Установка для торрефикации биоотходов и генерации электроэнергии Российский патент 2025 года по МПК C10B51/00 C10L5/44 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области коммунального хозяйства, сельскохозяйственного производства и энергетики, в частности к устройствам для торрефикации биоотходов и производства электроэнергии.

Уровень техники

Известен комплекс оборудования для торрефикации биомассы, состоящий из двух реакторов для торрефикации биомассы, в первом из которых по направлению движения исходной биомассы происходит ее сушка и частичная торрефикация, а втором реакторе происходит завершение процесса торрефикации биомассы (Method and device for treating biomass: WO 2012102617 A1, дата публ. 02.08.2012, МПК C10B49/02, C10B53/02, C10B57/02, C10L5/40, C10L5/44, C10L9/083, Y02E50/10).

Недостатком комплекса оборудования является его низкая энергоэффективность. Низкая энергоэффективность комплекса оборудования обусловлена тем, что тепловой потенциал газообразных продуктов торрефикации, включая испаренную при торрефикации влагу, не используется.

Известен комплекс оборудования для торрефикации биомассы, включающий реактор для торрефикации биомассы и блок для выделения смолы, содержащейся в газообразных продуктах торрефикации, включая испаренную при торрефикации влагу (Torrefaction biomass manufacturing equipment: Патент KR 101894817, дата публ. 15.12.2017 МПК C10L 5/44 C10B 53/02).

Недостатком комплекса является его низкая энергоэффективность, т.к. тепловой потенциал газообразных продуктов торрефикации, включая испаренную влагу, не используется.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является комплекс оборудования для генерации электрической энергии за счет сжигания биоотходов, включающий топку для сжигания биоотходов, парогенератор, заполненный высокотемпературным теплоносителем, в который погружены дымогарные трубы, по которым движутся топочные газы, совершая в пределах парогенератора три хода, а также трубы, в которых генерируется пар для парового двигателя с электрогенератором, конденсатор для охлаждения отработанного водяного пара, устройство для очистки конденсата от масла и устройства для возврата конденсата в парогенератор (Flemming A. Dampfkraftwerke mit Wäärmebatterien zur CO₂-neutralen Energieversorgung // Brauwelt, №5, 2024. P.165-170).

Недостатками комплекса оборудования являются низкая надежность и энергоэффективность вследствие следующего:

- образование на конвективных поверхностях нагрева отложений золы и коррозии конвективных поверхностей нагрева ввиду наличия в отходах растениеводства (соломы, костры льна, лузги подсолнечника и т.п.) щелочных и щелочноземельных металлов, а также хлора;

- высокие затраты тепловой энергии на нагрев и испарение конденсата.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является повышение эффективности и надежности установки для торрефикации биоотходов и выработки электроэнергии.

Техническим результатом изобретения является снижение скорости роста отложений золы и коррозии конвективных поверхностей нагрева, а также эффективное использование теплового потенциала смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, выделяющихся в процессе сушки и торрефикации биоотходов.

Это достигается тем, что установка для торрефикации и генерации электроэнергии, содержащая топку с парогенератором, соединённую с дымовой трубой, паровой двигатель, электрогенератор и конденсатор, согласно изобретению снабжена реактором для торрефикации и сушки биоотходов и устройством для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором 1, при этом топка с парогенератором соединена входом и выходом с соотвествующими входом и выходом реактора для торрефикации и сушки биоотходов трубопроводами, по которым циркулирует высокотемпературный жидкий теплоноситель, а другой выход реактора для торрефикации и сушки биоотходов соединён газоходом со входом устройства для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором, который своим свободным выходом соединён трубопроводом подачи смеси перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации с паровым двигателем.

Также установка для торрефикации и генерации электроэнергии может быть снабжена теплообменником.

Кроме того, устройство для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором 1 может быть выполнено в виде парового инжектора.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлена общая схема установки для торрефикации биоотходов и выработки электроэнергии, и приняты следующие обозначения:

1 - топка с парогенератором 1;

2 - реактор для торрефикации и сушки биоотходов;

3 - устройство для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором 1;

4 - паровой двигатель;

5 - электрогенератор;

6 - дымовая труба;

7 - конденсатор.

На фиг. 2 представлена возможная схема топки и парогенератора в продольном разрезе, на фиг. 3 - возможная схема топки и парогенератора в поперечном разрезе, и приняты следующие обозначения:

8 - корпус топки и парогенератора;

9 - топка;

10 - короткие дымогарные трубы;

11 - длинные дымогарные трубы;

12 - дымоход;

13 - нижние перфорированные профили;

14 - верхние перфорированные профили;

15 - первая система труб;

16 - первый коллектор;

17 - вторая система труб;

18 - второй коллектор;

19 - первый топливный патрубок;

20 - второй топливный патрубок;

21 - задняя дымовая коробка;

22 - передняя дымовая коробка;

23 - отводящий штуцер;

24 - подводящий штуцер;

25 - подводящий патрубок;

26 - отводящий патрубок;

27 - теплообменник.

На фиг. 4 представлена возможная схема реактора 2 (см. фиг. 1) для торрефикации и сушки биоотходов, и приняты следующие обозначения:

28 - корпус реактора для торрефикации;

29 - узел загрузки исходных биоотходов;

30 - узел выгрузки торрефицированных биоотходов;

31, 32 - лотки для торрефикации;

33 - лоток для охлаждения торрефицированных биоотходов;

34 - форсунка для подачи охлаждающей воды;

35 - мешалка, для перемещения биоотходов по лоткам 4, 5 и 6;

36 - вал мешалки с электроприводом;

37 - газоход для удаления смеси водяного пара и газообразных продуктов торрефикации;

38, 39 - трубопроводы для подвода и отвода высокотемпературного жидкого теплоносителя;

40, 41 - трубопроводы для подвода и отвода охлаждающей воды.

Осуществление изобретения

Установка для торрефикации биоотходов и выработки электроэнергии (см. фиг. 1) состоит из топки с парогенератором 1, в которых за счет сжигания органического топлива, например, торрефицированных биоотходов, происходит нагрев высокотемпературного жидкого теплоносителя и генерация водяного пара высокого давления, реактора 2 для торрефикации и сушки биоотходов, устройства 3 для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, образующейся при сушке и торрефикации биоотходов, в топку с парогенератором 1, парового двигателя 4, электрогенератора 5, дымовой трубы 6 и конденсатора 7.

Топка с парогенератором 1 соединена с дымовой трубой 6. Топка с парогенератором 1 соединена входом и выходом с соотвествующими входом и выходом реактора 2 для торрефикации и сушки биоотходов трубопроводами, по которым циркулирует высокотемпературный жидкий теплоноситель, а другой выход реактора 2 для торрефикации и сушки биоотходов соединён газоходом со входом устройства 3 для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором 1, который своим свободным выходом соединён трубопроводом подачи смеси перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации с паровым двигателем 4.

Установка для торрефикации биоотходов и генерации электроэнергии может быть реализована следующим образом.

Топка и парогенератор 1 на фиг. 1 могут быть объединены в одно целое устройство. Это устройство (см. фиг. 2, 3) состоит из цилиндрического корпуса 8, в котором расположена топка 9, которая вместе с системой коротких 10 и длинных 11 дымогарных труб, а также дымоходом 12, по которому дымовые газы удаляются из топки 9 в дымовую трубу (на фиг. 2, 3 не показана) и теплообменником 27, образуют парогенератор.

Пространство между топкой 9, короткими 10 и длинными 11 дымогарными трубами, теплообменником 27 и дымоходом 12 заполнено высокотемпературным жидким теплоносителем.

В нижней части топки 9 расположена воздухораспределительная решетка, состоящая из нижних перфорированных профилей 13 и верхних перфорированных профилей 14. Причем верхние перфорированные профили 14 имеют округлую форму. Нижние перфорированные профили 13 посредством первой системы труб 15 через первый коллектор 16 связаны с дутьевым вентилятором (на фиг. 2, 3 не показан) для подачи первичного воздуха. Верхние перфорированные профили 14 посредством второй системой труб 17 через второй коллектор 18 связаны с дутьевым вентилятором (на фиг. 2, 3 не показан) для подачи вторичного воздуха. В верхней части топки для подачи сыпучих видов биоотходов расположен первый топливный патрубок 19, который связан с системой подачи топлива (на фиг. 2, 3 не показана). Для подачи в топку несыпучих видов биоотходов служит второй топливный патрубок 20, который связан с системой подачи топлива (на фиг. 2, 3 не показана). На передней и задней стенках корпуса 8 расположены задняя дымовая коробка 21 и передняя дымовая коробка 22. В верхней части корпуса 8 расположен отводящий штуцер 23, по которому высокотемпературный жидкий теплоноситель, нагретый в корпусе 8, отводится в рубашку лотка 32 (фиг. 4) реактора 2 (фиг. 1) для торрефикации и сушки биоотходов, а в нижней части корпуса 8 расположен подводящий штуцер 24, по которому высокотемпературный жидкий теплоноситель поступает в цилиндрический корпус 8 из рубашки лотка 31 (фиг. 4) реактора 2 (фиг. 1) для торрефикации и сушки биоотходов.

На корпусе 8 расположены подводящий патрубок 25 и отводящий патрубок 26, которые используются для подвода в теплообменник 27 смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации и вывода из него смеси перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации.

Реактор 2 (см. фиг. 1, фиг. 4) для торрефикации и сушки биоотходов имеет вертикальный корпус 28, в верхней части которого расположен узел загрузки 29 исходных биоотходов, а в нижней - узел выгрузки 30 торрефицированных биоотходов.

Реактор 2 (фиг. 1) содержит не менее двух лотков 31 и 32, на которых происходит торрефикация биоотходов. Каждый из этих лотков снабжен рубашкой с высокотемпературным жидким теплоносителем, который подводится к рубашке лотка 32 по подводящему трубопроводу 38, а отводится из рубашки лотка 31 по отводящему трубопроводу 39.

Нижний лоток 33 служит для охлаждения торрефицированных биоотходов. В его рубашку подается охлаждающая вода по подводящему трубопроводу 40, а отводится по отводящему трубопроводу 41. Кроме того, лоток 33 имеет по крайней мере одну форсунку 34 для подачи тонкораспыленной воды.

Для перемещения биоотходов с верхних лотков 31 и 32 на нижний лоток 33 служит мешалка 35, лопасти которой установлены на валу 36 с электроприводом.

Смесь паров воды и газообразных продуктов торрефикации, образовавшихся в результате процесса сушки и торрефикации биоотходов, по газоходу 37 поступает через подводящий патрубок 25 (фиг. 2, 3) топки и парогенератора 1 (фиг. 1) в теплообменник 27 (фиг. 2, 3).

Установка для торрефикации биоотходов и генерации электроэнергии (фиг. 1) работает следующим образом.

В топку и парогенератор 1 подаются торрефицированные биоотходы, где они сжигаются, нагревая высокотемпературный жидкий теплоноситель, заполняющий корпус 28 топки и парогенератора 1.

В качестве высокотемпературного теплоносителя могут быть использованы теплоносители «Термолан» SH с максимальной температурой применения 360°С, «Термолан» N 350 с максимальной температурой применения 370°С, «Термолан» TX с максимальной температурой применения 345°С и другие теплоносители.

Высокотемпературный теплоноситель, нагретый до температуры 300-350°С, за счет естественной конвекции поступает в рубашку лотков 31 и 32 реактора 2 для торрефикации и сушки биоотходов.

Реактор 2 для торрефикации и сушки биоотходов (фиг. 4) работает следующим образом.

После подачи в рубашку лотков 31 и 32 высокотемпературного жидкого теплоносителя происходит, прогрев их внутреннего объема. После достижения температуры внутри лотков для торрефикации 31 и 32 выше 300°С в лоток для торрефикации 31 загружается порция исходных биоотходов через узел загрузки 29. После загрузки узел загрузки 29 исходных биоотходов закрывается.

В качестве биоотходов могут использоваться отходы растениеводства (солома), отходы перерабатывающей промышленности (лузга подсолнечника, проса, гречихи, риса и других культур), отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также некоторые виды коммунальных и бытовых отходов, которые в исходном состоянии находятся в твердом виде и представляют собой некую углеродосодержащую субстанцию.

За счет работы мешалки 35, установленной на валу 36, биоотходы перемещаются по лоткам для торрефикации 31 и 32. При этом происходит сушка и торрефикация биоотходов в смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, генерирующихся из биоотходов при их нагреве высокотемпературным жидким теплоносителем.

На лотке 33 торрефицированные биоотходы охлаждаются тонкораспыленной водой, подаваемой через, по крайней мере, одну форсунку 34.

При охлаждении тонкораспылённая вода контактирует с горячими торрефицированными биоотходами и испаряется, охлаждая торрефицированные биоотходы.

Охлажденные торрефицированные биоотходы выгружаются из реактора 2 через узел выгрузки 30 торрефицированных биоотходов.

При торрефикации биоотходов из них выделяется влага, кислород и, в незначительном количестве, водород. За счет этого происходит повышение теплоты сгорания биоотходов.

При охлаждении торрефицированных биоотходов тонкораспыленной водой процесс охлаждения совмещается с водной промывкой, благодаря чему в торрефицированных биоотходах снижается содержание хлора, а также щелочных и щелочноземельных металлов.

Смесь паров воды и газообразные продукты торрефикации, образовавшуюся в результате сушки и торрефикации биоотходов и с давлением практически равным атмосферному, по газоходу 37 удаляется из реактора 2 и направляются в топку и парогенератор 1.

Топка и парогенератор 1 (фиг. 2, 3), работают следующим образом.

В топку 9 через первый топливный патрубок 19 и второй топливный патрубок 20 подаются торрефицированные биоотходы, полученные в реакторе 2 для торрефикации и сушки биоотходов. Снизу через нижние и верхние перфорированные профили 13 и 14 соответственно посредством первой и второй системам труб 15 и 17 через первый и второй коллекторы 16 и 18 от дутьевого вентилятора подается воздух для первичного и вторичного дутья для поддержания процесса горения биоотходов.

При сгорании торрефицированных биоотходов выделяется тепловая энергия, за счет которой происходит, нагрев высокотемпературного жидкого теплоносителя, заполняющего корпус 8.

Для более быстрого и равномерного разогрева высокотемпературного жидкого теплоносителя топочные газы из топки 9 проходят по коротким 10 и длинным 11 дымогарным трубам, а по дымоходу 12 удаляются в дымовую трубу 6.

Для разворота дымовых газов на 180° служат задняя 21 и передняя 22 дымовые коробки.

Нагреваемый в корпусе 28 реактора для торрефикации высокотемпературный жидкий теплоноситель выводится из корпуса 28 за счет естественной конвекции или с использованием насоса и направляется через первый отводящий штуцер 23 в рубашку лотка 32 реактора 2 для торрефикации и сушки биоотходов, а из рубашки лотка 31 реактора 2 через первый подводящий штуцер 24 возвращается в корпус 28 топки и парогенератора 1.

Смесь паров воды и газообразных продуктов торрефикации, образовавшаяся в результате торрефикации и сушки биоотходов в реакторе 2 через подводящий патрубок 25 поступают в теплообменник 27. В теплообменнике 27, происходит нагрев смеси высокотемпературным жидким теплоносителем до температуры 300-350°С, вследствие чего давление смеси повышается до 7-18 МПа. Смесь перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации через отводящий патрубок 26 направляется в паровой двигатель 4.

Для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, образовавшихся в реакторе 2 и находящейся под давлением, близким к атмосферному, в теплообменник 27 топки и парогенератора 1, используется специальное устройство 3, например, паровой инжектор, для работы которого используется часть пара, произведенного в теплообменнике 27.

Смесь перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации с высоким давлением поступает в паровой двигатель 4 известной конструкции, который приводит в движение электрогенератор 5 известной конструкции. Отработанная смесь водяного пара и газообразных продуктов торрефикации конденсируется в конденсаторе 7 известной конструкции.

Торрефицированные биоотходы, благодаря удалению влаги и содержащегося в биоотходах кислорода, имеют теплоту сгорания на 20-30 % больше, чем теплота сгорания исходных биоотходов. При охлаждении торрефицированных биоотходов тонкораспыленной водой процесс охлаждения биоотходов совмещается с процессом водной промывки. Это позволяет более, чем в два раза снизить содержание в торрефицированных биоотходах хлора, соединений щелочных и щелочноземельных металлов, содержание которых приводит к образованию отложений на поверхностях нагрева и коррозии (Nebyvaev, A.; Klimov, D.; Ryzhenkov, A.; Brulé, M. Preliminary Results of Innovative Two-Stage Torrefaction Technology Applied for Thermochemical Treatment of Sunflower Husk // Processes, №11, 2023. P. 2486). Таким образом вследствие того, что биоотходы, используемые как топливо, прошли процесс торрефикации и водной промывки, при их сжигании на внутренней поверхности дымогарных труб, а также в дымоходе не образуются или образуются в незначительном количестве отложения золы, а также не происходит коррозия этих элементов конструкции, что значительно повышает надежность и эффективность работы установки в целом.

Исходные биоотходы, в том числе, отходы растениеводства, могут иметь достаточно высокую влажность, например, влажность костры льна в отвалах составляет 15-20%, влажность соломы озимых может превышать 17%, влажность лузги подсолнечника - 7-8%. Другие виды биоотходов, например, подстилочно-пометная масса, могут иметь влажность более 40%. После торрефикации влажность снижается до 3-4 %, т.е. в процессе торрефикации из биоотходов выделяется большое количество влаги, которая содержится в виде паров воды в смеси с газообразными продуктами торрефикации. При дальнейшем перегреве смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в парогенераторе требуется значительно меньшее количество тепловой энергии, так как теплота идет только на нагрев смеси, а не на нагрев воды и на процесс парообразование.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность и надежность установки для торрефикации биоотходов и выработки электроэнергии, снизить скорость роста отложений золы и коррозию конвективных поверхностей нагрева, а также эффективно использовать тепловой потенциал смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, выделяющихся в процессе сушки и торрефикации биоотходов.

Изобретение относится к области коммунального хозяйства, сельскохозяйственного производства и энергетики, в частности к устройствам для торрефикации биоотходов и производства электроэнергии. Установка для торрефикации и генерации электроэнергии содержит топку с парогенератором, соединённую с дымовой трубой, паровой двигатель, электрогенератор и конденсатор. Установка снабжена реактором для торрефикации и сушки биоотходов и устройством для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором. Топка с парогенератором соединена входом и выходом с соотвествующими входом и выходом реактора для торрефикации и сушки биоотходов трубопроводами, по которым циркулирует высокотемпературный жидкий теплоноситель. Другой выход реактора для торрефикации и сушки биоотходов соединён газоходом со входом устройства для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором, который своим свободным выходом соединён трубопроводом подачи смеси перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации с паровым двигателем. Изобретение обеспечивает снижение скорости роста отложений золы и коррозии конвективных поверхностей нагрева, а также эффективное использование теплового потенциала смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации, выделяющихся в процессе сушки и торрефикации биоотходов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Установка для торрефикации и генерации электроэнергии, содержащая топку с парогенератором, соединённую с дымовой трубой, паровой двигатель, электрогенератор и конденсатор, отличающаяся тем, что снабжена реактором для торрефикации и сушки биоотходов и устройством для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором, при этом топка с парогенератором соединена входом и выходом с соотвествующими входом и выходом реактора для торрефикации и сушки биоотходов трубопроводами, по которым циркулирует высокотемпературный жидкий теплоноситель, а другой выход реактора для торрефикации и сушки биоотходов соединён газоходом со входом устройства для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором, который своим свободным выходом соединён трубопроводом подачи смеси перегретого водяного пара и газообразных продуктов торрефикации с паровым двигателем.

2. Установка для торрефикации и генерации электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что снабжена теплообменником.

3. Установка для торрефикации и генерации электроэнергии по п.1 и 2, отличающаяся тем, устройство для ввода смеси паров воды и газообразных продуктов торрефикации в топку с парогенератором выполнено в виде парового инжектора.