УСТАНОВКА ПИРОЛИЗА БИОМАССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ Российский патент 2023 года по МПК C10B53/00 F23G5/00 C10J3/00 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к возобновляемым источникам энергии.

В настоящее время перспективным направлением развития энергетики считается распределенное энергоснабжение. Распределенное, либо местное энергообеспечение позволяет осуществить когенерационное использование топливно-энергетических ресурсов, т.е. передачу потребителям одновременно и тепловой и электрической энергии, что в значительной степени повышает степень использования топлива по отношению к схемам с раздельным обеспечением электрической и тепловой энергией. Тепловую энергию нельзя передавать на большие расстояния, в силу этих причин источник тепловой энергии должен быть размещен в относительной близости от потребителя. Отсюда и возникновение этого термина «распределенное энергоснабжение», когда получение и тепловой и электрической энергии происходит одновременно, и в силу ограничений, присущих системам снабжения тепловой энергией, данный источник должен быть расположен в относительной близости от потребителя. В силу ограниченности объема использования топливно-энергетических ресурсов при данной схеме энергоснабжения становится нерациональным применение ископаемых топлив, доставляемых, как правило, на большие расстояния и в силу ограничения мощности установок распределенного энергоснабжения в относительно небольших объемах. В этом случае экономически более выгодным является использование местных топливно-энергетических ресурсов, к которым относятся древесные и сельскохозяйственные отходы, торф, а также отходы жизнедеятельности различных видов. На территории РФ сосредоточено около четверти имеющихся в мире ресурсов древесины и около 45% мировых запасов торфа. Именно эти виды биомассы, включая отходы, являются перспективным топливом для распределенной энергетики.

Наиболее целесообразным способом использования различных видов биомассы для энергетических целей является переработка исходного сырья в энергетический газ с последующим его использованием в качестве топлива в электрогенерирующих установках. Известны две технологии получения энергетического газа при термической переработке биомассы: газификация и пиролиз. Эти две технологии получили к настоящему времени примерно одинаковое распространение. Пиролиз - термическое разложение органических соединений в бескислородной среде. Как правило, пиролиз различных видов биомассы, включая отходы, осуществляется в трубчатом реакторе, снаружи обогреваемом продуктами сгорания, получаемыми при сжигании различных топлив.

Известна установка для пиролиза измельченного углеводородного сырья (патент РФ №2240339, МПК C10G 9/14, 9/20, С10В 1/04, опубл. 11.20.2004), состоящая из печи с топкой в нижней части, внутри печи установлена пиролизная камера, с каналами отбора газа из пиролизной камеры и подвода теплоносителя в рубашку пиролизной камеры, средство для отбора продуктов пиролиза, загрузочное устройство, в котором осуществляется предварительный подогрев сырья, емкости для сбора твердых фракций пиролиза, где происходит охлаждение горячих продуктов пиролиза.

Как правило, реакторы пиролиза построены по аналогичной схеме. Обогреваемый продуктами сгорания реактор, внутри которого находится перерабатываемое сырье, реактор снабжен газоплотными дозаторами, через которые производятся загрузка перерабатываемой биомассы и выгрузка твердых продуктов пиролиза. Реактор также снабжен устройствами для накопления и выгрузки твердых и жидких продуктов пиролиза.

Главным недостатком всех существующих пиролизных установок, что в конечном итоге в значительной степени ограничивает практическое использование процесса пиролиза в промышленности, является высокий расход энергии при реализации процесса. Во многих случаях энергетическое использование продуктов, получаемых при пиролизе, не позволяет возвратить затрачиваемую на процесс энергию.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является пиролизная установка для утилизации твердых бытовых отходов, (патент RU №2434928, МПК С10В 53/00, F23G 5/00, опубл. 11.27.2011), включающая вертикально расположенные трубчатые камеры для термического разложения твердых бытовых отходов с загрузочными и разгрузочными устройствами, устройствами нагрева твердых бытовых отходов с использованием собственного пиролизного газа, пиролизная установка содержит трубчатую камеру первичного нагрева, газотурбинный электроагрегат, сообщенный по потоку горячих выхлопных газов с полостью между трубчатой пиролизной камерой и наружной трубчатой камерой, покрытой теплоизоляционным слоем, а также газовую горелку, сообщенную посредством тангенциальных сопел по потоку горячих дымовых газов с трубчатой камерой первоначального нагрева. Перерабатываемое сырье, твердые бытовые отходы из приемного бункера с помощью герметичного дозатора подают во внутреннюю полость трубчатой пиролизной камеры, стенки которой перфорированы продольными щелями для выхода пиролизного газа. Пиролизные газы из пиролизной камеры проходят в трубчатую камеру сбора пиролизного газа, которая, в свою очередь, заключена в наружную трубчатую камеру с внешним теплоизолирующим слоем. Нагревание твердых бытовых отходов и их термохимическое разложение осуществляется за счет горячих дымовых газов от камеры сгорания, поступающих в трубчатую камеру нагрева.

Недостатком данной схемы процесса является высокий расход энергии, затрачиваемой на реализацию данного процесса пиролиза.

Возможным вариантом сокращения энергии при термической переработке биомассы является использование экзотермического тепла, выделяющегося при нагреве биомассы. При нагреве биомассы до температур порядка 250°С происходит термический распад одной из составляющих биомассы - гемицеллюлозы. Этот процесс сопровождается экзотермическим выделением тепла (В.Н. Козлов, Нимвицкий А. А. «Технология пирогенетической переработки древесины» // Гослесбумиздат, 1954, 620 с.).

Экзотермическое выделение тепла при нагреве биомассы широко использовалось еще в 17-19 веках для получения древесного угля. Древесину засыпали в яму, поджигали, после того как горение распространялось на весь объем древесины, яму засыпали землей. В отсутствие кислорода воздуха горение прекращалось, и дальнейший разогрев осуществлялся за счет экзотермического выделения тепла, которое происходило при начальном разогреве до температур порядка 250-300°С. Температура, достигаемая при экзотермическом разогреве засыпки, составляла 800-900°С. Этот процесс получил название «Углежжение», и широко использовался для получения древесного угля («Реконструкция углежжения на Урале» под редакцией акад. И.П. Бардина. Издательство АН СССР, 1941, Л.).

В существующих схемах пиролиза экзотермическое выделение тепла также происходит. Поскольку нагрев осуществляется продуктами сгорания, то выделение тепла за счет экзотермических процессов, как правило, остается незамеченным. Необходимо проведение специальных экспериментов, в рамках которых это выделение тепла при внешнем нагреве пиролизуемой массы будет обозначено. Эти опыты были выполнены в ОИВТ РАН.

Согласно литературным источникам и опытам, проведенным в ОИВТ РАН, при достижении температуры разогрева биомассы порядка 300°С, за счет экзотермических эффектов температура повышается до 550-800°С. А внутренняя энергия, выделяемая в результате экзотермической реакции, составляет около 1 МДж/кг («Реконструкция углежжения на Урале» под редакцией акад. И.П. Бардина. Издательство АН СССР, 1941, Л., Табакаев Р.Б., Астафьев А.В., Дубинин Ю.В., Языков Н.А., Яковлев В.А. «Исследование тепловых эффектов термодеструкции соломы для организации ее пиролитической переработки в автотермическом режиме» // В сборнике: Энергетика и энергосбережение: теория и практика. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. 2017. С. 173), что соизмеримо с энергией, необходимой для проведения процесса пиролиза.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение энергоэффективности и производительности установки пиролиза.

Техническая задача решается установкой пиролиза биомассы с использованием экзотермических эффектов, включающей пиролизную камеру, нагреваемую горячими дымовыми газами, поступающими из камеры сгорания, проходящими по наружному трубчатому теплообменнику, установленному снаружи пиролизной камеры.

Новым является то, что трубчатый теплообменник, установленный снаружи пиролизной камеры, выполнен трехсекционным: в первой секции происходит разогрев пиролизной камеры до температуры 300°С, во второй секции разогрев перерабатываемого сырья осуществляется за счет экзотермических процессов без подвода тепла извне, в третьей секции происходит нагрев биомассы выше температур 550-800°С.

Экспериментальное сравнение энергоэффективности процесса низкотемпературного пиролиза в реакторе с прямым нагревом гранулированного сырья бескислородным теплоносителем показало, что энергоэффективность процесса с использованием тепла экзотермической реакции в 3-4 раза выше, чем в реакторе с подавлением экзотермики. (Л.Б. Директор, В.М. Зайченко, Р.Л. Исьёмин, А.А. Чернявский, А.Л. Шевченко. «Сравнение эффективности реакторов низкотемпературного пиролиза биомассы» // Теплоэнергетика, 2020, №5, с. 1-10). В таблице 1 представлены результаты экспериментальных пусков реактора низкотемпературного пиролиза с подавлением экзотермического эффекта - вариант I и с использованием этого эффекта - вариант II.

В таблице 2 представлены данные по тепловому эффекту экзотермических реакций при термоконверсии различных видов биомассы, в сравнении с необходимой для нагрева этой биомассы с 300 до 800°С энергией, без учета теплопотерь. Из представленных данных видно, что выделяемая за счет экзотермики энергия практически полностью покрывает затраты тепловой энергии для дальнейшего разогрева.

Такая особенность процесса термоконверсии биомассы позволяет нагревать ее от внешнего источника тепла только до 300°С, при которой начинается активный саморазогрев биомассы за счет развития экзотермических реакций, и дальнейший подвод тепла извне уже не требуется.

На фиг. 1 изображена схема установки пиролиза биомассы с использованием экзотермических эффектов: 1 - загрузочный бункер, 2 - герметичное загрузочное устройство, 3 - реактор пиролиза, 4 - теплоизолированный корпус, 5 - первая секция кольцевого теплообменника, 6 - вторая секция кольцевого теплообменника, теплоизолированный участок, 7 - третья секция кольцевого теплообменника, 8 - герметичный дозатор выгрузки, 9 - выгружной бункер коксо-зольного остатка, 10 - камера сгорания, 11 - продукты сгорания, 12 - вывод пиролизных газов.

В известных конструкциях реактор пиролиза обогревается по всей высоте реакционного пространства. Т.е. вся зона, где происходит пиролиз и возникает экзотермический эффект, находится в зоне разогрева. С целью экономии затрат энергии на реакцию пиролиза предлагается ограничить зону разогрева до 300°С в первой секции 5, в которой экзотермический эффект получает активное развитие. Т.е. разогрев перерабатываемой биомассы на начальной стадии осуществляется за счет продуктов сгорания только до 300°С. Дальнейшее увеличение температуры процесса происходит за счет экзотермического выделения тепла в перерабатываемом материале. В зоне экзотермики, во второй секции теплообменника 6, реакционная труба теплоизолирована, что исключает теплообмен между образующимися продуктами пиролиза и окружающей средой. Данная конструкция обеспечивает сокращение расхода энергии на разогрев перерабатываемого сырья от температуры 300°С и до 550-800°С, до которых перерабатываемый материал может быть нагрет за счет внутренней энергии экзотермических реакций.

Биомасса различных видов характеризуется разным уровнем выделяемой экзотермической энергии. Как правило, максимальная температура разогрева для различных видов биомасс находится в интервале температур 550-800°С. Уровень температуры, до которого может саморазогреться биомасса, зависит от вида биомассы и качества теплоизоляции реактора пиролиза. В случае если необходимо нагреть перерабатываемый материал до более высоких температур, то в реактор пиролиза после теплоизолированной секции добавляется еще одна нагревательная секция, в которой нагрев осуществляется за счет продуктов сгорания с более высокой температурой, обеспечивающей нагрев перерабатываемой биомассы до требуемого температурного уровня.

Установка работает следующим образом (см. фиг. 1). Из загрузочного бункера 1 через герметичное загрузочное устройство 2 исходная биомасса поступает в цилиндрический реактор пиролиза 3, обогреваемый продуктами сгорания 11, поступающими из камеры сгорания 10. Тепло от продуктов сгорания подводится к перерабатываемой биомассе через стенку кольцевого теплообменника 5 и 7. Коксо-зольный остаток через герметичный дозатор 8 выгружается в бункер 9. Образующиеся в результате термоконверии биомассы пиролизные газы 12 поступают на дальнейшую переработку с получением газового и жидкого топлива. Вся конструкция помещена в теплоизолированный корпус 4. Особенностью конструкции является теплоизолированный участок реактора 6, в котором разогрев перерабатываемой биомассы осуществляется за счет внутренней энергии экзотермических реакций без подвода внешнего тепла. Секция подогрева 7 используется, если требуется нагрев перерабатываемой биомассы выше температур 550-800°С.

Возможность получения заявленного результата демонстрируется примером, полученным на экспериментальном стенде ОИВТ РАН пиролиза гранулированной биомассы, реактор которого изготовлен из стальной трубы диаметром 63 мм и длиной 850 мм. Первая секция реактора 500 мм обогревается 2 кВт нагревателем, остальная часть 350 мм - вторая секция теплоизолирована. Весь реактор также теплоизолирован для исключения теплообмена с окружающей средой. В качестве гранулированной биомассы использовались древесные пеллеты, движущиеся в реакторе со скоростью 6 см/мин. На фиг. 2 показано характерное распределение температуры по длине реактора в установившемся режиме. На выходе из обогреваемой секции температура пеллет достигла 280°С. При этом в древесной биомассе активизируются экзотермические реакции, и в следующей секции температура продолжает расти уже без подвода внешнего тепла, и достигает на выходе из реактора 600°С. Снижение энергозатрат на проведение пиролиза составило 58% по сравнению с прогревом реактора по всей длине при аналогичных условиях эксперимента.

Изобретение относится к энергетическим устройствам, предназначенным для пиролиза различных видов биомассы. Установка пиролиза биомассы с использованием экзотермических эффектов включает пиролизную камеру, нагреваемую горячими дымовыми газами, поступающими из камеры сгорания, проходящими по наружному трубчатому теплообменнику, установленному снаружи пиролизной камеры. Трубчатый теплообменник, установленный снаружи пиролизной камеры, выполнен трехсекционным: в первой секции происходит разогрев пиролизуемой биомассы до температур 300°С, во второй секции разогрев перерабатываемого сырья осуществляется за счет экзотермических процессов без подвода тепла извне, в третьей секции при необходимости происходит нагрев биомассы выше температур 550-800°С. Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности и производительности установки пиролиза. 2 табл., 2 ил.

Установка пиролиза биомассы с использованием экзотермических эффектов, включающая пиролизную камеру, нагреваемую горячими дымовыми газами, поступающими из камеры сгорания, проходящими по наружному трубчатому теплообменнику, установленному снаружи пиролизной камеры, отличающаяся тем, что трубчатый теплообменник, установленный снаружи пиролизной камеры, выполнен трехсекционным: в первой секции происходит разогрев пиролизуемой биомассы до температур 300°С, во второй секции разогрев перерабатываемого сырья осуществляется за счет экзотермических процессов без подвода тепла извне, в третьей секции при необходимости происходит нагрев биомассы выше температур 550-800°С.