СИСТЕМА ВЫСУШИВАНИЯ БИОМАССЫ (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM OF DRYING BIOMASS (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию устройств и способов производства топлива, а более конкретно имеет отношение к созданию систем и способов высушивания, позволяющих преобразовывать биомассу в биоуголь.
Уровень техники
Высушивание представляет собой термохимическую обработку биомассы при температурах от 200°C до 320°C в атмосферных условиях и при отсутствии кислорода, в отличие от пиролиза, когда высокая теплота воздействует на биомассу при температуре около 900°C. Высушивание биомассы в высушенную биомассу (также называемую как "биоуголь") может происходить при более низкой температуре, если некоторые летучие вещества совместимы с химической перегруппировкой атомов C, H, и O в твердых веществах. Биоуголь, который получают за счет высушивания, может быть использован в существующих электростанциях, работающих на угле. Различные формы сырья в виде биомассы могут быть высушены, чтобы получить биоуголь. Во время высушивания водяной пар испаряется из биомассы, причем непрерывное удаление водяного пара из биомассы помогает производить желательное разложение зеленой (сырой) биомассы.
Стандартный способ высушивания имеет свои недостатки. Требуется контроль качества, чтобы обеспечить желательную измельченность биоугля, так как электростанции используют пылевидный угль с размером частиц меньше чем 0.2 мм. Более того, биоуголь преимущественно должен иметь очень низкое водосодержание, несмотря на то что влажность сырой биомассы типично начинается от 50%. Кроме того, во время высушивания некоторые летучие вещества, вырабатываемые в процессе высушивания, должны быть удалены так, чтобы не слишком сильно снижать потенциал топлива.
Все процессы высушивания требуют значительных количеств энергии, превышающих количества, которые требуются для превращения биомассы в биоуголь.
Например, энергия требуется для получения древесной (или бамбуковой) стружки, для получения брикетов соломы (или проса), для нагревания биомассы, чтобы удалить из нее воду, для транспортирования биомассы к системе высушивания и для транспортирования биоугля от системы высушивания к месту его использования. Таким образом, необходимо обеспечить высокий энергетический кпд производственной установки, если задачей является производство конкурентоспособного биоугля. Так как потери энергии возрастают при увеличении площади поверхности, но производительность возрастает при увеличении объема, то высокий объем выпуска является ключевым для повышения энергетического кпд и достижения экономической конкурентоспособности процесса высушивания.
Для снижения потребления энергии уже было предложено использовать летучие органические соединения (VOCs), выделяющиеся из биомассы во время высушивания, в качестве источника теплоты. VOCs могут быть направлены в реакционный аппарат или в печь, которые в свою очередь вырабатывают топочный (дымовой) газ для нагревания биомассы. Этот способ имеет технические и экономические недостатки. Прежде всего, топочный газ не является эффективным средством теплопередачи. Во-вторых, создание непрерывного процесса является более трудной задачей при применении использующих газ систем, в которых недопустимо использование воздуха. При групповой технологии с использованием топочного газа требуются многие часы для повышения температуры, достаточной для удаления воды и нагревания биомассы до высушенного состояния. В-третьих, если теплоту высушивания получают за счет сжигания части биомассы, выделяются большие количество дыма и сажи, которые приводят к загрязнению воздуха. В-четвертых, когда используют древесные материалы в виде биомассы, эти древесные материалы не выделяют достаточные количества VOCs во время высушивания. Чтобы получить продукт более высокого качества, необходимо перемешивать VOCs с природным газом, что повышает издержки производства и создает следы диоксида углерода.
Также уже было предложено использовать высокотемпературный пар как чистый источник теплоты для нагревания биомассы. Однако вода может проникать в готовый продукт, что отрицательно влияет на качество биоугля.
В патенте США No.7,942,942 раскрыто устройство, в котором использованы змеевидные трубы, что позволяет высушивать биомассу с использованием горячего парафина или масла. В этом патенте биомасса поступает в среду с отсутствием кислорода через секцию предварительного нагрева при помощи горячего парафина или масла, высушивается в средней секции при помощи горячего парафина или масла, и выходит в виде биоугля через секцию последующего охлаждения, с получением теплого масла/парафина. В каждой секции поддерживают постоянную температуру за счет внешнего нагревания или охлаждения, что приводит к дополнительным потерям энергии, особенно когда вода из биомассы испаряется без улавливания скрытой теплоты при последующей повторной конденсации. Более того, масло/парафин остаются захваченными в порах биоугля, причем остаточное содержание масла/ парафина может доходить до 40% от веса биоугля, что делает биоуголь непригодным для распыления, чтобы его можно было использовать в современных работающих на угле электростанциях. Кроме того, так как стоимость масла превышает стоимость угля при выработке одной тепловой единицы, то полученный биоуголь с большим количеством остаточного масля является экономически невыгодным. Конструкция, в которой горячий биоуголь выходит в канал последующего охлаждения масла, в котором поддерживают температуру 280°F (138°C) и который открыт для воздействия воздуха, также создает проблемы, связанные с безопасностью. Остаточные VOCs, такие как метанол и метан с низкой температурой воспламенения, которые выделяются из все еще горячего биоугля или которые мигрируют из средней секции высушивания в оконечную секцию охлаждения соединительного змеевидного тракта, могут возгораться или даже взрываться.
Раскрытие изобретения
Способ высушивания в соответствии с настоящим изобретением позволяет экономно и эффективно преобразовывать биомассу в биоуголь. В одном варианте система высушивания содержит по меньшей мере один резервуар (бассейн), содержащий жидкое средство теплопередачи. Это средство теплопередачи обеспечивает тепловой контакт с фрагментами биомассы, чтобы нагревать фрагменты биомассы в биоуголь. Система транспортирования перемещает биомассу через по меньшей мере один резервуар в первом направлении и перемещает биоуголь во втором направлении, противоположном первому направлению, по меньшей мере в один резервуар.
Способ высушивания, предназначенный для высушивания биомассы в биоуголь, согласно изобретению включает в себя следующие операции: предварительная сушка биомассы; перемещение биомассы по меньшей мере через один резервуар, содержащий жидкое средство теплопередачи, в первом направлении, причем жидкое средство теплопередачи обеспечивает тепловой контакт с биомассой, чтобы нагревать биомассу и превращать ее в биоуголь; перемещение биоугля по меньшей мере через один резервуар во втором направлении, противоположном первому направлению; и последующая сушка биоугля.
В соответствии с одной характеристикой способ высушивания содержит операцию улавливания конденсируемых летучих органических соединений (VOCs) для более экономичного использования.
В соответствии с другой характеристикой система высушивания содержит множество резервуаров, имеющих различные температуры, которые поддерживаются пассивно в термическом равновесии между входящей биомассой и выходящим биоуглем и VOCs. Средство теплопередачи для способа высушивания выбирают из группы, в которую входят минеральные масла, парафин и органические расплавленные соли. Преимущественно, органическая расплавленная соль для всех форм биомассы представляет собой эвтектическую смесь ацетата натрия и ацетата калия. Если желательна более высокая температура для быстрого высушивания или мгновенного пиролиза, то могут быть использованы смеси фторидов или хлоридов щелочных металлов.
В соответствии с другими характеристиками множество резервуаров дополнительно содержит резервуары растворителя для промывки минерального масла или парафина из выходящего биоугля. Растворителем может быть гексан или нафта (растворитель из каменноугольной смолы), когда средством теплопередачи являются масло или парафин. Когда средством теплопередачи являются органические расплавленные соли, растворителем может быть вода при температурах около или ниже температуры кипения жидкой фазы.
В соответствии с иными характеристиками устройство высушивания содержит систему транспортирования, которая создает непрерывный поток фрагментов биомассы во множество резервуаров, которые содержат различные жидкости. Биомасса может быть нагрета до температуры ориентировочно от 250°C до 300°C в течение времени ориентировочно от 10 минут (при более высокой температуре) и ориентировочно до одного часа (при более низкой температуре).
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
Сопроводительные чертежи, введенные в описание изобретения и образующие его часть, поясняют различные аспекты настоящего изобретения и, вместе с описанием изобретения, служат для пояснения принципов настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что показанные на чертежах компоненты не обязательно приведены в реальном масштабе.
На фиг.1 показана блок-схема производственной установки или системы, которая позволяет превратить биомассу в биоуголь/летучие вещества в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 схематично показан блок высушивания производственной установки, показанной на фиг.1, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором потолок условно удален, чтобы показать внутреннюю часть блока высушивания.
На фиг.3 показан с увеличением правый концевой участок блока высушивания, показанного на фиг.2, где можно видеть траекторию движения корзин в клетках.
На фиг.4 показаны с увеличением резервуары для жидкости, показанные на фиг.2.
На фиг.5 схематично показан блок высушивания с условно снятым потолком, в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения, в котором используют горячее и теплое масло в качестве средства теплопередачи, гексан (или нафту) в качестве растворителя, чтобы промывать масло, и горячую воду для выпаривания гексана или нафты.
На фиг.6 схематично показан блок высушивания также с условно снятым потолком, в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения, в котором используют расплавленную соль в качестве средства теплопередачи, и группы резервуаров с водой, от холодной до кипящей, для промывки расплавленной соли.
На фиг.7 схематично показана укомплектованная установка, содержащая блок высушивания в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения, в котором используют расплавленные щелочно-ацетатные соли как в качестве средства теплопередачи, так и в качестве средства катализа производства концентрированного жидкого ацетона из разбавленной уксусной кислоты.
Подробное описание изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана производственная установка или система 10, которая содержит блок 12 высушивания, внешний источник 14 теплоты, фильтр 18 и блок 20 конденсатора и сепаратора. Биомасса 22, превращенная в стружку или брикеты при помощи электроэнергии от электрической сети, поступает в блок 12 высушивания, где происходит процесс высушивания, чтобы превратить биомассу 22 в биоуголь 24. Биомасса 22 может содержать (но без ограничения) биомассу сахарного тростника, кукурузную солому, рисовую солому, пшеничную солому, бамбук, древесную стружку и просо.
Внешний источник 14 теплоты, такой как ядерный реактор с небольшой тепловой мощностью, или печь, в которой сжигают уголь, природный газ или часть полученного биоугля, с добавочными теплообменниками или без них, нагревает соответствующую жидкость 30 до желательной температуры высушивания. Горячей жидкостью 30 могут быть масла, парафин или расплавленные соли, однако могут быть использованы и другие виды жидкостей, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Горячую жидкость 30 подают в блок 12 высушивания в качестве средства теплопередачи (теплоносителя), чтобы нагревать биомассу 22. В зависимости от содержания влаги в биоугле и принятых мер, чтобы не терять теплоту во время высушивания, выигрыш в тепловой мощности при преобразовании биомассы в биоуголь типично составляет от 5 до 20. Другими словами, ввод 1 Вт внешней тепловой мощности позволяет получать от 5 до 20 Вт теплоты сгорания в полученном биоугле.
Фильтр 18 фильтрует загрязненную охлажденную жидкость 32, чтобы отделить пену 36 от охлажденной жидкости 34 (температура которой типично только на несколько °C ниже температуры высушивания). Чистую охлажденную жидкость 34 возвращают назад во внешний источник 14 теплоты. Пена содержит куски органического материала и минералов растений, покрытые жидкостью теплообмена. Их снимают сверху или драгируют снизу из различных резервуаров в блоке 12 высушивания при помощи фильтра 18. В качестве примера, фильтром 18 может быть молотый биоуголь, полученный в процессе высушивания. Лабораторные эксперименты показали, что в грязном масле, очищенном при помощи фильтрации, отсутствуют видимые твердые частицы. "Пена" имеет энергетическую ценность и может быть спрессована и продана вместе с биоуглем. Альтернативно, пена, покрытая маслом, если масло используют как средство теплопередачи, может быть сожжена для содействия предварительной сушке биомассы.
2
2
4
Во время высушивания пар и летучие вещества улетучиваются из биомассы 22. Смесь 40 пара и летучих веществ подают в блок 20 конденсатора и сепаратора для дополнительной обработки. В некоторых вариантах осуществления трубы VOC, которые проходят через резервуары блока 12 высушивания, могут образовывать конденсатор и сепаратор. В любом случае, смесь 40 пара и летучих веществ может быть сконденсирована в блоке 20 конденсатора и сепаратора и сепарирована в биожидкости 42 и газы 44, которые содержат CO, CO и, может быть, также H, CH и следы других летучих вещества. Эти газы 44 могут быть сожжены для содействия предварительной сушке биомассы или последующей сушке полученного биоугля 28, или же газы 44 могут быть использованы или проданы в качестве сырья для дополнительного химического синтеза.
Жидкость теплопередачи пропитывает биоуголь 24, который выходит из блока 12 высушивания. Этот пропитанный жидкостью биоуголь 24 пропускают через ванну 25 растворителя, который отбирает жидкость из биоугля, в результате чего получают биоуголь 26, пропитанный растворителем. Извлеченную жидкость направляют во внешний источник 14 теплоты для подогрева и последующего использования в качестве горячего средства теплопередачи для высушивания, а биоуголь 26 с растворителем пропускают через слабый (мягкий) нагреватель 27, который испаряет растворитель, в результате чего получают готовый биоуголь 28, который не содержит ни жидкости теплопередачи, ни растворителя. В некоторых вариантах осуществления ванна 25 растворителя и слабый нагреватель 27 могут быть выполнены в виде одного или нескольких резервуаров блока 12 высушивания. Пары растворителя повторно конденсируют в жидкость, когда их подают назад в ванну 25 растворителя. Готовый биоуголь 28 отгружают конечному пользователю, такому как работающая на угле энергоустановка, в которой сжигают пылевидный уголь.
Таким образом, блок 12 высушивания в соответствии с настоящим изобретением использует жидкие средства теплопередачи для преобразования биомассы с любым содержанием влаги в биоуголь, в промышленном масштабе, как это описано далее более подробно.
Первый вариант осуществления изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2, на которой показан блок 12 высушивания в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, который содержит корпус 50, систему 52 транспортирования, систему 54 воздушного шлюза и систему 56 сбора газа. Потолок корпуса 50 условно удален, чтобы показать внутреннюю часть блока 12 высушивания.
Корпус 50, в основном прямоугольной формы, чтобы облегчить конструирование, содержит множество мостов 60, выступающих из нижней стенки корпуса 50, чтобы разделить корпус 50 на множество отсеков для жидкостей. Жидкостями являются средство теплопередачи, растворитель или вода для нагревания и очистки биомассы 22 и биоугля 24. В данном варианте осуществления предусмотрены шесть отсеков для жидкостей, в том числе два резервуара 70 и 72 для воды, содержащие воду, два резервуара 74 и 76 для растворителя, содержащие растворитель, и два протока («реки») 78 и 80 высушивания, содержащие проточные жидкие средства теплопередачи. Резервуары в большинстве случаев содержат стоячие жидкости, но могут содержат и медленно текущие жидкости, если это лучше подходит для непрерывного обслуживания.
Средства теплопередачи процесса высушивания содержат (но без ограничения) минеральные масла, парафин и органические расплавленные соли. Органической расплавленной солью для всех видов биомассы преимущественно является эвтектическая смесь ацетата натрия и ацетата калия. Если желательна более высокая температура для быстрого высушивания или мгновенного пиролиза, то могут быть использованы смеси фторидов или хлоридов щелочных металлов. Резервуары 74 и 76 содержат растворитель для промывки жидкого средства теплопередачи, прилипшего к биоуглю. Когда используют минеральное масло или парафин в качестве средства теплопередачи, гексан или нафта могут быть использованы в качестве растворителя в резервуарах 74 и 76 для растворителя. Когда используют органическую соль в качестве средства теплопередачи, вода может быть использована в качестве растворителя в резервуарах 74 и 76 для растворителя, в дополнение к резервуарам 70 и 72 для воды.
Резервуары 70 и 72 для воды и резервуары 74 и 76 для растворителя расположены на передней стороне 66 корпуса 50, вдоль продольного направления корпуса 50. Протоки (или резервуары) 78 и 80 для высушивания расположены на задней стороне 68 корпуса 50, вдоль продольного направления корпуса 50. Блок 12 высушивания может содержать любое число резервуаров (в том числе один резервуар) и типов резервуаров, что не выходит за рамки настоящего изобретения.
В данном варианте осуществления резервуары 78 и 80 для высушивания содержат минеральное масло или парафин в качестве средства теплопередачи, а резервуары 74 и 76 для растворителя содержат гексан или нафту. Гексан широко используют в промышленных применениях для растворения масла. Нафта является альтернативным растворителем. Резервуары 70 и 72 для воды содержат воду. В блоке высушивания, в котором используют масло как средство теплопередачи, вода в резервуаре 72 может быть нагрета до температуры, достаточно высокой для того, чтобы испарять гексан или нафту из биоугля. В блоке высушивания, в котором используют расплавленную соль как средство теплопередачи, вода в резервуарах 70 и 72 является отличным растворителем для удаления соли из выходящего биоугля. Обсуждавшиеся здесь выше типы жидкостей являются только примерными, так что могут быть использованы и другие жидкости, что не выходят за рамки настоящего изобретения. Число и размеры резервуаров для растворителя должны быть достаточны для такой промывки биоугля, что уровни остаточного масла или соли приемлемы для конечного пользователя. Для безопасности и исключения риска для здоровья рабочих резервуар 70, который является первым резервуаром для биомассы и последним резервуаром для биоугля, во всех случаях может быть резервуаром для воды. Несмотря на то что это не показано, следует иметь в виду, что вместо промывки водой может быть использовано механическое измельчение и прессование или центрифугирование, чтобы удалять остаточное средство теплопередачи и растворители из выходящего биоугля. Эти меры позволяют сделать биоуголь суше.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
5
6
1
2
3
4
Жидкости, содержащиеся в резервуарах 70, 72, 74, 76, 78 и 80, имеют соответствующие температуры T, T, T, T, T и T, причем T<T<T<T<T<T. Температуры T, T, T, T, T и T находятся в желательном диапазоне температур от 120°C до 300°C, причем температуры T и T активно регулируют, так чтобы они были соответственно равны 230°C и 300°C, для двух ступеней данного процесса высушивания. Температуры T, T, T и T получают пассивно за счет равновесия противотоков холодной биомассы и горячего биоугля в корзинах и горячих VOCs в теплопроводных трубках. Биомассу непрерывно опускают и поднимают, при нагреве ступенчатым образом при помощи жидкостей, содержащихся в резервуарах 70, 72, 74, 76, 78 и 80, при этом воздух отсутствует в пространствах над жидкостями.
Система 52 транспортирования содержит ленточный конвейер 84 для непрерывного транспортирования множества корзин 86 в клетках, которые содержат биомассу/биоуголь. Корзины 86 в клетках перемещаются вдоль ленточного конвейера 84 и вводят стружку или брикеты биомассы, предназначенные для глубокого просушивания ("прожарки") в жидкое средство теплопередачи, находящееся в протоках 78 и 80 для высушивания. Рельсы или колеса (не показаны) могут быть использованы для содействия перемещению ленточного конвейера 84. Ленточный конвейер 84 перемещает множество корзин 86 в клетках по непрерывному тракту перемещения в блок 12 высушивания, так что корзины 86 в клетках будут расположены по меньшей мере в два ряда в каждом из резервуаров. Когда корзины 86 в клетках поступают в блок 12 высушивания в первом направлении, как это показано стрелкой X, биомасса нагревается ступенчатым образом жидкостями в отсеках 70, 72, 74, 78 и 80 и в конечном счете высушивается в первом и втором высушивающих протоках 78 и 80. В показанном примере два ряда корзин перемещаются в противоположных направлениях во всех резервуарах кроме второго высушивающего протока 80. Происходит активный нагрев высушивающих протоков 78 и 80, непосредственно снизу или, что более безопасно, при помощи внешнего источника, который нагревает жидкое средство теплопередачи после его удаления из высушивающих протоков 78 и 80 и нагнетает его назад в высушивающие протоки 78 и 80.
После прохода через второй высушивающий резервуар 80 биомасса будет полностью высушена, и высушенная биомасса (то есть биоуголь) транспортируется через указанные резервуары в обратном порядке, во втором направлении, противоположном первому направлению, и выходит из блока 12 высушивания у резервуара 70 с водой, как это показано стрелкой Y. Исходная биомасса и высушенная биомасса перемещаются через блок 12 высушивания по непрерывному пути, по меньшей мере в два ряда в каждом из отсеков с жидкостями. Дополнительные проходы могут быть добавлены в главном высушивающем протоке 80, чтобы повысить объем выпуска биоугля с использованием такого же объема биомассы, который проходит через резервуары 70, 72, 74, 76 и проток 78. Однако перемещение корзин может быть сделано быстрее, чтобы каждая корзина проходила через проток 80 в течение заданного периода времени, например 10 минут. При этом может быть предусмотрена повышенная степень нагревания протоков 78 и 80, чтобы поддерживать их температуры на уровне 230°C и 300°C соответственно. За счет увеличения объема высушивающего протока 80, без увеличения объема резервуаров, может быть получена более компактная конфигурация и, следовательно, может быть достигнут более высокий термический кпд при более высоком объеме выпуска биоугля.
Как это показано на фиг.3, группы корзин 86 в клетках, содержащих стружку или брикеты биомассы, погружают в высушивающий проток 80, который имеет самую высокую температуру из всех отсеков с жидкостями. Стрелкой Х показано направление введения биомассы, а стрелкой Y показано направление выпуска биоугля. Стрелками 29 показано направление перемещения корзин 86 в клетках. В данном варианте осуществления каждая корзина 86 в клетке находится в высушивающем протоке 80 десять минут. Время нахождения в других отсеках, таких как высушивающий проток 78, резервуары 70, 72 с водой и резервуары 74 и 76 с растворителем, пропорционально длине каждого из отсеков для жидкостей. Следует иметь в виду, что время нахождения в высушивающем протоке 80 (и в других резервуарах) может изменяться в зависимости от рабочей температуры (в особенности от температуры средства теплопередачи), размера высушивающего протока 80 и скорости перемещения биомассы/биоугля. Биомасса может быть нагрета до температуры ориентировочно от 250°C до 300°C, в течение времени ориентировочно от 10 минут (при более высокой температуре) до одного часа (при более низкой температуре).
Первый высушивающий проток 78, который имеет вторую самую высокую температуру среди температур отсеков с жидкостями, идет от передней стороны 66 до задней стороны 68 корпуса 50. Первый и второй высушивающие протоки 78 и 80 могут быть снабжены трубами (не показаны) для введения в них и удаления из них жидкого средства теплопередачи. Теплое и горячее жидкие средства теплопередачи в протоках 78 и 80 вытесняют воздух и обеспечивают эффективный тепловой контакт с кусками биомассы неправильных размеров, находящимися в корзинах 86 в клетках. Когда биомасса поступает в блок 12 высушивания и погружается в жидкости в резервуарах 70, 72, 74, 76, 78 и 80, вода и летучие вещества выходят (вытесняются) из биомассы, и корзины 86 биомассы (на входе) становятся корзинами 86 биоугля (на выходе) в течение всего нескольких минут.
Вновь обратимся к фиг.2, на которой показано, что система 54 воздушного шлюза содержит множество перегородок 90, предусмотренных у передней стороны 66 корпуса 50 и окружающих резервуары 70, 72 с водой и резервуары 74 и 76 с растворителем, что не позволяет воздуху входить в пространство над уровнем жидкости. Перегородки 90, введенные в резервуары 70, 72, 74, 76 и проток 78, чтобы отделить эти отсеки от окружающей среды, не позволяют воздуху входить в пространства над жидкостями. Таким образом, только летучие газы и пар, выделившиеся из биомассы, находятся в пространстве выше высушивающих протоков 78 и 80. Летучие газы вытекают из блока 20 высушивания под действием их собственного давления через систему 56 сбора газа. Воздушный шлюз 54, имеющий многократное резервирование для повышения надежности, обеспечивает лишенную кислорода среду в относительно холодном состоянии в тех частях системы, которые находятся в непосредственной близости от окружающей среды.
На фиг.4 показаны с увеличением резервуары 70 и 72 с водой, где можно видеть, как корзины 86 в клетках перемещаются через различные резервуары 70, 72, 74, 76, 78 и 80. Два ряда корзин 86 в клетках движутся в противоположных направлениях. Корзины 86 в клетках в первом ряду содержат стружку или гранулы биомассы и перемещаются снаружи внутрь, как это показано стрелками A, в то время как корзины 86 в клетках во втором ряду содержат биоуголь и перемещаются наружу, как это показано стрелками В.
После прохода под перегородкой 90 корзины 86 в первом ряду движутся влево, как это показано стрелками A, и проходят на ленточном конвейере 84 поверх мостов 60 из резервуара 70 с водой в резервуар 72 с водой. Несмотря на то что это не показано на фиг.4, следует иметь в виду, что корзины 86 в клетках продолжают перемещаться аналогичным образом через резервуары 74, 76 с растворителем и через высушивающие протоки 78 и 80. Корзины 86 в клетках, содержащие высушенную биомассу (то есть биоуголь), перемещаются вправо, как это показано стрелками B, при этом они выходят из резервуара 72 с водой, погружаются в резервуар 70 с водой, проходят под перегородками 90 и выходят из блока 12 высушивания. Ранее входа в резервуар 72 с водой корзины 86 в клетках, в которых находится биоуголь, проходят аналогичным образом через высушивающие протоки 80, 78 с текущей в поперечном направлении жидкостью и резервуары 76 и 74 с растворителем. Биоуголь, который находится в корзинах 86, охлаждается в резервуаре 70 с водой до температуры, близкой к температуре окружающей среды, так что он может безопасно транспортироваться наружу из блока 12 высушивания и поступать к конечному пользователю.
Как это показано на фиг.4, каждая из корзин 86 в клетках содержит вкладыш 99 вдоль стенок корзин 86 в клетках. Вкладыш 99 является пористым для средства теплопередачи, растворителя или воды, которые содержатся в резервуарах 70, 72, 74, 76, 78 и 80, но не для стружки/гранул биомассы или для высушенного биоугля. Таким образом, вкладыш 99 не позволяет стружке/гранулам биомассы или высушенному биоуглю, которые содержатся в корзинах 86 в клетках, высыпаться наружу из корзин 86, но позволяет средству теплопередачи, растворителю или воде протекать через вкладыш 99, чтобы нагревать или очищать биомассу/биоуголь.
Вновь обратимся к фиг.2, на которой показано, что система 56 сбора газа содержит множество первых труб 92 и множество вторых труб 94 для сбора летучих органических соединений (VOCs), выделяющихся из биомассы 22, когда корзины 86 в клетках перемещаются вдоль высушивающих резервуаров 78 и 80. Каждая из множества первых труб 92 содержит впуск 96, расположенный в первом высушивающем резервуаре 78 над уровнем жидкости, чтобы собирать вентилируемый пар сверху в первом высушивающем резервуаре 78. Каждая из множества вторых труб 94 содержит впуск 98, расположенный во втором высушивающем резервуаре 80 над уровнем жидкости, чтобы собирать вентилируемый пар сверху во втором высушивающем резервуаре 80. В зависимости от температур резервуаров с растворителем и резервуаров с водой, дополнительные трубы (не показаны) могут быть использованы для сбора паров, выделившихся в резервуарах 70, 72 с водой и в резервуарах 74 и 76 с растворителем.
Одна перегородка 90, которая расположена рядом с мостом 60, разделяет первый высушивающий резервуар 78 от второго высушивающего резервуара 80, чтобы предотвращать перемешивание VOCs, присутствующих в пространстве над первым высушивающим резервуаром 78 с VOCs, присутствующими в пространстве над вторым высушивающим резервуаром 80, чтобы улучшить сбор различных типов VOCs. За счет использования двух высушивающих резервуаров 78 и 80 можно лучше контролировать выделение и последующую конденсацию VOCs.
2
4
2
Кроме воды, конденсируемые VOCs могут быть подразделены на три общих класса: (a) спирты (в основном метиловый спирт), (b) органические кислоты (главным образом уксусная кислота, но также в меньшей степени муравьиная и молочная кислоты), и (c) другие ароматические и алифатические соединения (фурфураль, гидроксиацетон и т.п.). Материалы в категориях (a) и (c) имеют ценность как присадки к топливу, а материалы в категории (b) являются важными промышленными и сельскохозяйственными химикатами. VOCs и пар, собранные при помощи первой и второй труб 92 и 94, направляют в блок 20 конденсатора и сепаратора (фиг.1) для дальнейшей обработки, если это необходимо. Блок 20 конденсатора и сепаратора разделяет смесь конденсируемых и неконденсируемых VOCs на различные биожидкости, на основании различных температур конденсации, и на газы, такие как H, CH, CO, и CO. Газы за счет сжигания могут быть использованы в виде топлива или могут быть накоплены для дальнейшей химической обработки. Жидкости могут быть подвергнуты дополнительному разделению и переработке в товарную продукцию.
В данном варианте осуществления VOCs улавливают, конденсируют и продают отдельно, а не сжигают при использовании в качестве дополнительного источника теплоты в стандартном процессе высушивания, так как VOCs имеют большую экономическую ценность на единицу веса чем биоуголь. В данном варианте осуществления часть биоугля, полученного при помощи блока высушивания, может быть сожжена, чтобы получить относительно более дешевый источник теплоты для процесса высушивания.
Когда биомасса перемещается от резервуаров 70, 72 с водой через резервуары 74, 76 с растворителем в высушивающие протоки 78 и 80 в первом направлении X, биомасса поглощает теплоту из жидкостей, содержащихся в этих резервуарах. Когда высушенная биомасса (то есть биоуголь) перемещается через эти отсеки в обратном порядке во втором направлении Y, высушенная биомасса выделяет теплоту в жидкости, содержащиеся в этих отсеках. Таким образом, биоуголь охлаждается в тех же самых резервуарах, в которых нагревается биомасса. Поглощение теплоты, вводимой в систему биомассой, и выделение теплоты выходящим биоуглем приводит к созданию равновесных температур между температурой окружающей среды и температурами высушивания. Когда высушенная биомасса выходит из блока 12 высушивания и входит в контакт с воздухом, тогда высушенная биомасса будет охлаждена в достаточной степени, чтобы избежать самовозгорания. Пропускание VOCs через резервуары по множеству первых и вторых труб 92 и 94 также помогает охлаждать пары и помогает конденсировать и разделять желательные жидкости. Никакой внешний источник энергии не требуется для охлаждения биоугля, что приводит к экономии электроэнергии.
В бескислородной среде жидкости, которые содержатся в резервуарах 70, 72, 74, 76, 78 и 80, являются стабильными при температурах высушивания в диапазоне ориентировочно от 250 до 300°C и могут быть подвергнуты чистому сжиганию на электростанциях, работающих на угле. Подходящие жидкие средства теплопередачи для процесса высушивания в соответствии с настоящим изобретением включают в себя (но без ограничения) масла, полученные за счет высокотемпературной перегонки нефти, некоторые синтетические теплопередающие жидкости, а также нагретый парафин или металлорганические соли. Биоуголь, полученный при помощи заявленного способа высушивания, может быть затем распылен для использования в качестве возобновляемого и нейтрального углеродного топлива на электростанциях, работающих на угле.
Второй вариант осуществления изобретения
1
2
10
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показан блок высушивания 100 в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, который является аналогичным блоку, показанному на фиг.3, за исключением конструкции масляной системы, причем здесь приведено более подробное описание частей и функции резервуаров и механизмов труб для конденсации. Высушивающий блок 100 содержит два резервуара 102, 104 с водой, два резервуара 106, 108 с растворителем (содержащим гексан или нафту) и восемь резервуаров 110 с маслом, первый высушивающий проток 111, содержащий теплое масло или расплавленный парафин, и второй высушивающий проток 112, содержащий горячее масло или расплавленный парафин. Высушивающие протоки 111, 112 могут содержать масло или расплавленный парафин при температурах 230°C и 300°C соответственно. Два резервуара 106, 108 с растворителем и восемь резервуаров 110 с маслом имеют температуры T, T, … и T соответственно. Резервуар 102 с водой разделен на резервуары A1 и B1 с водой, в то время как резервуар 104 с водой разделен на резервуары A2 и B2 с водой (также показанные на фиг.2 и 3). Конструкция блока 100 высушивания аналогична конструкции блока 12 высушивания первого варианта осуществления, и поэтому его подробное описание не приводится.
1
2
10
Поступающая биомасса и выходящий биоуголь и VOC в виде паров плюс водяной пар проходят внутри имеющих высокую теплопроводность труб через десять резервуаров 106, 108 и 110 с растворителем и маслом и два резервуара A1 и A2 с водой (также показанные на фиг.3). Если биомасса погружается при температуре 25°C в первый, второй, …, десятый резервуары, имеющие температуры соответственно T, T, … и T, а биоуголь и пары и водяной пар VOC выходят из теплого протока (то есть из высушивающего протока 111, имеющего подстрочный знак wr) при температуре 230°C и выходят из двух резервуаров B2 и B1 с водой (также показанных на фиг.3) при температуре 25°C, то баланс нагревания выходящего биоугля плюс пары и охлаждения за счет входящей биомассы позволяет получить уравнения равновесия, при аппроксимации небольшого перепада температур входящего и выходящего материалов в каждой ванне:
1
12
2
1
(T-25°C)=α(T-T),
2
1
23
3
2
(T-T)=α(T-T),
…
9
8
9,10
10
9
(T-T)=α(T-T)
10
9
10,wr
10
(T-T)=α(230°C-T),
ij
где α представляет собой следующее отношение:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>c</mi></msub><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>∂</mo><msub><mi>h</mi><mi>c</mi></msub><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>P</mi></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>∂</mo><msub><mi>h</mi><mi>v</mi></msub><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>P</mi></msub></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>b</mi></msub><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>∂</mo><msub><mi>h</mi><mi>b</mi></msub><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>P</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
b
c
v
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>b</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>c</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub></mrow>
и где h, h, или h, и
,
, or
представляют собой соответственно удельные энтальпии биомассы, биоугля или паров (VOC плюс водяной пар) и удельные массовые расходы обработанной биомассы, образованного биоугля или пара соответственно.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>b</mi></msub></mrow>
ij
ij
Баланс массы требует
в установившемся состоянии. Однако это строго выполняется только если пренебречь фазовыми переходами, однако в формулы можно включить скрытую теплоту конденсации. Набор совместных уравнений эквивалентен уравнению трехдиагональной матрицы с 1+α по диагонали и -1 и α вне диагоналей:
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub></mrow></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mo>⋯</mo></mtd><mtd><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>α</mi><mrow><mn>10,</mn><mi>w</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋯</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msup><mrow><mn>25</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋯</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mn>10,</mn><mi>w</mi><mi>r</mi></mrow></msub><msup><mrow><mn>230</mn></mrow><mo>∘</mo></msup><mi>C</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
ij
ij
Управляющее матричное уравнение легко может быть решено численно, если значения α получены из экспериментов с надежным источником биомассы. В качестве обучающего примера рассмотрим решение этого матричного уравнения, когда α имеет универсальное значение α. В этом случае получим решение
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Θ</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Δ</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
, n=1, 2, …, 10,
8
где Δ представляет собой определитель матрицы коэффициентов 10×10,
10
1
3
4
5
6
7
8
9
10
Δ=1+α+α+α+α+α+α+α+α+α+α,
n
и Θ представляет собой определитель, образованный путем замены n-ой колонки матрицы коэффициентов на вектор-столбец с правой стороны:
1
9
10
Θ=Δ(25C)+α(230C),
2
8
1
9
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
3
7
2
8
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
4
6
3
7
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
5
5
4
6
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
6
4
5
5
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
7
3
6
4
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
8
2
7
3
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
9
1
8
2
Θ=Δ(25C)+αΔ(230C),
10
9
Θ=25C+αΔ(230C),
1
9
где Δ, Δ2, … Δ - определители 1×1, 2×2, … 9×9 матриц коэффициентов:
1
2
9
2
2
9
Δ=1+α, Δ=1+α+α, …, Δ=1+α+α+…+α.
10
Коэффициенты (после деления на Δ) равны 25°C и 230°C, причем они влияют на передачу после некоторого числа погружений в тепловой сток и источник теплоты из каждого конца. Поэтому легко произвести обобщение при любом произвольном числе ванн.
В качестве конкретного численного примера предположим, что отношение α=1. Тогда
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
α=2,Δ=3, Δ=4, Δ=5, Δ=6, Δ=7, Δ=8, Δ=9, Δ=10, Δ=11.
При этом температура представляет собой линейно увеличивающуюся последовательность приращения
ΔT=(230°C-25°C)/11=18.64°C:
1
2
3
4
5
T=43.6 С, T=62.3 С, T=80.9 С, T=99.5 С, T=118.2 С,
6
7
8
9
10
T=136.8 С, T=155.5 С, T=174.1 С, T=192.7 С, T=211.4 С.
Так как гексан имеет температуру кипения 69°C, резервуары 2 и 1 (то есть резервуары 106 и 108 с растворителем) могут быть ваннами с гексаном. После резервуара 1 траектории движения биоугля и биомассы расходятся. Биомасса поступает при температуре окружающего воздуха и погружается в резервуары A1 и A2 с водой при температуре 25°C, а затем поступает в герметичные камеры блока высушивания. Нет необходимости в том, чтобы биоуголь входил в эти же самые резервуары, так как он выходит из блока и не оказывает никакого влияния на систему, если биомасса поступает при температуре 25°C. Следовательно, выходящий биоуголь может быть пропущен через отдельно герметизированную и нагретую водой ванну B2 при температуре 80°C или при некоторой другой температуре выше чем 69°C, необходимой для испарения гексана при атмосферном давлении. Гексан и масло не смешиваются в воде. Гексан в биоугле становится передаваемым по трубам газом, который может быть позднее вновь конденсирован. Масло, все еще остающееся в биоугле, разбавлено в двух гексановых резервуарах 106 и 108 и может быть сделано малой долей (например, 1%) полного веса биоугля, транспортируемого на работающую на угле электростанцию. Оконечный резервуар B1 с водой при температуре 25°C позволяет охлаждать биоуголь и любой оставшийся в нем гексан до безопасных условий температуры окружающей среды. Вода в биоугле из этой оконечной ванны может испаряться естественным образом во время транспортирования или может быть активно удалена за счет сжигания неконденсированных VOCs. Конечные пользователи могут также допускать более высокое содержание влаги в биоугле, при соответствующей скидке за вес с водой.
В зависимости от числа труб и внутреннего и внешнего диаметров труб, по которым протекают VOC в виде паров и водяного пара, VOC протекает только за счет поддержания давления, равного одной атмосфере, и может доходить до равновесной температуры окружающих его ванн или не доходить до нее. При отсутствии фазовых переходов создается дозвуковое среднее течение, которым управляет следующее уравнение объемного охлаждения:
<mrow><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mi>c</mi><msub><mi>P</mi><mi>T</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>N</mi><mi>u</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>b</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>π</mi><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow>
,
<mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover>
e
b
р
в котором
представляет собой массовый расход пара, протекающего в единственной трубе, D - внутренний диаметр труб, Nu - число Нуссельта турбулентного потока в трубе, K - коэффициент теплопроводности пара и T(x) - средняя граничная температура внутренней поверхности трубы (не обязательно такая же, как средняя температура T в резервуаре).
b
Температура T(x) задана условием, что теплота, созданная газом, проходит через металл толщиной h:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>m</mi><mi>e</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mi>b</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>h</mi></mfrac><mi>π</mi><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mi>c</mi><mi>P</mi></msub><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
b
Подстановка T из предыдущего уравнения в более раннее уравнения дает обыкновенное дифференциальное уравнение:
<mrow><mfrac><mrow><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mi>c</mi><mi>P</mi></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>u</mi><mi>K</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>m</mi><mi>e</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
в котором члены в квадратных скобках дают формулу сопротивления тепловому потоку, когда конвекция и теплопроводность прибавляются последовательно.
Если Nu взять равным его среднему значению в этой части течения, то приведенное здесь выше обыкновенное дифференциальное уравнение может быть интегрировано, чтобы получить
<mrow><mi>T</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mi>x</mi><mo>/</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msup></mrow>
,
0
где То представляет собой значение Т при x=0, и x представляет собой определяющий линейный размер,
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>≡</mo><mfrac><mrow><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><msub><mi>c</mi><mi>P</mi></msub></mrow><mrow><mi>π</mi><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mrow><mi>N</mi><mi>u</mi><mi>K</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>m</mi><mi>e</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>b</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>m</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>M</mi><mo>˙</mo></mover><mi>v</mi></msub><mo>/</mo><mn>256</mn><mo>=</mo><mn>0.2331</mn><mtext> </mtext><mi>k</mi><mi>g</mi><mtext> </mtext><msup><mi>s</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
-1
-1
-1
e
Скорость
освобождения массы VOCs плюс водяной пар типично составляет от 40 до 60% скорости
обработки биомассы. В системе с использованием масла, которая производит обработку, например, 80 метрических тонн биомассы в течение 10 минут,
может быть равна 57.11 kg s. При протекании через 256 круглых труб, каждая из которых имеет внутренний диаметр D=0.1 м, пар может иметь скорость переноса массы в каждой трубе
. Если коэффициент вязкости газа µ=0.000025 kg m s, то среднее число Рейнольдса для течения в трубе
-1
2
-1
-1
Re=(0.2231 kgs)(0.1 m)/[π(0.05m)(0.000025 kgms)]=113,600.
Коэффициент трения, связанный с этим числом Рейнольдса, f=0.004379.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
P
P
metal
0
0
р
Если принять коэффициент теплопроводности K=0.04 WmK и удельную теплоемкость с=1,000 JkgK, то число Прандтля Pr=µc/K=0.625 будет связано с VOC в виде паров и водяного пара. Число Нуссельта, связанное с турбулентным течением, Re=113,600 и Pr=0.625, и тогда Nu=183. При толщине металла h=0.01 м и коэффициенте теплопроводности K=20 WmK, определяющий линейный размер x=10.04 м. Если пары VOC вытекают из протока с горячим маслом при температуре T=293°C и втекают в проток с теплым маслом при температуре T=230°C, то температура газообразных VOC после перемещения на 80 м будет равна 230.0°C. Температура последующего потока приведена в Таблице 1.
Таблица 1
Температура VOC для теплопереноса из труб с внутренним диаметром 0.1 м
Резервуар
Длина (м)
Гр (°С)
VOC T (°C)
Масло (теплый проток)
80
230.0
230.0
Масло (резервуар 10)
10
211.4
218.3
Масло (резервуар 9)
10
192.7
202.1
Масло (резервуар 8)
10
174.1
184.4
Масло (резервуар 7)
10
155.5
166.2
Масло (резервуар 6)
10
136.8
147.6
Масло (резервуар 5)
10
118.2
129.1
Масло (резервуар 4)
10
99.5
110.4
Масло (резервуар 3)
20
80.9
84.9
Гексан (резервуар 2)
40
62.3
62.7
Гексан (резервуар 1)
40
43.6
44.0
Вода (резервуар A1)
20
25.0
27.6
Вода (резервуар A2)
20
25.0
25.4
Вода (резервуар B1)
20
80.0
-
Вода (резервуар B2)
20
25.0
-
Из главных конденсатов VOC, в соответствии с Таблицей 1, следует указать дренаж фурфурали в выпускную дренажную трубу, который происходит в резервуаре 6 с маслом; гидроксиацетона, в резервуаре 5 с маслом; молочной и уксусной кислоты, в резервуаре 4 с маслом; муравьиной кислоты и воды, в резервуаре 3 с маслом; и метанола и гексана (от дистилляции растворителей) в резервуаре 2 с гексаном (имеющем длину 40 м в примере, доказывающем лучшую промывку масла из выходящего биоугля). Первый гексановый резервуар 106 (то есть резервуар 1) обеспечивает дополнительное разбавление масла, которое выходит вместе с биоуглем. Несмотря на то что температуры паров VOC в соответствующих трубах не равны температурам окружающих жидкостей, никогда не возникает разности температур больше чем 11°C при показанной конфигурации труб, так что методика оценки, использованная для расчета температур окружающих жидкостей, является главным образом обоснованной (если α=1). Включение эффектов скрытой теплоты будет изменять детали, но не полную картину. Аналогичные соображения применимы к парам, которые выделяются в любом из замкнутых объемов блока высушивания, если трубы открыты для паров, чтобы транспортировать их на выход через систему резервуаров подготовки и основных резервуаров.
Третий вариант осуществления
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6, на которой показан блок 200 высушивания в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего изобретения, который аналогичен блоку высушивания второго варианта осуществления, за исключением числа отсеков для жидкостей и типов средств переноса жидкостей. Более конкретно, блок 200 высушивания содержит корпус 202, систему 204 транспортирования, систему 206 сбора газа и систему 208 воздушного шлюза. Множество отсеков для жидкостей содержат девять резервуаров 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217 и 218 с водой, один проток 219 с кипящей водой и один высушивающий проток 220 с расплавленной солью. Высушивающий проток 220 содержит соответствующую расплавленную соль, такую как эвтектическая смесь ацетата натрия и ацетата калия, в качестве средства теплопередачи. Расплавленные соли являются очень хорошо растворимыми в воде, и поэтому в данном варианте осуществления не требуются никакие другие растворители.
Эвтектическая смесь ацетата натрия и ацетата калия имеет оптимальную рабочую температуру около 300°C, которая лежит между температурой плавления, составляющей около 230°C, и температурой разложения, составляющей около 460°C. Использование эвтектической смеси щелочно-ацетатных солей выгодным образом позволяет повысить теплоемкость, ориентировочно в 2,000 раз на единицу объема по сравнению с топочным газом при такой же рабочей температуре. Таким образом, процесс высушивания с использованием расплавленной соли протекает намного быстрее, чем обычный процесс высушивания с использованием топочного газа в качестве средства теплопередачи. Как таковой процесс высушивания в соответствии с настоящим изобретением позволяет существенно повысить объем выпуска при сниженных издержках производства, что позволяет заменить природный газ биоуглем в качестве возможной альтернативы.
Расплавленная соль в высушивающем протоке 220 поддерживается при температуре 300°C, но кипящая вода в теплом протоке 219, при близком к атмосферному давлении, поддерживается при температуре только 100°C и термостатирована за счет превращения воды в водяной пар, когда горячий биоуголь, выходящий из протока 220 с расплавленной солью погружается в кипящую воду в протоке 219, и за счет конденсации пара в жидкость, когда входящая холодная биомасса погружается в кипящую воду в протоке 219. Если окружающая температура, при которой биомасса входит в блок 200 высушивания равна 25°C, то тогда девять резервуаров 210-218 с водой до протока 219 с кипящей водой будут иметь соответствующие температуры 32.5°C, 40.0°C, 47.5°C, 55.0°C, 62.5°C, 70°C, 77.5°C, 85°C и 92.5°C.
В варианте осуществления с расплавленной солью резервуары 210-218 с водой также выполняют другие функции кроме вытеснения воздуха (и сохранения энергии) в постепенном ступенчатом повышении/понижении температуры биомассы/биоугля (для повышения безопасности), при входе биомассы в устройство и выходе биоугля из него. Резервуары 210-218 с водой также служат для промывки соли из биоугля. Для осуществления этой функции, при рекуперации всей соли кроме приемлемо малого остатка, который выходит вместе с выходящим биоуглем, резервуары 210-218 выполнены как бассейны стоячей воды и получают концентрацию соли, которая достигнута за счет пассивного равновесия между более соленым биоуглем и менее соленой биомассой, которые проходят через резервуар в противоположных направлениях. При равновесии резервуары 210-218 с водой образуют последовательность резервуаров с возрастающей соленостью. Таким образом, при проходе от резервуара 218 с водой до резервуара 210 с водой биоуголь становится все менее и менее соленым; в то время как, при проходе от резервуара 210 с водой до резервуара 218 с водой, биомасса становится все более и более соленой. Приемлемый уровень остаточной соли (например, 0.1% от веса биоугля), которая выходит вместе с биоуглем, может быть достигнут за счет добавки достаточного количества дистиллированной воды в проток 219 с кипящей водой, так что соленость в нем удерживается на уровне около 50% (то есть содержание ацетатной соли составляет около 50% от веса раствора). Чтобы достигнуть этого результата, между резервуарами 218-215 (промывка) и резервуарами 214-210 (прополаскивание), можно открыть крышки в корзинах и спрессовать выходящий биоуголь, чтобы уменьшить фракцию объема пор от оценочной величины около 0.67, когда биоуголь выходит из протока с солью, до величины около 0.28 на входе в резервуары 214-210 прополаскивания. Конкретные числа приведены в данном описании изобретения только для пояснения и не ограничивают объем патентных притязаний, так что могут быть использованы другие возможные параметры ввода биомассы, другие характеристики оборудования или другие рабочие процедуры.
Резервуары являются модульными, причем длину данного модуля регулируют в соответствии с желательной производительностью производственной установки. Размер высушивающего протока 220 регулируют так, чтобы высушивать желательное количество биомассы в каждой корзине каждые 20 минут. Несмотря на то что показаны 14 корзин, полностью погруженных в проток 220 с расплавленной солью, любое число корзин может быть использовано в достаточно большом протоке, за счет изменения скорости, при которой каждая корзина протягивается (проходит) через проток, так что блок 200 высушивания может быть расширен или сокращен, в зависимости от применения. Количество теплоты, которое необходимо добавить, чтобы удерживать текущую соль в протоке при температуре 300°C, должно быть соответственно увеличено, если объем выпуска биомассы увеличен.
Аналогично первому варианту осуществления система 204 транспортирования перемещает множество корзин 86 в клетках, в которых находится измельченная биомасса/биоуголь, вдоль тракта транспортирования, чтобы погружать биомассу/биоуголь в резервуары 210-218 с водой, в проток 219 с кипящей водой и в проток 220 с расплавленной солью, и соответственно поднимать биомассу/биоуголь из них. Два ряда корзин 86 движутся в противоположных направлениях в каждом резервуаре, за исключением высушивающего протока 220, в котором корзины 86 расположены в четыре ряда в показанном примере, чтобы можно было одновременно высушивать больше биомассы. Биомасса 22 обугливается в горячей эвтектической соли ацетата натрия/ацетата калия в высушивающем протоке 220. Система 208 воздушного шлюза содержит множество перегородок 90, предусмотренных в резервуарах 210-218, чтобы блокировать поступление воздуха (в особенности кислорода) в пространство над резервуарами и протоками 219 и 220.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.7, на которой показана укомплектованная производственная установка 300, которая содержит блок 200 высушивания, показанный на фиг.6, вместе с другими указанными выше устройствами, причем расплавленные щелочно-ацетатные соли используют как средство теплопередачи и как средство катализа для получения концентрированного жидкого ацетона из разбавленной уксусной кислоты. Ацетатные соли представляют собой относительно слабый коррелирующий агент и могут действовать как электролиты в расплавленном состоянии. Следует принять меры предосторожности при выборе сплавов металлов, например нержавеющей стали, при конструировании компонентов, причем использования различных металлов для изготовления различных компонентов следует избегать, чтобы минимизировать вероятность электрохимической коррозии.
На фиг.7 показано только ограниченное число резервуаров блока 200 высушивания. Производственная установка 300 дополнительно содержит блок 230 предварительного нагрева, блок 234 последующего нагрева, угольный фильтр 236, солевой насос 238 и реакционный аппарат 250. Чтобы исключить замерзание соли в трубах при отключении производственной установки для проведения технического обслуживания, блок 234 предварительного нагрева должен быть расположен ниже, чем другие компоненты системы, так что расплавленная соль стекает в него при выключении насосов. Насосы (не показаны) используют для нагнетания соли вверх из блока предварительного нагрева в проток 220 для соли. Течение в высушивающем протоке 220 происходит от выпускных труб 240 указанных насосов к находящемуся ниже по течению угольному фильтру 236, для удаления небольших фрагментов биоугля из высушивающего протока 220. Ниже по течению от угольного фильтра расположен солевой насос 238, который подает больше соли в блок 230 предварительного нагрева, а также шунтирует часть соли для блока 234 последующего нагрева. Блок 234 последующего нагрева позволяет получать газообразный ацетон и жидкую щелочно-углеродную соль. Химический реакционный аппарат 250 производит водный раствор щелочно-ацетатной соли.
Более конкретно, блок 230 предварительного нагрева принимает ацетатную соль охлажденной за счет контакта с биомассой в блоке 200 высушивания и вновь нагревает ее до 300°C. Ацетатную соль затем нагнетают через трубы 240 в высушивающий проток 220. Несмотря на то что блок 230 предварительного нагрева показан в виде длинного лотка, он также может иметь и любую другую конфигурацию. За счет использования адекватной изоляции можно исключит до 20% тепловых потерь, которые имеются в стандартных газовых нагревателях в виде лотка. Накопительные камеры 241 (только одна из которых показана рядом с резервуарами 217 и 218 с водой) могут быть предусмотрены рядом с резервуарами 215, 216, 217, 218, 219, 220, чтобы собирать VOCs, выделенные в трубах 245 конденсации. Низкое давление насыщенного пара расплавленной соли позволяет замедлять осаждение соли в трубах конденсации. Периодическое техническое обслуживание должно предусматривать промывку этих труб горячей водой.
Калиброванное количество соли, поступающей из солевого насоса 238 по трубе 246 в блок 234 последующего нагрева, позволяет получать газообразный ацетон и жидкую щелочно-карбонатную соль за счет нагрева щелочно-ацетатной соли выше ее температуры термического разложения, до температуры 460°C, а преимущественно 500°C. Расплавленная щелочно-карбонатная соль затем протекает через трубу 248 в реакционный аппарат 250. Разбавленная уксусная кислота из одной из камер 241 накопления также поступает в реакционный аппарат 250, где щелочно-карбонатная соль вступает в реакцию с разбавленной уксусной кислотой, чтобы образовать газообразный диоксид углерода и водный раствор щелочно-ацетатной соли. Диоксид углерода выпускают наружу. Водный раствор щелочно-ацетатной соли, который имеет температуру ниже 100°C, направляют в блок 230 предварительного нагрева по трубам 254. Водный пар также образуется в химической реакции за счет интенсивного нагревания и может быть дистиллирован и конденсирован для продажи или для других целей. Количество ацетатной соли, которая разложилась в карбонатную соль, калибруют так, чтобы использовать соответствующий поток уксусной кислоты для восполнения ацетатной соли.
Биоуголь, полученный за счет использования данного варианта осуществления настоящего изобретения, имеет свойства, превышающие свойства битуминозного природного угля, имеющегося на рынке. По этой причине заявитель назвал заявленный способ использования расплавленных солей в качестве средства теплопередачи (в качестве теплоносителя) как "супервысушивание". Например, в одном пробном прогоне биоуголь имеет коэффициент размолоспособности Харгрова (HGI), равный 67, охотно принимаемый работающими на угле электростанциями. Теплотворная способность биоугля составляет 6,139 ккал/кг=25.7 МДж/кг, что сопоставимо с соответствующей характеристикой лучшего битуминозного природного угля, имеющегося на рынке. Остаточные VOC при 36.11% и содержание углерода 49.55% имеют отношение (частное), которое зависит от степени высушивания. Измельчение ткани растений при помощи солевого обезвоживания помогает ускорить процесс. Вообще говоря, по сравнению с высушиванием с использованием топочных газов, супервысушивание в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать меньшее отношение остаточных VOC к углероду, что ведет к получению продукта более высокого качества.
Кроме того, содержание серы в биоугле составляет только 0.06%, что лучше на порядок, чем в природном угле. Зольность биоугля составляет около 5.69%, в отличие от зольности 20%-40% во многих энергетических углях. Когда биомассу получают из бамбука, зола богата поташем и может быть продана как удобрение, а не является пустыми отходами, как при сжигании обычного угля. Остатком в массе биоугля является влага, содержание которой зависит от процедуры сушки и условий хранения до использования. Таким образом, никакие потоки отходов не возникают при способе высушивания в соответствии с настоящим изобретением.
В ступенях конденсации разделяют воду и уксусную кислоту (основную массу органической кислоты извлекают из VOCs) от других биожидкостей. Разбавленная уксусная кислота в этом виде имеет минимальную экономическую ценность как антисептик для предотвращения возникновения гнили в кипах сена, или как дезинфицирующее средство при упаковке мяса. Использование щелочно-ацетатных солей создает значительные преимущества, так как это позволяет превращать разбавленную уксусную кислоту в концентрированный ацетон, который имеет экономическую ценность как промышленный растворитель, или потенциально как авиационное топливо. В блоке 234 последующего нагрева можно нагревать, например, ацетат калия как один компонент расплавленной соли выше его температуры разложения, например ориентировочно выше 460°C, чтобы получить карбонат калия и ацетон:
3
3
2
2
3
2CHCOOK (расплавленная соль)+теплота→(CH)CO (пар)+KCO (расплавленная соль).
Ацетон выходит из смеси в виде пара и может быть сконденсирован как чистая жидкость за счет пропускания газа при атмосферном давлении через трубы в резервуарах с водой, пока его температура не упадет ниже 56°C. Несмотря на то что в этом примере использован ацетат калия, аналогичный результат может быть получен с ацетатом натрия, с ацетатом лития или с другими солями в виде ацетата щелочи.
Растворенный в водном растворе карбонат калия является слабой щелочью. Для восстановления ацетатной формы соли карбонат калия вводят в реакционный аппарат 250 для реакции с разбавленной уксусной кислотой, полученной за счет конденсации VOCs при высушивании биомассы:
3
2
3
3
2
2
2CHCOOH (водный раствор)+KCO (водный раствор) →2CHCOOK (водный раствор)+CO (газ)+HO (жидкость)+теплота.
2
Реакция является умеренно экзотермической реакцией, но с нормальными тепловыми потерями, причем реакция с использованием разбавленных водных растворов может быть осуществлена при комнатной температуре, при этом только CO улетучивается в виде газа. Для извлечения ацетата калия в виде безводной расплавленной соли, вытесняли воду из нагревателя, для чего использовали предварительно нагретую расплавленную эвтектическую соль ацетата при температуре 300°C для протока 220 с солью. При этом получали водяной пар, который не перемешан с VOCs в процессе высушивания и который представляет собой достаточно чистый продукт конденсации, чтобы полученную воду можно было пить, причем ее можно дополнительно дистиллировать, при этом проводили предварительную фильтрацию за счет осмотических процессов через мембраны живого бамбука. Излишек питьевой воды может иметь некоторую экономическую ценность для потребления людьми и животными, или для использования в сельском хозяйстве. Часть воды может быть использована для снижения солености в резервуаре 219 с кипящей водой, как уже было указано здесь выше.
Высушивание при помощи металлоорганических солей, таких как эвтектическая смесь ацетата натрия и ацетата калия, по сравнению с высушиванием при помощи минерального масла, имеет следующие преимущества: (1) повышение безопасности, так как ацетатные соли, даже когда они загрязнены фрагментами биоугля, не воспламеняются так легко, как масло или парафин, в случае утечки воздуха в устройстве высушивания; (2) более высокая устойчивость к термической деструкции, если соль находится при температуре выше ее (эвтектической) температуры плавления, составляющей около 230°C, и при температуре ниже ее температуры деструкции, составляющей около 460°C; (3) более легкое извлечение соли, удерживаемой в биоугле внутри его пор и прилипшей к его поверхности, потому что органические щелочные соли являются очень легко растворимыми в воде, в особенности если вода является теплой или кипящей; (4) может быть использован естественный и простой двухступенчатый процесс повышения качества за счет преобразования относительно распространенного и дешевого продукта конденсации VOC за счет высушивания биомассы, а именно, разбавленной уксусной кислоты, в концентрированный и более экономически ценный продукт массового спроса, а именно, в жидкий ацетон; и (5) возможность распространения механизма высушивания на еще более высокие температуры и более короткие масштабы времени в режиме пиролиза, когда эффективная выработка биомасел и синтетического газа, вместе с биоуглем, становится жизнеспособным высокопроизводительным процессом.
Блоки 20, 100 и 200 высушивания в соответствии с настоящим изобретением позволяют значительно снизить потребление энергии, одновременно повышая объем выпуска. В соответствии с настоящим изобретением температуру различных резервуаров, кроме высушивающих резервуаров, пассивно регулируют за счет ввода холодной биомассы и выгрузки горячего биоугля и VOCs, без использования внешних источников нагрева или охлаждения, в отличие от известных ранее систем высушивания, в которых используют внешние источники энергии для предварительного нагрева биомассы и охлаждения биоугля.
Более того, блоки 20, 100 и 200 высушивания в соответствии с настоящим изобретением позволяют повысить качество биоугля и снизить издержки производства, за счет извлечения из биоугля и повторного использования средств теплопередачи. В одном варианте осуществления, в котором расплавленную органическую соль используют как средство теплопередачи, она легко может быть растворена в воде и извлечена. В другом варианте осуществления, в котором масло/парафин используют как средство теплопередачи, используют множество растворителей и резервуаров с водой для промывки масла и растворителей, оставшихся в биоугле, так что масло и растворители могут быть извлечены и использованы повторно. Высушивающие блоки 20, 100 и 200 в соответствии с настоящим изобретением позволяют получать более чистый биоуголь, имеющий более высокое качество и содержащий минимальное количество остаточных реагентов, при обеспечении безопасности процесса производства в случае просачивания некоторого количества воздуха в систему или блок высушивания.
Очень важно, что в блоках 20, 100 и 200 высушивания в соответствии с настоящим изобретением биомасса и биоуголь перемещаются через одни и те же резервуары в противоположных направлениях по непрерывной траектории, с несколькими рядами биомассы в первичном высушивающем резервуаре. При этом производительность может быть повышена за счет регулировки скорости перемещения биомассы/биоугля, без изменения числа резервуаров для нагрева/охлаждения, что позволяет получать более компактные конфигурации.
Общие изобретательские идеи настоящего изобретения могут быть реализованы самым различным образом. Поэтому, несмотря на то что описание настоящего изобретения содержит специфические примеры, следует иметь в виду, что объем патентных притязаний настоящего изобретения не будет ограничен при введении модификаций, доступных пониманию специалистов в данной области.