Установка для получения гранулированного торрефицированного биотоплива Российский патент 2024 года по МПК C10B49/02 C10B53/02 C10L5/44 C10L5/02 F22B1/02 F26B3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

Известна установка для торрефикации биомассы, включающая устройство для сушки исходной биомассы, устройство для подготовки биомассы к гранулированию, реактор для термической обработки биомассы, печь для производства тепловой энергии, необходимой для термической обработки биомассы, устройство для охлаждения и увлажнения термически обработанной биомассы перед гранулированием, пресс для производства гранул из термически обработанной биомассы [System and method for torrefaction and processing of biomass: WO2011119470, МПК C10L 5/00, F23G 5/04; опубл. 29.09.2011].

Недостатком установки является ее низкая энергоэффективность. Действительно, к примеру, древесная биомасса имеет исходную влажность примерно 45 %. После сушки ее влажность может быть снижена до 20 %. После торрефикации влажность биомассы снижается до 1 -3 %. Из биомассы с такой влажностью получить гранулы невозможно. Поэтому, влажность биомассы должна быть повышена до 8 – 14 % за счет добавления воды или водяного пара в специальное устройство пресс-гранулятора.

При сушке биомассы или ее торрефикации основные затраты энергии связаны с испарением избыточной влаги, содержащейся в биомассе. Если биомасса после термической обработки имеет влажность 1 – 3 %, а затем ее влажность при гранулировании опять приходиться повышать до 8 – 14 %, то это означает, что 7 – 13 % влаги, содержащейся в биомассе, удаляются напрасно, что вызывает перерасход энергии на весь процесс.

Известна установка для торрефикации биомассы, включающая оборудование для сушки исходной биомассы, устройство для подготовки биомассы к гранулированию, реактор в виде вертикальной многосекционной печи для термической обработки биомассы, в которой перемещение биомассы осуществляется с помощью горизонтальных лопастей мешалки, установленных на вертикальном валу по продольной оси реактора, печь для производства тепловой энергии, необходимой для термической обработки биомассы, пресс для производства гранул из термически обработанной биомассы [Process and apparatus for making a densified torrefied fuel: US20030221363, МПК C10L 5/06, C10L 5/40, C10L 5/44; опубл. 04.12.2003]

Однако, указанная установка также обладает низкой энергоэффективностью, поскольку торрефикация биомассы осуществляется до ее гранулирования, т.е. требуется напрасно удалять 7 – 13 % влаги в биомассе (применительно к древесной биомассе).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является установка для торрефикации биомассы, включающая устройство для сушки биомассы, устройство для подготовки биомассы к гранулированию, реактор для торрефикации биомассы, печь для производства тепловой энергии для торрефикации биомассы, устройство для гранулирования биомассы, устройство для охлаждения гранулированной биомассы, устройство для отделения мелких частиц (несгранулированной) биомассы от гранулированной биомассы, причем устройство для гранулирования биомассы, устройство для охлаждения гранулированной торрефицированной биомассы, устройство для отделения мелких частиц (несгранулированной) биомассы от гранулированной биомассы установлены перед реактором для торрефикации биомассы, который выполнен в виде вертикальной многосекционной печи, в которой перемещение биомассы осуществляется с помощью горизонтальных лопастей мешалки, установленных на вертикальном валу по продольной оси реактора для торрефикации биомассы, а сам реактор нагревается промежуточным теплоносителем (термомаслом), в свою очередь нагреваемом в печи для производства тепловой энергии для торрефикации биомассы [Система для получения гранулированного термически обработанного биотоплива: Евразийский патент № 023185, МПК C10L 5/44, C10L 5/40, C10L 5/04; опубл. 31.05.2016].

Недостатком этого технического решения является низкая энергоэффективность, поскольку в печи нагревается термомасло до температуры выше 320 ºС для теплообеспечения процесса торрефикации, т.е. уходящие дымовые газы печи имеют температуру выше 400 ºС, что обуславливает высокие потери тепла в печи с уходящими дымовыми газами.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей изобретения является повышение энергоэффективности установки для получения гранулированного торрефицированного биотоплива.

Техническим результатом изобретения является полное или частичное самообеспечение электроэнергией процесса производства гранулированного торрефицированного биотоплива.

Это достигается тем, что установка для получения гранулированного торрефицированного биотоплива состоит из включенных последовательно своими первыми выходами устройства для сушки биомассы, устройства для подготовки биомассы к гранулированию, устройства для гранулирования биомассы, устройства для охлаждения гранулированной биомассы, устройства для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, реактора для торрефикации гранулированной биомассы, устройства для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы, устройства для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, печи, соединенной своими первыми выходом и входом с соответствующими выходом и входом реактора, согласно изобретению снабжена испарителем, турбогенератором, теплообменником и первым и вторым насосами, при этом печь соединена своим вторым выходом с первым входом испарителя, который последовательно включен с турбогенератором и первым входом теплообменника, который первым своим выходом соединён с первым насосом, а вторым выходом с устройством для сушки, которое в свою очередь вторым выходом соединено со вторым насосом, выход которого подключен к второму входу теплообменника, при этом второй выход устройства, подключен к второму входу устройства, а первый выход устройства соединён с третьим входом устройства.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема когенерационной установки для получения гранулированного торрефицированного биотоплива и приняты следующие обозначения:

1 – устройство для сушки биомассы,

2 – устройство для подготовки биомассы к гранулированию,

3 – устройство для гранулирования биомассы,

4 – устройство для охлаждения гранулированной биомассы,

5 – устройство для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование,

6 – реактор для торрефикации гранулированной биомассы,

7 – устройство для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы,

8 – устройство для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование,

9 – печь для производства тепловой энергии, необходимой для торрефикации гранулированной биомассы,

10 – испаритель для нагрева низкокипящей жидкости и получения из нее пара,

11 – турбогенератор для генерации электрической энергии с помощью пара низкокипящей жидкости,

12 – теплообменник для охлаждения отработанного пара низкокипящей жидкости водой,

13 – первый насос для возврата сконденсированного пара низкокипящей жидкости в испаритель 10,

14 – второй насос для подачи воды, нагретой в теплообменнике 12 для охлаждения отработанного пара низкокипящей жидкости в устройство 1 для сушки биомассы.

Осуществление изобретения

Установка для получения гранулированного торрефицированного биотоплива состоит из включенных последовательно своими первыми выходами устройства 1 для сушки биомассы, устройства 2 для подготовки биомассы к гранулированию, устройства 3 для гранулирования биомассы, устройства 4 для охлаждения гранулированной биомассы, устройства 5 для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, реактора 6 для торрефикации гранулированной биомассы, устройства 7 для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы, устройства 8 для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование. Печь 9 для производства тепловой энергии, необходимой для торрефикации гранулированной биомассы, соединена своими первыми выходом и входом с соответствующими выходом и входом реактора 6, а вторым выходом с первым входом испарителя 10, который последовательно включен с турбогенератором 11 и первым входом теплообменника 12, который первым своим выходом соединён с насосом 13, а вторым выходом с устройством 1 для сушки, которое в свою очередь вторым выходом соединено с насосом 14, выход которого подключен к второму входу теплообменника 12. При этом второй выход устройства 5, подключен к второму входу устройства 3, а первый выход устройства 8 соединён с третьим входом устройства 3. Устройства 5 и 3, а также 8 и 3 соединены пневмотранспортными линиями.

Устройство 1 для сушки биомассы может быть выполнено в виде, например, барабанной печи косвенного нагрева, т.е. барабанной сушилки с рубашкой, в которую подается нагретая вода.

Устройство 2 для подготовки биомассы к гранулированию может быть выполнено в виде, например, молотковой дробилки.

Устройство 3 для гранулирования биомассы может быть выполнено в виде, например, пресса с матрицей и двумя роликами, которые прокатываются по матрице и проталкивают биомассу через фильеры матрицы и при этом ее сжимают до такой степени, что формируются гранулы необходимого диаметра и плотности.

Устройство 4 для охлаждения гранулированной биомассы может быть выполнено в виде, например, охладителя с наклонными лотками, по которым охлаждаемый материал движется на встречу потоку охлаждающего воздуха.

Устройство 5 для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование может быть выполнено в виде, например, грохота. При этом мелкие гранулы, собираемые в коробе под грохотом, могут пневмотранспортом возвращаться на повторное гранулирование и поступать на вход устройства 3 для гранулирования биомассы.

Реактор 6 для торрефикации гранулированной биомассы может быть выполнен в виде вертикальной многосекционной печи для термической обработки биомассы, в которой перемещение биомассы осуществляется с помощью горизонтальных лопастей мешалки, установленных на вертикальном валу по продольной оси реактора.

Устройство 7 для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы может быть выполнено в виде, например, охладителя с наклонными лотками, по которым охлаждаемый материал движется на встречу потоку охлаждающего воздуха.

Устройство 8 для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование может быть выполнено в виде, например, грохота. При этом мелкие гранулы, собираемые в коробе под грохотом, могут пневмотранспортом возвращаться на повторное гранулирование и поступать на вход устройства 3 для гранулирования биомассы.

Печь 9 для производства тепловой энергии, необходимой для торрефикации гранулированной биомассы, может быть выполнена в виде, например, котла, в котором происходит нагрев высокотемпературного теплоносителя (термомасла), используемого для непрямого обогрева реактора 6.

Испаритель 10 может иметь конструкцию, которая используется, например, в установке фирмы Triogen (http://www.triogen.nl/). В частности, испаритель 10 представляет собой вертикальный теплообменник с пучком труб, по которым движется низкокипящая жидкость. Пучок труб установлен перпендикулярно движению дымовых газов, выходящих из печи 9, которые движутся сверху вниз испарителя 10.

Турбогенератор 11 может иметь конструкцию, которая используется, например, в установке фирмы Triogen (http://www.triogen.nl/). В частности, турбогенератор ORC WB-1 может представлять собой турбину, на лопатки которой поступает пар низкокипящей жидкости, полученный в испарителе 10. Вал турбины объединен с валом электрогенератора. На валу турбины размещен электрогенератор, который вырабатывает электрическую энергию.

Теплообменник 12 для охлаждения отработанного пара низкокипящей жидкости может быть выполнен в виде трубчатого теплообменника, в котором пар низкокипящей жидкости подается в трубное пространство, а в межтрубное пространство подается с помощью насоса охлаждающая жидкость, например, вода или водный раствор этиленгликоля.

Предлагаемая установка работает следующим образом.

Исходная биомасса поступает в устройство 1 для сушки биомассы, затем в устройство 2 для подготовки биомассы к гранулированию, в котором биомасса измельчается. Измельченная биомасса поступает в устройство 3 для гранулирования биомассы, в котором формируются гранулы. Сформированные гранулы поступают в устройство 4 для охлаждения гранулированной биомассы, где их температура снижается со 100 – 110 °С до 45 – 50 °С. При этом гранулы приобретают необходимую прочность и пожаробезопасность при хранении в бункерах и буртах. Охлажденные гранулы поступают в устройство 5 для отделения из массы гранул мелких частиц, в котором в результате их грохочения отделяются мелкие частицы, которые возвращаются на повторное гранулирование в устройство 3 для гранулирования биомассы. Затем гранулы поступают в реактор 6 для торрефикации гранулированной биомассы. В реакторе 6, который обогревается промежуточным теплоносителем, например, термомаслом, в свою очередь, нагреваемым в печи 9, происходит торрефикация гранул, т.е. удаление влаги, частичное удаление кислорода и водорода. Из реактора 6 торрефицированные гранулы поступают в устройство 7 для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы, где они охлаждаются воздухом до температуры 45 – 50 °С, и в устройство 8, в котором происходит отделение из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование в устройство 3. На выходе из устройства 8 получают гранулированное торрефицированное биотопливо.

Торрефикация гранул в реакторе 6 происходит за счет тепла термомасла, нагретого в печи 9 до температуры 180 – 300 ºС за счет сжигания органического топлива. При такой температуре термомасла на выходе из печи 9 температура дымовых газов будет составлять 300 – 500 ºС. С такой температурой дымовые газы поступают в испаритель 10, в котором за счет тепла дымовых газов происходит испарение низкокипящей жидкости, например, толуола. Образующийся пар низкокипящей жидкости с давлением до 3 МПа поступает в турбогенератор 11, где приводит во вращение турбину, объединенную с валом электрогенератора. Таким образом происходит генерация электрической энергии, которая полностью или частично покрывает потребности в электроэнергии всей установки для торрефикации гранулированной биомассы. Отработанный пар низкокипящей жидкости из турбогенератора 11 поступает в теплообменник 12, в котором за счет воды или водного раствора этиленгликоля происходит охлаждение отработанного пара низкокипящей жидкости и его конденсация. Конденсат отработанного пара низкокипящей жидкости с помощью насоса 13 возвращается в испаритель 10. Нагретая в теплообменнике 12 вода или водный раствор этиленгликоля поступают в рубашку устройства 1 для сушки биомассы из которой возвращаются в теплообменник 12 с помощью насоса 14, за счет чего полностью или частично компенсируются энергозатраты на сушку исходной биомассы.

Таким образом обеспечивается полное или частичное самообеспечение электроэнергией процесса производства гранулированного торрефицированного биотоплива.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного производства, коммунального хозяйства и энергетики, в частности к устройствам для торрефикации биомассы и биоотходов для получения биотоплива, пригодного для производства тепловой и электрической энергии. Установка для получения гранулированного торрефицированного биотоплива состоит из включенных последовательно своими первыми выходами устройства (1) для сушки биомассы, устройства (2) для подготовки биомассы к гранулированию, устройства (3) для гранулирования биомассы, устройства (4) для охлаждения гранулированной биомассы, устройства (5) для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, реактора (6) для торрефикации гранулированной биомассы, устройства (7) для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы, устройства (8) для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование. Печь (9) для производства тепловой энергии, необходимой для торрефикации гранулированной биомассы, соединена своими первыми выходом и входом с соответствующими выходом и входом реактора (6), а вторым выходом с первым входом испарителя (10), который последовательно включен с турбогенератором (11) и первым входом теплообменника (12), который первым своим выходом соединён с насосом (13), а вторым выходом с устройством (1) для сушки, которое в свою очередь вторым выходом соединено с насосом (14), выход которого подключен к второму входу теплообменника (12). При этом второй выход устройства (5) подключен к второму входу устройства (3), а первый выход устройства (8) соединён с третьим входом устройства (3). Технический результат - самообеспечение электроэнергией процесса производства гранулированного торрефицированного биотоплива. 1 ил.

Установка для получения гранулированного торрефицированного биотоплива состоит из включенных последовательно своими первыми выходами устройства для сушки биомассы, устройства для подготовки биомассы к гранулированию, устройства для гранулирования биомассы, устройства для охлаждения гранулированной биомассы, устройства для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, реактора для торрефикации гранулированной биомассы, устройства для охлаждения торрефицированной гранулированной биомассы, устройства для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование, печи, соединенной своими первыми выходом и входом с соответствующими выходом и входом реактора, отличающаяся тем, что снабжена испарителем, турбогенератором, теплообменником и первым и вторым насосами, при этом печь соединена своим вторым выходом с первым входом испарителя, который последовательно включен с турбогенератором и первым входом теплообменника, который первым своим выходом соединён с первым насосом, а вторым выходом с устройством для сушки, которое в свою очередь вторым выходом соединено со вторым насосом, выход которого подключен к второму входу теплообменника, при этом второй выход устройства для отделения из массы гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование подключен к второму входу устройства для гранулирования биомассы, а первый выход устройства для отделения из массы торрефицированных гранул мелких частиц и возврата их на повторное гранулирование соединён с третьим входом устройства для гранулирования биомассы.