Способ окислительной торрефикации биоотходов в кипящем слое
METHOD OF OXIDATIVE TORREFACTION OF BIO-WASTES IN FLUIDIZED BED

Изобретение относится к биоэнергетике, в частности к технологии и оборудованию для производства биотоплива из биоотходов.
Под биоотходами будем понимать отходы растениеводства (солома), отходы перерабатывающей промышленности (лузга подсолнечника, проса, гречихи, риса и других культур), отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также некоторые виды коммунальных и бытовых отходов, которые в исходном состоянии находятся в твердом виде и представляют собой некую углеродосодержащую субстанцию.
В исходном состоянии указанные виды отходов в большинстве своем имеют высокую влажность, низкое объемное содержание тепловой энергии и гидрофильны. По указанным причинам использование многих видов биоотходов в исходном состоянии затруднительно.
Для производства из биоотходов биотоплива, пригодного для использования в энергетике, в том числе для совместного сжигания с углем с целью сокращения выброса парниковых газов, биоотходы подвергают предварительной термической обработке – торрефикации. Под торрефикацией обычно понимают процесс низкотемпературного пиролиза, протекающий в отсутствии кислорода при температуре 200 – 350°С. Поскольку процесс должен протекать в отсутствии кислорода, реактор для торрефикации заполняется инертным газом, что увеличивает стоимость такого вида термической обработки биоотходов.
Bioresource Technology
Bioresource Technology
177
243
Вместе с тем известны варианты осуществления процесса торрефикации, осуществляемые в среде циркулирующих через реактор газообразных продуктов торрефикации или в среде дымовых газов, полученных в результате сжигания органического топлива (Mei, Y., Liu, R., Yang, Q., Yang, H., Shao, J., Draper, C., Zhang, S., Chen, H. 2015. Torrefaction of cedarwood in a pilot scale rotary kiln and the influence of industrial flue gas. , , 355-60, Uemura, Y., Sellappah, V., Hoai Thanh, T., Hassan, S., Tanoue, K.-i. 2017. Torrefaction of empty fruit bunches under biomass combustion gas atmosphere. , , 107-117). Концентрация кислорода в реакторе для торрефикации может составлять от 3 до 16 % (объемных). Такой способ торрефикации называется окислительной торрефикацией.
Отмечается, что окислительная торрефикация заключается не только в термической деструкции биомассы и удалении части летучих веществ, но и сопровождается рядом окислительных реакций. Эти окислительные реакции являются экзотермическими и выделяющаяся при этих реакциях тепловая энергия используется для процесса торрефикации, что позволяет существенно сократить энергозатраты на процесс торрефикации и продолжительность процесса торрефикации.
При торрефикации измельченных биоотходов рекомендуется применять торрефикацию в кипящем слое инертного материала. В этом случае повышается скорость термической обработки биоотходов.
Известен способ окислительной торрефикации биоотходов в кипящем слое инертного материала (стеклянных шариков), которые переводятся в псевдоожиженное состояние горячим газом, представляющим собой смесь азота и кислорода, причем содержание кислорода в смеси изменяется от 2 до 9 % объемных (Ziliang Wang BIOMASS TORREFACTION IN SLOT-RECTANGULAR SPOUTED BEDS // A DISSERTATION SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY in THE FACULTY OF GRADUATE AND POSTDOCTORAL STUDIES (Chemical and Biological Engineering) THE UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA (Vancouver) December 2017), а обрабатываемая биомасса по мере торрефикации теряет свою массу и выноситься из реактора, а затем отделяется от газового потока в циклоне.
Недостатком данного способа является его низкая энергоэффективность, т.к. горючие газы (окись углерода, водород), выделившихся из биоотходов в процессе торрефикации, не могут быть использованы в энергетических целях, например, в целях нагрева газовой смеси, подаваемой в реактор для торрефикации, поскольку эти горючие газы забалластированы азотом.
Кроме того, способ отличается низкой надежностью, т.к. в процессе торрефикации не вся обрабатываемая биомасса отделяется от инертного материала и выносится из реактора, что подтверждается увеличением накоплением биомассы в реакторе и увеличением высоты кипящего слоя на 30 % через 50 минут после начала работы реактора.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ окислительной торрефикации биомассы в кипящем слое, образованным самими частицами обрабатываемой биомассы, которые переводятся в псевдоожиженное состояние горячим газом, представляющим собой смесь свежего воздуха и рециркулирующих газообразных продуктов торрефикации, которые сжигаются перед подачей под слой псевдоожижаемой биомассы, а обрабатываемая биомасса по мере торрефикации теряет свою массу и выноситься из реактора, а затем отделяется от газового потока в циклоне (Method of Drying Biomass, патент США № US 2011/025269801 A1).
Недостатками способа является его низкая энергоэффективность и низкая надежность.
3
3
При торрефикации из биомассы выделяется незначительное количество газов (порядка 0,2 нм/кг свежей биомассы), которые содержат большое количество паров воды и азота, но относительно небольшое количество горючих газов (окиси углерода и водорода). По указанным причинам теплота сгорания газообразных продуктов торрефикации составляет 1200 – 1600 Дж/м. Тепловой энергии, полученной при сжигании газообразных продуктов торрефикации, будет явно недостаточно для ведения процесса торрефикации, поскольку энергозатраты на этот процесс составляют порядка 5000 Дж на 1 кг исходной биомассы, подвергаемой торрефикации.
Для нагрева рециркулирующих газов потребуется использовать дополнительный источник тепла, что снизит энергоэффективность процесса торрефикации.
Низкая надежность известного способа окислительной торрефикации обусловливается тем, что небольшое количество газообразных продуктов торрефикации, рециркулирующих и подаваемых в реактор для торрефикации для псевдоожижения частиц биомассы, особенно в начале процесса работы реактора для торрефикации, вызывает необходимость подачи в реактор избыточного количества свежего воздуха для поддержания процесса псевдоожижения. Это может привести к возгоранию биомассы в реакторе для торрефикации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности и надежности процесса торрефикации биоотходов.
Указанная цель достигается тем, что предложен способ окислительной торрефикации биомассы в кипящем слое, образованным самими частицами обрабатываемой биомассы, которые переводятся в псевдоожиженное состояние газовой смесью, нагретой до необходимой температуры торрефикации, а обрабатываемая биомасса по мере торрефикации теряет свою массу и выноситься из реактора, а затем отделяется от газового потока в циклоне, отличающийся тем, что газовая смесь содержит уходящие дымовые газы котла и продукты сгорания газообразных продуктов торрефикации, причем уходящие дымовые газы котла содержат 2 – 12 % (объемных) кислорода, а газообразные продукты торрефикации перед сжиганием подвергаются гетерогенному термическому крекингу в слое углеродосодержащих частиц при температуре 850 – 1000°С.
На фигуре 1 изображена схема установки для процесса окислительной торрефикации по настоящему изобретению.
Установка для процесса окислительной торрефикации в кипящем слое включает: узел для подготовки биоотходов к торрефикации, предпочтительно состоящий из транспортёра 1, дробилки грубого измельчения 2 и дробилки тонкого измельчения 3, реактор для торрефикации 4, котел 5, узел для очистки   дымовых газов 6, дымосос 7, узел для отделения торрефицированных частиц биоотходов от газового потока 8, реактор для гетерогенного крекинга газообразных продуктов торрефикации 9, дымовую трубу 10.
Установка работает следующем образом.
Биоотходы проходят предварительное измельчение. Для этого биоотходы транспортером 1 подаются в дробилку предварительного (грубого) измельчения 2 и дробилку тонкого измельчения 3. Это могут быть молотковые дробилки известных конструкций, позволяющие измельчать биоотходы до частиц размером не более 5 мм.
Измельченные биоотходы подаются в реактор для торрефикации 4, в котором происходит процесс торрефикации измельченных биоотходов в кипящем слое, который образуют сами измельченные биоотходы.
Для энергообеспечения процесса торрефикации используется тепло дымовых газов, полученных при сжигании топлива в отдельном котле 5. Дымовые газы, покидающие котел 5, с помощью дымососа 7 разделяются на два потока: часть из них подается в реактор для торрефикации 4, пройдя узел для очистки дымовых газов от частиц золы и сажи 6, а часть направляются в дымовую трубу 10. В качестве узла очистки может быть использован циклон, батарея циклонов или фильтр (рукавный фильтр, электрофильтр).
Эти газы содержат 2 – 12 % (объемных) кислорода. Минимальное количество кислорода содержится в дымовых газах при сжигании природного газа, а максимальное – при слоевом сжигании твердого топлива.
Частицы биоотходов в результате торрефикации теряют массу и выносятся из кипящего слоя и отделяются от газового потока в узле 8, в качестве которого может быть использован циклон или батарея циклонов.
После узла очистки 8 частицы торрефицированных биоотходов направляются потребителю, в частности, они могут быть сгранулированы и использованы как биотопливо.
Газообразные продукты торрефикации направляются в реактор для гетерогенного термокрекинга, который может представлять собой вертикальный обогреваемый аппарат с неподвижным слоем углеродосодержащих частиц, например, активированного угля, находящегося при температуре 800 – 1000°С, через который продувается восходящий или нисходящий поток газообразных продуктов торрефикации.
При взаимодействии с горячим активированным углем газообразных продуктов торрефикации происходят следующие реакции:
2
CO + C → 2 CO                      (1)
2
2
HO + C → CO + H(2)
4
4
2
2
CHO → 2 CO + 2 H             (3)
2
2
2
CHO + C → 2 CO + H          (4)
3
6
3
2
CHO → 3 CO + 3 H             (5)
3
6
2
CHO → CO + 3 H + 2 C       (6)
5
4
2
2
CHO→ 2 CO + 2 H + 3 C    (7)
Степень гетерогенного разложения газообразных продуктов зависит как от температуры в зоне их контакта с активированным углем, так и от времени пребывания газообразных продуктов торрефикации в этой зоне.
Экспериментально доказано, что при температуре в слое угля 1000°С и времени контакта биоугля с газообразными продуктами порядка 4 секунд происходит практически полное преобразование газообразных продуктов в синтез-газ.
2
Реакционная способность биоугля при такой температуре настолько высока, что практически весь объем СО был преобразован в СО.
При более низкой температуре увеличение коэффициента преобразования может быть достигнуто путем увеличения толщины слоя активированного угля и увеличения времени пребывания газообразных продуктов в слое угля.
В таблице 1 приведен состав и теплота сгорания синтез-газа, полученного из двух видов биомассы (древесина и торф), прошедшего торрефикацию и гетерогенный термокрекинг в слое горячего активированного угля.
Таблица 1
Режим, материал
Состав синтез-газа, % (объемные)
Теплота сгорания
H
CO
CH<sub>4</sub>
МДж/м<sup>3</sup>
Температура активированного угля 850°СДревесинаТорф
3940
2827
108
11,310,6
Температура активированного угля 950°СДревесинаТорф
4743
4140
12
10,610,4
Температура активированного угля 1000°СДревесинаТорф
4649
4641
0,40,1
10,910,8
3
Как следует из таблицы 1, в плотном слое горячего активированного угля происходит глубокая переработка газообразных продуктов торрефикации биомассы и может быть получен синтез–газ, на 90 % и более состоящий из смеси окиси углерода и водорода. Эксперименты показывают, что выход синтез–газа после гетерогенного термокрекинга составляет порядка 1,6 нм/кг исходной биомассы. Т.е. выход синтез–газа после гетерогенного термокрекинга увеличивается в 8 раз по сравнению с выходом газообразных продуктов торрефикации.
3
3
Полученный синтез–газ направляется в котел 5. Расчеты показывают, что при торрефикации 1 т биоотходов может быть получено 1600 нм синтез–газа с теплотой сгорания 10 МДж/нм. За счет сжигания этого синтез–газа может быть получено 16000 МДж тепловой энергии, которой будет достаточно для торрефикации 3,2 т биоотходов, т.е. обеспечивается полное энергообеспечение процесса торрефикации и повышается надежность работы установки, реализующий предложенный процесс.
Продукты сгорания синтез–газа покидают котел 5 при коэффициенте избытка воздуха порядка 2 %, в то же время на начальной стадии процесса в котле 5 может сжигаться твердое топливо и коэффициент избытка воздуха может достигать 12 %.