УСТРОЙСТВО ПО ТОРРЕФИКАЦИИ ГРАНУЛИРОВАННОЙ БИОМАССЫ С ВОЗДУШНЫМ ПОДОГРЕВОМ
DEVICE FOR TORRIFICATION OF GRANULATED BIOMASS WITH AIR HEATING

Изобретение относится к установкам по получению биотоплива с повышенными теплотехническими характеристиками из гранулированной биомассы.
В настоящее время в качестве одного из методов улучшения качественных показателей топлив из биомассы рассматривается низкотемпературный пиролиз (торрефикация) - термическая обработка биомассы при температурах 230-300°С в бескислородной среде. Конечным продуктом торрефикации является твердое углеводородное топливо, обладающее повышенными теплотехническими характеристиками. При торрефикации теплота сгорания топлив повышается на 20-25%, удельный вес снижается на 20-30% и, что может быть самым главным при использовании биомассы в качестве топлива, получаемый продукт становится гидрофобным, обладая низким пределом гигроскопичности (значительно упрощаются процессы хранения, перевозки, которые не требуют соблюдения специальных условий, исключающих контакт топлива с окружающей средой).
Несмотря на кажущуюся простоту осуществления процесса до настоящего времени технология торрефикации в промышленных масштабах не реализована.
Существующие схемные и конструктивные решения процесса торрефикации достаточно сложны (Патенты RU 161775 U1, 10.05.2016. RU 97727 U1, 20.09.2010. RU 144013 U1, 10.08.2014. ЕА 17739 В1, 28.02.2013). Это касается нагрева перерабатываемого материала, который, как правило, осуществляется за счет сжигания природного газа. При этом необходимо снизить температурный уровень получаемых продуктов сгорания до требуемого для процесса торрефикации, и осуществить утилизацию выделяющегося при охлаждении продуктов сгорания тепла. Определенная сложность связана с утилизацией отходящих газообразных продуктов реакции, это касается, в том числе, очищения получаемой газовой смеси от вредоносных примесей: окиси углерода, жидких высокомолекулярных соединений и т.д. Осуществление данных мероприятий требует значительных затрат. Одной из главных причин отсутствия промышленно реализованной технологии торрефикации является тот факт, что несмотря на очевидную выгодность использования торрефиката в энергетических установках, затраты на его получение не окупаются преимуществами конечного продукта.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для термической конверсии биомассы, патент РФ RU 175131 U1, 09.12.2016.
В данном техническом решении реализуется когенерационная схема получения тепла для нагрева перерабатываемого материала. Нагрев осуществляется в среде продуктов сгорания газопоршневого агрегата. Так, за счет сжигания природного газа производится электрическая энергия, затем, используя тепло отходящих продуктов сгорания газопоршневого энергоблока, осуществляется непосредственно торрефикация. Таким образом, энергия природного газа используется в данном процессе для получения электрической и тепловой энергии, что с экономической точки зрения является более выгодным по отношению к тем схемам, в которых сжигание природного газа используется только для нагрева перерабатываемого материала.
Кроме того, в этой установке за счет периодической выгрузки саморазогревающейся биомассы в зону охлаждения организовано использование экзотермической реакции для повышения энергоэффективности и производительности установки.
Недостатком известного технического решения является то, что при загрузке в реактор торрефикации биомассы при ее контакте с отходящими продуктами сгорания газопоршневой электростанции и продуктами реакции торрефикации за счет конденсации водяных паров на поверхности «холодной» гранулированной биомассы возможно образование агломератов, препятствующих движению перерабатываемой биомассы в реакторе торрефикации (закупорка загрузочного узла установки). А для сушки и подогрева загружаемой «холодной» биомассы используется тепло греющего теплоносителя.
Целью заявляемого изобретения является повышение тепловой эффективности процесса и обеспечение надежной работы реактора торрефикации за счет предварительного нагрева и сушки загружаемого сырья горячим воздухом, причем для нагрева воздуха используется тепло отходящих из реактора газов. При этом избыточное давление подаваемого воздуха препятствует попаданию продуктов сгорания газопоршневого агрегата и пиролизных газов, содержащих значительную концентрацию водяных паров, в зону загрузки и предварительного прогрева, тем самым исключая возможность образования агломератов, способных вывести загрузочный узел из строя.
Опыты, проведенные в Объединенном институте высоких температур РАН, показали, что при нагреве перерабатываемой биомассы до температур 100-150°С на ее поверхности не происходит конденсации водяных паров при контакте с отходящими газами газопоршневой электростанции и газообразными продуктами реакции торрефикации.
Поставленная цель достигается тем, в загрузочный бункер и щели узла загрузки энерготехнологической установки термической конверсии биомассы подается горячий воздух, нагретый за счет тепла отходящих из реактора горячих газов до температуры 100-150°С, с давлением немного превышающем давление пиролизных газов в зоне торрефикации, отсекая доступ продуктам сгорания и пиролизным газам в загрузочный бункер и обеспечивая предварительную сушку и подогрев загружаемого сырья.
Энерготехнологическая установка содержит: газопоршневую установку (ГПУ) 1 (Фиг. 1) и программатор, предназначенный для управления режимами работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов работы энергоблока, исполнительный механизм регулирования расхода топлива энергоблоком для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,00; газо-водяной теплообменник 2, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока; смеситель 3 оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, прошедших сквозь слой пеллет в секции охлаждения 4; реактор 5 термической конверсии биомассы, снабженный устройствами загрузки 6, 7 и выгрузки 8, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе 3; причем, устройство выгрузки 8 открывается при достижении в зоне торрефикации заданной температуры, обеспечивая непрерывный процесс торрефикации с использованием тепла экзотермической реакции; отличающаяся тем, что дополнительно содержит трубопровод 11, через который в загрузочный бункер 7 и через перфорацию в загрузочном конусе 6, в слой загружаемой «холодной» биомассы подается нагретый, до температур 100-150°С воздух с давлением, превышающем давление пиролизных газов в зоне торрефикации, отсекая доступ продуктам сгорания и пиролизным газам в загрузочный бункер и обеспечивая предварительную сушку и подогрев загружаемого сырья; для нагрева воздуха схема дополнительно содержит: рекуперативный теплообменник 9, использующий тепло отходящих из реактора газов и воздуходувку 10.
Таким образом, биомасса перед попаданием в зону термической конверсии предварительно подогревается до температур 100-150°С, что исключает конденсацию влаги при контакте с ней продуктов реакции и отработанных газов энергоблока.
Проведенные эксперименты на построенной в Объединенном институте высоких температур РАН полупромышленной установке термической конверсии биомассы показали, что при расходе природного газа 14 м3/ч электрическая мощность ГПУ составила 25 кВт, а производительность установки - 150 кг/ч высококачественного торрефиката. Установка проработала в непрерывном режиме 6 часов. При этом периодическая выгрузка пеллет из зоны торрефикации осуществлялась по достижению температуры 280°С.Удельная производительность составила 6 кг/час на кВт электрической энергии ГПУ, что существенно выше, чем в прототипе. Кроме того, отсутствие в прототипе предварительного подогрева и сушки загружаемого сырья не позволяло организовать непрерывный продолжительный процесс термической конверсии биомассы.
Заявляемое изобретение обеспечивает четкую работу загрузочного узла установки, предотвращая поглощение влаги исходным сырьем, сокращение тепловой энергии, затрачиваемой на проведение термической конверсии биомассы с одновременным увеличением производительности установки.