УСТАНОВКА ДЛЯ ТОРРЕФИКАЦИИ ГРАНУЛИРОВАННОЙ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к области биоэнергетики, а точнее к методам повышения потребительских свойств топлив из биомассы.
К настоящему времени в качестве одного из основных направлений использования различных видов биомассы для энергетических целей является использование гранулированного топлива из биомассы, либо, как это принято называть пеллетизированного топлива. Производство пеллет из различных видов биомассы: древесных и сельскохозяйственных отходов, торфа, освоено во всем мире, в том числе и в России. Продукты пеллетизации (пеллеты) представляют собой прессованные цилиндры измельченной биомассы диаметром 5-10 мм и длиной 8-15 мм. Фактически, это твердое топливо узкого гранулометрического состава, что и предопределяет его широкое использование в слоевых топках и топках с кипящим слоем, а также в процессах газификации. Основным недостатком пеллет является их гидрофильность: при длительном хранении пеллеты впитывают воду и теряют преимущества сортового твердого топлива. Пеллеты также имеют сравнительно низкую теплотворную способность и низкие удельные весовые показатели.
Торрефикация (низкотемпературный пиролиз) заключается в термической обработке пеллет при температурах 230-280°С. В процессе торрефикации пеллеты приобретают гидрофобные свойства (закрываются поверхностные капилляры), на 20-25% увеличивается их теплота сгорания на единицу массы, на 25-30% повышаются удельные весовые характеристики. Торрефикация делает экономически оправданным централизованное производство пеллет в больших объемах, хранение и перевозку пеллет для объектов распределенной энергетики. Использование процесса торрефикации позволяет в значительной степени улучшить потребительские свойства гранулированного топлива.
Несмотря на кажущуюся простоту осуществления процесса (нагрев в безкислородной среде до 250-2800С), до настоящего времени технология торрефикации в промышленных масштабах не реализована. Основной трудностью является самопроизвольный разогрев биомассы до температур, значительно превосходящих требуемый уровень при процессе торрефикации. При нагреве до температур, превышающих 200°С, в биомассе, в частности в древесине, где это наиболее ярко выражено, происходят экзотермические реакции, в результате которых происходит разогрев перерабатываемого материала до 800-900°С. Температура начала произвольного повышения температуры зависит от свойств перерабатываемой биомассы. Она может колебаться от 230 до 280°С. Причем это не может быть определено заранее. Температура начала самопроизвольного разогрева зависит от сорта древесины, влажности, режимных параметров процесса пеллетизации и т.д. Т.е. технологически нельзя определить минимальную температуру начала самопроизвольного разогрева биомассы при торрефикации и использовать ее в качестве максимальной температуры процесса. С другой стороны, снижение температуры процесса отрицательно сказывается на его производительности. Например, при температурах 270°С скорость процесса торрефикации примерно на 40-50% выше, чем при температуре 230°С. При температурах 200°С и ниже торрефикация практически не может быть осуществлена за время, которое может считаться допустимым для процесса, разрабатываемого для промышленного использования. Торрефикация рассматривается в качестве базовой технологии на пути широкого вовлечения топлив из биомассы в топливно-энергетический комплекс. Использование торрефицированного топлива позволяет значительно сократить затраты на перевозку и хранение топлив из биомассы. В этом случае отпадает необходимость соблюдения специальных условий хранения и перевозки для предотвращения контакта пеллетизированного топлива с окружающей средой для того, чтобы избежать увеличение влажности топлив, повышается теплотворная способность и удельные весовые характеристики топлив их биомассы. Этим объясняется востребованность технических решений, обеспечивающих экономически оправданное решение данной проблемы. К слову сказать, кроме самопроизвольного разогрева существует еще одна проблема в плане промышленного использования разрабатываемых торрефикационных технологий. Это утилизация продуктов реакции, которые содержат определенное содержание смолистых соединений низкотемпературного пиролиза биомассы. Выбрасывать в атмосферу эти продукты нельзя. А тонкая очистка продуктов реакции в значительной степени удорожает процесс и делает его неконкурентным по отношению к существующим на сегодняшний день традиционным технологиям использования биотоплива.
Известны технические решения торрефикации (Патенты US 8252699, US 8105400, СА 2798582) Вопрос образования перегревов в зоне реакции в литературе (патентной и научно-технической) не рассматривается вообще. Видимо, это связано с тем, что разработчики, видимо, стремятся не раскрывать информацию, которая с их точки зрения поможет решить проблему создания промышленной технологии торрефикации и занять определенное место на рынке новых энергетических технологий. Как можно судить из анализа существующей литературы, в которой изложены схемные и конструктивные решения, которые предлагаются к использованию при создании промышленных технологий торрефикации, существующие схемы установок базируются на использовании нескольких контуров рециркуляции греющего газа и газообразных продуктов реакции.
Существующие схемные и конструктивные решения процесса торрефикации достаточно сложны. В силу этих причин выигрыш в улучшении потребительских свойств гранулированной биомассы при торрефикации: обретение гидрофобных свойств, увеличение теплоты сгорания удельного веса не компенсируются теми затратами, которые необходимы при получении торрефицированного материала.
Самопроизвольное повышение температуры перерабатываемого сырья в процессе торрефикации является одной из основных проблем, препятствующих промышленному освоению данного процесса. Данное техническое решение направлено на решение этой проблемы.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является схема процесса, описанная в патенте РФ 136801. В данном техническом решении для торрефикации используются продукты сгорания газопоршневого энергоблока (когенерационная схема процесса). Первоначально при сжигании топлива в газопоршневом энергоблоке производится электрическая энергия, а затем тепло продуктов сгорания используется для процесса торрефикации. Данная схема позволяет повысить экономические параметры процесса. Для того, чтобы избежать процесса возгорания перерабатываемого сырья энергоагрегат работает с коэффициентом избытка воздуха 0,95-1,00. Это позволяет обеспечить бескислородный состав продуктов сгорания. В противном случае возможно горение перерабатываемого сырья при взаимодействии с кислородом, содержащимся в продуктах сгорания. Часть отработанных газов энергоблока (продуктов сгорания), задаваемая программатором в зависимости от параметров процесса торрефикации охлаждается в теплообменнике и смешивается в смесителе с той частью отработанных газов, которая не охлаждалась в теплообменнике для получения требуемого расхода газа-теплоносителя с температурой торрефикации.
Данная схема не обеспечивает снижение температуры перерабатываемого сырья в случае самопроизвольного ее увеличения в процессе торрефикации. Для этих целей в существующей схеме должна быть использована стандартная система пожаротушения. Через патрубки в реакторе подается вода, которая снижает температуру перерабатываемого материала в случае самопроизвольного увеличения температуры. После проведение подобной процедуры необходима разгрузка реактора, сырье с большим содержанием воды выбрасывается. Установка по торрефикации останавливается, перегружается и процесс приходится начинать заново. Если, несмотря на наличие системы пожаротушения, повышение температуры в отдельных частях реакторного блока достигает величин порядка 600-800°С, реактор разрушается. Необходимо создание системы, исключающей самопроизвольное повышение температуры в процессе торрефикации.
Целью данного технического решения является создание схемы, исключающей неконтролируемое повышение температуры в процессе торрефикации. Для этих целей в существующей схеме предусмотрен датчик контроля температуры с ограничителем температурного уровня в слое торрефицируемого материала.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг. 1.
Приняты обозначения:
1 - газопоршневой блок;
2 - программатор;
3 - тройник;
4 - дроссельные заслонки;
5 - газо-водяной теплообменник;
6 - смеситель;
7 - реактор торрефикации;
8 - датчик контроля температуры с ограничителем температурного уровня.
Предлагаемая схема работает следующим образом. Датчик температуры 8, расположенный в реакторе торрефикации 7, связан с программатором 2, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, который по сигналу датчика о превышении заданного температурного уровня, управляя тройником 3 с дроссельными заслонками 4, перекрывает подачу горячего теплоносителя в реактор торрефикации 7 и направляет все продукты сгорания газопоршневого блока 1 через газо-водяной теплообменник 5 и через смеситель 6 в реактор торрефикации 7. Низкотемпературные отработанные газы снижают температуру в слое перерабатываемого материала. При снижении температуры в слое до требуемого температурного уровня, по сигналу с датчика температуры с ограничителем температурного уровня, расположенного в слое перерабатываемого материала, программатор возвращает положение заслонок в положение, обеспечивающее нормальную работу установки.
Таким образом обеспечиваются условия, препятствующие самопроизвольному повышению температуры торрефицируемого материала.