СПОСОБ, ПРИСПОСОБЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВА ИЗ ВЛАЖНОЙ БИОМАССЫ
METHOD, APPLIANCE AND APPLICATION FOR MAKING FUEL FROM MOIST BIOMASS

Предметом настоящего изобретения являются способ, приспособление, а также применение одного такого приспособления для получения прессованного топлива из влажной биомассы всех видов, как-то сельскохозяйственных продуктов, продуктов лесного хозяйства и садоводческих продуктов, включая отходы, например, скошенную траву, отходы садоводства или кухонные отходы, отходы промышленной переработки биомассы, как, например, переработки продуктов питания, изготовления бумаги или подобного.
Подобного рода способы и приспособления для их осуществления известны, например, из документа WO 2004/067685 А1.
Эти способы включают, например, перед заключительным процессом прессования в форме для изготовления прессованного в форме топлива процесс сушки, перед процессом сушки процесс прессования для уменьшения содержания влаги и перед процессом прессования первый процесс измельчения, благодаря которому повышается эффективность последующего прессования, т.е. возможное уменьшение содержания воды во влажной биомассе.
Приспособления для осуществления этих способов имеют конструкцию в соответствии с требованиями указанных способов.
По сравнению с существующей, применяющейся в качестве топлива, сухой или в значительной степени сухой биомассой, как, например, древесина и по сравнению с предварительно высушенной на поле биомассой, как, например, сено влажная биомасса при своей переработке в топливо имеет различные преимущества. Во-первых, влажная биомасса везде имеется в большом количестве, часто без идеи ее другого использования, кроме утилизации, например, она должна компостироваться, если она не перерабатывается в топливо, или даже оставляться гнить на месте без энергетического использования.
По сравнению с предварительно высушенной переработанная влажная биомасса имеет преимущество в том, что предотвращаются потери массы, которые, например, по причине выпадения семян возникают при сушке в поле.
Но прежде всего при естественной сушке благодаря испарению остаются вещества, наносящие вред при сжигании, которые содержатся в биомассе и которые, как например, хлор - ускоряют коррозию сжигающих установок или которые отрицательно сказываются на характеристиках золы горючего материала, и которые снижают стоимость биомассы как топлива. Этот недостаток может быть в значительной части устранен прежде всего, если влажная биомасса согласно известному способу подвергается прессованию перед термической сушкой, так что из нее удаляется содержащаяся в ней вода с существенной частью вредных веществ.
Однако названные способы имеют при всех достоинствах свои недостатки. Прежде всего они довольно энергоемкие, т.е. негативно сказываются на энергетическом балансе подлежащего изготовлению топлива. В основе этого лежит прежде всего то, что отжим свежей биомассы, где-то зачастую довольно твердых злаков, требует значительных усилий и, однако, способствует только недостаточному отводу влаги, так что удаление еще очень значительного содержания влаги из уже отжатого материала остается передавать особенно энергоемкой термической сушке. Одновременно это означает, что содержащиеся в биомассе вещества, наносящие вред при сжигании, удаляются только в ограниченном количестве, так как эти вещества большей частью растворимы в воде, и поэтому термическая сушка их не уменьшает.
Значительные усилия, необходимые для отжима биомассы, несут с собой значительный износ машин, который тем больше, чем больше биомасса загрязнена повышающими истирание материалами, как-то песок, неорганические отходы и подобное, прежде всего, например, если речь идет о скошенной траве с сельскохозяйственных или открытых площадей, по которым осуществляются перевозки.
Задачей изобретения является таким образом оптимизировать известные способы получения топлива из прессованной биомассы из влажного исходного материала, а также подлежащих применению для этого приспособления, чтобы при более низком расходе энергии, прежде всего для термической сушки, и при самой низкой по возможности нагрузке производственных установок получить более высокую теплоту сгорания и лучшие свойства полученного топлива.
Эту задачу решают предложенный согласно изобретению способ, охарактеризованный признаками согласно пунктам 1 и 2 формулы изобретения, а также предложенные согласно изобретению приспособления, охарактеризованные признаками согласно пунктам 9-13 формулы изобретения.
В первом варианте выполнения настоящего изобретения биомассу перед механическим обезвоживанием подвергают тонкому измельчению с помощью размалывания, протиранию через сито, изготовлению пюре, изготовлению мезги или подобного таким образом, что получается гомогенная каша из мусса/пюре, консистенция которой, предпочтительно, от кашеобразной до жидкой. При этом процесс измельчения осуществляет в один или несколько этапов.
Это состояние имеет преимущество, заключающееся прежде всего, в том, что биомасса более пригодна к дальнейшей переработке, как-то способна к перекачиванию (с добавкой или без добавки другой жидкости) и при подготовке может легче подаваться на другие этапы переработки.
Это связано с изменением или значительным разрушением клеточной структуры и при этом с выходом клеточной жидкости или ее отделением (седиментацией, предварительным обезвоживанием) даже перед любым механическим обезвоживанием.
Но, прежде всего разрыхленные клеточные структуры очень существенно облегчают последующее механическое обезвоживание. Они облегчают не только весьма заметно отжим при более низких затратах сил в машине и позволяют гораздо более мощное механическое уменьшение влаги. Они даже делают возможным применение альтернативных, механических способов обезвоживания, которые не эффективны при только грубо измельченной биомассе, как-то, например, применение фильтр-прессов, ленточных прессов, декантаторов или центрифуг.
Если для обезвоживания применяется шнековый пресс или фильтр-пресс или центрифуга, то уменьшается остаточная влага, которая, например, у травы при механическом обезвоживании после известных способов составляет 64-70%, при тонко измельченной массе до 30-55% или даже до 30-45%.
Следует учесть, что тонкое измельчение вследствие разрушения клеточной структуры и соответствующего увеличения поверхности частичек биомассы делает возможным весьма эффективной последующую сушку биомассы.
Благодаря тонкому измельчению из биомассы механически или уже на пути предварительного обезвоживания удаляется в совокупности больше воды. Благодаря этому уменьшаются опасные с точки зрения сжигания вещества, содержащиеся в биомассе, которые при меньшем (предварительном обезвоживании) и механическом обезвоживании, соответственно более сильной термической сушке оставались бы в ней в увеличенном размере. Это ведет к уменьшенной коррозии отопительного котла, повышению теплоты сгорания, уменьшению содержания золы и повышению точки плавления золы, т.е. в целом к щадящему режиму отопительных установок, работающих на полученном топливе. Благодаря этому уменьшению содержащихся веществ, приносящих вред (бризантных) в части сжигания, обработанная биомасса может использоваться в различных отопительных котлах, которые традиционно были рассчитаны не для подобной стебельчатому материалу биомассы.
Однако прежде всего значительно улучшается энергетический и стоимостной балансы способа получения, так как вследствие высокого механического обезвоживания затраты энергии для термической сушки, которая сама по себе очень энергоемка, существенно понижаются. Механическое обезвоживание требует 5-15% энергии, которая потребна для термической сушки, чтобы испарить подобное количество воды.
Преимущественно для поддержания, в частности, процесса предварительного обезвоживания, т.е. перед собственным механическим обезвоживанием, применяется химическое средство для обезвоживания, поддерживающее процесс обезвоживания, т.е. к биомассе добавляются присадки.
В альтернативном варианте выполнения предложенный согласно изобретению способ получения топлива из прессованной в форме биомассы с влажной биомассой в качестве исходного материала характеризуется тем, что биомасса перед или после первого процесса измельчения подвергается процессу мойки. При этом способные осаждаться материалы (камни, металл и т.д.) могут осаждаться. Всплывающие посторонние вещества, как, например, пластик могут вручную или автоматически собираться с поверхности моечной воды. Моечная вода может циркулировать в кругообороте.
При этом здесь не должно быть какого-либо тонкого измельчения. Мойка, как таковая, проявляет свое позитивное действие на способ получения и на конечный продукт также тогда, когда применяется обычная степень измельчения.
Первоначально благодаря промыванию биомассы, связанному с мойкой, подобно как с помощью механического обезвоживания, уменьшается содержание веществ, оказывающих отрицательное действие на технику сжигания. То есть мойка улучшает условия сжигания и поведение золы, в частности, снижает восприимчивость к коррозии и точку плавления золы благодаря тому, что устраняется вредное воздействие в установке для сжигания.
Следует учесть, что при мойке из биомассы одновременно удаляются крупные загрязнения такие, как камни, песок, металлы, но и вещества, создающие нагрузку на окружающую среду, как-то копоть от выхлопных газов и остатки от истирания шин на траве, скошенной у дорог, благодаря чему в щадящем режиме работают приспособления для измельчения и прессования, так как отпадает повышенный износ (вплоть до неосуществимости способа), который несут с собой такие содержащиеся в биомассе вещества. Это в любом случае улучшает стоимостной баланс предложенного согласно изобретению способа, но приносит с собой и ограничение сравнения биомассы, которое опять же благоприятно сказывается в плане техники сжигания, т.е. означает повышение качества продукта. Мойка биомассы позволяет только подготовку биомассы в качестве топлива независимо от приемного устройства (например, всасывающий вентилятор или решетка) и от вида биомассы (например, биомасса из сельского хозяйства или зеленая полоса вдоль дороги). То есть мероприятие дает также экономическое преимущество. Наряду с этим получается экономическая выгода, так как предотвращается сжигание вредных веществ.
Наконец, мойка делает возможным особо эффективное управление температурой переработки, примерно таким образом, что может поддерживаться такая температура моечной воды, что благодаря этому разрушаются клеточные структуры (бланширование/проваривание), вследствие чего опять же облегчается дальнейшая переработка, в частности отделение воды внутри биомассы (связанная вода в биомассе).
В другом предпочтительном варианте осуществления способа этапы способа мойка и измельчение могут комбинироваться друг с другом в форме тонкого измельчения. Их позитивное воздействие на протекание способа в этом случае усиливается. Правда, мойка в этом случае имеет место перед тонким измельчением.
Биомасса перед механическим обезвоживанием может предварительно обезвоживаться. Это рекомендуется, в частности, если она моется, так как моечная вода простым способом снова отводится и механическое приспособление для обезвоживания в части мощности разгружается. Предварительное обезвоживание, которое может осуществляться, с помощью фильтр-пресса, гидравлического пресса, шнекового пресса, вибропресса или ленточного пресса, центрифуги или декантатора, приобретает свой особенный смысл также благодаря предлагаемым этапам способа для разложения клеточных структур, как, в частности тонкое измельчение. Они делают возможным отвод значительной доли воды без значительных затрат сил и разгружают собственный механический процесс обезвоживания. Это в итоге ведет к снижению износа и экономии энергии и таким образом к улучшению энергетического и стоимостного балансов.
При этом может быть полезным нагреть биомассу перед тонким измельчением или механическим процессом обезвоживания (проваривание, бланширование).
Нагрев может осуществляться перед измельчением или после измельчения, где-то уже при мойке с помощью нагретой моечной воды. Здесь предпочтительными являются температуры до 100°.
В качестве альтернативы нагрев может осуществляться также во время измельчения и/или перед предварительным обезвоживанием, или во время него. Теплота для нагрева, или часть ее, может браться на пути возврата энергии из процесса.
Также нагрев ведет именно к лучшему разложению клеточных структур биомассы и таким образом к облегченному выходу воды, которая может отделяться в некоторой степени уже в рамках предварительного обезвоживания значительно без прессования или благодаря последующему прессованию, где-то в рамках механического обезвоживания, во всяком случае с небольшими затратами сил и энергии.
Благодаря нагреву одновременно уменьшается расход энергии для термической сушки, которая является особенно энергоемкой. Таким образом, энергетический баланс улучшается еще больше.
Так в зависимости от техники обезвоживания может варьироваться биогенная составляющая в отжатой воде. Нагревание благодаря улучшенному разложению клеток может вести к увеличению биогенной составляющей в отжатой воде и таким образом повышать ее величину. Этот эффект усиливается благодаря тонкому измельчению, которое со своей стороны может вести к повышенному выходу биогенной составляющей в отжатой воде.
Это действительно для случая, когда отжатая вода выделяется в качестве удобрения или для этого подвергается дальнейшей переработке, так и для случая, когда она используется для производства газа. Как качество удобрения, так и выход газа, повышаются благодаря повышению биогенной составляющей в отжатой воде.
Значение воды, выделенной при механическом обезвоживании, для упомянутых выше целей (в качестве удобрения или исходного вещества для его изготовления или для сбраживания для получения газа) может повышаться еще больше благодаря тому, что она применяется в качестве моечной воды, т.е. многократно обогащается биогенным материалом.
Так как биомасса после измельчения, предварительного обезвоживания и механического обезвоживания для уменьшения влаги смотря по обстоятельствам так уплотнена, что ее в этом состоянии сложно было бы сушить далее, в большинстве случаев ее рекомендуется перед термической сушкой следом за механическим процессом обезвоживания подвергать второму процессу измельчения (процесс разрыхления), благодаря которому масса, уплотненная при механическом обезвоживании, снова разрыхляется, но при известных условиях также может дальше измельчаться.
В частности, речь идет при этом о:
1. Приспособлении или применении приспособления для получения топлива из прессованной биомассы для осуществления способа по одному из пунктов 1 и 3-8 формулы изобретения, состоящим из устройства для прессования биомассы, установленного впереди него устройства для сушки биомассы, установленного впереди него устройства для механического обезвоживания биомассы для уменьшения содержания влаги в ней и установленного впереди него первого устройства для измельчения биомассы, которое способствует тонкому измельчению.
2. Приспособлении или применении приспособления или применении приспособления для получения топлива из прессованной в форме биомассы для осуществления способа по одному из пунктов 2-8 формулы изобретения, состоящим из устройства для прессования в форме биомассы, установленного впереди него устройства для сушки биомассы, установленного впереди него устройства для механического обезвоживания биомассы для уменьшения содержания влаги в ней, установленного впереди него первого устройства для измельчения и последнего установленного впереди или позади устройства для мойки биомассы.
3. Приспособлении или применении приспособления как ранее описано в пункте 2, при котором первое устройство для измельчения биомассы способствует тонкому измельчению, и при котором устройство для мойки биомассы установлено впереди устройства для измельчения, для осуществления способа по одному из пунктов 3-8 формулы изобретения.
4. Приспособлении или применении приспособления, как описано ранее в пунктах 1-3, у которого устройство для предварительного обезвоживания биомассы установлено впереди устройства для механического обезвоживания, для осуществления способа по одному из пунктов 1-8 формулы изобретения.
5. Приспособлении или применении приспособления, как описано ранее в пунктах 1-4, которое включает второе устройство для измельчения (разрыхления) биомассы, установленное впереди устройства для сушки и позади устройства для механического обезвоживания.
Изобретение ниже более подробно поясняется с помощью единственного чертежа, на котором представлено устройство 1 для прессования в форме для получения пресс-изделий топлива, которое установлено впереди устройства 2 для термической сушки подлежащей прессованию биомассы.
В устройстве 2 для сушки установлен прибор 12 для измерения влажности для соответствующей регулировки желаемой степени сушки подлежащей прессованию биомассы и температурный датчик 14 для оптимального управления процессом сушки. Кроме того, устройство 2 для сушки располагает трубопроводом 11 для отвода получающейся влаги и отводящий газопровод 15 для отвода газов, образующихся при сушке.
Впереди устройства 2 для сушки установлено устройство 3 для механического удаления влаги (прессование и т.п.), с помощью которого из влажной биомассы с помощью прессования, центрифугирования и т.п. механически удаляется по возможности больше влаги, чтобы сделать более экономичным очень энергоемкий процесс термической сушки.
Устройство 3 для удаления влаги располагает, как и устройство 2 для сушки, трубопроводом 8 для отвода жидкости, с помощью которого отводится отходящая вода, получающаяся при механическом обезвоживании, и при необходимости может подводиться для другого применения. В качестве упомянутого другого применения речь может идти о применении в качестве сельскохозяйственного удобрения или также дальнейшей переработки для этого или для ферментации при получении газа.
Так как механическое удаление влажности из биомассы обычно ведет к ее уплотнению, которое могло бы осложнить дальнейшую переработку, в частности последующую термическую сушку, сразу же за механическим устройством 3 для удаления влаги и перед термическим устройством 2 для сушки может быть предусмотрено (второе) устройство 9 для измельчения в качестве приспособления для разрыхления биомассы.
Во всяком случае, биомасса, чтобы сделать более легкими ее механическое обезвоживание и термическую сушку, а также дальнейшую переработку и получить по возможности гомогенную структуру биомассы, перед механическим обезвоживанием измельчается в (первом) устройстве 4 для измельчения. Это измельчение, согласно изобретению, должно быть тонким измельчением.
Биомасса к первому устройству 4 для измельчения подводится от сборного устройства 10, в котором биомасса находится для ее переработки. Сборное устройство одновременно может быть выполнено в виде устройства для смешивания различной биомассы, или такое устройство 16 для смешивания может быть предусмотрено отдельно.
Между сборным устройством 10 и механическим устройством 3 для удаления влаги может быть предусмотрен ряд других устройств. Они могут быть, как обозначено стрелкой к позициям 5, 6, 7, 13, 16 на чертеже, установлены по выбору впереди или сзади первого устройства 4 для измельчения.
Так сзади или также перед первым устройством 4 для измельчения может быть предусмотрено устройство 13 для отделения загрязнений, в частности, песка и камней. При этом в большинстве случаев рекомендуется устанавливать его впереди устройства 4 для измельчения, так как таким образом оберегаются его инструменты для измельчения.
В другом варианте выполнения изобретения может быть предусмотрено моечное устройство 5 для мойки биомассы. Оно может быть, как показано стрелкой на чертеже, установлено впереди устройства 4 для измельчения или может быть установлено позади него. При этом мойка может применяться даже в качестве альтернативы тонкому измельчению. В этом случае оно предпочтительно применяется после первого измельчения, причем в этом случае можно отказаться от тонкого измельчения. Если напротив тонкое измельчение применяется, то мойка имеет место предпочтительно перед тонким измельчением и установка имеет соответствующую конструкцию. При процессе мойки в этом случае одновременно осуществляется отделение песка и камней и других крупных загрязнений.
Впереди механического устройства 3 для удаления влаги может быть установлено устройство 6 для предварительного обезвоживания. Это служит для разгрузки последующего устройства 3 для удаления влаги за счет удаления доли влаги, которая может отделяться без дополнительных механических мероприятий, как-то прессования. Устройство 6 для предварительного обезвоживания может быть установлено впереди первого устройства 4 для измельчения, если речь идет о предварительном обезвоживании с самого начала очень сырой биомассы. Но оно также может быть предусмотрено после измельчения в первом устройстве 4 для измельчения или в обоих местах, прежде всего, если первое измельчение является тонким измельчением, при котором биомасса может иметь кашеобразную, где-то совсем текучую консистенцию, которая делает возможным предварительное обезвоживание без дополнительного механического вмешательства и является рациональным.
Чтобы поддержать эти процессы биомасса может нагреваться перед механическим обезвоживанием, для чего перед устройством 3 для удаления влаги может быть предусмотрено устройство 7 для нагрева.
Наконец, механическому обезвоживанию может предшествовать ферментация в устройстве 17 ферментации.