УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯ ИЗ ВЛАЖНОЙ БИОМАССЫ
DEVICE AND METHOD OF PRODUCTION OF ENERGY CARRIER FROM HUMID BIOMASS

Область техники
Настоящее изобретение относится к энерготехническому использованию влажной биомассы, в особенности зерновых культур и прежде всего кукурузы.
Уровень техники
Энергетическое использование сухой зерновой культуры практикуется в отдельных случаях, однако встречает этическое предубеждение, поскольку теоретически зерновая культура могла бы использоваться для питания человека. Убранная влажная зерновая культура, которая обычно используется только на корм скоту, не сталкивается с таким предубеждением. Так, например, кукуруза, которую на большей части Европы выращивают в качестве кормовой культуры, часто требует для созревания более длительного срока вегетации, чем это позволяет климат. Поэтому ее приходится убирать во влажном состоянии, когда ее качество не годится для питания людей.
При энерготехническом использовании биомассы любого типа проблемой является ее влажность. Высокое содержание влаги снижает способность биомассы к хранению, приводит к высоким затратам на транспортировку, снижает выделение энергии при сгорании и качество горючего газа. Сушка биомассы на воздухе требует много времени и больших площадей, а сушка путем нагрева часто требует больше энергии, чем ее можно получить при сжигании сухой биомассы.
Из патентного документа DE 2004003011 А1 известно устройство, относящееся к данной области и содержащее устройство для механического обезвоживания биомассы и сушильную ступень для дополнительного осушения предварительно обезвоженной биомассы посредством подвода тепла. Здесь также потребление первичной энергии, необходимой для того, чтобы сделать биомассу пригодной для прямого или косвенного использования в качестве энергоносителя, критическим образом зависит от степени предварительного обезвоживания с помощью механического устройства обезвоживания и от кпд сушильной ступени.
Раскрытие изобретения
Соответственно, задачей изобретения является создание техники, которая позволяет с минимальными затратами энергии за короткое время и в компактной установке обезвоживать влажную биомассу настолько, что она становится пригодной для экономичного использования в технико-энергетических целях.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет того, что в устройстве указанного типа для получения энергоносителя из влажной биомассы устройство обезвоживания содержит первую ступень обезвоживания и вторую ступень обезвоживания, которые объединены с сушильной ступенью в один конструктивный блок.
Разделение устройства обезвоживания на две части учитывает тот факт, что свежеубранная биомасса имеет содержание влаги 80% и больше и что при отводе значительной части этой влаги существенно снижается расход потока материала, но одновременно существенно изменяется и его консистенция. Учет этого обстоятельства посредством разделения устройства обезвоживания на две части может осуществляться путем того, что две ступени обезвоживания рассчитаны на резко различные расходы материала в соответствии с потерями массы в первой ступени обезвоживания, а также путем того, что в первой и второй ступенях обезвоживания используются технические средства и/или параметры обработки, адаптированные к консистенции материала. Вторая ступень обезвоживания, которая может быть выполнена более компактной вследствие уменьшения количества материала для обработки, может быть объединена с сушильной ступенью в один конструктивный блок. За счет этого достигается более компактная конструкция, в которой затраты энергии на транспортирование материала снижаются до минимума благодаря более короткому пути транспортирования.
Предпочтительно сушильная ступень содержит смесительную емкость, одновременно загружаемую предварительно обезвоженной биомассой и материалом-теплоносителем. За счет того, что в смесительной емкости биомасса вступает в непосредственный контакт с материалом-теплоносителем, обеспечивается возможность более эффективного и быстрого теплообмена по сравнению с обычным теплообменником, в котором материал-теплоноситель и подлежащий нагреву материал направляются по раздельным проходам.
Предпочтительно устройство содержит ступень сепарации для отделения материала-теплоносителя от дополнительно осушенной биомассы. С помощью ступени сепарации материал-теплоноситель может быть отобран вторично, чтобы затем вновь подвергнуться нагреву и подаче к подлежащей сушке предварительно обезвоженной биомассе. Предпочтительно ступень сепарации интегрирована в конструктивный блок второй ступени обезвоживания и сушильной ступени.
Предпочтительно нагрев сушильной ступени осуществляется посредством контура циркуляции материала-теплоносителя, который проходит через источник тепла, сушильную ступень и ступень сепарации.
Предпочтительно материал-теплоноситель является горючим материалом. При этом остаточное количество материала-теплоносителя в дополнительно осушенной биомассе не оказывает негативного влияния на ее энергетическое техническое использование. Наоборот, это может улучшить возможности операций с дополнительно обезвоженной биомассой, поскольку она слепляется в плотные комки.
Для повышения эффективности обезвоживания биомассы во второй ступени обезвоживания предпочтительно между первой ступенью обезвоживания и второй ступенью обезвоживания предусмотрена ступень измельчения для измельчения биомассы после прохода первой ступени обезвоживания. Благодаря тому что в первой ступени обезвоживания из биомассы вначале удаляется вода, слабо связанная в ее клеточной структуре, получают материал, клеточная структура которого вскрывается за счет потерь воды в первой ступени обезвоживания. Во второй ступени обезвоживания вода, которая высвобождается из клеток биомассы, может относительно легко проникать через предварительно образованные свободные пространства клеточной структуры до поверхностей раздела элементов биомассы и выходить из них.
Предпочтительно первая ступень обезвоживания содержит, по меньшей мере, одну пару прессующих вальцов, ограничивающих прессовальный зазор, через который проходит биомасса.
Предпочтительно вторая ступень обезвоживания содержит декантатор или шнековый пресс. Оба эти устройства пригодны для быстрой обработки больших количеств измельченного материала.
Может быть предусмотрено нагревательное устройство для нагрева биомассы, проходящей через вторую ступень обезвоживания. Нагрев дополнительно вскрывает клеточную структуру материала и тем самым дополнительно облегчает осушение. Поскольку этот нагрев служит только для дальнейшего вскрытия клеток биомассы, а не для того, чтобы выпаривать еще оставшуюся в ней влагу, потребление мощности этим нагревательным устройством невелико по сравнению с мощностью, которая требовалась бы для сушки биомассы посредством выпаривания.
В частности, в качестве упомянутого нагревательного устройства может служить сушильная ступень вследствие ее близости ко второй ступени обезвоживания. При этом нагрев биомассы при ее проходе через вторую ступень обезвоживания может достигаться практически без затрат за счет того, что сушильная ступень выполнена теплоизолированной таким образом, что соседняя с ней вторая ступень обезвоживания образует отвод, по которому тепло из сушильной ступени проникает наружу.
Далее, устройство может содержать реактор для термохимической обработки биомассы, высушенной в сушильной ступени. В таком реакторе проходящие при высокой температуре экзотермические процессы, такие как преобразование биомассы, обеспечивают возможность нагрева сушильной ступени по существу отработанным теплом, в данном случае отработанным теплом реактора.
Подвод тепла к сушильной ступени осуществляется посредством того, что горячий продукт реакции в реакторе подводится в качестве материала-теплоносителя. Поскольку продукты реакции в реакторе обычно выходят из реактора с повышенной температурой, обычно бывает желательно охладить продукт реакции перед его подачей в бак для хранения. За счет того, что продукт реакции используется в сушильной ступени в качестве материала-теплоносителя, рационально используется его остаточное тепло, в любом случае подлежащее отводу.
Может быть целесообразно подавать в реактор газообразный водород для того, чтобы снижать остаточное содержание кислорода находящихся в нем продуктов реакции и/или для того, чтобы в этих продуктах реакции отрегулировать на желаемую величину соотношение водород/углерод и тем самым длину их углеродных цепей.
Для получения водорода может служить ячейка электролиза, в которой подвергается электролизу жидкость, отделенная в устройстве обезвоживания.
Для улавливания продуктов реакции, выделившихся в реакторе в виде пара, предпочтительно предусмотрена ступень конденсации. В ней улавливается вода, которая либо поступила вместе с биомассой, либо образовалась в реакторе и негативно влияет на качество конденсата. Для того чтобы находящийся в ступени конденсации водосодержащий конденсат освобождать от углеводородных компонентов, конденсат может направляться через фильтр, в который в качестве фильтрующего материала может также подаваться кокс, выходящий из реактора. Очищенная таким образом вода может в качестве избыточной воды выпускаться непосредственно на поле из ступени механического обезвоживания. Кокс, насыщенный в фильтре органическими компонентами, может прямым или косвенным путем направляться обратно в реактор.
Предпочтительно газообразные продукты реакции, в особенности не поддающиеся конденсации, используются в самом уборочном транспортном средстве, в частности в горелке для нагрева реактора.
Далее, может быть предусмотрена ступень концентрирования, которая принимает водяной компонент, отделенный, по меньшей мере, в одной из ступеней обезвоживания, для его разделения на часть, обогащенную растворенными веществами, и на часть, освобожденную от растворенных веществ. В общем случае обогащенная часть собирается в баке уборочного транспортного средства для дальнейшей обработки, а очищенную часть предпочтительно выпускают на поле, как было упомянуто выше.
Вследствие своей близости ко второй ступени обезвоживания сушильная ступень может служить в особенности в качестве упомянутого выше нагревательного устройства. При этом нагрев биомассы при ее проходе через вторую ступень обезвоживания может достигаться практически без затрат за счет того, что сушильная ступень выполнена теплоизолированной таким образом, что соседняя с ней вторая ступень обезвоживания образует отвод, по которому тепло из сушильной ступени проникает наружу.
Задача изобретения решена также в способе получения энергоносителя из влажной биомассы, содержащем этап механического предварительного обезвоживания биомассы и этап сушки предварительно обезвоженной биомассы путем подвода тепла. Согласно изобретению, механическое предварительное обезвоживание проводят в два последовательных шага обезвоживания, причем на втором шаге обезвоживания подводят тепло.
Краткий перечень фигур чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения, его другие особенности и преимущества. На чертежах
фиг 1 схематично изображает обрабатывающие устройства в устройстве по изобретению,
фиг.2 изображает конструктивный блок устройства по фиг.1.
Осуществление изобретения
Согласно предпочтительному примеру осуществления изобретения показанные на фиг.1 устройства, которые будут подробно описаны далее, встроены в уборочную машину. Внешний вид уборочной машины не представлен, поскольку если она не является обычным зерноуборочным и комбайном или полевым измельчителем, то ее внешний вид диктуется только условиями размещения в ней устройств, показанных на фиг.1. Как и обычный полевой измельчитель или комбайн, уборочная машина содержит шасси, на котором спереди установлен сменный подборщик убираемой массы. Этот подборщик идентичен подборщику обычного полевого измельчителя или комбайна и может использоваться как на одной из этих машин, так и на уборочной машине по изобретению.
Два прессующих вальца 1 образуют между собой зазор, в который от подборщика подается убранная биомасса. При проходе между прессующими вальцами 1 биомасса в зависимости от вида культуры теряет примерно половину своей воды, в то время как содержание сухой массы в свежеубранной биомассе составляет от 10% до 30%, после прохода через прессующие вальцы оно повышается до величины от 18% до 46%.
Предварительно обезвоженная на прессующих вальцах 1 биомасса проходит далее через ступень 2 измельчения, которая в полевом измельчителе может содержать вращающийся ножевой вал и взаимодействующие с ним неподвижные ножи. Измельчение осуществляется интенсивнее, чем в полевом измельчителе, например, за счет более узкой расстановки ножей или за счет более длительного пребывания биомассы в ступени 2 измельчения, так что на выходе из ступени 2 измельчения максимальный размер частиц в типовом случае составляет 4 мм.
Измельченный материал подается из ступени 2 измельчения ко второй ступени 3 обезвоживания, - например, к декантатору или решетной центрифуге. Благодаря интенсивному предварительному измельчению эта ступень обеспечивает повышение содержания сухой массы до 88-98%. При этом получают грубоволокнистый богатый целлюлозой твердый материал, масса которого составляет всего лишь от 10% до 30% первоначально принятой биомассы.
Выходящий от второй ступени 3 обезвоживания материал проходит через сушильную ступень 7 и ступень 9 сепарации до загрузки в реактор 6 импульсного пиролиза. Путем нагрева без доступа воздуха в реакторе 6 поданный материал непрерывно преобразуется с образованием воды, различных углеводородов и остатка твердого материала, состоящего по существу из углерода и называемого коксом. Выделяемые при высокой температуре реактора газовые продукты реакции подаются на ступень 8 конденсации и конденсируются во фракции с различными точками кипения. Газ, который не поддается конденсации в ступени 8 конденсации, поступает в горелку 16, которая нагревает реактор 6.
В ступени 8 конденсации происходит фракционирующая конденсация, причем параметры фракционирования установлены таким образом, что одна фракция содержит по существу всю воду, поступившую в реактор 6 вместе с биомассой, а также воду, полученную в результате реакций пиролиза. В то же время, по меньшей мере, одна другая фракция, называемая товарным маслом, состоит по существу из углеводородов. Полученное товарное масло собирается в бак 10 за исключением части, предпочтительно фракции, конденсирующейся при более высокой температуре, которая полностью или частично отводится из ступени 8 конденсации для добавления в обезвоженную биомассу, подаваемую из второй ступени 3 обезвоживания в сушильную ступень 7.
Сушильная ступень 7 может быть снабжена устройствами для смешивания или перемешивания для смешивания товарного масла с обезвоженной биомассой. Высокая температура товарного масла обеспечивает испарение остаточной влаги биомассы, так что из сушильной ступени 7 может выходить смесь товарного масла и по существу обезвоженной биомассы.
Эта смесь перед подачей в реактор 6 проходит ступень 9 сепарации, на которой товарное масло вновь отделяется от биомассы под действием давления. Отделенное таким образом товарное масло вместе с частью товарного масла, не подводимой к сушильной ступени 7, собирается в бак 10 из ступени 8 конденсации.
Согласно предпочтительному решению по развитию изобретения для очистки содержащейся в ступени 8 конденсации и состоящей по существу из воды фракции конденсации предусмотрен фильтр 11. В качестве фильтрующего субстрата в этом фильтре 11 используется часть кокса из реактора 6, который непрерывно подается через фильтр 11 встречным потоком по отношению к водяной фракции и при этом насыщается органическими компонентами водяной фракции. Полученная в результате фильтрации вода, при необходимости после дополнительной очистки, может выливаться на поле. Насыщенный органическими компонентами кокс вместе с остальным коксом из реактора 6 может собираться в бункере 12 в качестве горючего материала или, - в зависимости от степени его насыщения водой или органическим материалом, - может подаваться обратно в реактор 6 непосредственно, как это показано на фиг.1, или направляться по окружному пути через сушильную ступень 7 обратно в реактор 6, чтобы в реакторе 6 вновь отделить от него перегонкой органические компоненты и добавить их в товарное масло.
Вторая ступень 3 обезвоживания, сушильная ступень 7 и ступень 9 сепарации скомпонованы в единый конструктивный блок, схематично представленный на фиг.2. Все три ступени размещены в общем теплоизолированном кожухе 18 таким образом, что они непосредственно примыкают друг к другу. Как показано на чертеже, вращающиеся шнеки или лопасти трех ступеней могут приводиться совместно общим валом 19. Альтернативно для каждой ступени может быть предназначен собственный мотор, и ступени 3, 7, 9 могут иметь независимые валы, приводимые со скоростью, регулируемой в соответствии с количеством и консистенцией материала.
Ступень 3 обезвоживания имеет коническую камеру, в которой вращается шнек 20, при этом он разгоняет биомассу и прижимает ее к стенке 21 камеры. Стенка 21 на большей части своей поверхности выполнена по типу решетки, так что выжатая из биомассы влага проходит через стенку 21 и поступает по отводу 22 к ступени концентрирования. На другом участке стенки проходит труба 23 теплообменника. На чертеже она схематично показана в виде единственной трубы, однако практически это могут быть несколько витков трубы. Шнек 20 транспортирует биомассу насквозь через ступень 3 обезвоживания до выхода на малом основании конической камеры, к которому непосредственно примыкает сушильная ступень 7.
Сушильная ступень содержит цилиндрическую или бочкообразную емкость 17, в которой шнек или лопастной ротор 24 транспортирует материал и смешивает его с горячим товарным маслом, подаваемым по трубопроводу 25 от реактора 6 к емкости 17 на ее верхнем по потоку конце.
Подаваемое товарное масло, которое в типовом случае имеет температуру от 200°С до 250°С, в кратчайшее время обращает в пар остаточную воду, содержащуюся в биомассе. Таким образом, на выходе сушильной ступени 7 получают по существу обезвоженный поток материала, который в зависимости от соотношения количества биомассы и товарного масла имеет консистенцию от густой суспензии до комковатой массы.
Этот материал проходит ступень 9 сепарации, конструкция которой в принципе может быть по существу аналогична второй ступени 3 обезвоживания. Вместо воды в ступени 9 сепарации вновь отделяется товарное масло и это вторично полученное товарное масло поступает через отвод 26 и теплообменник 23 в бак 10, не показанный на фиг.2.
Сушильная ступень 7 или показанный на фиг.2 блок ступеней 3, 7, 9 может использоваться также в уборочном транспортном средстве упрощенной конструкции, без реактора 6. В этом случае вместо реактора 6 транспортному средству придаются масляный бак и любые средства нагрева подаваемого из бака масла для снабжения сушильной ступени 7 горячим маслом. Масло, вторично отделенное в ступени 9 сепарации, направляется обратно в бак или вновь нагревается в замкнутом контуре для следующего ввода в биомассу, поступающую от ступени 3 обезвоживания.
Потери масла в результате неполного отделения в ступени 9 сепарации не оказывают значительного негативного влияния, так как не отделенное в ступени 9 сепарации масло повышает теплотворную способность выходящей из ступени 9 сепарации сухой биомассы и придает ей уплотненную комковатую консистенцию, которая облегчает дальнейшие операции.
Вода, отделенная в ступенях 1 и 3 обезвоживания, может в простейшем случае выливаться по поверхность поля. Однако целесообразно отобрать из нее полезные компоненты, такие как сахар, белки, крахмал, липиды, кислоты или минеральные вещества, в ступени 4 концентрирования, которая может представлять собой, например, мембранный фильтр или последовательный ряд таких фильтров. Таким образом, с помощью известной техники фильтрации могут быть созданы обогащенный ценными компонентами поток с содержанием сухой массы до 80% и поток очищенной от этих компонентов воды, которая может быть вылита на поле.
В ступени дополнительной сушки содержание твердой массы в потоке может быть повышено до 90%. Полученный при этом концентрат собирается в бортовой бак 15 уборочного транспортного средства для дальнейшего использования, например, в качестве кормов, сырья для химической промышленности или сырья для процессов ферментации для получения биогаза или этанола.
Согласно другому решению по развитию изобретения предусмотрена ячейка 13 для электролиза, в которую загружается обогащенный компонент из ступени 4 концентрирования. В ячейку 13 для электролиза подается модулированный по частоте постоянный ток для получения высокого выхода водорода при низких энергозатратах. Полученный посредством электролиза водород подается в реактор 6 пиролиза. Достигаемое при этом повышение содержания водорода в реакторе 6 улучшает преобразование связанного в биомассе кислорода в воду, так что в результате импульсного пиролиза получают масло, содержащее меньше кислорода и соответственно обладающее более высоким качеством.