пшеничная мука, кукурузная мука, маис, маисовая мука могут быть смешаны с материалами с более высокой температурой плавления золы, и можно поступить так же как в случае барды. В случае использования соломы, зернового продукта и отходов от производства подсолнечного масла или рапсового масла, частицы биомассы в основном больше частиц молотого материала, размер которого лежит в диапазоне от 0 до 2 мм, и, следовательно, лучше измельчить эти материалы в порошок таким образом, чтобы их гранулометрический состав мог бы быть сопоставим с гранулометрическим составом молотых материалов, и только потом смешивать или и молоть их с тем, чтобы полученная смесь имела бы однородный состав. Если гранулометрический состав биомассы и добавленных молотых материалов заметно отличается, необходимо увеличить количество добавленных молотых материалов, чтобы получить аналогичный результат.
В целом считается, что если, добавить вышеупомянутые молотые материалы к топливной смеси, то мы можем получить отношение количества натрия и калия в зольных остатках к весу других негорючих компонентов менее чем 1:5,85, и полученное топливо хорошо горит без забивания печи или засорения псевдоожиженного слоя расплавленной золой.
Однако вышеописанное производство топлива также не является исчерпывающим. Когда получены обезвоженная барда и фугат, который также является обрабатываемым материалом, мы можем получить из него энергию. Следовательно, такая установка является подходящим дополнением к заводу для производства биоэтанола по другой технологии, которая была бы в состоянии обрабатывать барду способом глубокой переработки. Ниже мы опишем способ дальнейшей обработки барды и оборудование для осуществления этого способа.
После частичного обезвоживания, фугат, полученный из барды, охлаждается и подвергается анаэробному разложению, при котором биогаз и обратная вода со шламом отделяется от органического вещества, содержавшегося в ней, после чего полученный биогаз используется для горения, тогда как кек, полученный после обезвоживанием барды, высушивается прежде, чем поступить в камеру сгорания.
После отделения фугата твердый компонент отходов от производства биоэтанола смешивается с молотым материалом, а именно, после его частичного обезвоживания или даже прежде, чем он будет обезвожен. Более предпочтительно, если сухой кек смешивается с молотым материалом, потому что молотые материалы обычно не нуждаются ни в каком обезвоживании, и, таким образом, могут быть обезвожены меньшие объемы. Барда обезвоживается центрифугированием или прессованием, или она может быть просто высушена на воздухе.
Барда обезвоживается сушкой, используя среду теплопередачи, которая может быть горячим воздухом и/или горячими продуктами сгорания и/или горячей водой и/или паром. Однако с экономической точки зрения, наиболее предпочтительно обезвоживать барду, используя высокотемпературные выхлопные газы установки, которые иначе трудно где-либо использовать. Они имеют оптимальную температуру для сушки барды, будучи теплоносителем низкого потенциала, таким как воздух или газ, и обеспечивают достижение содержания сухого вещества, по меньшей мере, 45% или еще лучше содержания сухого вещества, по меньшей мере, 86%.
Продукты горения, полученные от сгорания биогаза, полученного из фугата, могут в дальнейшем использоваться для производства пара и/или горячей воды и/или теплой воды.
Установка для осуществления вышеописанного способа комплексной обработки барды описана ниже более подробно со ссылками на приложенные чертежи.
На фигуре 1 представлена упрощенная блок-схема установки для производства тепловой энергии согласно настоящему изобретению, в которой могут быть продемонстрированы основные признаки изобретения. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1 блока дистилляционных колонн 1 соединена через свой выпускной патрубок для выхода паров спирта с конденсатором/охладителем 2, который снабжен выпускным патрубком для биоэтанола. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1 блока дистилляционных колонн 1 через выпускное отверстие для барды одновременно соединена с устройством обезвоживания 3, которое через свое выпускное отверстие для кека соединено с сушилкой 4 и через его выпускное отверстие для выхода фугата соединено с охладителем фугата 5. Сушилка 4 через свое выпускное отверстие для сухого кека соединена с входом блока смесителя 6 для перемешивания кека и молотых материалов. Блок смесителя 6 кека и молотых материалов соединен через свой топливный вход с топливным входом котла 7, который соединен через свое выпускное отверстие для пара с паровой турбиной 8, связанной с электрогенератором 9. Охладитель 5 фугата соединен через свое выпускное отверстие для выхода фугата с биогазовой станцией 10, в которой происходит анаэробное разложение фугата и выработка биогаза. Выпускной патрубок биогазовой станции 10 соединен в этом примере воплощения с газовой турбиной 11, которая, в свою очередь, соединена с электрогенератором 12.
В дистилляционных колоннах 1 осуществляется перегонка биологического материала, используемого для производства биоэтанола, например, перегонка сахарной свеклы, зерна, хлебных злаков и т.д. Отходы перегонки сначала частично обезвоживают, например, путем центрифугирования, отделяя, таким образом, жидкую фракцию от твердой фракции отходов. Жидкая фракция, т.е. фугат, охлаждается в холодильнике фугата 5 и направляется на биогазовую станцию 10, где биогаз и обратная вода со шламом отделяются от фугата анаэробным разложением. Биогаз используется для горения в газовой турбине 11 и его энергия преобразуется в электроэнергию в электрогенераторе 12. Твердая фракция, т.е. барда, сначала высушивается в сушилке 4, после чего она смешивается с молотым материалом, чтобы увеличить температуру плавления произведенного топлива выше критического предела, и топливо затем подается в камеру сгорания котла 7, предпочтительно, в псевдоожиженный слой котла. Пар, полученный при работе котла 7, подается в паровую турбину 8, соединенную с электрогенератором 9, и здесь тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, и механическая энергия в электрическую.
На фигуре 2 показана система нагревания сушилки 4 высокой температурой низкой энергии, поступающей от упрощенной установки, показанной на упрощенной блок-схеме, для осуществления изобретения фигуры 1 с добавленным газовым двигателем 13 и гранулятором топлива 14. Сушилка 4 имеет несколько теплообменников, с которыми связаны контуры охлаждения конденсаторной секции паровой турбины 8, холодильник фугата 5, конденсатор/холодильник биоэтанола 2 и газовый двигатель 13. Сушилка 4 может быть ленточного типа, псевдоожиженного типа или барабанного типа. Теплообменники в сушилке 4 обычно устанавливаются последовательно в соответствии с их температурой в направлении процедуры обработки кека барды, при этом самый холодный охлаждающий контур обычно соединяется с теплообменником, в которой входит кек барды. Таким образом, кек постепенно сушится, и высушенный кек подается в блок смесителя 6, где он смешивается с молотыми материалами. Могут быть использованы несколько теплообменников, так же как и несколько охлаждающих контуров. Хотя на этой примерной биогазовой станции ее выход соединен с турбиной 10 и с газовым двигателем 13, как правило, в установке используется либо только газовая турбина 11, либо только газовый двигатель 13. Блок смесителя 6 кека и молотых материалов соединен с гранулятором 14, из которого гранулированное топливо передается в котел-утилизатор 7.
На фигуре 3 показана еще одна блок-схема примера воплощения установки согласно настоящему изобретению, содержащей котел-утилизатор 15 для утилизации тепла отходящих газов от турбины внутреннего сгорания 11. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1, блока дистилляционных колонн 1 соединена своим выходом паров спирта с конденсатором/охладителем 2, соединенным с выпускным патрубком для выхода биоэтанола. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1 блока дистилляционных колонн 1 соединена через свой выпускной патрубок для выхода барды с устройством обезвоживания 3, которое соединено отверстием для выхода кека с сушилкой 4 и через выпускное отверстие для выхода фугата с охладителем фугата 5. Сушилка 4 соединена через свое выпускное отверстие для выхода сухого кека с входом блока смесителя 6 кека и молотых материалов. Блок смесителя 6 кека и молотых материалов соединен через свой топливный вход с топливным входом котла 7, который соединен через свой паровыпускной патрубок с паровой турбиной 8, связанной с электрогенератором 9 и с паровпускным патрубком конденсатора пара 16. Выход конденсата дистилляционной колонны 1 соединен с входом конденсата котла 7, тогда как паровыпускной патрубок котла 7 соединен с паровпускным патрубком дистилляционной колонны 1. Охладитель 5 фугата соединен своим выпускным отверстием с биогазовой станцией 10, в которой происходит анаэробное разложение фугата и вырабатывается биогаз. Выпускной патрубок биогазовой станции 10 в этом примере воплощения соединен с котлом-утилизатором 17, выход которого соединен с турбиной внутреннего сгорания 11, которая связана с электрогенератором 12. Вместо парового котла 17, может также использоваться котел для получения горячей воды или теплой воды. Выхлопная труба турбины внутреннего сгорания 11 соединена с котлом-утилизатором 15, паровыпускной патрубок которого в этом типичном примере воплощения соединен с теплообменником сушилки 4, и вход конденсата соединен с выходом конденсата от конденсатора пара 16. Другой теплообменник сушилке 4 может быть соединен с выходом отходящих газов котла-утизизатора 15.
В этом примере воплощения продукты горения от турбины внутреннего сгорания 11, которые в противном случае представляли бы собой отходящее тепло с ненужной высокой температурой, используются для нагревания котла-утилизатора 15, который нагревает, по меньшей мере, один теплообменник сушилки 4. Таким образом, низкоэнергетический компонент используется для повышения экономичности котельной установки с использованием барды как топлива.
На фигуре 4 показана еще одна блок-схема другого примера воплощения установки согласно настоящему изобретению, в которой биогазовая станция 10 соединена своим выпускным отверстием для шлама со станцией биологической водоочистки 18, в которой выход шлама соединен через центрифугу 19 с входом сушилки кека 4. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1 блока дистилляционных колонн 1 соединена через паровыпускной патрубок с конденсатором/охладителем 2, который снабжен выпускным патрубком для биоэтанола. По меньшей мере, одна дистилляционная колонна 1 блока дистилляционных колонн 1 также соединена через свое выпускное отверстие для барды с устройством обезвоживания 3, которое соединено через отверстие для выхода кека с сушилкой 4 и через отверстие для выхода фугата с охладителем фугата 5. Сушилка 4 соединена через свое выпускное отверстие для выхода сухого кека с входом блока смесителя 6 кека и молотых материалов. Блок смесителя 6 кека и молотых материалов соединен через его выпускное отверстие и через гранулятор топлива 14 с топливным входом котла 7, который соединен через свой паровыпускной патрубок с паровой турбиной 8, связанной с электрогенератором 9. Выход конденсата дистилляционной колонны 1 соединен с входом конденсата котла 7, тогда как паровыпускной патрубок котла 7 соединен с паровпускным патрубком дистилляционной колонны 1. Охладитель 5 фугата соединен через выпускное отверстием для фугата с биогазовой станцией 10, в которой происходит анаэробное разложение фугата, и вырабатывается биогаз. Выпускной патрубок биогазовой станции 10 в этом примере воплощения соединен с горелкой сушилки 4.
В этом примере воплощения обратная вода со шламом, остающаяся после анаэробного разложения фугата, передается на биологическую очистную установку сточных вод 18, и там вода и шлам разделяются. Очищенная вода может быть подана в общую городскую канализацию или она может при необходимости пройти третичную обработку, включающую мембранное разделение, в технологических целях на спиртовом заводе, например, в качестве замочной воды для промывки и подготовки химикатов или как охлаждающая вода. Шлам из биологической очистной установки сточных вод 18 обезвоживается, как правило, используя центрифугу 19, например, стандартную декантирующую центрифугу. Обезвоженный шлам добавляется к обезвоженной барде, и смесь высушивается в сушилке 4, как правило, представляющую собой вальцовую сушилку.
На фигуре 5 показана блок-схема еще одного примера воплощения установки согласно изобретению, в которой используется шлам от биологической очистной установки сточных вод 18. Этот пример воплощения отличается от примера воплощения, показанного на фигуре 4 конструкцией выпускного патрубка выхода биогаза от биогазовой станции 10, который не соединен с горелкой сушилки 4, но соединен с входом биогаза турбины внутреннего сгорания 11, выход продуктов сгорания которой соединен, по меньшей мере, с одним теплообменником сушилки 4. Паровыпускная труба котла 7 соединена не только с паровпускным патрубком дистилляционной колонны 1, но также и с другим теплообменником сушилки 4, тогда как выпускные патрубки для выхода конденсата соответствующего теплообменника сушилки 4 и дистилляционной колонны 1 соединены с входами конденсата котла 7.
На фигуре 6 показана еще одна блок-схема другого примера воплощения установки согласно настоящему изобретению, в которой пар от паровой турбины 8 передается на вход пара дистилляционной колонны 1. Этот пример воплощения отличается от предыдущего примера воплощения тем, что выпускной патрубок биогазовой станции 10 не соединен с входом биогаза турбины внутреннего сгорания 11, а соединен с входом биогаза камеры сгорания 20, выход продуктов сгорания которой соединен, по меньшей мере, с одним теплообменником сушилки 4.
Главное преимущество всех вышеописанных примеров воплощения настоящего изобретения, а также всех других возможных комбинаций, позволяющих сформулировать пункты патентования формулы изобретения, в дополнение к эффективному решению проблемы сжигания барды, также состоит в выработке энергии, достаточной для работы всей системы. Таким образом, решается задача комплексной обработки барды в целях производства энергии посредством экологически приемлемой технологии, которая не производит ненужных отходов, требующих утилизации, наблюдает пределы допустимых выбросов газообразных продуктов горения, и очищенная вода может быть подана в городскую канализацию или может повторно использоваться в технологических целях. Если в качестве молотого материала будут использоваться известняк или известь, то остаточная зола будет исходным сырьем для производства цемента, в некоторых случаях остаточная зола может также использоваться, как подходящее удобрение. Важные технологические компоненты могут быть удвоены и зарезервированы, чтобы гарантировать непрерывную работу по производству спирта в течение года, используя биодистилляционную технологию. Таким образом, барда от производства биоэтанола используется для производства полезной энергии без излишней обработки. Избыточная электроэнергия может быть продана по выгодному тарифу, соответствующему получению энергии из биомассы.
Промышленная применимость
Способ получения тепловой энергии из барды от производства биоэтанола, так же как установка для осуществления этого способа могут использоваться на спиртовых заводах, где они решают проблему утилизации отходов обработки таким образом, что вместо финансового бремени такая обработка становится финансовой выгодой. Указанные процедуры и установки также решают проблемы минимального воздействия на окружающую среду отходами обработки.