ТРЕХСЕКЦИОННАЯ ТОРРЕФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАННОЙ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к установкам для повышения потребительских свойств топлив из биомассы.
К настоящему времени в качестве одного из направлений применения 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. Пеллеты представляют собой прессованные цилиндры из измельченной биомассы диаметром 5-10 мм и длиной 8-15 мм. Фактически, это твердое топливо узкого гранулометрического состава, что и предопределяет его использование в слоевых топках и топках с кипящим слоем. Основным недостатком пеллет является их гидрофильность: при длительном хранении пеллеты впитывают влагу и теряют преимущества сортового твердого топлива. Пеллеты также имеют сравнительно низкую удельную массовую теплотворную способность и особенно объемную.
Торрефикация (низкотемпературный пиролиз) заключается в термической обработке биомассы 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% повышается удельный вес. Торрефикация делает экономически оправданным централизованное производство пеллет в больших объемах, хранение и перевозку пеллет для объектов распределенной энергетики.
Несмотря на кажущуюся простоту осуществления процесса до настоящего времени технология торрефикации в промышленных масштабах не реализована.
Известны технические решения торрефикации (Патенты US 8252699, US 8105400, СА 2798582). Существующие схемные и конструктивные решения процесса торрефикации достаточно сложны. В силу этих причин выигрыш в улучшении потребительских свойств гранулированной биомассы при торрефикации: гидрофобность, увеличение теплоты сгорания и удельного веса не компенсируются теми затратами, которые необходимы при получении торрефицированного материала.
Наиболее близкой 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). При сжигании топлива в газопоршневом энергоблоке производится электрическая энергия, а 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, что обеспечивает бескислородный состав продуктов 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 заданной температурой торрефикации.
Важным фактором, влияющим на технико-экономические параметры, является энергетическая эффективность процесса торрефикации. Отходящие газы после реактора обладают достаточно высокой энтальпией, что позволяет вернуть их на повторное использование - организовать рецикл. Кроме того, рецикл теплоносителя повышает концентрацию пиролизных газов, повышает теплотворную способность отходящих газов и упрощает утилизацию (сжигание) вредных выбросов продуктов реакции низкотемпературного пиролиза биомассы.
Целью заявляемого технического решения является создание схемы, позволяющей повысить эффективность процесса торрефикации. Существует несколько типов установок, используемых для реализации процесса торрефикации. Это установки с движущимся слоем, с использованием шнековой подачи перерабатываемого сырья, реакторы с поперечным продуванием (патент WO 2014167141 А1). Определяющим с точки зрения эффективности процесса является теплоотдача от греющего агента к перерабатываемому материалу. Коэффициент теплоотдачи в энергетическом оборудовании напрямую связан с затратами на сооружение и эксплуатацию установки. Чем выше коэффициент теплоотдачи, чем эти затраты ниже. С точки зрения обеспечения максимальных коэффициентов теплоотдачи оптимальным является использование поперечно продуваемого слоя.
Цель достигается за счет следующей совокупности признаков, установка для торрефикации гранулированной биомассы, содержащая газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, газо-водяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем установка содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе, и датчик контроля температуры с ограничителем температурного уровня, соединенный с программатором и расположенный в реакторе торрефикации, причем реактор торрефикации выполнен в виде трех секций, в которых поочередно выполняются нагрев, торрефикация и охлаждение биотоплива, а в смеситель перед каждой секцией реактора в фазе торрефикации поступают газы из секции охлаждения и часть газов рециклом после секции нагрева.
В принципе, можно рассмотреть различную компоновку реактора с поперечно продуваемым слоем для осуществления процесса торрефикации. С точки зрения эффективности теплообмена, решения вопросов, связанных с обеспечением перерабатываемого слоя используемыми в процессе различными теплоносителями, и простоты компоновки схемы наиболее эффективной является компоновка из трех секций, каждая из которых работает циклически в фазах подогрев - торрефикация - охлаждение, имеется коллектор горячих газов от газопоршневой установки (ГПУ), коллектор «холодных» газов после теплообменника, два перепускных рециркуляционных коллектора, три смесителя газов с регуляторами температуры.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг. 1.
В первой фазе в первой секции (1) происходит процесс охлаждения, во второй секции (2) - торрефикация, в третьей секции (3) - подогрев (фиг. 1 - А). Причем газы после секции охлаждения (1) и часть газов после секции подогрева (3) поступают в смеситель перед секцией торрефикации (2), где смешиваются с горячими газами от ГПУ. Программатор поддерживает необходимую температуру перед секцией торрефикации (3). Затем охлажденные пеллеты из первой секции (1) выгружаются и в нее загружаются исходные пеллеты.
Во второй фазе (фиг. 1 - Б) в секции (3) подогретые на первой фазе пеллеты торрефицируются. Выхлопные газы из нее поступают в секцию (1), где вновь загруженные пеллеты подогреваются. В секции (2) торрефицированные на первой фазе пеллеты охлаждаются. Газы после секции (2) охлаждения и часть газов после секции (1) подогрева поступают в смеситель перед секцией (3) торрефикации, где смешиваются с горячими газами от ГПУ. Затем охлажденные пеллеты в секции (2) выгружаются и в нее загружаются исходные пеллеты.
В третьей фазе торрефицируются пеллеты в секции (1) (фиг. 1 - В), предварительно подогретые на второй фазе. Выхлопные газы из нее поступают во второю секцию, заполненную исходными пеллетами. А в секции (3) происходит охлаждение торрефицированных пеллет. Газы после секции (3) охлаждения и часть газов после секции (2) подогрева поступают в смеситель перед секцией (1) торрефикации. Затем охлажденные пеллеты в секции (3) выгружаются и в нее загружаются исходные пеллеты, после чего цикл повторяется.
Таким образом при той же мощности газопоршневой установки в несколько раз повышается производительность процесса торрефикации при снижении затрат на утилизацию вредных выбросов продуктов реакции.