Комплекс оборудования для торрефикации биоотходов Российский патент 2023 года по МПК C10L9/08 C10L5/44 C10B49/00 C10B53/02 

Изобретение относится к области сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства и энергетики, в частности к устройствам для торрефикации биомассы и биоотходов для получения биоугля, пригодного для производства тепловой и электрической энергии.

Известен комплекс оборудования для торрефикации биомассы, состоящий из двух реакторов для торрефикации биомассы, в первом из которых по направлению движению исходной биомассы происходит ее сушка и частичная торрефикация, а втором реакторе происходит завершение процесса торрефикации биомассы, прошедшей сушку и частичную торрефикацию в первом реакторе (патент РФ №2596743, МПК C02F 11/00, С10В 53/02, C10L 5/44, C10L 9/08, опубл. 10.09.2016, бюл. №25).

Недостатком комплекса оборудования является его низкая надежность и низкая энергоэффективность.

Низкая надежность комплекса оборудования обусловлена отсутствием оборудования для пожаробезопасного охлаждения торрефицированной биомассы, т.к. процесс торрефикации может сопровождаться развитием экзотермических процессов, которые не завершаются после вывода биомассы из реактора для торрефикации, что требует исключения контакта нагретой до 200-300°С торрефицированной биомассы с кислородом.

Низкая энергоэффективность комплекса оборудования обусловлена тем, что тепловой потенциал газообразных продуктов торрефикации не используется. Газообразные продукты торрефикации содержат конденсируемые и неконденсируемые компоненты, последние содержат окись углерода, водород, метан и их можно использовать для генерирования тепловой энергии, необходимой для процесса торрефикации.

Конденсируемые газообразные продукты торрефикации содержат ценные химические компоненты (фурфурол, уксусную кислоту и др.), которые можно извлечь и тем самым повысить экономическую эффективность процесса торрефикации.

Известна установка, реализующая способ влажной торрефикации (карбонизации) биомассы, заключающийся в торрефикации биомассы в кипящем слое в среде перегретого водяного пара, причем псевдоожижение обеспечивается потоком перегретого водяного пара, продуваемого через слой частиц биомассы (патент ЕА №039214, МПК С10В 49/10, С10В 53/02, F26B 3/04, опубл. 17.12.2021, бюл. №12).

Недостатком способа является его низкая энергоэффективность, т.к. требуются большие энергозатраты на производство перегретого водяного пара, который к тому же не может использоваться как энергоноситель для проведения процесса торрефикации, поскольку способ исключает конденсацию пара в реакторе для торрефикации и предполагает использование дополнительного энергоносителя для энергоснабжения процесса торрефикации.

Кроме того, в способе не раскрыта технология пожаробезопасного охлаждения торрефицированной биомассы т.к. процесс торрефикации может сопровождаться развитием экзотермических процессов, которые не завершаются после вывода биомассы из реактора для торрефикации, что требует исключения контакта нагретой до 200-300°С торрефицированной биомассы с кислородом. Это снижает надежность оборудования для торрефикации, реализующее данный способ.

Известен комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включающий котел для генерации перегретого водяного пара, реактор для торрефикации биомассы в среде перегретого водяного пара и блок для выделения смолы, содержащейся в перегретом водяном паре (патент KR 101894817 B1, МПК C10L 5/44, С10В 53/02, опубл. 04.10.2018).

Недостатком комплекса является его низкая энергоэффективность, т.к. требуются большие энергозатраты на производство перегретого водяного пара, который к тому же не может использоваться как энергоноситель для проведения процесса торрефикации, поскольку способ исключает конденсацию пара в реакторе для торрефикации.

Кроме того, в описании комплекса не раскрыта технология пожаробезопасного охлаждения торрефицированной биомассы т.к. процесс торрефикации может сопровождаться развитием экзотермических процессов, которые не завершаются после вывода биомассы из реактора для торрефикации, что требует исключения контакта нагретой до 200-300°С торрефицированной биомассы с кислородом. Это снижает надежность комплекса оборудования для торрефикации биомассы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включающий котел для генерации перегретого водяного пара и множество параллельно работающих реакторов для торрефикации биомассы, в которые подается перегретый водяной пар, а отработанный перегретый водяной пар подогревается до необходимой температуры за счет тепла уходящих дымовых газов котла и вновь вводится в реакторы для торрефикации (патент KR101842132B1, МПК С10В 53/00, B01D 35/02, С10В 47/40, C10L 5/40, опубл. 15.05.2018,).

Недостатками предлагаемого комплекса оборудования для торрефикации биомассы являются:

- низкая энергоэффективность, связанная с высокими энергозатратами на генерацию перегретого водяного пара;

- низкая надежность комплекса оборудования, т.к. не решена задача охлаждения торрефицированной биомассы.

Задачей изобретения является повышение энергоэффективности и надежности комплекса оборудования для торрефикации биомассы.

Техническим результатом изобретения является повышение скорости торрефикации биомассы за счет обработки биомассы газовой средой, содержащей перегретый водяной пар, и обеспечение пожаробезопасного охлаждения торрифицированной биомассы.

Это достигается тем, что комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включая биоотходы, состоящий из котла для генерации нагревающего теплоносителя, реактора для торрефикации биомассы, соединенным с устройством для удаления газообразных продуктов торрефикации, согласно изобретению снабжен реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, реактором для охлаждения торрефицированной биомассы, при этом реакторы для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, для торрефикации биомассы и для охлаждения торрефицированной биомассы установлены последовательно по ходу движения биомассы, выполнены с узлами ввода и вывода биомассы, реактор для сушки и предварительной торрефикации биомассы соединен с реактором для охлаждения торрефицированной биомассы трубопроводом для подачи газообразных продуктов, выделяющихся при сушке биомассы, реактор для охлаждения торрефицированной биомассы связан с реактором для торрефикации биомассы трубопроводом для подачи перегретого водяного пара, образовавшегося при охлаждении торрефицированной биомассы, а котел своими первыми выходом и входом теплоносителя соединен с реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, а вторыми выходом и входом теплоносителя с реактором для торрефикации биомассы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема комплекса оборудования для торрефикации биомассы, включая биоотходы.

Комплекс оборудования для торрефикации биомассы содержит (см. фиг. 1):

- котел 1 для генерации нагревающего теплоносителя,

- реактор 2 для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы,

- реактор 3 для торрефикации высушенной биомассы,

- реактор 4 для охлаждения торрефицированной биомассы,

- трубопровод 5 для подачи газообразных продуктов сушки исходной биомассы из реактора 2 в реактор 4 для охлаждения торрефицированной биомассы,

- трубопровод 6 для подачи перегретого водяного пара, образовавшегося при охлаждении торрефицированной биомассы, из реактора для охлаждения торрефицированной биомассы 4 в реактор 3 для торрефикации биомассы,

- устройство 7 для удаления газообразных продуктов торрефикации из реактора 3 для торрефикации биомассы.

Реактор 2 может быть выполнен в виде вертикального аппарата с мешалкой, снабженный теплообменным элементом в виде змеевика, расположенного внутри реактора, или в виде рубашки, закрепленной на внешней поверхности корпуса реактора 2. Реактор 2 снабжен также узлом ввода исходной биомассы и узлом вывода высушенной биомассы.

Реактор 3 может быть выполнен в виде вертикального аппарат с мешалкой, снабженный теплообменным элементом в виде змеевика, расположенного внутри реактора, или в виде рубашки, закрепленной на внешней поверхности корпуса реактора 3. Реактор 3 снабжен узлом ввода высушенной биомассы и узлом вывода торрефицированной биомассы.

Конструкция реактора 4 для охлаждения биомассы может быть аналогична конструкции реактора 3. Однако, в теплообменный элемент реактора 4 подается охлаждающий теплоноситель, например, вода.

Устройство 7 для удаления газообразных продуктов торрефикации из реактора 3 для торрефикации биомассы может быть выполнено в виде дымовой трубы или фильтра.

Комплекс оборудования для торрефикации биомассы работает следующим образом.

В котле 1 за счет сжигания органического топлива или за счет электроэнергии нагревается теплоноситель, в качестве которого может быть использован жидкий органический теплоноситель, например, ТЛВ - 330 на основе полиалкилбензола, дифенильная смесь или нитрит - нитратная смесь. Этот теплоноситель нагревается до температуры 250-300°С.

В качестве исходной биомассы может быть использована практически любая биомасса растительного или животного происхождения: возможно применение различных древесных отходов, растительных материалов, таких как, лузга проса, лузга подсолнечника, лузга риса, скорлупа орехов, птичьего помета, его смеси с древесными опилками или соломой, навоза крупного рогатого скота, навоза свиней, а также смеси этого навоза с соломой.

Исходную биомассу подвергают сушке в реакторе 2.

В этот теплообменный элемент подается теплоноситель, нагретый в котле 1.

В реакторе 2, куда через узел ввода подается исходная биомасса, за счет тепла, нагретого в котле 1 теплоносителя, происходит сушка биомассы, ее предварительная торрефикация и последующая выгрузка через узел вывода.

Газообразные продукты сушки исходной биомассы, содержащие, в основном, пары воды, по трубопроводу 5 направляются из реактора 2 в реактор 4 в слой торрефицированной биомассы.

Высушенная в реакторе 2 биомасса направляется на торрефикацию в реактор 3 через его узел ввода. За счет тепла теплоносителя, нагретого в котле 1, происходит торрефикация биомассы в реакторе 3, в котором поддерживается температура 220-270°С. Продолжительность торрефикации биомассы в реакторе 3 составляет 30-60 минут, после чего торрефицированная биомасса выгружается через узел вывода из реактора 3 и направляется на охлаждение в реактор 4 через его узел ввода. При торрефикации биомассы выделяются летучие вещества и эти газообразные продукты торрефикации выдавливают из реактора 3 воздух, что исключает воспламенение биомассы в реакторе 3 при ее торрефикации.

Газообразные продукты торрефикации удаляются из реактора 3 через устройство 7 для удаления газообразных продуктов торрефикации.

В реактор 4 также подаются газообразные продукты сушки исходной биомассы, имеющие температуру ≈100°С и содержащие, в основном, пары воды, удаленной из исходной биомассы в реакторе 2.

Подача газообразных продуктов сушки исходной биомассы в реактор 4 способствует вытеснению из реактора воздуха, что препятствует воспламенению торрефицированной биомассы при ее охлаждении.

С другой стороны, из реактора 3 торрефицированная биомасса поступает с температурой 220-270°С. При контакте с газообразными продуктами сушки, содержащийся в них пар превращается в перегретый пар. Этот перегретый пар по трубопроводу 6 поступает в реактор 3 для торрефикации биомассы.

Известно [Thossaporn Onsree, Nakorn Tippayawong, Travis Williams, Katie McCullough, Elizabeth Barrow, Ravindra Pogaku, Jochen Lauterbach Torrefaction of pelletized corn residues with wet flue gas, Bioresource Technology 285 (2019) 121330], что в присутствии перегретого водяного пара процесс торрефикации и формировании графеновых структур в биомассе ускоряется.

Процесс охлаждения торрефицированной биомассы в реакторе 4 продолжается 30-60 минут, после чего охлажденная торрефицированная биомасса выгружается из реактора 4 через узел вывода.

Таким образом обеспечивается повышение энергоэффективности и надежности комплекса оборудования для торрефикации биомассы.

Энергоэффективность процесса обеспечивается за счет того, что для генерации перегретого водяного пара используются не внешние источники тепла, а тепло торрефицированной биомассы.

Надежность комплекса оборудования обеспечивается за счет подачи в реактор для охлаждения торрефицированной газообразных продуктов сушки исходной биомассы, содержащих, в основном, пары воды, а в реактор для торрефикации - перегретого пара, что исключает воспламенение биомассы при ее торрефикации и охлаждении.

Использование изобретения позволяет повысить скорость торрефикации биомассы за счет обработки биомассы газовой средой, содержащей перегретый водяной пар, и обеспечить пожаробезопасное охлаждение торрифицированной биомассы.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства и энергетики, в частности к устройствам для торрефикации биомассы и биоотходов для получения биоугля, пригодного для производства тепловой и электрической энергии. Комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включая биоотходы, состоит из котла для генерации нагревающего теплоносителя, реактора для торрефикации биомассы, соединенного с устройством для удаления газообразных продуктов торрефикации. Комплекс снабжен реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, реактором для охлаждения торрефицированной биомассы. При этом реакторы для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, для торрефикации биомассы и для охлаждения торрефицированной биомассы установлены последовательно по ходу движения биомассы, выполнены с узлами ввода и вывода биомассы. Реактор для сушки и предварительной торрефикации биомассы соединен с реактором для охлаждения торрефицированной биомассы трубопроводом для подачи газообразных продуктов, выделяющихся при сушке биомассы. Реактор для охлаждения торрефицированной биомассы связан с реактором для торрефикации биомассы трубопроводом для подачи перегретого водяного пара, образовавшегося при охлаждении торрефицированной биомассы. Котел своими первыми выходом и входом теплоносителя соединен с реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, а вторыми выходом и входом теплоносителя с реактором для торрефикации биомассы. Техническим результатом изобретения является повышение скорости торрефикации биомассы за счет обработки биомассы газовой средой, содержащей перегретый водяной пар, и обеспечение пожаробезопасного охлаждения торрефицированной биомассы. 1 ил.

Комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включая биоотходы, состоящий из котла для генерации нагревающего теплоносителя, реактора для торрефикации биомассы, соединенного с устройством для удаления газообразных продуктов торрефикации, отличающийся тем, что снабжен реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, реактором для охлаждения торрефицированной биомассы, при этом реакторы для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, для торрефикации биомассы и для охлаждения торрефицированной биомассы установлены последовательно по ходу движения биомассы, выполнены с узлами ввода и вывода биомассы, реактор для сушки и предварительной торрефикации биомассы соединен с реактором для охлаждения торрефицированной биомассы трубопроводом для подачи газообразных продуктов, выделяющихся при сушке биомассы, реактор для охлаждения торрефицированной биомассы связан с реактором для торрефикации биомассы трубопроводом для подачи перегретого водяного пара, образовавшегося при охлаждении торрефицированной биомассы, а котел своими первыми выходом и входом теплоносителя соединен с реактором для сушки и предварительной торрефикации исходной биомассы, а вторыми выходом и входом теплоносителя с реактором для торрефикации биомассы.