СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАФИНИРОВАНИЯ БРИКЕТОВ
METHOD AND DEVICE FOR REFINING PELLETS

Изобретение относится к способу рафинирования брикетов. Этот способ используют в случае брикетов, прессованных из биомассы. Изобретение также относится к устройству, подходящему для осуществления этого способа.
Практика прессования биомассы для получения брикетов широко распространена. Брикеты можно использовать, например, в качестве топлива - в частности в форме совместного сжигания на электростанциях - чтобы генерировать тепловую или электрическую энергию. Однако брикеты, полученные из биомассы, имеют свойство терять свою форму под влиянием влаги и быстро загнивать. Поэтому нельзя хранить такие брикеты на открытом воздухе. Это неблагоприятно для использования на электростанциях, поскольку они обычно хранят топливо на открытом воздухе.
Изобретение основано на цели предложить способ и устройство, с помощью которых можно улучшить сохранность брикетов. Исходя из известного уровня техники, изложенного вначале, эта цель достигнута признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах.
Согласно способу брикеты подвергают тепловой обработке. При этой операции брикеты нагревают до температуры в диапазоне от 210°С до 390°С. Тепловая обработка проходит в течение времени от 1 мин до 30 мин.
Сначала будет дано объяснение некоторых терминов. Брикеты, прессованные из биомассы, это брикеты, исходным материалом для которых является главным образом биомасса. Это не исключает другие материалы, такие как, например, отходы, добавляемые к исходному материалу. Доля таких других материалов должна быть меньше 30%. После операции прессования брикеты имеют большую плотность, чем исходный материал. Термин "биомасса" включает, например, все травянистые и древесные возобновляемые материалы и их смеси. Брикеты могут состоять полностью из биомассы.
Биомассой, из которой прессуют брикеты, может быть, например, древесина, содержание влаги в которой обычно составляет от 30% до 60% с исходном состоянии. Еще одним примером биомассы является солома с содержанием влаги от 15% до 20% в исходном состоянии. В общем, исходное содержание влаги в биомассе может, поэтому, составлять от 15% до 60%.
Перед получением брикетов упомянутый исходный материал должен быть высушен исходя из типа биомассы. Обычно до 6%-12% влаги в случае древесины и до 10%-20% в случае соломы. Еще часть влаги выходит из материала при получении брикетов, и поэтому содержание влаги в брикетах, прессованных из биомассы, ниже. В случае брикетов, изготовленных из соломы, содержание влаги может составлять, например, 8% и 9% в случае брикетов, изготовленных из бамбука, 11% в случае брикетов, изготовленных из степных трав.
Говоря в общем, содержание влаги в брикетах может составлять, например, от 6% до 12% перед обработкой согласно изобретению. Содержание влаги в каждом случае указано как процент по массе. Это проясняет, что брикеты из биомассы, которые являются предметом изобретения, значительно отличаются от угольных брикетов, которые описаны, например, в документах US 4412840, FR 1187244 и GB 1010452. Угольные брикеты не имеют ничего общего с настоящим изобретением.
Тепловая обработка согласно изобретению происходит в температурном диапазоне, который выше чем температура, при которой брикеты сушат, и которая ниже чем температура, при которой брикеты сжигают. В температурном диапазоне согласно изобретению процессы, которые подробно не известны, приводятся в действие в брикетах. Эти процессы вероятно включают пиролитический распад неорганических соединений и выход разных летучих компонентов. Испытания показали, что в результате обработки согласно изобретению получают брикеты, которые имеют сильные водоотталкивающие свойства. Поэтому брикеты рафинированы таким образом, что их можно хранить на открытом воздухе даже в течение относительно длительного времени. Испытания показали, что помимо этого содержание энергии в брикетах (в МДж/кг) повышается.
Если на брикеты действует тепло, в них можно установить температурный градиент, поскольку может пройти определенное время до проникновения тепла в центр брикетов. Температурная спецификация согласно изобретению относится к поверхности брикетов.
Тот факт, что в биомассе могут происходить изменения в температурном диапазоне, лежащем между сушкой и сжиганием, не составляет нового открытия как таковой. Например, известно, что биомасса, измельченная на небольшие куски (стружки) и подвергнутая тепловой обработке в соответствующем температурном диапазоне, будет претерпевать значительное изменение в ее внутренней структуре. Соответствующий процесс также называется высыханием.
Стружка, однако, не может быть непосредственно сравнима в смысле ее свойств с брикетами, поскольку, помимо всего прочего, плотность стружки значительно ниже чем плотность брикетов. В случае брикетов нельзя ожидать, что структурное изменение будет распространяться в центр брикетов. Это было бы неблагоприятно для сохранности брикетов, если только поверхность брикетов приобретала водоотталкивающую структуру, а компоненты в центре брикетов оставались по существу неизменными.
Тепло может подаваться на брикеты посредством потока воздуха с подходящей регулируемой температурой. Преимущество здесь состоит в том, что летучие компоненты, выходящие из брикетов, прямо вовлекаются в этот поток воздуха.
Мощность потока воздуха предпочтительно такая, что брикеты приводятся в движение потоком воздуха. Это способствует проникновению тепла в брикеты. Помимо этого, посредством постоянных ударов летучие компоненты могут легче выходить из брикетов.
Для особо интенсивной передачи тепла и тщательного перемешивания поток воздуха может быть настроен таким образом, что брикеты поднимаются вверх потоком воздуха и затем отклоняются вбок вместе с потоком воздуха. Затем брикеты падают вниз из отклоненного потока воздуха. Здесь может быть расположена наклонная поверхность, по которой брикеты скользят обратно к исходной точке. Испытания показали, что брикеты могут выдерживать даже это мощное движение и сильные удары, не разрушаясь. Эта устойчивость брикетов является результатом того, что в биомассе, из которой прессуют брикеты, содержатся компоненты, имеющие значительные силы сцепления. Эти компоненты включают компоненты, которые растворяются при тепловой обработке согласно изобретению. В этом отношении для способа согласно изобретению предпочтительно выполнять прессование брикетов перед тепловой обработкой.
Не исключено, что обработка брикетов выполняется непрерывно, например брикеты непрерывно транспортируются дальше во время тепловой обработки. Это может происходить, например, посредством устройства, в котором барабан вращается вокруг по существу горизонтальной оси. Брикеты вводят в барабан на одном торце, и они перемещаются в барабане к противоположному торцу, где они выходят из барабана. Окружность барабана может быть снабжена направленными внутрь лопатками, которые транспортируют брикеты вперед при вращении барабана. В дополнение или как альтернатива лопаткам также может быть предусмотрен шнек для транспортировки брикетов.
Для тепловой обработки поток воздуха подходящей регулируемой температуры может подаваться через барабан, причем этот поток воздуха предпочтительно также движется от одной торцевой поверхности к противоположной торцевой поверхности. Поток воздуха может перемещаться через барабан в том же направлении, что и брикеты, или же в противоположном направлении. Поток воздуха также можно использовать для нагрева самого барабана. Например, поток воздуха может быть сначала направлен по барабану на наружной стороне и затем направлен через барабан. Для этой цели барабан может быть окружен кожухом. Такое устройство можно использовать для осуществления способа согласно изобретению.
Если обработку выполняют партиями, будет проще отделить камеру, в которой проходит обработка, от окружающей среды. Это желательно, поскольку материалы, выходящие из брикетов, в некоторых обстоятельствах будут воспламеняемыми и могут представлять риск для безопасности, если они попадут в окружающую среду.
3
3
В случае обработки партиями количество воздуха для обработки брикетов можно легко контролировать. Эту переменную величину можно использовать для регулирования процесса. Объем потока воздуха предпочтительно составляет от 6 м до 20 м на килограмм брикетов. Эта характеристика относится к всему количеству воздуха, который подают на брикеты во время тепловой обработки.
Существуют и другие возможности передачи тепла на брикеты. Например, брикеты могут быть введены в контакт с теплым объектом или могут быть помещены на теплую поверхность. По сравнению с этим очень интенсивная передачи тепла на брикеты происходит при использовании потока воздуха. Передача тепла предпочтительно осуществляется таким образом, что продолжительности обработки в течение 3 мин - 16 мин достаточно.
В общем, структура брикетов изменяется тем быстрее чем выше температура. Однако при очень высоких температурах также возрастает риск того, что изменение в структуре будет происходить неравномерно, а скорее на поверхности будет происходить нежелательное горение, тогда как в центре структура еще совсем не изменится. Хорошие результаты как в отношении продолжительности тепловой обработки, так и в отношении равномерной структуры брикетов получены в температурном диапазоне от 250°С до 300°С. Помимо этого, преимущество может заключаться в реакциях в брикетах, если тепловую обработку проводят в атмосфере с пониженным содержанием кислорода. Содержание кислорода может быть, например, меньше 10%, предпочтительно меньше 6% по отношению к объему.
При испытаниях оказалось предпочтительным, если брикеты имеют диаметр от 4 мм до 20 мм. Перед осуществлением способа согласно изобретению брикеты предпочтительно имеют содержание влаги от 5% до 15% по отношению к массе.
После окончания тепловой обработки брикетов в них сохраняется некоторое количество тепла. Возможно, что из-за этого количества тепла внутри брикетов продолжаются реакции, даже если тепло снаружи не подается. Это нежелательно, поскольку тепловая мощность брикетов может быть в результате ухудшена. Поэтому предпочтительно, если брикеты резко охлаждают после тепловой обработки. Для резкого охлаждения можно использовать, например, воду, температура которой, предпочтительно, не превышает комнатную.
Брикеты, полученные способом согласно изобретению, можно использовать для того, что называют совместным сжиганием на электростанциях. Брикеты поэтому сжигают вместе с основным топливом, например углем, на электростанции. Для этой цели брикеты необходимо измельчить так, чтобы, например, 95% частиц по массе имели размер меньше 2 мм. Доказано, что способ согласно изобретению дает частицы, имеющие значительно повышенную хрупкость. Поэтому брикеты могут быть размолоты при значительно меньшем расходе энергии чем классические брикеты. Помимо этого, для размола можно использовать мельницы, обычно применяемые на электростанциях, что невозможно в случае классических брикетов, изготовленных из необработанной биомассы. По этой же причине брикеты, полученные согласно изобретению, лучше подходят для совместного сжигания, чем классические брикеты. Помимо этого, содержание энергии в брикетах повышается путем обработки согласно изобретению.
Изобретение также относится к устройству для рафинирования брикетов. Устройство включает камеру для обработки с опорным полом, первую боковую стенку и вторую боковую стенку. Опорный пол снабжен некоторым числом отверстий. Первая боковая стенка и вторая боковая стенка примыкают к опорному полу на противоположных сторонах. Вторая боковая стенка имеет желоб, который ведет на опорный пол. Предусмотрен канал для потока воздуха, который ведет под опорный пол. Поток воздуха может быть нагрет и выведен из-под пола через отверстия нагревательным устройством и приводным устройством. Отклоняющая поверхность расположена над опорным полом, так что поток воздуха и брикеты, захваченные потоком воздуха, отклоняются в направлении движения от первой боковой стенки в направлении второй боковой стенки. Согласно изобретению перегородка расположена между первой боковой стенкой и второй боковой стенкой, так что брикеты движутся вверх между первой боковой стенкой и перегородкой.
В этом устройстве обрабатываемую партию помещают на опорный пол, и поток воздуха выводится через отверстия в опорном полу, причем мощность потока воздуха такая, что он перемещает брикеты вверх. В ходе этого процесса брикеты перемещаются по существу параллельно первой боковой стенке камеры для обработки. Поток воздуха отклоняется отклоняющей поверхностью таким образом, что он перемещается вместе с брикетами в направлении второй боковой стенки. Брикеты падают из потока воздуха, ударяются о желоб второй боковой стенки и движутся обратно по желобу в направлении опорного пола.
В изобретении признано, что преимуществом для движения потока воздуха и брикетов будет, если область, в которой происходит движение вверх, будет отделена от области, в которой брикеты движутся вниз. Поэтому предложена перегородка между первой боковой стенкой и второй боковой стенкой, причем эта перегородка расположена таким образом, что брикеты главным образом движутся вверх между перегородкой и первой боковой стенкой. В изобретении, в частности, признано, что брикеты только слегка повреждаются при столкновениях с перегородкой. Поэтому брикеты достаточно прочные чем допускает использование перегородки.
Брикеты могут пересекать плоскость перегородки выше и ниже перегородки. Для этой цели перегородка предпочтительно выполнена таким образом, что в каждом случае есть некоторое расстояние между опорным полом и нижним концом перегородки и между верхним концом перегородки и верхним концом отклоняющей поверхности. Напротив, перегородка может выходить по ширине по существу за всю камеру для обработки. В одном предпочтительном варианте осуществления перегородка расположена по существу параллельно первой боковой стенке.
Для того, чтобы можно было регулировать условия потока в камере для обработки, расстояние между перегородкой и первой боковой стенкой может быть регулируемым. Если перегородка расположена выше опорного пола, то поток воздуха предпочтительно проходит таким образом, чтобы брикеты в основном двигались вверх между перегородкой и первой боковой стенкой. Поэтому опорный пол может быть выполнен таким образом, что отверстия рядом с первой боковой стенкой имеют больший размер чем рядом с второй боковой стенкой. Тогда мощный поток воздуха поднимается точно в области, где брикеты должны двигаться вверх.
Опорный пол может быть расположен наклонно. Преимущество этого в том, что брикеты выходят из устройство под действием силы тяжести, когда отверстие рядом с нижним концом опорного пола будет открыто. Поэтому устройство может быть легко опорожнено. Желоб на второй боковой стенке предпочтительно находится рядом с верхним концом наклонного опорного пола. Этот желоб может иметь больший наклон, чем опорный пол.
В некоторых обстоятельствах устройство также можно использовать для осуществления способа без перегородки. В одном предпочтительном варианте осуществления опорный пол расположен наклонно.
Ниже изобретение будет описано на примере предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - первый вариант осуществления устройства для осуществления способа согласно изобретению.
Фиг.2 - деталь с Фиг. 1 в увеличенном виде.
Фиг. 3 - второй вариант осуществления устройства для осуществления способа согласно изобретению.
Фиг. 4 - устройство согласно изобретению.
Фиг. 5 - результаты сравнительных испытаний.
Устройство, показанное на Фиг. 1 включает камеру для обработки 14, которая предназначена для тепловой обработки брикетов. Как показано на увеличенном виде на Фиг. 2, нижний конец камеры для обработки 14 включает наклонный опорный пол 15, который снабжен некоторым числом отверстий 16. Распределительное пространство 17, в которое может подаваться поток воздуха по подающей линии 18, сформировано под опорным полом 15. Поток воздуха может распространяться в распределительном пространстве 17 и проходить снизу через отверстия 16 в опорном полу 15.
Вентилятор 19 и горелка 20 расположены далее в подающей линии 18. Свежий воздух подается через входной канал 21 и нагревается горелкой 20 до температуры приблизительно 300°С. Поток воздуха ускоряется вентилятором 19 в направлении распределительного пространства 17. Поток воздуха проходит через отверстия 16 в опорном полу 15 в камеру для обработки 14 и сначала движется там по существу вертикально вверх. На верхнем конце камеры для обработки 14 поток воздуха ударяется об отклоняющую поверхность 22, в результате чего он отклоняется влево вбок. Поток воздуха снова отклоняется на противоположной стенке и поэтому движется вверх и выводится в окружающую среду через выпускной канал 23. Стенка, на которой поток воздуха отклоняется вверх, определена как желоб 24, который, проходя слева, ведет на опорный пол 15.
Помимо этого, устройство включает емкость для хранения 25, которая соединена с верхним концом камеры для обработки 14 через шлюз 26. Нижний конец камеры для обработки 14 снабжен шлюзом 27, через который материал, лежащий на опорном полу 15, может быть удален из камеры для обработки 14.
Емкость для хранения 25 заполняется брикетами, прессованными из биомассы как исходного материала. Исходным материалом могут быть, например, травянистые или древесные возобновляемые сырьевые материалы или смеси таких материалов. Помимо этого, брикеты могут содержать некоторую долю не возобновляемых материалов в количестве до 30%, таких как, например, отходы. Брикеты могут иметь диаметр, например, 6 мм и длину несколько сантиметров.
Партию брикетов пропускают в камеру для обработки 14 через шлюз 26. В камере для обработки 14 брикеты падаются вниз и скапливаются на опорном полу 15. Горелка 20 и вентилятор 19 нагревают поток воздуха до температуры приблизительно 300°С и направляют этот поток воздуха в распределительную камеру 17 и затем через опорный пол 15.
Мощность потока воздуха такова, что он поднимает брикеты с опорного пола 15 и перемещает их вверх. Поток воздуха вместе с брикетами отклоняется вбок на отклоняющей поверхности 22. Брикеты падают из потока воздуха под действием силы тяжести и падают на желоб 24, по которому брикеты проходят обратно на опорный пол 15. Поэтому брикеты следуют по контуру, в котором они неоднократно поднимаются вверх потоком воздуха и затем перемещаются обратно по желобу 24 на опорный пол.
3
Эта тепловая обработка выполняется в течение приблизительно 8 мин и приводит к выходу летучих материалов из брикетов и к расщеплению разных соединений с длинной цепью. За счет этого брикеты становятся гидрофобными и приобретают хрупкую внутреннюю структуру. Во время тепловой обработки некоторое количество воздуха, в совокупности приблизительно 8 м на килограмм брикетов, проводится через камеру для обработки 14.
После окончания тепловой обработки шлюз 27 открывается и брикеты выходят из камеры для обработки 14 через шлюз 27. Сразу же после выхода из него брикеты обрабатывают водой, которая имеет приблизительно комнатную температуру, и поэтому брикеты быстро охлаждаются, и реакции, проходящие в брикетах, резко прекращаются.
Согласно Фиг. 4 устройство может включать перегородку 31, расположенную в камере для обработки 14. Перегородка 31 проходит параллельно первой боковой стенке 32 камеры для обработки 14, причем эта боковая стенка примыкает к нижнему концу наклонного опорного пола 15. Выше и ниже перегородки 31 остается зазор, так что брикеты могут пересекать плоскость перегородки 31. В другом измерении перегородка 31 проходит по всей ширине камеры для обработки 14. Перегородка 31 подвижно подвешена в камере для обработки 14, и поэтому расстояние между первой боковой стенкой 32 и перегородкой 31 можно регулировать, чтобы получить оптимальные условия потока в камере для обработки 14. Отверстия 16 в опорном полу 15 выполнены таким образом, что очень мощный восходящий поток воздуха создается в области между перегородкой 31 и первой стенкой 32, при этом поток воздуха переносит с собой брикеты. В области между перегородкой 31 и противоположной боковой стенкой 32, на которой выполнен желоб 24, восходящий поток воздуха ослабевает. Поток воздуха здесь служит главным образом для придания брикетам движения в направлении первой боковой стенки 32, так что брикеты могут быть захвачены там мощным потоком воздуха.
В варианте осуществления согласно Фиг. 3 возвратная линия 28, которая ведет обратно через сепаратор 29 к горелке 20, соединена с выходным каналом 23 камеры для обработки 14. В сепараторе 29 твердые компоненты отделяются от потока воздуха и скапливаются на полу сепаратора 29. Эти твердые компоненты могут быть удалены с регулярными интервалами посредством зубчатого колеса 30.
Поток воздуха, который освобожден от твердых компонентов, но в котором еще содержатся газообразные компоненты из брикетов, направляется обратно к горелке 20. Эти газообразные компоненты частично выгорают и могут служить в качестве топлива для горелки 20. Идеально достигается замкнутый контур, управляемый без подачи свежего воздуха и без подачи нового топлива. Содержание кислорода в потоке воздуха по выбору уменьшается, и это может быть преимуществом для реакций в брикетах.
Брикеты, рафинированные таким образом, являются гидрофобными и, поэтому, могут храниться на открытом воздухе в течение относительно длительного периода времени. Это, а также высокая степень хрупкости материала, позволяющая легко измельчать брикеты, приводит к тому, что брикеты хорошо подходят для использования в форме совместного сжигания на электростанциях. Помимо этого, содержание энергии в брикетах возрастает в результате обработки согласно изобретению.
Успех способа согласно изобретению был подтвержден в серии испытаний. Например, обычные древесные брикеты диаметром 6 мм с сертифицированным DinPlus качеством и с содержанием влаги 9% были помещены в вышеописанное устройство. Эти брикеты обработали в устройстве при температуре от 240°С до 320°С в течение от 3 до 21 мин. Обработанные таким образом брикеты показали улучшение характеристик силы горения, например, (приблизительно) от 18,5 МДж/кг до 21 МДж/кг. Даже после хранения в воде в течение 3 суток брикеты были стабильны. Брикеты имели высокую равномерность коричневатости даже в брикетах, что дает возможность сделать вывод о том, что интенсивность обработки очень равномерная.
Другие испытания были выполнены с другими древесными брикетами (диаметр 8 мм, качество EN14961-2-B), брикетами, изготовленными из бамбука (9% влаги), брикетами, изготовленными из соломы (8% влаги), и брикетами, изготовленными из степных трав (11% влаги). Во всех испытаниях было продемонстрировано характерное увеличение мощности горения после обработки. На Фиг. 5 приведено сравнение в каждом случае мощности горения в МДж/кг, причем светлая полоса показывает мощность горения в исходном состоянии брикетов, и темная полоса показывает мощность горения после осуществления способа согласно изобретению. Левые полосы относятся к соломе, вторые полосы - к степным травам, третьи полосы - к древесине и полосы справа - к бамбуку.