СПОСОБ ТОРРЕФИКАЦИИ БИОМАССЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ СТАДИЮ ОХЛАЖДЕНИЯ РЕАКЦИИ ТОРРЕФИКАЦИИ
METHOD OF BIOMASS TORREFICATION INCLUDING COOLING STEP OF TORREFICATION REACTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области торрефикации биомассы. В частности, изобретение относится к способу и системе для эффективного охлаждения обожженного материала, что также повышает выход энергии и гидрофобность обожженного продукта и уменьшает закупоривание охлаждающего устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для того чтобы быть в состоянии конкурировать и заменить энергоносители в виде ископаемого топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, лигноцеллюлозную биомассу следует подвергнуть некоторой предварительной обработке, чтобы преодолеть присущие ей недостатки. Было обнаружено, что торрефикация как способ предварительной обработки улучшает топливные качества биомассы, такие как плотность энергии, содержание влаги, а также свойства, относящиеся к измельчению и выдаче, а также гидрофобность [1-4]. Эти улучшения сделали торрефикацию ключевым процессом для расширения рынка сырьевых материалов в форме биомассы. Торрефикация - это способ предварительной термической обработки, которая осуществляется в по существу инертной (бескислородной) атмосфере при температуре приблизительно 220-600°C. Во время этого процесса из исходного сырья биомассы в дополнение к обожженной биомассе образуется горючий газ, включающий в себя разные органические соединения.
Можно считать, что процесс производства обожженного материала из лигноцеллюлозной биомассы включает четыре этапа:
1) этап сушки, на котором удаляется избыточная влага, оставшаяся в биомассе;
2) этап нагревания, на котором высвобождается физически остаточная влага и температура материала повышается до желаемой температуры торрефикации;
3) этап торрефикации, на котором материал является фактически обожженным и который начинается, когда температура материала достигает приблизительно 220-230°С. На этом этапе биомасса частично расщепляется и выделяет разные типы летучих компонентов, таких как гидроокись ацетона, метанол, пропионовый альдегид, короткие карбоновые кислоты и другие углеводороды. В частности, этап торрефикации характеризуется расщеплением гемицеллюлозы при температурах от 220-230°С, а при более высоких температурах торрефикации целлюлоза и лигнин также начинают расщепляться и выделять летучие компоненты; целлюлоза расщепляется при температуре 305-375°С, а лигнин постепенно расщепляется по всему диапазону температур 250-500°С;
4) этап охлаждения для того, чтобы завершить процесс и облегчить обработку. Процесс торрефикации завершается, как только материал остывает ниже 220-230°С.
СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Требования к качеству и свойствам обожженных продуктов значительно различается в зависимости от предполагаемого использования продукта. Авторы изобретения убедились, что возможность точно контролировать температуру торрефикации является решающей для того, чтобы получать обожженный продукт с желаемыми характеристиками. Настоящее изобретение основано на понимании, что экзотермические температурно-повышающие реакции возникают в течение процесса торрефикации и что количество выработанной энергии значительно различается между типами лигноцеллюлозных материалов. Например, авторы изобретения обнаружили, что торрефикация древесной биомассы из эвкалипта вырабатывает значительно больше энергии посредством экзотермической реакции, чем торрефикация древесной биомассы из ели. Таким образом, экзотермические реакции в процессе торрефикации делают трудным поддерживать постоянную температуру торрефикации и получать обожженный продукт требуемого и воспроизводимого качества. В результате, авторы изобретения осознали необходимость улучшенных способов торрефикации, которые учитывают точный контроль температуры торрефикации и которые облегчают тщательный контроль качества и свойств обжигаемого материала.
Авторы изобретения решили проблему, описанную выше, способом торрефикации осушенной и нагретой биомассы, включающим в себя этап охлаждения реакции торрефикации так, чтобы по меньшей мере частично нейтрализовать повышение температуры, полученное из экзотермической реакции торрефикации. Еще один аспект изобретения имеет отношение к агрегату для торрефикации, включающему в себя по меньшей мере одну зону торрефикации, где зона торрефикации включает в себя средства для охлаждения и дополнительно также средства для нагревания, и где средства для охлаждения присоединены к источнику охлаждения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает устройство торрефикации, включающее в себя зону торрефикации, где зона торрефикации включает в себя средства для охлаждения.
Фиг. 2 показывает типовое колебание температуры в агрегате для торрефикации, показанном на Фиг. 1. Следует отметить, что зона охлаждения не показана на Фиг. 1.
Фиг. 3 показывает типовое колебание температуры в агрегате для торрефикации, раскрытом на Фиг. 1. Следует отметить, что зона охлаждения не показана на Фиг. 1.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТОРРЕФИКАЦИЯ:
Способ термической предварительной обработки, которая протекает в практически инертной (бескислородной) атмосфере при температуре свыше 220°С, но ниже 600°С, с помощью которого производят обожженную биомассу и горючие газы. На этапе торрефикации части биомассы, в особенности гемицеллюлоза, разлагаются и выделяют разные типы органических летучих компонентов. В процессе торрефикации, начинающемся с сырьевой биомассы, этапу фактической торрефикации предшествует этап сушки, в котором свободная вода, оставшаяся в биомассе, удаляется, а также этап нагревания, на котором биомасса нагревается до желаемой температуры торрефикации.
ЗОНА НАГРЕВАНИЯ:
Отдельная область в отсеке агрегата для торрефикации, расположенная перед зоной торрефикации по отношению к впуску в агрегате для торрефикации, содержащая средства для регулирования температуры в упомянутой отельной области и в которой температура биомассы повышается до температуры, близкой к желаемой температуре торрефикации, предшествующей торрефикации.
ЗОНА ТОРРЕФИКАЦИИ:
Отдельная область в отсеке агрегата для торрефикации, расположенная перед зоной нагревания по отношению к впуску биомассы в агрегате для торрефикации, содержащая средства для отдельного регулирования температуры в упомянутой отдельной области, и в которой температура предварительно нагретой биомассы поддерживается практически постоянной при желаемой температуре торрефикации для желаемого времени торрефикации, в котором желаемая температура торрефикации находится в диапазоне между от 220 до 600°С.
ЗОНА СУШКИ:
Отдельная область в отсеке агрегата для торрефикации, расположенная перед зоной нагревания по отношению к впуску биомассы в агрегате для торрефикации, содержащая средства для регулирования температуры в упомянутой отдельной области, в которой биомасса осушается до содержания влаги ниже 10% от предшествующей нагреванию.
ЗОНА ОХЛАЖДЕНИЯ:
Отдельная область в агрегате для торрефикации, расположенная после зоны торрефикации по отношению к впуску биомассы в агрегате для торрефикации, содержащая средства для регулирования температуры в упомянутой отдельной области, в которой биомасса остывает до температуры ниже 220°С, предпочтительно ниже 100°С.
СВЯЗУЮЩАЯ ЗОНА:
Отдельная область в агрегате для торрефикации, расположенная непосредственно перед зоной нагрева и непосредственно после зоны торрефикации по отношению к впуску биомассы в упомянутом агрегате для торрефикации.
ВРЕМЯ ТОРРЕФИКАЦИИ:
Время, когда температура материала поддерживается практически постоянной при температуре торрефикации.
ТРАНСПОРТИРОВОЧНЫЙ ШНЕК:
Любой тип винтообразного устройства для транспортировки материала, включающего прерывистые винтообразного устройства для транспортировки. Винтообразное устройство для транспортировки может быть закреплено на центральном валу или на внутреннем кожухе камеры, такой как барабан, окружающий шнек транспорта.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В первом аспекте, изобретение относится к способу торрефикации осушенной и нагретой биомассы, включающему в себя этап охлаждения реакции торрефикации с тем, чтобы по меньшей мере частично нейтрализовать повышение температуры, полученное из экзотермической реакции торрефикации. Предпочтительно, температура в зоне торрефикации контролируется с использованием средств для охлаждения, а также, факультативно, средств для нагрева. Средства для охлаждения могут легко подвергаться засорению, поскольку газы, которые выделяются из материала биомассы в зоне торрефикации, будут конденсироваться на упомянутых средствах охлаждения. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения средства для охлаждения и нагревания являются сменными. Таким образом, средства охлаждения/нагревания, которые засоряются во время охлаждения, можно очищать с помощью подогревания упомянутых средств для нагревания/охлаждения, что ведет к испарению упомянутых сконденсированных газов. В одном дополнительном варианте осуществления упомянутые средства для охлаждения и нагревания представлены посредством теплообменников.
В другом варианте осуществления биомассу нагревают в зоне нагревания, а впоследствии обжигают в зоне торрефикации, и предпочтительно время пребывания в зоне торрефикации контролируют отдельно от времени пребывания в зоне нагревания.
Охлаждение реакции торрефикации делает возможным точный контроль температуры торрефикации, что облегчает тщательный контроль качества и свойств обжигаемого материала. Вследствие этого, в заявленном варианте осуществления изобретения температура материала биомассы в течение этапа торрефикации будет поддерживаться практически постоянной такой, что максимальная температура и минимальная температура биомассы в зоне торрефикации отклоняется самое большее на 50°С, предпочтительно самое большее на 40°С, предпочтительно самое большее на 30°С, предпочтительно самое большее на 20°С, предпочтительно самое большее на 10°С, предпочтительно самое большее на 5°С и еще предпочтительней самое большее на 2°С. В другом варианте осуществления прежде, чем осушенный и нагретый материал достигает желаемой температуры торрефикации, может возникать дополнительное нагревание в зоне торрефикации. До этого краткосрочного дополнительного нагревания температура может быть более чем на 50°С ниже желаемой температуры торрефикации, например, на 60°С, или 65°С, или 70°С, или 75°С или, даже 80°С ниже желаемой температуры торрефикации.
В предпочтительном варианте осуществления время пребывания в зоне нагревания контролируют с помощью контроля числа оборотов транспортировочного шнека зоны нагревания, а в другом предпочтительном варианте осуществления время пребывания в зоне торрефикации контролируют с помощью контроля числа оборотов транспортировочного шнека зоны торрефикации.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, температура биомассы, поступающей в первую зону нагревания, находится между 90 и 130°С. Согласно другому варианту осуществления изобретения, температура биомассы, покидающей зону нагревания, отклоняется от температуры торрефикации на самое большее 80°С, например 75°С, например 70°С, например 60°С, например 65°С, например 60°С, например 55°С, предпочтительно самое большее 50°С, предпочтительно самое большее 40°С, предпочтительно самое большее 30°С, предпочтительно самое большее 20°С, предпочтительно самое большее 15°С, предпочтительно самое большее 10°С и еще предпочтительнее самое большее 5°С.
Предпочтительная температура торрефикации, в соответствии с настоящим изобретением, находится в диапазоне между от 220 до 600°С, например 220-500°С, например 220-450°С, например 220-400°С, например 230-600°С, например 230-500°С, например 230-450°С, например 230-400°С, предпочтительно 240-500°С, предпочтительно 240-400°С, предпочтительно 240-350°С, наиболее предпочтительно 270-350°С.
Предпочтительное время торрефикации в соответствии с настоящим изобретением, находится в диапазоне между 1 и 60 мин, предпочтительно между 1 и 30 мин, предпочтительно 2-25 мин и еще предпочтительнее 2-20 мин. Под временем торрефикации обычно понимается время пребывания осушенной и подогретой биомассы в зоне торрефикации. В соответствии с одним вариантом осуществления, охлаждение выполняется в течение второй половины времени торрефикации, то есть в нижней половине зоны торрефикации. Такой вариант осуществления может быть предпочтительным, так как тепло от экзотермических реакций может накапливаться в пределах реакции торрефикации, приводя к возросшей необходимости охлаждения в течение последнего этапа реакции торрефикации.
В другом варианте осуществления изобретения материал осушают в зоне осушения до того, как материал проникает в зону нагревания и предпочтительно содержание влаги в биомассе составляет менее 10%, предпочтительно менее 7%, предпочтительно менее 5%, предпочтительно менее 4%, предпочтительно менее 3%, предпочтительно менее 2%, еще более предпочтительно менее 1%, когда биомасса проникает в зону нагревания. В другом варианте осуществления обожженный материал охлаждается в зоне охлаждения после того, как материал был обожжен в зоне торрефикации. В соответствии с другим вариантом осуществления материал нагревается в зоне нагревания с использованием средств для нагревания в зоне нагревания, а температура в зоне торрефикации регулируется с использованием тепла, вырабатываемого из экзотермической энергии, вырабатываемой из биомассы в течение процесса торрефикации и охлаждения, обслуживаемого средствами для охлаждения в зоне торрефикации. В зону торрефикации может также подаваться внешнее нагревание для того, чтобы контролировать температуру торрефикации посредством средств для нагревания в зоне торрефикации. В соответствии с другим вариантом осуществления, в зоне торрефикации не применяется никакого внешнего нагревания. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, биомасса представлена лигноцеллюлозной биомассой.
Еще один аспект изобретения имеет отношение к агрегату для торрефикации, включающему в себя по меньшей мере одну зону торрефикации, где зона торрефикации включает в себя средства для охлаждения и факультативно также средства для нагревания, и в которой средства для охлаждения присоединены к источнику охлаждения. Упомянутым источником охлаждения может являться любой сосуд или устройство, вмещающее охлаждающий носитель или охлаждающее средство. Охлаждающий носитель может быть в жидкой или в газообразной фазе. В одном варианте осуществления охлаждающим носителем является жидкость, такая как вода или термомасло, в другом варианте осуществления охлаждающим носителем является газ или газовая смесь, такая как воздух или холодные отводящие газы. В одном варианте осуществления холодные отводящие газы отводятся из бойлера назад по отношению к агрегату для торрефикации. В другом варианте осуществления холодные отводящие газы отводятся из зоны осушения устройства торрефикации. В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства для охлаждения и нагревания являются взаимозаменяемыми, а предпочтительно упомянутые средства для нагревания и/или охлаждения представлены теплообменниками. В другом варианте осуществления агрегат для торрефикации дополнительно включает в себя по меньшей мере одну зону нагревания, в которой упомянутые зоны нагревания включают в себя устройства для транспортировки материала такие, чтобы время пребывания материала в зонах торрефикации можно было контролировать отдельно от времени пребывания в зоне(ах) нагревания. В предпочтительном варианте осуществления агрегат для торрефикации включает в себя по меньшей мере две камеры, в которых транспортировку материала в по меньшей мере одной из камер, можно контролировать отдельно от транспортировки материала в других камерах и в которой зона(ы) торрефикации размещены в другой камере, чем зона(ы) нагревания. По меньшей мере одну, предпочтительно, по меньшей мере две из камер можно представить посредством вращаемых барабанов, в которых шнеки можно закрепить так, чтобы материал в них транспортировался, когда барабан вращается. В другом варианте осуществления, время пребывания в зоне нагревания можно контролировать с помощью числа оборотов первого вращаемого барабана, а время пребывания в зоне(ах) торрефикации является независимым от числа оборотов упомянутого первого вращаемого барабана. Предпочтительно, время пребывания в зоне торрефикации контролируется с помощью числа оборотов второго поворотного барабана, при котором время пребывания в зоне(ах) нагревания является независимым от числа оборотов упомянутого второго вращаемого барабана. В одном дополнительном варианте осуществления по меньшей мере две камеры соединены с помощью соединяющей зоны. Транспортировка материала в упомянутой соединяющей зоне может осуществляться посредством силы тяжести или механическими параметрами, а также транспортировка материала в соединяющей зоне предпочтительно является независимой от транспортировки материала в зоне торрефикации. Предпочтительно, соединяющая зона включает в себя средства для измерения температуры поверхности материала для материала в соединяющей зоне, температуру газа, концентрацию кислорода, давление, газовый состав или параметры продукта. В другом варианте осуществления по меньшей мере одно устройство для транспортировки материала в агрегате для торрефикации представлено спиралеобразным шнеком или скребковым конвейером и при котором спиралеобразный шнек предпочтительно может быть представлен витком спиралеобразного шнека или витками спиралеобразного шнека, приваренными к центральной трубе или к спиралеобразному винтовому питателю. В другом варианте осуществления агрегат для торрефикации включает в себя по меньшей мере зону сушки. Упомянутая зона сушки предпочтительно расположена в иной камере, чем зона торрефикации и транспортировки материала в зоне сушки предпочтительно не зависит от транспортировки материала в зоне торрефикации. Устройство для транспортировки материала в зоне сушки может, например, быть представлено спиралеобразным шнеком или скребковым конвейером и в котором спиралеобразный шнек предпочтительно может быть представлен витком спиралеобразного шнека или витками спиралеобразного шнека, приваренными к центральной трубе или спиралеобразному винтовому питателю. В другом варианте осуществления устройство транспорта материала в зоне сушки и зоне нагревания представлено совместным шнеком транспортировки. В разных вариантах осуществления транспортировка материала в зоне сушки является отдельным от транспортировки материала в зоне нагревания. Агрегат для торрефикации может дополнительно включать в себя по меньшей мере одну зону охлаждения, а упомянутая зона охлаждения может предпочтительно включать в себя по меньшей мере один шнековый охладитель.
Следует отметить, что охлаждение зоны охлаждения отличается от охлаждения зоны торрефикации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 показывает устройство торрефикации, имеющее впуск (1) для биомассы, где биомассу помещают в агрегат для торрефикации посредством подающего шнека (2). Биомассу сушат в зоне (3) сушки, где тепло подается в зону (3) сушки посредством теплового носителя (например, горячие газы) через впуск (4) для теплового носителя зоны сушки, и где тепловой носитель покидает зону сушки через выпуск (5) для теплового носителя зоны сушки. Сухая биомасса транспортируется через зону (3) сушки со скоростью, регулируемой скоростью подачи во впуске (1) для биомассы и поступает в зону (6) нагревания, где температуру биомассы повышают до температуры, близкой к желаемой температуре торрефикации. Тепло подается в зону (6) нагревания посредством теплового носителя через впуск (7) для теплового носителя зоны нагревания, который покидает зону нагревания через выпуск (8) для теплового носителя зоны нагревания. Нагретый материал поступает в первую зону (9) торрефикации, в которой температуру можно контролировать с помощью введения теплового носителя и/или охлаждающего носителя во впуск (10) для теплового/охлаждающего носителя первой зоны торрефикации, где упомянутый тепловой/охлаждающий носитель покидает первую зону торрефикации через выпуск (11) для теплового/охлаждающего носителя зоны торрефикации. Впоследствии биомасса поступает во вторую зону (12) торрефикации, в которой температуру можно контролировать с использованием специальных средств охлаждения (18), где указанные средства охлаждения (18) подсоединены к источнику охлаждения. Носитель охлаждения может подаваться во вторую зону с помощью впуска (13) для охлаждающего носителя зоны торрефикации, и упомянутый охлаждающий носитель покидает зону торрефикации с помощью выпуска (14) для охлаждающего носителя зоны торрефикации. Впуск (13) для охлаждающего носителя подсоединен к источнику охлаждения. Транспортировка материала в зоне (6) нагревания и зонах (9, 12) торрефикации управляется посредством совместного транспортировочного шнека, который присоединен к барабану, охватывающему зону (6) нагревания и зоны (9, 12) торрефикации. Упомянутый барабан может быть присоединен к резьбе (15). Газы торрефикации из зоны (3) сушки, зоны (6) нагревания и зон (9, 12) торрефикации собираются от выпуска (16) для газов торрефикации для сгорания или переработки, и обожженная биомасса покидает агрегат для торрефикации через выпуск (17) для обожженной биомассы и предпочтительно впоследствии охлаждается до температуры ниже 100°С.
Фиг. 2 показывает характерные температуры биомассы в разных зонах в агрегате для торрефикации, показанном на Фиг. 1. Зона 1 представляет зону (3) сушки, зона 2 представляет зону (6) нагревания, зона 3 представляет первую зону (9) торрефикации, а зона 4 представляет вторую зону (12) торрефикации. В зоне (3) сушки биомасса осушается, как правило, до содержания влаги 2-10% (весовое соотношение), а температура повышается до почти 100°С. В зоне (6) нагревания материал стремительно осушается до почти 0% влажности (весовое соотношение), а температура материала повышается, чтобы приблизиться к желаемой температуре торрефикации, которая в этом примере составляет 350°С. В зонах торрефикации температура поддерживается практически постоянной при требуемой температуре торрефикации в течение периода времени, соответствующего требуемому времени торрефикации. Охлаждение реакции торрефикации в зонах торрефикации нейтрализует повышение температуры, проистекающее из экзотермических реакций торрефикации и, таким образом, способствует постоянной температуре в зонах торрефикации. На Фиг.1 вторая зона торрефикации имеет специальные средства для охлаждения реакции (18) торрефикации, но, кроме того, реакцию торрефикации можно охлаждать с использованием охлаждающего носителя, который вводят в зоны торрефикации через впуск (11, 13) для охлаждающего носителя зоны торрефикации. Впоследствии температура понижается ниже 100°С в зоне охлаждения.
Фиг. 3 показывает характерные интервалы времени и показатели температуры биомассы в разных зонах в агрегате для торрефикации, раскрытом на Фиг. 1. В настоящем примере температура торрефикации составляет 350°С, а время торрефикации составляет 20 мин.
ССЫЛКИ
[1] M. J. Prins et al. More efficient biomass gasification via torrefaction. Energy 2006, 31, (15), 3458-3470.
[2] P. C. A. Bergman et al. Torrefaction for Entrained Flow Gasification of Biomass; Report C-05-067;
Energy Research Centre of The Netherlands (ECN):
Petten, The Netherlands, July 2005.
[3] K. Hakansson et al. Torrefaction and gasification of hydrolysis residue/ 16th European biomass conference and exhibition, Valencia, Spain. ETAFIorence, 2008.
[4] A. Nordin, L. Pommer, I. Olofsson, K. Hakansson, M. Nordwaeger, S. Wiklund Lindstrom, M. Brostrom, T. Lestander, H. Orberg, G. Kalen, Swedish Torrefaction R&D program. First Annual Report 2009-12-18 (2009).