СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ОБЖИГА БИОМАССЫ
METHOD AND ARRANGEMENT FOR EFFICIENT TORREFACTION OF BIOMASS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области обжига биомассы. В частности, оно относится к способу и системе для эффективного обжига биомассы.
Уровень техники
Чтобы быть в состоянии конкурировать с энергоносителями на основе ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, и вытеснить их, для лигноцеллюлозной биомассы будут полезны некоторые способы предварительной обработки для преодоления присущих ей недостатков.
Способ предварительной обработки обжигом был представлен для улучшения топливных качеств биомассы, таких как плотность энергии, содержание воды и измельчение, снабжение и гидрофобность [1-4].
Эти усовершенствования определяют обжиг как ключевой процесс, способствующий расширению рынка сырья биомассы. Обжиг является способом тепловой предварительной обработки, который обычно имеет место в практически инертной (свободной от кислорода) атмосфере при температуре приблизительно 220-600°С. Во время процесса движения по маршруту горючий газ, содержащий различные органические соединения, производится из сырья биомассы в дополнение к обожженной биомассе.
Процесс производства обожженного материала из лигноцеллюлозной биомассы, можно сказать, включает в себя четыре этапа:
1) этап сушки, в котором свободная вода, удерживаемая в биомассе, удаляется;
2) этап нагрева, в котором физически связанная вода выделяется, и температура материала повышается до желательной температуры обжига;
3) этап обжига, при котором материал фактически обжигается, и который начинается, когда температура материала достигает приблизительно 220-230°С. На этом этапе биомасса частично разлагается и выделяет различные типы летучих веществ, таких, как гидрокси ацетон, метанол, пропанол, короткие карбоновые кислоты и т.п. В частности, этап обжига характеризуется разложением гемицеллюлозы при температуре от 220-230°С, а при более высоких температурах обжига целлюлоза и лигнин также начинают разлагаться и выделять летучие вещества; целлюлоза разлагается при температуре 305-375°С, а лигнин постепенно разлагается в диапазоне температур выше 250-500°С;
4) этап охлаждения для завершения процесса и облегчения погрузочно-разгрузочных работ. Процесс обжига прекращается, как только материал охлажден ниже 220-230°С.
Раскрытие изобретения
В обжиге в промышленных масштабах простое, надежное и еще энергоэффективное устройство обжига обеспечит значительное конкурентное преимущество.
Таким образом, настоящее раскрытие предусматривает новый способ и новую систему обжига биомассы.
В одном аспекте изобретение относится к способу обжига при необходимости предварительно высушенной биомассы, содержащему этапы, на которых:
а) нагревают при необходимости предварительно высушенную биомассу по меньшей мере в одной зоне нагрева таким образом, чтобы температура биомассы достигла диапазона температуры обжига; и
б) обжигают нагретую биомассу с этапа а) в зоне обжига путем поддержания температуры в пределах диапазона температур обжига, причем нагретую биомассу с этапа а) подают в верхнюю часть зоны обжига, а обожженный материал извлекают из зоны обжига в ее нижней части таким образом, что биомасса движется вниз через зону обжига под действием силы тяжести.
В другом аспекте изобретение относится к системе обжига биомассы, содержащей:
- первую зону для нагрева при необходимости предварительно высушенной биомассы; и
- изолированную вторую зону для обжига нагретой биомассы, упомянутую вторую зону, имеющую вход, соединенный с выходом первой зоны;
- средство для извлечения обожженной биомассы, расположенное в нижней части второй зоны таким образом, что биомасса может двигаться вниз через вторую зону под действием силы тяжести,
- причем средство для нагрева расположено в первой зоне, но не во второй зоне.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана система обжига биомассы.
На фиг. 2 показано типичное изменение температуры во времени в устройстве обжига, раскрытом на фиг. 1.
На фиг. 3 показано типичное изменение температуры во времени в устройстве обжига, раскрытом на фиг. 1.
Определения
Обжиг
Предварительная обработка, при которой биомасса в практически инертной (с пониженным содержанием кислорода, или отсутствием кислорода) атмосфере нагревается до температуры выше 220°С, но ниже 600°С для производства обожженной биомассы и газов обжига, содержащих горючие газы. Кислород, подаваемый для реакции обжига в соответствии с вариантом осуществления изобретения, подается, таким образом, и/или в таком количестве, чтобы он не в значительной степени вступал в реакцию с биомассой. Вместо этого такой кислород вступает в реакцию с газами обжига. Во время этапа обжига части биомассы, в частности гемицеллюлоза, разлагаются и выделяют различные типы органических летучих компонентов. В процессе обжига, начиная с сырой, влажной биомассы, фактическому этапу обжига предшествует этап сушки, где свободная вода, удерживаемая в биомассе, удаляется, и этап нагрева, где биомасса нагревается до желаемой температуры обжига.
Зона нагрева
Конкретный участок отсека в реакторе обжига, расположенный выше по ходу от зоны обжига относительно биомассы на входе в реактор обжига, содержащий средство для специального регулирования температуры в упомянутом конкретном участке, и где температура биомассы увеличивается до температуры, близкой к желаемой температуре обжига перед обжигом.
Зона обжига
Конкретный участок отсека в реакторе обжига, расположенный ниже по ходу от зоны нагрева относительно биомассы на входе реактора обжига, содержащий средство для специального регулирования температуры в упомянутом конкретном участке, и где температура предварительно нагретой биомассы остается практически постоянной желаемой температурой обжига в течение желаемого времени обжига, где желаемая температура обжига находится в диапазоне от 220°С до 600°С.
Зона сушки
Конкретный участок отсека в реакторе обжига, расположенный выше по ходу от зоны нагрева по отношению к биомассе на входе реактора обжига, содержащий средство для регулирования температуры в упомянутом конкретном участке, и где биомасса высушивается до содержания влаги ниже 10%, предшествующему нагреванию.
Время обжига
Время сохранения температуры материала практически постоянной температурой обжига. Время пребывания материала в зоне обжига может упоминаться как время обжига.
Горизонтальный
Значение термина «горизонтальный» в настоящем раскрытии является таким же, как он будет истолкован специалистом в данной области, т.е. плоскость, перпендикулярная вертикальной плоскости и параллельная плоскости горизонта. Однако в настоящем раскрытии плоскость, отклоненная с малым углом (например, 10°) относительно горизонтальной плоскости, также упоминается как горизонтальная. Таким образом, например, выражение «горизонтальная камера нагрева» также включает тепловую камеру, которая отклоняется с небольшим углом (например, 10°) от горизонтальной плоскости.
Вертикальный
Значение термина «вертикальный» в настоящем раскрытии является таким же, как он будет истолкован специалистом в данной области, т.е. плоскость, перпендикулярная горизонтальной плоскости. Однако в настоящем раскрытии плоскость, отклоненная с малым углом (например, 10°) от вертикальной плоскости, также упоминается как вертикальная. Таким образом, например, выражение «вертикальный реактор» также включает реакторы, которые отклоняются с небольшим углом (например, 10°) от вертикальной плоскости.
Осуществление изобретения
В первом аспекте изобретение относится к способу для обжига при необходимости предварительно высушенной биомассы, содержащему этапы:
а) нагревание при необходимости предварительно высушенной биомассы по меньшей мере в одной зоне нагрева так, чтобы температура биомассы достигла диапазона температуры обжига; и
б) обжиг нагретой биомассы с этапа а) в зоне обжига поддержанием температуры в пределах диапазона температур обжига, где нагретая биомасса с этапа а) подается в зону обжига в ее верхнюю часть, а обожженный материал извлекается из зоны обжига в ее нижней части так, что биомасса движется вниз через зону обжига под действием силы тяжести.
Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению со способами, описанными в уровне техники. Так как высушенную и нагретую биомассу подают в зону обжига в ее верхнюю часть, а обожженный материал извлекают из зоны обжига в ее нижней части, то не требуется  подвижных частей в зоне обжига. Вместо этого материал проходит через зону обжига под действием силы тяжести. Это обеспечивает простую и, таким образом, дешевую конструкцию. Кроме того, такая конструкция обеспечивает энергоэффективный процесс обжига: нагревательные средства не нужны в зоне обжига. Достаточно того, чтобы зона обжига была  изолирована таким образом, чтобы диапазон температуры, достигнутый в ходе этапа нагревания, сохранялся.
Время пребывания материала в зоне обжига определяется высотой (или объемом, если площадь сечения не постоянная) слоя материала в зоне обжига и скоростью, с которой материал извлекается из нижней части. Темп извлечения может быть, например, отрегулирован путем регулировки скорости транспортного устройства, такого как транспортный винт, расположенного в нижней части зоны обжига. Высота слоя зависит от начальной степени наполнения, скорости извлечения в нижней части и скорости подачи в верхней части. Если скорость подачи в верхней части выше, чем скорость извлечения в нижней части, высота будет увеличиваться, и если скорость извлечения в нижней части выше, чем скорость подачи в верхней части, высота будет уменьшаться. Время пребывания материала в зоне обжига может регулироваться для того, чтобы регулировать степень обжига материала. Таким образом, начальная степень наполнения зоны обжига, скорость подачи в верхнюю часть зоны обжига и/или скорость извлечения из нижней части зоны обжига может регулироваться таким образом, чтобы регулировать степень обжига материала.
Таким образом, в одном варианте осуществления обожженный материал извлекается из нижней части посредством транспортного устройства, такого как транспортный винт, а скорость транспортного устройства может, например, регулироваться для регулирования времени пребывания материала в зоне обжига.
В одном варианте осуществления по меньшей мере один датчик в зоне обжига показывает высоту слоя в зоне обжига. В одном варианте осуществления показание от датчика используется для регулирования времени пребывания биомассы в зоне обжига. В одном варианте осуществления показание датчика сравнивается с опорным значением, и если показание отличается от опорного значения больше, чем заданное значение ошибки, скорость извлечения из нижней части зоны обжига и/или скорость подачи в верхней части зоны обжига регулируется.
В одном варианте осуществления температурный диапазон обжига находится в пределах 220-600°С, например, 220-500°С, например, 220-450°С, например, 220-400°С, например, 230-600°С, например, 230-500°C, 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.
Температуру предпочтительно поддерживают относительно постоянной в зоне обжига для облегчения регулирования процессом обжига. Таким образом, диапазон температуры обжига, который достигнут на этапе а) и поддерживается на этапе б), находится предпочтительно в диапазоне от 50°C или менее. Таким образом, диапазон температуры обжига может быть, например, 300-350°C или 350-400°С. Более предпочтителен температурный диапазон в интервале от 40°С или менее, например, 30°С или менее, например, 20°С или менее, например, 10°С или менее.
Зона нагрева и зона обжига могут быть разделены таким образом, чтобы время пребывания материала в различных зонах могло регулироваться отдельно. Например, материал может транспортироваться через зону нагрева с помощью транспортного устройства, такого как ленточный конвейер или транспортный винт. Таким образом, скорость такого транспортного устройства может регулироваться для регулирования времени пребывания материала в зоне нагрева. В предпочтительном варианте осуществления биомасса транспортируется через зону нагрева в горизонтальном направлении. Регулирование времени пребывания материала в зоне обжига рассмотрено выше.
Предпочтительно зона обжига изолирована до такой степени, что не предусматривается никакая внешняя энергия в зоне обжига. Температура может, таким образом, поддерживаться по существу постоянной в зоне обжига благодаря изоляции и за счет экзотермического тепла, генерированного биомассой во время реакции обжига.
Изобретатели также обнаружили, что температура в зоне обжига может регулироваться путем введения контролируемого количества воздуха или кислорода в зону обжига. Введенный воздух/кислород вступает в реакцию с газами, выделяющимися из биомассы во время этапа обжига. Когда газы частично окисляются, выделяется тепло в окружающий газ, и материал, подлежащий обжигу, тем самым повышая температуру без дальнейшей подачи внешнего нагрева. Авторы изобретения удивительно смогли продемонстрировать, что можно сохранить контролируемую температуру в устройстве обжига, несмотря на то, что кислород вводится (данные не показаны). Авторы изобретения даже показали, что температура в зоне обжига может управляться путем регулирования количества введенного кислорода (данные не показаны), которое исключает необходимость подачи внешнего нагрева к зоне обжига. Тот факт, что температура в устройстве обжига может быть стабильной и контролируемой в присутствии кислорода и без окисления биомассы, удивителен, особенно в свете процессов обжига, описанных в уровне техники, где были предприняты усилия для того, чтобы процесс обжига выполнялся обедненным кислородом образом. Таким образом, в одном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в зону обжига.
Настоящие изобретатели смогли продемонстрировать, что, сравнивая подачу кислородсодержащего газа в нижнюю часть зоны обжига, легче контролировать температуру в зоне обжига, если кислородсодержащий газ подается в нижнюю часть зоны обжига и если газы обжига извлекаются из зоны обжига в верхней части зоны обжига таким образом, что газы двигаются вверх через зону обжига, противотоком по отношению к транспортируемой биомассе.
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в первое положение в зону обжига так, что кислород вступает в реакцию с компонентами газов обжига при формировании тепла, и где газы обжига извлекаются из реактора обжига во втором положении реактора обжига, и где первое положение расположено ниже по ходу от второго положения относительно направления транспортировки биомассы в зоне обжига так, что газы  обжига проходят через зону обжига противотоком к транспортируемой биомассе.
В одном варианте кислородсодержащий газ подается в нижнюю часть зоны обжига так, что кислород вступает в реакцию с компонентами газов обжига при формировании тепла, и где газы обжига извлекаются из зоны обжига в верхней части зоны обжига так, что газы обжига проходят через реактор обжига противотоком к транспортируемой биомассе.
В одном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в место, расположенное ниже 20%, предпочтительно ниже 5%, предпочтительно ниже 1% от зоны обжига, а газы обжига удаляются из места, соответственно выше 20%, предпочтительно выше 5%, предпочтительно выше 1% от зоны обжига.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в зону обжига, а газы обжига выводятся из зоны нагрева таким образом, что газы обжига проходят через обе зоны, через зону обжига и через зону нагрева противотоком к транспортируемой биомассе. В одном варианте осуществления газы обжига извлекаются из положения, соответствующего первым 20%, предпочтительно первым 5%, предпочтительно первому 1% зоны нагрева. В этом смысле «первые 20%» означают 20% ближе к входу биомассы в зону нагрева. В одном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в место, расположенное ниже 20%, предпочтительно ниже 5%, предпочтительно ниже 1% от зоны обжига. Таким образом тепло от реакции между кислородом и газом обжига в зоне обжига может быть использовано для сушки и нагрева биомассы в зоне нагрева. Так как газы обжига тянутся противотоком относительно к транспортируемой биомассе, авторы настоящего изобретения поняли, что можно вводить дополнительное количество кислорода в верхнюю часть зоны обжига для повышения температуры в зоне нагрева, не получая слишком высокой температуры в зоне обжига. Таким образом, в одном варианте осуществления дополнительный кислород добавляется в верхнюю часть зоны обжига или в область, соответствующую наивысшим 10%, предпочтительно наивысшим 5%, предпочтительно наивысшим 1% от зоны обжига.
В альтернативном варианте осуществления кислородсодержащий газ подается в зону обжига в ее верхней части так, что кислород вступает в реакцию с компонентами газов обжига, образующихся в зоне обжига при образовании тепла, и где разрежение предусмотрено в нижней части зоны обжига так, что газы перемещаются вниз через зону обжига. Этот вариант осуществления, однако, менее предпочтителен, так как авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что он труднее сохраняет стабильную температуру в зоне обжига, когда кислородсодержащий газ подается в верхнюю часть реактора, и когда газы движутся одновременно с биомассой внутри зоны обжига.
Тепло, генерируемое реакцией, распространяется по всему слою биомассы в зоне обжига. Использование кислорода для повышения температуры в зоне обжига является энергосберегающим и способствует эффективному регулированию температуры обжига без необходимости подачи внешней энергии к зоне обжига.
В одном варианте осуществления часть горячих газов, образующихся в результате реакции между кислородом и газами обжига в зоне обжига, отводится из верхней части зоны обжига и направляется в зону нагрева и/или зону сушки, для повышения температуры в зоне нагрева и/или зоне сушки.
В одном варианте осуществления биомасса является лигноцеллюлозой, такой как древесина, например древесная щепа.
Другой аспект изобретения относится к системе обжига биомассы, содержащей: первую зону для нагрева при необходимости предварительно высушенной биомассы и изолированную вторую зону обжига нагретой биомассы, упомянутую вторую зону, имеющую вход, к которому подключен выход из первой зоны, средство для извлечения обожженной биомассы, расположенное в нижней части второй зоны так, что биомасса может двигаться вниз через вторую зону под действием силы тяжести, где средство для нагревания расположено в первой зоне, а не второй зоне.
В одном варианте осуществления первая зона расположена в камере нагрева, содержащей винт или ленту для транспортировки биомассы через первую зону.
В другом варианте осуществления камера нагрева расположена горизонтально, а винт или лента проходят в горизонтальном направлении для горизонтального перемещения биомассы. В другом варианте осуществления камера нагрева параллельна горизонтальной плоскости или отклоняется от горизонтальной плоскости с углом, меньшим 45°, например, меньше чем 40°, например, меньше чем 35°, например, меньше чем 30°, например, меньше чем 25°, например, меньше чем 20°, например, меньше чем 15°.
В одном варианте осуществления изолированная вторая зона расположена в вертикальном реакторе. В одном варианте осуществления изолированная вторая зона расположена в реакторе, параллельном вертикальной плоскости, или отклоняется от вертикальной плоскости с углом, меньшим 45°, например, меньше чем 40°, например, меньше чем 35°, например, меньше чем 30°, например, меньше чем 25°, например, меньше чем 20°, например, меньше чем 15°.
В одном варианте осуществления вторая зона содержит по меньшей мере одно кислородное впускное отверстие для введения кислородсодержащего газа во вторую зону. В одном варианте осуществления кислородное впускное отверстие соединено со средством подачи кислорода для регулируемой подачи кислородсодержащего газа во вторую зону. В одном варианте осуществления вторая зона содержит выпускное отверстие для газов обжига. В одном варианте осуществления выходное отверстие для газов обжига расположено выше по ходу от впускного отверстия кислорода относительно направления транспортировки биомассы в пределах второй зоны. В предпочтительном варианте осуществления выходное отверстие для газов обжига расположено в первой зоне, предпочтительно в положении, соответствующем первым 20%, предпочтительно первым 5%, предпочтительно первому 1% первой зоны, относительно входа биомассы. В одном варианте осуществления система дополнительно содержит источник кислородсодержащего газа, начало которого соединено со средством подачи кислорода.
В одном варианте осуществления впускное отверстие кислорода расположено ниже 20%, предпочтительно ниже 5%, предпочтительно ниже 1% второй зоны. В одном варианте осуществления выходное отверстие для газов обжига расположено выше 20%, предпочтительно выше 5%, предпочтительно выше 1% второй зоны.
В одном варианте осуществления выходное отверстие для газов обжига расположено в первой зоне так, чтобы газы обжига тянулись встречным током с транспортируемой биомассой через первую и вторую зоны. Предпочтительно, выпускное отверстие для газов обжига расположено в области, соответствующей первым 20% первой зоны, предпочтительно первым 5%, предпочтительно первому 1% первой зоны.
В альтернативном варианте осуществления впускное отверстие кислорода расположено в верхней части второй зоны, а вентилятор расположен присоединенным к нижней части второй зоны таким образом, что пониженное давление может быть обеспечено в нижней части второй зоны. Таким образом, газы могут быть вытянуты через вторую зону. В одном варианте осуществления система содержит источник кислородсодержащего газа, при этом источник соединен со средством подачи кислорода.
В одном варианте осуществления вторая зона содержит по меньшей мере один датчик для измерения уровня биомассы внутри второй зоны. Упомянутое измеренное значение может быть использовано для регулирования времени пребывания биомассы во второй зоне.
Описание вариантов осуществления
Фиг. 1а показывает систему обжига биомассы, имеющую вход (1) биомассы, где биомасса вводится в устройство обжига посредством подающего винта (2). Биомасса высушивается в зоне (3) подсушки. Тепло подается в зону (3) подсушки посредством теплоносителя (например, горячего газа) через впускное отверстие (4) теплоносителя зоны подсушки. Теплоноситель покидает зону подсушки через выпускное отверстие (5) теплоносителя зоны подсушки. Сухая биомасса транспортируется из зоны (3) подсушки в зону (6) нагрева, где температура биомассы поднимается до температурного диапазона обжига. Тепло подается в зону (6) нагрева посредством теплоносителя через впускное отверстие (7) теплоносителя зоны нагрева. Теплоноситель покидает зону (6) нагрева через выпускное отверстие (8) теплоносителя зоны нагрева. Зона (3) подсушки и зона (6) нагрева обе расположены в общем горизонтальном реакторе, а материал транспортируется в зоне (3) подсушки и зоне (6) нагрева посредством общего транспортного винта, который также подает материал к верхней части вертикального реактора, содержащего зону (11) обжига. Обожженный материал извлекается из зоны обжига в ее нижней части так, что биомасса движется вниз через зону (11) обжига под действием силы тяжести. Нет, внешнее тепло не подается в зону (11) обжига, а температура обжига контролируется посредством измерения температуры поверхности биомассы с использованием первого ИК термометра (10) в верхней части зоны обжига и второго ИК термометра (12) в нижней части зоны (11) обжига. Температура биомассы в зоне (11) обжига может быть отрегулирована путем введения кислородсодержащего газа в верхнюю часть зоны (11) обжига так, что кислород вступает в реакцию с компонентами газов обжига, образующихся в зоне обжига при образовании тепла. Разрежение обеспечивается в нижней части зоны обжига таким образом, что газы перемещаются вниз через зону (11) обжига. Тепло, генерируемое в результате реакции с кислородом, таким образом распределяется по всему слою биомассы в зоне (11) обжига. Транспортный винт (14) зоны охлаждения перемещает обожженный материала из нижней части зоны (11) обжига через зону (13) охлаждения, где обожженный материал охлаждается до температуры ниже 100°С средством (15) для охлаждения. Охлаждение может также обеспечиваться через транспортный винт (14). Время пребывания биомассы в зоне обжига определяется быстротой скорости вращения транспортного винта (14) зоны охлаждения и высотой слоя в зоне (11) обжига. Высота слоя в зоне (11) обжига определяется скоростью транспортировки материала в зону обжига, а также скоростью, с которой материал транспортируется из зоны (11) обжига. Скорость транспортировки материала в зону (11) обжига определяется скоростью вращения транспортного винта в зоне (3) подсушки и зоне (6) нагрева, а скорость транспортировки материала из зоны обжига определяется скоростью вращения транспортного винта зоны (14) охлаждения.
Фиг. 1б показывает ту же систему обжига, как на фиг. 1, когда биомасса присутствует в системе.
На фиг. 2 и 3 показаны типичные колебания температуры во времени в устройстве обжига, раскрытом на фиг. 1. Несмотря на то что никакая внешняя энергия не поступает в зону обжига, температура в зоне обжига поддерживается постоянной. Если температура будет уменьшаться, кислород может быть введен в верхнюю часть зоны обжига для повышения температуры.