Способ и система для торрефикации биомассы с низким потреблением энергии
METHOD AND SYSTEM FOR LOW-ENERGY BIOMASS TORREFACTION

Область техники
Настоящее изобретение относится к области торрефикации биомассы. В частности, оно относится к способу и системе для торрефикации биомассы с низким потреблением энергии.
Уровень техники
Чтобы конкурировать с таким несущим энергию ископаемым топливом, как уголь, нефть и природный газ, лигноцеллюлозные биомассы должны иметь преимущество от формы способа предварительной обработки для преодоления присущих им недостатков. Способ предварительной обработки торрефикацией показал улучшение качественных характеристик топлива, получаемого из биомассы, таких как теплотворная способность, плотность энергии, влажность, характеристики измельчения, характеристики подачи и гидрофобности [1-4]. Эти улучшения определяют торрефикацию как ключевой способ, способствуя расширению рынка для биомассы в качестве сырьевого материала. Торрефикация является способом предварительной термической обработки, который обычно проводят по существу в инертной (не содержащей кислород) атмосфере при температуре приблизительно 220-600°С. В ходе способа высвобождается горючий газ, включающий различные органические соединения, выделяющиеся из сырьевой биомассы, помимо торрефицированной биомассы.
Можно сказать, что способ получения торрефицированного материала из лигноцеллюлозной биомассы включает четыре стадии:
1) стадию сушки, на которой удаляют свободную воду, оставшуюся в биомассе;
2) стадию нагрева, на которой высвобождают физически связанную воду и повышают температуру до необходимой температуры торрефикации;
3) стадию торрефикации, на которой материал фактически подвергают торрефикации и которая начинается, когда температура материала достигает приблизительно 220°C-230°C. На данной стадии биомасса частично разлагается, и высвобождаются различные летучие вещества, такие как гидроксиацетон, метанол, пропаналь, короткоцепочечные карбоновые кислоты и другие углеводороды. В частности, стадия торрефикации характеризуется разложением гемицеллюлозы при температурах от 220°С до 230°С, и при более высоких температурах торрефикации также начинается разложение целлюлозы и лигнина и высвобождение летучих веществ; целлюлоза разлагается при температуре 305-375°С, а лигнин постепенно разлагается в температурном диапазоне 250-500°С;
4) стадию охлаждения для окончания процесса и облегчения обращения с материалом. Процесс торрефикации заканчивается, когда материал охлаждается до температуры ниже 220°С-230°С.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлены потоки и температуры торрефикации при использовании настоящего изобретения.
На Фиг. 2 представлен пример системы для торрефикации биомассы и сжигания образующихся газов торрефикации в соответствии с настоящим изобретением.
Краткое описание настоящего изобретения
Нагрев с низким энергопотреблением реактора торрефикации является важным фактором для затрат при производстве торрефицированной биомассы. Хорошо известно в техники, что газ торрефикации, высвобождаемый из сырьевой биомассы в процессе торрефикации, можно сжигать, и что тепло, выделяющееся при горении, можно использовать для нагрева реактора торрефикации. Было обнаружено, что особенно энергосберегающий способ нагрева реактора торрефикации включает частичное или полное сжигание газов торрефикации, так что получают горячие отходящие газы (от частично или полностью сгоревших газов торрефикации), и нагрев реактора торрефикации непосредственным введением горячих отходящих газов в реактор так, что биомасса вступает в непосредственный контакт с горячими отходящими газами. Также было обнаружено, что существует несколько проблем при использовании горячих отходящих газов для непосредственного нагрева биомассы внутри реактора торрефикации. Например, важно обеспечить возможность регулирования количества кислорода в отходящем газе, чтобы оно был не очень высоким, так как это может привести к взрывам газа и/или пыли внутри трубопровода и емкостей. Также важно обеспечить регулирование температуры и потока отходящих газов и концентрации несгоревших газов торрефикации, повторно вводимых совместно с отходящими газами. Кроме того, использование, например, вентиляторов для циркуляции отходящих газов при высоких температурах, таких как более 850°С, является сложной задачей. Такие вентиляторы, как правило, необходимо охлаждать и такое охлаждение может привести к осаждению соединений, присутствующих в несгоревшем газе торрефикации, на холодных поверхностях в вентиляторе.
Были обнаружены способ и система, которые позволяют эффективно преодолеть указанные проблемы.
Таким образом, первый аспект настоящего изобретения относится к способу торрефикации биомассы и сжиганию образующихся газов торрефикации, включающему следующие стадии:
a) торрефикацию возможно предварительно высушенной биомассы в реакторе торрефикации с получением торрефицированной биомассы и газов торрефикации,
b) отведение газов торрефикации из реактора торрефикации посредством пониженного давления, создаваемого первичным потоком воздуха, протекающим через эжекторную горелку и в первую зону горения,
c) пропускание вторичного потока воздуха в первую зону горения для по меньшей мере частичного сжигания отведенных газов торрефикации с получением горячих отходящих газов,
d) разделение горячих отходящих газов, полученных на стадии (с), на первый поток горячих отходящих газов и второй поток горячих отходящих газов посредством отведения первого потока горячих отходящих газов из первой зоны горения в блок смешивания газов,
e) отведение второго потока горячих газов во вторую зону горения,
f) пропускание третичного потока воздуха, при стехиометрическом или сверхстехиометрическом содержании кислорода, во вторую зону горения для дополнительного сжигания второго потока горячих отходящих газов с получением потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов,
g) отведение потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов в теплоутилизатор, в котором снижают температуру потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов, полученных на стадии (f) с получением потока холодных отходящих газов,
h) отведение части холодных отходящих газов, полученных на стадии (g), в блок смешивания газов так, что поток холодных отходящих газов смешивается с первым потоком горячих отходящих газов с получением потока частично охлажденных отходящих газов,
i) отведение потока частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h) в реактор торрефикации так, что возможно предварительно высушенная биомасса вступает в прямой контакт с указанным потоком частично охлажденных отходящих газов, так что возможно предварительно высушенную биомассу нагревают непосредственно с помощью потока частично охлажденных отходящих газов.
Второй аспект изобретения относится к системе торрефикации биомассы и сжигания образующихся газов торрефикации, включающей
i) реактор торрефикации для торрефикации возможно предварительно высушенной биомассы, содержащий
- вход для биомассы и выход для биомассы, при этом обеспечена возможность транспортировки биомассы от входа для биомассы к выходу для биомассы в направлении перемещения биомассы в процессе торрефикации,
- по меньшей мере один выход для газов торрефикации, и
- по меньшей мере один вход для горячих отходящих газов, ведущий в реактор торрефикации, так что обеспечена возможность непосредственного контакта горячего отходящего газа, поступающего в указанный вход, с биомассой, находящейся в реакторе торрефикации
ii) эжекторную горелку, включающую
- вход для газов торрефикации
- вход для первичного воздуха, и
- выход для смеси воздух/газ торрефикации
где указанный вход для газа торрефикации эжекторной горелки соединен с выходом для газа торрефикации реактора торрефикации, так что обеспечена возможность отведения газа торрефикации из ректора торрефикации в эжекторную горелку и смешивания его с первичным воздухом в эжекторной горелке,
iii) первую зону горения, расположенную непосредственно ниже по потоку от выхода для смеси воздух/газ торрефикации эжекторной горелки, так что обеспечена возможность пропускания смеси воздух/газ торрефикации через эжекторную горелку в первую зону горения, и при этом первая зона горения включает
- первый выход для горячих отходящих газов и
- второй выход для горячих отходящих газов, и
- вход для вторичного воздуха,
iv) вторую зону горения, содержащую
- вход для горячих отходящих газов, соединенный со вторым выходом для горячих отходящих газов первой зоны горения
- вход для третичного воздуха, и
- выход для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов,
v) теплоутилизатор, содержащий вход, соединенный с выходом для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов второй зоны горения и выходом для холодных отходящих газов,
vi) блок смешивания газов для смешивания горячих отходящих газов, отводимых из выхода для горячих отходящих газов первой зоны горения с холодными отходящими газами, отводимыми из выхода для холодных отходящих газов теплоутилизатора, где указанный блок смешивания газов включает:
- вход для холодных отходящих газов, соединенный с выходом для холодных отходящих газов теплоутилизатора,
- вход для горячих отходящих газов, соединенный с первым выходом для горячих отходящих газов первой зоны горения,
- выход для горячих отходящих газов, соединенный по меньшей мере с одним входом для горячих отходящих газов реактора торрефикации.
Перечень ссылочных обозначений, используемых на чертежах:
1. Реактор торрефикации
2. Вход для биомассы
3. Выход для биомассы
4. Выход для газов торрефикации
5а. Вход для частично охлажденных отходящих газов
5b. Вход для частично охлажденных отходящих газов
5с. Вход для частично охлажденных отходящих газов
6. Эжекторная горелка
7. Вход для газов торрефикации
8. Вход для первичного воздуха
9. Выход для смеси воздух/газ торрефикации
10. Первая зона горения
11. Камера сжигания
12. Первый выход для горячих отходящих газов
13. Второй выход для горячих отходящих газов
14. Вход для вторичного воздуха
15. Вторая зона горения
16. Вход для горячих отходящих газов
17. Вход для третичного воздуха
18. Выход для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов
19. Бойлер (теплоутилизатор)
20. Вход бойлера
21. Выход для холодных отходящих газов
22. Эжектор газа (блок смешивания)
23. Вентилятор
24. Вход для холодных отходящих газов
25. Вход для горячих отходящих газов эжектора газа
26. Выход для частично охлажденных отходящих газов эжектора газа
27. Средства подачи кислорода
28. Воздухоподогреватель
29. Отходящие газы в вытяжную трубу
30. Сушилка для биомассы
31. Воздушный вентилятор
32. Биомасса в сушилку
33. Биомасса из сушилки
34. Теплопередающая среда в бойлер
35. Теплопередающая среда из бойлера
36. Теплопередающая среда в сушилку для биомассы
37. Теплопередающая среда из сушилки для биомассы
38. Подогреватель воздух-воздух
39. Вентилятор воздух-воздух
40. Вход для пропана
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и системе для торрефикации биомассы и сжигания образующихся газов торрефикации. В соответствии с настоящим изобретением, газы торрефикации, высвобождаемые из биомассы в ходе реакции торрефикации, отводят из реактора торрефикации посредством пониженного давления, создаваемого первичным потоком воздуха, проходящим через эжекторную горелку и в первую зону горения. Вторичный поток воздуха вводят в первую зону горения для сжигания газов торрефикации в условиях субстехиометрического количества кислорода, посредством чего получают горячие отходящие газы. Часть горячих отходящих газов затем направляют в блок смешивания, такой как эжектор газа, где его смешивают с холодными отходящими газами для частичного охлаждения горячих отходящих газов из первой зоны горения перед тем, как направить их в реактор торрефикации для прямого нагрева биомассы, находящейся в реакторе. Оставшийся горячий отходящий газ направляют во вторую зону горения для полного сжигания отходящих газов посредством введения третьего потока воздуха в условиях стехиометрического или сверхстехиометрического количества кислорода. Полностью сгоревшие отходящие газы, полученные во второй зоне горения, направляют в теплоутилизатор, такой как бойлер, в котором извлекают тепло, и температуру отходящих газов снижают до приблизительно 60-300°С. Часть такого холодного отходящего газа используют для охлаждения, пропускания и/или принудительной подачи горячих отходящих газов в реактор торрефикации посредством пропускания указанных холодных отходящих газов в блок смешивания, в котором его смешивают с горячими отходящими газами. Холодные отходящие газы могут быть, например, направлены в блок смешивания посредством вентилятора. Поскольку холодный отходящий газ полностью сгорел, т.е. практически не содержит несгоревшего газа торрефикации, изобретение позволяет решить проблему засорения вентилятора из-за конденсации газов торрефикации. Более того, нет необходимости в том, чтобы вентилятор работал при высоких температурах, что потребовалось бы при использовании горячего отходящего газа вместо холодного отходящего газа для продвижения потока газа в системе. Настоящее изобретение также имеет несколько других преимуществ. Например, температуру, расход кислорода и поток горячих отходящих газов, поступающих в реактор торрефикации, можно регулировать посредством регулирования потока воздуха в первую и/или вторую зону горения.
Таким образом, первый аспект настоящего изобретения относится к способу торрефикации биомассы и сжигания образующихся газов торрефикации, включающему следующие стадии:
a) торрефикацию возможно предварительно высушенной биомассы в реакторе торрефикации с получением торрефицированной биомассы и газов торрефикации,
b) отведение газов торрефикации из реактора торрефикации посредством пониженного давления, создаваемого первичным потоком воздуха, протекающим через эжекторную горелку и в первую зону горения,
c) пропускание вторичного потока воздуха в первую зону горения для по меньшей мере частичного сжигания отведенных газов торрефикации с получением горячих отходящих газов,
d) разделение горячих отходящих газов, полученных на стадии (с), на первый поток горячих отходящих газов и второй поток горячих отходящих газов посредством отведения первого потока горячих отходящих газов из первой зоны горения в блок смешивания газов,
e) отведение второго потока горячих газов во вторую зону горения,
f) пропускание третичного потока воздуха, при стехиометрическом или сверхстехиометрическом количестве кислорода, во вторую зону горения для дополнительного сжигания второго потока горячих отходящих газов с получением потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов,
g) отведение потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов в теплоутилизатор, в котором снижают температуру потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов, полученных на стадии (f) с получением потока холодных отходящих газов,
h) отведение части холодных отходящих газов, полученных на стадии (g), в блок смешивания газов, так что поток холодных отходящих газов смешивается с первым потоком горячих отходящих газов с получением потока частично охлажденных отходящих газов,
i) отведение потока частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), в реактор торрефикации, так что возможно предварительно высушенная биомасса вступает в прямой контакт с указанным потоком частично охлажденных отходящих газов, так что возможно предварительно высушенную биомассу нагревают непосредственно с помощью потока частично охлажденных отходящих газов.
Нагрев биомассы на стадии (i) способствует торрефикации биомассы, находящейся в реакторе торрефикации. Газ торрефикации, выделяемый в процессе торрефикации, затем отводят совместно с горячими отходящими газами и сжигают в зонах горения. Таким образом, преимуществом является то, что отходящие газы являются не слишком разбавленными. Поэтому может быть предпочтительно обеспечить возможность регулирования процесса так, что поток частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), не полностью подвергается сжиганию, но включает некоторое количество не несгоревшего газа торрефикации. Также предпочтительно обеспечить регулирование температуры и содержания кислорода в потоке частично охлажденных отходящих газов. Этого можно достичь в способе в соответствии с настоящим изобретением посредством регулирования температуры горячих отходящих газов, полученных на стадии (с), которого в свою очередь можно достичь посредством регулирования расхода вторичного потока воздуха в первой зоне горения и/или регулирования расхода третичного потока воздуха во второй зоне горения. Данный поток также можно регулировать в отношении того, до какой степени сжигают газы торрефикации. В большинстве случаев необходимо, чтобы газы торрефикации не полностью сгорали на стадии (с) для предотвращения излишнего разбавления горючей смеси газа торрефикации и отходящих газов в системе. В большинстве случаев также предпочтительно, когда частично охлажденный отходящий газ, поступающий в реактор торрефикации на стадии (i), имеет насколько возможно наиболее высокую температуру, поскольку это также предотвращает излишнее разбавление горючей смеси газа торрефикации и отходящих газов в системе. Слишком разбавленная смесь газа торрефикации и отходящих газов может быть трудно сжигаемой из-за отсутствия горючих продуктов. Известно, что газовые смеси с адиабатической температурой пламени менее 1500°С трудно сжечь полностью. Температуру частично охлажденного отходящего газа можно регулировать посредством регулирования расхода холодных отходящих газов, поступающих в блок смешивания газов. Также возможно регулировать количество кислорода, присутствующего в частично охлажденных отходящих газах, таким же путем. Это является преимуществом, поскольку горячие отходящие газы могут содержать слишком большое количество кислорода, которое может приводить к опасности взрыва в реакторе торрефикации. Содержание кислорода в частично охлажденных отходящих газах можно снизить посредством снижения расхода холодного отходящего газа, поступающего в блок смешивания газов. Тогда избыток кислорода, присутствующий в холодном отходящем газе, сгорает в блоке смешивания, когда он вступает в контакт с достаточным количеством не полностью сгоревших горячих отходящих газов, образованных на стадии (с).
Полное сжигание на стадии (с) также происходит, когда добавляют по меньшей мере стехиометрическое количество кислорода на стадии (с). Это повышает риск того, что концентрация кислорода в потоке частично охлажденных отходящих газов, вводимых в реактор торрефикации, будет высокой, что повышает опасность возникновения взрывов. Следовательно, в предпочтительном воплощении сжигание на стадии (с) осуществляют при субстехиометрическом количестве кислорода. В одном воплощении значение лямбда (коэффициента избытка кислорода) для горячих отходящих газов, полученных на стадии (с), составляет 0,5-0,8.
Было обнаружено, что предпочтительно обеспечить возможность добавления регулируемого количества дополнительного/вспомогательного топлива (в твердой, жидкой или газообразной форме) в первую зону горения, что облегчает регулирование значения лямбда для горячих отходящих газов, полученных на стадии (с), и также обеспечивает более эффективное регулирование температуры отходящих газов, полученных на стадии (с). Возможное добавление вспомогательного топлива также облегчает регулирование температуры в реакторе торрефикации. Дополнительное топливо также можно использовать в начале системы торрефикации для предварительного нагрева. В предпочтительном воплощении газообразное дополнительное топливо добавляют в поток газа торрефикации, полученный на стадии (b), перед подачей в эжекторную горелку.
В одном воплощении горячие отходящие газы, полученные на стадии (с), имеют температуру более 850°С, например, более 900°С, например, более 1000°С, например, 850°С-1320°С. В предпочтительном воплощении сжигание осуществляют на стадии (с). В одном воплощении холодные отходящие газы, полученные на стадии (g), имеют температуру 60-300°С. В одном воплощении поток частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), имеет температуру 600-1000°С. В одном воплощении газ торрефикации, присутствующий в горячих отходящих газах, полученных на стадии (с) полностью сжигают на стадии (f).
Было обнаружено, что более эффективный нагрев биомассы может быть достигнут, если первичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до температуры 250°С; вторичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до температуры 450°С, и третичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до температуры 400°С. Поэтому в одном воплощении первичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до 250°С перед стадией (b), предпочтительно до 350°С-550°С. В одном воплощении вторичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до 450°С, предпочтительно до 550°С-700°С перед стадией (с). В одном воплощении третичный поток воздуха предварительно нагревают по меньшей мере до 400°С, предпочтительно до 500°С-600°С перед стадией (f).
В одном предпочтительном воплощении первичный поток воздуха, вторичный поток воздуха и/или третичный поток воздуха предварительно нагревают в воздухонагревателе, расположенном ниже по потоку от второй зоны горения, но выше по потоку от теплоутилизатора, где воздух нагревают с использованием тепловой энергии потока подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов, полученных на стадии (f). В одном воплощении воздухонагреватель является нагревателем трубчатого типа. В одном воплощении воздухонагреватель включает трубки, и поток подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов, полученных на стадии (f), пропускают в трубки, а первичный поток воздуха, вторичный поток воздуха и/или третичный поток воздуха пропускают снаружи трубок так, что он предварительно нагревается потоком подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов.
В одном воплощении блок смешивания газов представляет собой эжектор газа. В одном воплощении холодные отходящие газы направляют в блок смешивания газов через вентилятор, расположенный между выходом для холодных отходящих газов теплоутилизатора и блоком смешивания газов. Таким образом, вентилятор вступает в контакт только с холодным отходящим газом, практически не содержащим газов торрефикации. Таким образом, избегают проблем, связанных с засорением вентиляторов из-за конденсации газов торрефикации, а также проблем, связанных с перегревом вентиляторов. В одном воплощении блок смешивания газов защищен от высоких температур газа керамической футеровкой с внутренней стороны. В одном воплощении блок смешивания газов и трубопровод ниже по потоку защищают от избыточных температур посредством непосредственного впрыска воды.
Часть холодных отходящих газов, которые не используют для продвижения потока горячих отходящих газов в реактор торрефикации, необходимо выпустить из системы. Например, этого достигают выпуском отходящих газов через вытяжную трубу. Таким образом, в одном воплощении холодные отходящие газы, полученные на стадии (g) отводят в вытяжную трубу.
Большинству процессов торрефикации предшествует стадия сушки, на которой снижают влагосодержание биомассы. Эта стадия является энергоемкой, и было обнаружено, что энергия, извлеченная в теплоутилизаторе, может быть использована в процессе сушки. Таким образом, в одном воплощении способ дополнительно включает стадию предварительной сушки биомассы в сушилке перед стадией (а), и тепловую энергию извлекают на стадии (d), и по меньшей мере часть указанной тепловой энергии используют для предварительной сушки биомассы в сушилке. В одном воплощении остаточную энергию по меньшей мере части холодных отходящих газов, полученных на стадии (g), используют для предварительной сушки биомассы.
В одном воплощении торрефицированную биомассу, полученную на стадии (а), охлаждают до температуры менее 200°С в охлаждающем устройстве.
Было обнаружено, что легче контролировать температуру торрефикации внутри реактора торрефикации, если поток частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), вводят в реактор торрефикации как в верхней по потоку относительно потока биомассы части реактора, так и в нижней по потоку части реактора, и если газы торрефикации отводят в точке между этими двумя позициями. Таким образом, в одном воплощении стадия (i) включает введение потока частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), в первой позиции, расположенной в верхней по потоку зоне реактора торрефикации, и во второй зоне, расположенной в нижней по потоку части реактора торрефикации, и газы торрефикации, отводимые на стадии (b), отводят в позиции между указанной первой позицией и указанной второй позицией. Например, указанная первая позиция может быть расположена в первой четверти реактора торрефикации, а вторая позиция может быть расположена в последней четверти реактора торрефикации. Газы торрефикации, например, отводят из позиции, соответствующей приблизительно второй трети реактора торрефикации.
В другом воплощении поток частично охлажденных отходящих газов, полученных на стадии (h), вводят в первую зону в нескольких позициях, расположенных в верхней по потоку зоне реактора торрефикации, и/или в нескольких позициях во второй зоне, расположенной в нижней по потоку части ректора торрефикации, и газы торрефикации, отводимые на стадии (b), отводят из позиции между указанными первой зоной и указанной второй зоной.
Авторами настоящего изобретения ранее было показано, что температуру в реакторе торрефикации можно регулировать посредством введения регулируемого количества кислорода в реактор торрефикации (см. WO 12158118) и предпочтительно следует добавлять кислородсодержащий газ так, чтобы он протекал во встречном потоке относительно перемещения биомассы в реакторе торрефикации. Таким образом, в одном воплощении добавляют регулируемое количество кислородсодержащего газа в частично охлажденные отходящие газы, полученные на стадии (h), с получением обогащенного кислородом частично охлажденного отходящего газа, и указанный обогащенный кислородом частично охлажденный отходящий газ затем вводят во вторую зону в одной или нескольких позициях. В одном воплощении частично охлажденные отходящие газы, полученные на стадии (h), без добавления кислородсодержащего газа, вводят в первой позиции или в первую зону. В одном воплощении кислородсодержащий газ представляет собой воздух.
В одном воплощении торрефикацию возможно предварительно высушенной биомассы в реакторе торрефикации на стадии (а) осуществляют при температуре 220-450°С, предпочтительно 230-400°С, предпочтительно 270-360°С, наиболее предпочтительно 300-360°С. В одном воплощении биомасса представляет собой лигноцеллюлозную биомассу. В одном воплощении лигноцеллюлозная биомасса представляет собой растительный материал, такой как сельскохозяйственные отходы или отходы лесного хозяйства. В одном воплощении растительный материал представляет собой древесину, например, древесину мягких пород или древесину твердых пород. В одном воплощении древесина представляет собой древесную щепу. В одном воплощении древесная щепа имеет поперечный размер от 1 до 10 см. В одном воплощении лигноцеллюлозная биомасса представляет собой торф или древесную кору. В одном воплощении биомассу выбирают из ели, эвкалипта, двукисточника тростниковидного, соломы, березы, сосны и/или ольхи.
Второй аспект изобретения относится к системе торрефикации биомассы и сжигания образующихся газов торрефикации, включающей
i) реактор торрефикации для торрефикации возможно предварительно высушенной биомассы, содержащий
- вход для биомассы и выход для биомассы, при этом обеспечена возможность транспортировки биомассы от входа для биомассы к выходу для биомассы в направлении перемещения биомассы в процессе торрефикации,
- по меньшей мере один выход для газов торрефикации, и
- по меньшей мере один вход для горячих отходящих газов, ведущий в реактор торрефикации, так что обеспечена возможность непосредственного контакта горячего отходящего газа, поступающего в указанный вход, с биомассой, находящейся в реакторе торрефикации;
ii) эжекторную горелку, включающую
- вход для газов торрефикации
- вход для первичного воздуха, и
- выход для смеси воздух/газ торрефикации,
где указанный вход для газа торрефикации эжекторной горелки соединен с выходом для газа торрефикации реактора торрефикации, так что обеспечена возможность отведения газа торрефикации из ректора торрефикации в эжекторную горелку и смешивания его с первичным воздухом в эжекторной горелке;
iii) первую зону горения, расположенную непосредственно ниже по потоку от выхода для смеси воздух/газ торрефикации эжекторной горелки, так что обеспечена возможность пропускания смеси воздух/газ торрефикации через эжекторную горелку в первую зону горения, и при этом первая зона горения включает
- первый выход для горячих отходящих газов и
- второй выход для горячих отходящих газов, и
- вход для вторичного воздуха;
iv) вторую зону горения, содержащую
- вход для горячих отходящих газов, соединенный со вторым выходом для горячих отходящих газов первой зоны горения,
- вход для третичного воздуха, и
- выход для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов;
v) теплоутилизатор, содержащий вход, соединенный с выходом для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов второй зоны горения и выходом для холодных отходящих газов;
vi) блок смешивания газов для смешивания горячих отходящих газов, отводимых из выхода для горячих отходящих газов первой зоны горения, с холодными отходящими газами, отводимыми из выхода для холодных отходящих газов теплоутилизатора, где указанный блок смешивания газов включает:
- вход для холодных отходящих газов, соединенный с выходом для холодных отходящих газов теплоутилизатора,
- вход для горячих отходящих газов, соединенный с первым выходом для горячих отходящих газов первой зоны горения,
- выход для частично охлажденных отходящих газов, соединенный по меньшей мере с одним входом для частично охлажденных отходящих газов реактора торрефикации.
Первая зона горения и вторая зона горения могут, например, представлять собой отдельные камеры сжигания. Однако также возможно, что обе зоны горения могут быть размещены в одной камере сжигания. В последнем случае камера сжигания может быть удлиненной, и две зоны горения могу быть разделены, например, посредством суженного участка. В одном воплощении первая зона горения представляет собой первую камеру сжигания, а вторая зона горения представляет собой вторую камеру сжигания. В другом воплощении обе зоны, первая зона горения и вторая зона горения, расположены в общей камере сжигания. В одном воплощении система также включает воздухоподогреватель для нагрева первичного, вторичного и/или третичного воздуха и указанный воздухоподогреватель расположен между второй зоной горения и теплоутилизатором так, что первичный, вторичный и/или третичный воздух нагревают с использованием тепла отходящих газов, проходящих от входа для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов второй зоны горения.
В одном воплощении блок смешивания газов представляет собой эжектор газа. В одном воплощении система дополнительно включает вентилятор, содержащий вход, соединенный с выходом для охлажденных отходящих газов теплоутилизатора, и выход, соединенный со входом для холодных отходящих газов блока смешивания. В одном воплощении реактор торрефикации включает по меньшей мере первый и второй вход для частично охлажденных отходящих газов, и первый вход для частично охлажденных отходящих газов расположен в верхней по потоку зоне реактора торрефикации, а второй вход для частично охлажденных отходящих газов расположен в нижней по потоку зоне реактора торрефикации. Например, указанный первый вход может быть расположен в первой четверти реактора торрефикации, а второй вход может быть расположен в последней четверти реактора торрефикации. Первую четверть реактора торрефикации следует рассматривать как четверть, ближайшую ко входу для биомассы реактора, а последняя четверть представляет собой четверть, ближайшую к выходу для биомассы реактора торрефикации. В одном воплощении по меньшей мере один выход для газов торрефикации реактора торрефикации расположен между первым и вторым входом для горячих отходящих газов. По меньшей мере один выход для газов торрефикации может быть, например, расположен в позиции, соответствующей приблизительно второй или третьей четверти реактора торрефикации. В одном воплощении система дополнительно включает средства подачи кислорода для регулируемой подачи кислородсодержащего газа в реактор торрефикации через второй вход для горячих отходящих газов.
В одном воплощении система дополнительно включает сушилку для предварительной сушки, содержащую
- средства нагрева,
- вход для исходной биомассы и
- выход для предварительно высушенной биомассы,
где выход для предварительно высушенной биомассы соединен со входом для биомассы реактора торрефикации
В одном воплощении теплоутилизатор включает теплообменник, который соединен со средствами нагрева сушилки для предварительной сушки, так что тепловую энергию, извлеченную в теплоутилизаторе, используют для нагрева биомассы в устройстве предварительной сушки. В одном воплощении теплоутилизатор представляет собой бойлер. В одном воплощении система дополнительно включает вытяжную трубу, соединенную с выходом для холодных отходящих газов теплоутилизатора, с обеспечением выпуска из системы холодных отходящих газов, которые не направляют в блок смешивания газов, через указанную вытяжную трубу. В одном воплощении реактор торрефикации включает винтовой шнек или скребковый конвейер для транспортировки возможно предварительно высушенной биомассы от входа для биомассы к выходу для биомассы. В одном воплощении винтовой шнек представляет собой скребки винтового шнека или витки винтового шнека, наваренные на центральный трубопровод или винтовой шнековый питатель. В одном воплощении система дополнительно включает охлаждающее устройство, содержащее вход для горячей торрефицированной биомассы и выход для охлажденной торрефицированной биомассы, где вход для горячей торрефицированной биомассы соединен с выходом для биомассы реактора торрефикации.
Воплощения первого, второго, третьего и четвертого аспектов соотносятся друг с другом с соответствующими поправками.
Подробное описание типичных воплощений
Пример 1
На Фиг. 1 показан ряд расходов и температур в ходе торрефикации с применением настоящего изобретения. На оси х показано время в секундах, на левой оси у показана температура в градусах Цельсия, а на правой оси у показан фактический расход в литрах в минуту. Кривая (1) показывает температуру в реакторе торрефикации, кривая (2) показывает поток отходящих газов, которые добавляют в реактор, деленный на коэффициент 10, кривая (30) показывает охлаждающий газ, который добавляют в блок смешивания. В данном воплощении в качестве охлаждающего газа использовали газообразный азот для имитации холодного отходящего газа. Кривая (4) показывает температуру отходящих газов, которые добавляют в реактор, деленную на коэффициент 2. На диаграмме на Фиг. 1 отчетливо видно, что температуру реактора торрефикации можно регулировать и стабилизировать посредством регулирования расхода и температуры отходящих газов, добавляемых в реактор. Это можно наблюдать в момент времени 22000 с при добавлении охлаждающего газа, повышении расхода горячего газа в реактор, что в свою очередь повышает температуру торрефикации. Колебания температуры отходящего газа в период времени от 25000 до 35000 с приводят к изменению соотношения между вторичным и третичным воздухом и времени стабилизации процесса.
Пример 2
На Фиг. 2 показан ректор торрефикации (1) для торрефикации предварительно высушенной биомассы. Сушилка для биомассы содержит вход (32) для биомассы и выход (33) для биомассы, биомассу перемещают через сушилку (30) для биомассы от входа (32) к выходу (33). Выход (33) для биомассы соединен со входом (2) для биомассы в реакторе (1) торрефикации. Указанный реактор (1) торрефикации содержит вход (2) для биомассы и выход (3) для биомассы. Биомассу можно транспортировать от входа (2) для биомассы к выходу (3) для биомассы в направлении перемещения биомассы в процессе торрефикации. Ректор торрефикации дополнительно включает выход (4) для газов торрефикации и три различных входа (5а, 5b, 5с) для частично охлажденных отходящих газов, направляемых в реактор (1) торрефикации так, что горячий отходящий газ, поступающий в указанные входы (5а, 5b, 5с) может вступать в прямой контакт с биомассой, находящийся в реакторе (1) торрефикации. Система также включает эжекторную горелку (6). Указанная эжекторная горелка (6) включает вход (7) для газов торрефикации, вход (8) для первичного воздуха, и выход (9) для смеси воздух/газ торрефикации. Вход (7) для газа торрефикации эжекторной горелки (6) соединен с выходом (4) для газа торрефикации реактора торрефикации, так что газ торрефикации можно отводить из реактора (1) торрефикации в эжекторную горелку (6) и смешивать с первичным воздухом в эжекторной горелке (6). Система дополнительно включает первую зону (10) горения, расположенную в камере (11) сжигания. Зона (10) горения расположена непосредственно ниже по потоку от выхода (9) для смеси воздух/газ торрефикации эжекторной горелки (6), так что смесь воздух/газ торрефикации может протекать через эжекторную горелку (6) в первую зону (10) горения. Первая зона (10) горения дополнительно включает первый выход (12) для горячих отходящих газов и второй выход (13) для горячих отходящих газов. Первая зона (10) горения также содержит вход (14) для вторичного воздуха, так что воздух можно направлять в первую зону (10) горения для сжигания газов торрефикации, присутствующих в первой зоне (10) горения. Часть отходящих газов, образованных при сжигании газа торрефикации в первой зоне (10) горения, отводят через первый выход (12) для горячих отходящих газов, а оставшиеся отходящие газы отводят через второй выход (13) для горячих отходящих газов. В одном воплощении второй выход (12) для горячих отходящих газов представляет собой суженный участок внутри камеры (11) сжигания, которое отделяет первую зону (10) горения от второй зоны (15) горения. Таким образом, суженный участок в камере сжигания также образует вход (16) для горячих отходящих газов второй зоны сжигания, так что горячие отходящие газы из первой зоны (10) горения пропускают во вторую зону (15) горения через суженный участок камеры (11) сжигания. Вторая зона (15) горения дополнительно включает вход (17) для третичного воздуха. В первой зоне (10) горения газ торрефикации сжигают при субстехиометрическом количестве кислорода, и таким образом, часть газа торрефикации сгорает не полностью. Во второй зоне (15) горения воздух вводят через вход (17) для третичного воздуха при стехиометрическом или сверхстехиометрическом количестве кислорода так, что газ торрефикации сгорает полностью. Отходящий газ, образованный на данной стадии, выходит из камеры (11) сжигания через выход (18) для отходящих газов, подвергнутых дополнительному сжиганию, присутствующих во второй зоне (15) горения камеры (11) сжигания. После чего этот горячий отходящий газ направляют в воздухоподогреватель (28), в котором отходящий газ охлаждается перед поступлением в бойлер (19) через вход (20), соединенный с воздухоподогревателем (28) и выходом (21) для холодных отходящих газов. Холодные отходящие газы направляют в эжектор (22) газа посредством вентилятора (23), расположенного между эжектором (22) газа и бойлером (20). Холодные отходящие газы направляют в эжектор (22) газа через вход (24) для холодных отходящих газов эжектора (22) газа, где их смешивают с горячими отходящими газами, отводимыми из первого выхода (12) для горячих отходящих газов первой зоны (10) горения. Указанные горячие отходящие газы подают в эжектор газа через вход (25) для горячих отходящих газов эжектора (22) газа. Смесь горячих и холодных отходящих газов имеет температуру приблизительно 600-1000°С. Эти газы выходят из эжектора (22) газа через выход (26) для частично охлажденных отходящих газов, и их вводят в реактор (1) торрефикации через входы (5а, 5b, 5с) для частично охлажденных отходящих газов. Система дополнительно включает средства (27) подачи кислорода для регулируемой подачи кислородсодержащего газа в реактор торрефикации через вход (5а) для частично охлажденных газов, расположенный в нижней по потоку части реактора (1) торрефикации. Система дополнительно включает воздухоподогреватель (28) для нагрева первичного, вторичного и третичного воздуха. Воздухоподогреватель (28) расположен между второй зоной (15) горения и бойлером (19), так что первичный, вторичный и/или третичный воздух можно нагревать с использованием тепла отходящих газов, поступающих из выхода (18) для подвергнутых дополнительному сжиганию отходящих газов второй зоны (15) горения. Холодный воздух поступает в воздухоподогреватель (28) из воздушного вентилятора (31). Воздушный вентилятор (31) содержит вход (39) для воздуха, и выход (38) воздушного вентилятора соединен с воздухоподогревателем (28). Холодный отходящий газ, который не используют для циркуляции частично охлажденных отходящих газов в системе, отводят из бойлера (20) в вытяжную трубу (29). В бойлере (19) отходящие газы передают тепло теплопередающей среде, которая выходит из бойлера (19) через выход (35) для теплопередающей среды, который соединен с сушилкой (30) для биомассы через вход (36) для теплопередающей среды. Теплопередающую среду охлаждают в сушилке (30) для биомассы перед ее выходом через выход (37) для теплопередающей среды, который соединен со входом (34) для теплопередающей среды в бойлере (19). Чтобы иметь возможность увеличить теплотворную способность горючих газов, которые поступают в эжекторную горелку (6) через вход (7) для газов торрефикации, можно добавлять пропан в трубопровод для газа торрефикации через вход (40) для пропана, расположенный между входом (7) для газов торрефикации и выходом (4) для газов торрефикации.
Ссылки
[1] М.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.  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. , M. Nordwaeger, S. Wiklund , M. , T. Lestander, H. , G. , Swedish Torrefaction R&D program. First Annual Report 2009-12-18 (2009).