СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БИОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF BIOMASS THERMAL TREATMENT WITH HELP OF BOILER PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу термической обработки биомассы в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Глобальное потепление, или так называемый парниковый эффект, является следствием увеличения концентрации диоксида углерода в атмосфере. Одной из значительных причин парникового эффекта является производство энергии, при котором сжигание ископаемых топлив вызывает наибольшее накопление диоксида углерода в атмосфере, а также в растениях посредством фотосинтеза или в так называемых природных способах переработки.
6
12
6
2
2
2
Концентрация диоксида углерода в атмосфере очень невелика, только ненамного выше 0,3%. Связывание диоксида углерода непосредственно из атмосферы было бы, например, возможным при использовании технологий промывки, которые, однако, невозможно реализовать на практике вследствие низкого парциального давления диоксида углерода. Фактически единственным способом удаления диоксида углерода из атмосферы является применение решений, основанных на фотосинтезе с помощью растений. При фотосинтезе сахара (CHO) получают с помощью растений посредством энергии солнечного излучения из атмосферного диоксида углерода (CO) и воды (НO), поглощенной корнями из грунта и, одновременно, с высвобождением кислорода (O) в атмосферу. Из сахаров растения производят, наряду с прочим, целлюлозу для роста клеточных стенок и крахмал для накапливания энергии. Помимо этого, различные другие органические вещества, такие как жиры и витамины, получают с помощью растений из сахаров и питательных веществ, поглощенных с водой.
Ископаемые топлива (такие как уголь, сырая нефть и природный газ) в основном состоят из углерода и углеводородов. Большую часть возникшего в результате человеческой деятельности диоксида углерода, который, как полагают, вносит вклад в парниковый эффект, получают путем сжигания этих топлив. Разрабатываются технологии, делающие возможным отделение в энергетической установке диоксида углерода, полученного путем этого сжигания, с получением отдельного потока вещества, который можно окончательно удалять в место захоронения отходов. Эти альтернативы включают переработку в течение газификации, решения, основанные на сжигании с кислородом, и химическую промывку отработанных газов. Все эти альтернативы имеют общую особенность, состоящую в том, что для переработки производственные установки должны иметь высокие выработки и длительные времена выполнения операций для того, чтобы сделать переработку по меньшей мере теоретически возможной, учитывая уровни цен в современной торговле диоксидом углерода (10-50 евро за метрическую тонну диоксида углерода).
Термин биомасса относится к материалам, полученным из живых растений и произведенных путем фотосинтеза. Полученные из них топлива называют биологическими топливами. Биологическая энергия представляет собой энергию из указанных биологических топлив. В Финляндии биологические топлива получают из биомассы, произрастающей в лесах, заболоченных участках и полях, а также из муниципальных, сельскохозяйственных и промышленных органических отходов, подходящих для производства энергии. Биологическая энергия является одним из возобновляемых источников энергии.
Использование биологической энергии при производстве энергии считается нейтральным по отношению к выбросам диоксида углерода, и по этой причине эти выбросы не являются частью системы торговли квотами на выброс диоксида углерода. Считается, что диоксид углерода, высвобождаемый при сжигании биологических топлив, возвращается в атмосферу исключительно посредством другого пути, как при традиционном природном разложении биомассы.
Термическую обработку биомассы при мягких условиях называют прокаливанием (также известным как обжиг). Этот способ представляет собой термохимическую обработку, обычно выполняемую при атмосферном давлении и при температуре примерно 200-300°C в бескислородных условиях. В течение данного способа удаляют воду и дополнительные летучие компоненты, присутствующие в биомассе, и биополимеры частично разлагают с получением летучих соединений. Конечный продукт состоит из остаточного сухого и твердого материала. Свойства биомассы для применения в качестве топлива значительно улучшаются посредством данного способа.
В EP 2017325 A2 описывают установку и способ для разложения органического растительного материала. Установка включает, наряду с прочим, реакторы прокаливания и пиролиза. Прокаливание является стадией предварительной обработки органического растительного материала перед пиролизом. Из стадии прокаливания как твердые, так и газообразные материалы подают в стадию пиролиза. Тепло подают в реактор прокаливания косвенно с помощью проводников тепла.
В WO 2007/078199 A1 описывают способ и установку для обработки биомассы в реакторе прокаливания, включающем камеры сушки и прокаливания, соответственно. Как сушку биомассы, так и прокаливание высушенной биомассы выполняют, применяя горячие газы.
Технология способа прокаливания и известные способы описаны с помощью Aula Uslu в Pre-Treatment Technologies and Their Effects on the International Bioenergy Supply Chain Logistics, Techno-economic evaluation of torrefaction, fast pyrolysis and pelletisation, Report Number: NWS-l-2005-27, декабрь 2005.
Уже известны некоторые способы прокаливания, которые, однако, являются труднорегулируемыми и в которых количество энергии биомассы, теряемое в газообразной форме, является высоким.
Исходя из представленного выше существует потребность в способе улучшения топливных характеристик биомассы в объединенном способе для облегчения ее хранения, транспортировки и применения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ по изобретению описывают в отличительной части п.1 формулы изобретения.
В способе по изобретению биомассу подают в реактор для ее термической обработки при таких условиях, когда органическое вещество, присутствующее в биомассе, по меньшей мере частично прокаливают с получением компонентов, которые являются инертными по отношению к процессам биологического разложения, причем указанные компоненты применяют в качестве топлива, подобно углю. Компоненты, отделенные в газообразной форме, применяют в качестве топлив.
Здесь термин термическая обработка относится к так называемому способу обжига, то есть способу прокаливания, в котором органическое вещество, присутствующее в биомассе, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью прокаливают с получением компонентов, которые являются инертными по отношению к процессам биологического разложения. При прокаливании минимизируют долю углеводородов, выходящих из биомассы, причем целью является устранение способности к биологическому разложению биомассы. Большинство компонентов, отделенных в газовой форме, состоит из водяного пара и монооксида углерода (CO). Теплоту реакции в основном используют для удаления влаги из биомассы, и часть реакций протекает экзотермически, когда кислород органического происхождения, присутствующий в биологических компонентах биомассы, то есть в лигнине, гемицеллюлозе и целлюлозе, взаимодействует с углеводородами. Термическая обработка биомассы ближе к сушке, чем к пиролизу.
Термическую обработку (нагревание) биомассы выполняют при условиях с низкой концентрацией кислорода, при температурах от 150 до 500°C, предпочтительно при атмосферном давлении и температурах от 180 до 350°C. Путем изменения температуры можно подобрать долю термически обработанной биомассы, остающейся в твердом состоянии, причем доля термически обработанной биомассы более низка при более высоких температурах.
Биомасса может содержать древесину, солому, торф и/или муниципальные, сельскохозяйственные и промышленные органические отходы, подходящие для производства энергии, или их смеси, но не ограничиваясь этим. Способ по изобретению не ограничен физическим состоянием биомассы. Биомасса также может быть влажной при начале обработки.
Способ можно применять для использования биомассы в работающих на пылевидном топливе паровых котлах. Термически обработанную биомассу подобно углю можно подавать в мельницы для угля без необходимости ограничивать отношение биомассы к углю примерно 10%. Без термической обработки смешивание биомассы в больших количествах с углем затруднительно ввиду пластичности необработанной биомассы, которая уменьшает трение, необходимое для достаточного измельчения угля в мельнице. Способ в особенности очень выгоден в случае, когда требуется ограничить выбросы диоксида углерода в атмосферу для существующих энергетических установок путем увеличения доли сжигаемой биомассы до значительных уровней.
Соответственно, изобретение направлено на новый способ улучшения топливных характеристик биомассы в объединенном способе, таким образом облегчая хранение, транспортировку и применение биомассы. В данном способе биомассу термически обрабатывают в котельной установке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение иллюстрируют со ссылкой на приложенные чертежи, представляющие некоторые воплощения изобретения. Однако изобретение не ограничено указанными воплощениями согласно этим примерам.
На Фиг.1 показана термическая обработка биомассы в виде периодического способа.
На Фиг.2 показана термическая обработка биомассы в виде непрерывного способа.
На Фиг.3 показана термическая обработка биомассы в виде непрерывного способа с параллельным потоком.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показана принципиальная схема трех стадий термической обработки биомассы, осуществляемой в виде периодического способа, в котором стадии могут повторяться циклическим образом в реакторе 4 периодического действия. На первой стадии (i) способа биомассу 6 подают в реактор 4. На второй стадии (ii) в реакторе 4 обеспечивают условия, требуемые для прокаливания биомассы 6, путем повышения температуры и обеспечения низкой концентрации кислорода. В течение прокаливания биомассы органическое вещество разлагается под воздействием теплоты, в результате чего образуются газообразные продукты 10 реакции и термически обработанная биомасса 8. Газообразные продукты 10 реакции удаляют из реактора 4. На третей стадии (iii) прокаливание завершают и термически обработанную биомассу 8 охлаждают и направляют на последующую обработку.
На Фиг.2 показана принципиальная схема непрерывно действующего способа. Биомассу 6 подают в реактор 16 в его верхней части, направляют вниз с помощью силы тяжести, и термически обработанная биомасса 8 выходит из реактора 16 в его нижней части. Горячие дымовые газы 11 из процесса 13 сжигания поступают в реактор 16 для осуществления термической обработки. Газообразные продукты 10 реакции, образованные при прокаливании, и дымовые газы 12, использованные в качестве источника тепла, выходят из реактора в верхней части и поступают в процесс 13 сжигания. Процесс 13 сжигания протекает в котле 14 для получения тепла, причем указанный котел также получает дополнительное топливо 15 помимо газообразных продуктов 10 реакции, образованных в реакторе 16.
На Фиг.3 показана принципиальная схема предпочтительного непрерывного способа, в котором дымовой газ, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, течет в том же направлении, что и поток биомассы в реакторе. Биомассу 6 подают в реактор 16 в его верхней части, направляют вниз с помощью силы тяжести, и термически обработанная биомасса 8 выходит из реактора 16 в его нижней части. Горячие дымовые газы 11 из процесса 13 сжигания поступают в реактор 16 для осуществления термической обработки. Газообразные продукты 10 реакции, образованные при прокаливании, и дымовые газы 12, использованные в качестве источника тепла, поступают в процесс 13 сжигания. Процесс 13 сжигания протекает в котле 14 для получения тепла, также получающего дополнительное топливо 15 помимо газообразных продуктов 10 реакции, образованных в реакторе 16. Альтернативно, по меньшей мере часть газообразных продуктов 10 реакции и дымовых газов 12 можно направить рециклом в реактор 16 совместно с горячими дымовыми газами 11. В качестве дополнительной альтернативы также часть горячих дымовых газов 17, образованных в процессе 13 сжигания, может поступать после охлаждения в реактор 16 в виде охлаждающих газов 18. Для охлаждения горячих дымовых газов 17 можно использовать способы, известные в уровне техники.
Реактор 16 непрерывного действия предпочтительно является реактором с неподвижным слоем, в котором биомассу 6 подают в бункер в верхней его части и продвигают вниз с помощью силы тяжести, причем термически обработанная биомасса 8 выходит из бункера снизу. В реакторе дымовой газ, по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, течет в том же направлении, что и поток биомассы. С помощью этого режима действия получают несколько преимуществ. Стандартный топливный бункер и его средства транспортировки можно использовать в качестве реактора прокаливания. К тому же, возможно сохранить выходящие газы чистыми, так как слой биомассы, подлежащей обработке, действует как пылеуловитель для нисходящего потока, захватывая и прочно связывая даже очень мелкие частицы с тяжелым слоем биомассы, таким образом препятствуя их выносу из реактора выходящим газовым потоком.
Преимуществом этого режима действия с параллельным потоком также является то, что избегают перегрева биомассы, так как непрореагировавшая и, вообще, на этой стадии еще не размельченная биомасса сначала приходит в контакт с наиболее горячим газом в верхней части бункера. В нижней части бункера газ уже охлажден и достигает температуры подлежащей обработки биомассы, таким образом избегая локальных участков перегрева, также и после завершения реакций сушки и прокаливания, в которых потребляется тепло. Вследствие режима действия с параллельным потоком, температуры газа, выходящего из реактора прокаливания, и биомассы, подлежащей обработке, равны на выходе и, таким образом, температуру обработки и тепловую мощность реактора можно настроить путем измерения температуры выходящего газа, таким образом предотвращая перегрев. Данный способ более легко регулировать, чем решения предыдущего уровня техники и, в результате способности способа к регулированию, количество энергии, выходящей из биомассы в газообразной форме, ниже, чем в способах предыдущего уровня техники. Потеря массы частиц составляет примерно 5% при температуре 250°C, в то время как в реакторах с противотоком частицы нагревают до температуры входящего в реактор газа, например до 350°C, что уже вызывает потерю массы от 20 до 25%. В случае, когда ограничивают температуру газа, входящего в реактор с противотоком, количество газа и, соответственно, размер реактора, необходимо увеличить.
Газы, образованные в течение прокаливания биомассы, содержат составляющие, конденсированные при охлаждении газов. Газы, выходящие из реактора с противотоком, образованы при температурах более высоких, чем температуры образования газов, выходящих из реактора, таким образом указанные газы являются более загрязняющими, чем газы, выходящие из реактора с параллельным потоком.
Не более 20%, предпочтительно не более 10% энергетического эквивалента топлива, подлежащего использованию в процессе 13 сжигания, выполняемого в котле 14, получают от газообразных продуктов 10 реакции, образованных в реакторах 4, 16. В одном воплощении изобретения термически обработанную в реакторах 4, 16 биомассу 8 используют в качестве дополнительного топлива 15 в котле 14.
Таким образом, горячие дымовые газы 11, имеющие температуру от 300 до 800°C, предпочтительно от 300 до 500°C, полученные из энергетической установки, являющейся котлом 14, предпочтительно из работающей на пылевидном топливе котельной установки, и поступающие в реактор 16, используют для прокаливания. Дымовые газы являются предпочтительным источником тепла для прокаливания, так как содержание в них кислорода является низким и они не вызывают каких-либо реакций горения на стадии прокаливания. Сжигаемые газы 10, образованные прокаливанием, смешивают с потоком дымового газа 12, проходящим через реактор. Эти газы поступают в форме смеси и используются в качестве топлива в процессе 13 сжигания для получения тепловой энергии, необходимой для прокаливания. Альтернативно, по меньшей мере часть газообразных продуктов 10 реакции и дымовых газов 12 можно направить рециклом в реактор 16 совместно с горячими дымовыми газами 11. В альтернативном воплощении температуры горячих дымовых газов 11 понижают путем прохождения охлаждающих газов в том же трубопроводе до поступления их в реактор 16.
В одном воплощении изобретения режим действия реакторов 4, 16 прокаливания включает отдельный цикл сушки, в котором биомассу 6 сушат перед прокаливанием. Указанную сушку можно выполнить при той же конструкции реактора, которая применяется для прокаливания, или, альтернативно, отдельно от способа прокаливания, используя нагретый воздух, дымовые газы или направленный рециклом газ в качестве сушильных газов, причем указанный направленный рециклом газ нагревают с помощью теплообменника. Температура сушки ниже температуры прокаливания, обычно она составляет от 40 до 100°C. Из-за более низких температур сушильные газы могут содержать большие количества кислорода без увеличения опасности воспламенения топлива. Для цикла сушки содержание влаги в биомассе, используемой в качестве начального материала, изначально составляет от примерно 40 до 70%, причем содержание влаги составляет от 0 до 20% в конце цикла сушки. Время сушки изменяется от 30 минут до 10 часов, в зависимости, например, от степени измельчения биомассы, температуры сушки и используемой процедуры.
В одном воплощении изобретения термически обработанную биомассу, полученную в качестве продукта способа прокаливания, предпочтительно уплотняют с получением гранул, брикетов или любых других подходящим образом сформованных тел путем использования хорошо известных в уровне техники способов и установок. При уплотнении термически обработанной биомассы достигают более высокую плотность энергии, таким образом преобразуя ее в более конкурентоспособное топливо, имеющее более низкие транспортные издержки. Также при уплотнении улучшаются гидрофобные свойства термически обработанной биомассы, таким образом улучшая, например, их стабильность при хранении.
Возможны различные модификации изобретения в пределах области защиты, определенной следующей формулой изобретения.