СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ БИОУГЛЯ
BIOCHAR PRODUCTION METHOD AND DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к способам термической переработки различных видов биомассы с целью получения биоугля. Биоуголь широко используется в различных технологических процессах, в том числе в качестве высококалорийного топлива, адсорбента для очистки от загрязнений, сельскохозяйственных удобрений и т.д.
Биоуголь получают при пиролизе биомассы - нагревом в бескислородной среде до температур 400-1000°С. При пиролизе биомассы, в частности древесины, в интервале температур 250-300°С происходят реакции термического распада гемицеллюлозы, сопровождающиеся выделением тепла. В зависимости от вида перерабатываемой биомассы, за счет экзотермического разогрева может дополнительно выделяться до 1.5 МДж/кг тепловой энергии, что, в принципе, для различных видов биомассы может привести к увеличению температуры до 400-900°С.
Эффект экзотермического выделения тепла при пиролизе биомассы известен достаточно давно. В середине предыдущего столетия этот эффект активно использовался при получении древесного угля, так называемый, процесс углежжения. Древесина частично сжигалась для нагрева до температуры, при которой начинался процесс экзотермического выделения тепла. Затем доступ воздуха к перерабатываемой биомассе прекращался и завершение процесса углежжения происходило за счет экзотермических реакций [В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий «Технология пирогенетической переработки древесины», М. Гослесбумиздат, 1954, стр. 64].
Как показывает анализ литературных данных, а также результаты экспериментального исследования данного процесса, выполненного в Объединенном Институте высоких температур РАН, параметры экзотермической реакции в значительной степени могут быть различными для разных видов биомассы. В частности, древесина, ель, ольха, береза и т.д. имеют различные параметры экзотермического разогрева. При термической переработке сельскохозяйственных отходов повышение температуры за счет экзотермического выделения тепла различается для соломы различных сельскохозяйственных культур и т.д.
аиболее близким к заявляемому техническому решению является способ низкотемпературного пиролиза биомассы (торрефикации) реализованный в конструкции реактора торрефикации, описанной в патенте РФ RU 175131 U1, 09.12.2016. В известном способе нагрев перерабатываемой биомассы осуществляется в среде продуктов сгорания газопоршневого энергоблока. При этом программатором устанавливается коэффициент избытка воздуха топливной смеси, сжигаемой в газопоршневом энергоблоке, в интервале 0,95-1.0. При работе с данным коэффициентом избытка воздуха кислород в продуктах сгорания практически отсутствует, что исключает окисление перерабатываемого сырья в отходящих продуктах сгорания газопоршневого энергоблока, которые используются для нагрева торрефицируемой биомассы. В данном способе реализуется когенерационная схема. Первоначально природный газ сжигается в газопоршневом энергоблоке с получением электрической энергии, а затем на продуктах сгорания данного энергоблока осуществляется процесс торрефикации. Процесс низкотемпературного пиролиза, торрефикации, осуществляется частично за счет тепла продуктов сгорания, частично - за счет экзотермического тепла, выделяемого при нагреве биомассы. Температура процесса низкотемпературного пиролиза (торрефикации) 260-300°С. Поскольку в процессе экзотермического разогрева может выделяться тепло, которое превышает необходимое для торрефикации, схема предусматривает использование излишнего экзотермического тепла на нагрев свежих порций биомассы. Реализуемая в данном техническом решении когенерационная схема использования энергии сжигаемого топлива обеспечивает высокие экономические показатели процесса.
Существенным недостатком этого технического решения для получения биоугля является низкий температурный уровень процесса пиролиза биомассы.
При использовании эффекта экзотермического разогрева в процессе получения биоугля из биомассы необходимо обеспечить более высокий температурный уровень по отношению к процессу торрефикации. При получении биоугля тепло, выделяемое за счет экзотермических реакций, может быть недостаточным для прохождения реакции высокотемпературного пиролиза, при котором осуществляется получение биоугля. На практике это означает необходимость увеличения температуры по отношению к тому уровню, который обеспечивается за счет экзотермического выделения тепла. Это является недостатком известной схемы реализации процесса пиролиза в случае ее использования для получения биоугля.
Целью заявляемого способа является обеспечение требуемого температурного уровня процесса пиролиза для получения биоугля из различных видов биомассы путем регулирования температуры процесса. Поставленная цель достигается тем, что, в случае, если температурный уровень процесса является недостаточным для получения биоугля, при использовании для нагрева перерабатываемой биомассы продуктов сгорания газопоршневого энергоблока, то, по сигналу от датчика температуры, расположенного в реакционной зоне, программатором, управляющим коэффициентом избытка воздуха сжигаемой в газопоршневом энергоблоке топливной смеси, осуществляется повышение концентрации кислорода в газо-воздушной смеси, подаваемой в энергоблок и, соответственно, повышение концентрации кислорода в греющем теплоносителе. При этом за счет частичного окисления получаемого биоугля при взаимодействии с избыточным кислородом достигается необходимый температурный уровень пиролиза биомассы без подвода внешнего дополнительного тепла.
При экспериментальной апробации разрабатываемого процесса, выполненного в ОИВТ РАН, показано, что, в случае, если за счет экзотермических реакций температура в слое перерабатываемого материала достигала 500°С, то подъем данной температуры до 800°С достигался при увеличении содержания кислорода в продуктах сгорания до 1,5%, и при этом масса получаемого биоугля за счет его частичного окисления при взаимодействии с добавочным кислородом в продуктах сгорания газопоршневого агрегата уменьшалась не более, чем на 10%.
Таким образом, за счет изменения содержания кислорода в продуктах сгорания газопоршневого агрегата, являющихся греющей средой при получении биоугля, возможно регулирование температуры процесса пиролиза, что обеспечивает возможность получения биоугля с заданными свойствами, т.е. полученного при различных температурах пиролиза.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства, которое позволит увеличивать температуру в зоне образования биоугля в случае, если температура нагрева перерабатываемой биомассы за счет использования тепла продуктов сгорания газопоршневого агрегата и экзотермических эффектов, возникающих при нагреве биомассы, окажется недостаточной для получения биоугля.
Устройство (Фиг. 1) содержит газопоршневую установку (ГПУ) (1), на вход которой подаются природный газ и воздух, а выхлопные газы (2) из нее поступают в качестве бескислородного теплоносителя в реактор пиролиза (3). Сверху в реактор загружается исходная гранулированная биомасса (4). Снизу (5) в секцию бескислородного охлаждения выгружается готовый биоуголь. Отработанный теплоноситель и пиролизные газы выбрасываются через отверстие в верхней части реактора (6). Для реализации заявляемого способа термической конверсии биомассы в слое перерабатываемого материала установлен датчик температуры (7), по сигналу которого, в случае, если увеличение температуры перерабатываемой биомассы при нагреве продуктами сгорания газопоршневого агрегата и за счет экзотермического выделения тепла не достигнет требуемого уровня, программатором (8), управляющим коэффициентом избытка воздуха в топливной смеси, сжигаемой в газопоршневом агрегате (1), изменяется коэффициент избытка воздуха в сторону увеличения содержания кислорода в продуктах сгорания газопоршневого энергоблока.
В этом случае за счет сжигания определенной части получаемого биоугля при взаимодействии с избыточным кислородом, содержащимся в продуктах сгорания газопоршневого агрегата, происходит увеличение температуры процесса переработки биомассы до требуемого уровня.