Способ пиролиза гранулированной биомассы в автотермальном режиме

Изобретение относится к способам термической обработки различных видов биомассы, в частности гранулированной биомассы - отходов сельского хозяйства, лесозаготовки, деревообработки. Способ включает: после активизации экзотермической реакции в результате терморазложения гемицеллюлозы подача греющего теплоносителя в реактор прекращается, а разогрев и пиролиз свежих порций биомассы происходит за счет тепла экзотермических реакций, переносимого от нижних разогретых слоев к верхним слоям загружаемой гранулированной биомассы пиролизными газами и водяным паром, поднимающимся из секции охлаждения, благодаря чему устанавливается автотермальный режим. Причем термообработанные гранулы биомассы выгружаются в секцию охлаждения, где остывают без доступа кислорода за счет водяного мелкодисперсного орошения, а образующийся при этом перегретый водяной пар, поднимаясь в зону пиролиза, обеспечивает дополнительный конвективный перенос тепла экзотермических реакций. Техническим результатом изобретения является получение твердого углеводородного топлива с повышенными технологическими характеристиками и проведение процесса пиролиза биомассы с минимальными энергетическими затратами.

 

Заявляемое техническое решение относится к способам термической переработки различных видов биомассы - отходов сельского хозяйства, лесозаготовки, деревообработки и т.п. - с целью получения твердого углеводородного топлива с повышенными теплотехническими характеристиками. Биомассу нагревают в бескислородной среде до температуры 250-300°С, выдерживают и охлаждают без доступа воздуха до температуры менее 100°С, чтобы не произошло возгорание торрефицированной продукции. В результате такой обработки на 20-25% повышается теплота сгорания биотоплива, на 20-30% уменьшается удельный вес, существенно снижается предел гигроскопичности, что значительно упрощает процессы хранения и транспортировки, которые не требуют соблюдения специальных условий, исключающих контакт топлива с окружающей средой.

Одной из главных причин отсутствия промышленно реализованной технологии торрефикации является тот факт, что несмотря на очевидную выгодность использования торрефицированного биотоплива в энергетических установках, затраты на его получение не окупаются преимуществами конечного продукта.

При пиролизе биомассы, в частности древесины, в интервале температур 250-300°С происходят реакции термического распада гемицеллюлозы, сопровождающиеся выделением тепла. В зависимости от вида перерабатываемой биомассы, за счет экзотермического разогрева может дополнительно выделяться до 1.5 МДж/кг тепловой энергии, что, для некоторых видов биомассы может обеспечить процесс прогрева и пиролиза биомассы за счет выделения внутреннего тепла в автотермальном режиме.

Эффект экзотермического выделения тепла при пиролизе биомассы известен достаточно давно. В середине предыдущего столетия этот эффект активно использовался при получении древесного угля в процессе углежжения. Древесина частично сжигалась для нагрева до температуры, при которой начинался процесс экзотермического выделения тепла. Затем доступ воздуха к перерабатываемой биомассе прекращался и завершение процесса углежжения происходило за счет экзотермических реакций [В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий «Технология пирогенетической переработки древесины», М. Гослесбумиздат, 1954, стр. 64].

Известны схемы осуществления процесса пиролиза, в частности торрефикации, в которых с целью построения экономически эффективной схемы процесса для нагрева перерабатываемого материала используются продукты сгорания газопоршневой электростанции или мини-ТЭЦ. Патент РФ RU 136801.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ низкотемпературного пиролиза биомассы (торрефикации) реализованный в конструкции устройства торрефикации, описанной в патенте РФ RU 175131 U1, 09.12.2016, представляющем энерготехнологический комплекс, содержащий газопоршневой энергоблок (ГПЭ) и программатор, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, исполнительный механизм регулирования расхода топлива в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,00, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор термической конверсии биомассы, снабженный устройствами загрузки-выгрузки, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. Причем, реактор снабжен датчиком температуры и исполнительным механизмом, управляющим действием разгрузочного устройства, который при самопроизвольном разогреве биомассы осуществляет частичную выгрузку перерабатываемой биомассы в зону охлаждения, при этом оставшаяся в реакторе часть биомассы, в которой происходят реакции экзотермического разогрева, обеспечивает непрерывность экзотермического разогрева загружаемых слоев перерабатываемого сырья.

Существенным недостатком этого технического решения является необходимость постоянной подачи продуктов сгорания как в зону торрефикации, так и в секцию охлаждения в качестве охлаждающего бескислородного агента. И, как следствие, наличие в системе постоянного источника бескислородного теплоносителя и охлаждающего агента - в конкретном решении продуктов сгорания после ГПЭ.

Целью заявляемого способа является организация автотермального режима пиролиза биомассы, т.е. без подвода внешнего тепла. Поставленная цель достигается тем, что при определенном температурном уровне выделяющееся тепло экзотермических реакций оказывается достаточным для прогрева свежих порций загружаемой биомассы, а для охлаждения выгружаемой продукции в бескислородной среде используется мелкодисперсное водяное орошение. Образующийся при этом перегретый водяной пар поднимается в зону пиролиза и обеспечивает дополнительный конвективный теплообмен между разогретыми за счет экзотермических реакций слоями гранулированной биомассы и свежими порциями загружаемого сырья.

При экспериментальной апробации разрабатываемого процесса, выполненного в ОИВТ РАН, было выявлено, что после активизации экзотермической реакции в зоне торрефикации при определенном температурном уровне подачу горячих продуктов сгорания можно было отключить, а охлажденные в теплообменнике отходящие от ГПУ газы использовались только как охлаждающий агент в секции охлаждения. В предлагаемом решении охлаждение торрефицированной биомассы перед выгрузкой в атмосферу осуществляется мелкодисперсным водяным орошением, что позволяет отказаться от постоянного источника бескислородного теплоносителя и охлаждающего газообразного агента. Внешний источник тепла в предлагаемом способе нужен только на начальном этапе для запуска процесса пиролиза.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных в Объединенном Институте высоких температур РАН, и анализ литературных данных показывают, что параметры экзотермической реакции в значительной степени могут быть различными для разных видов биомассы. В частности, древесина, ель, ольха, береза и т.д. имеют различные параметры экзотермического разогрева. При термической переработке сельскохозяйственных отходов энергия экзотермического выделения тепла различается для различных видов сельскохозяйственных отходов. И, следовательно, предлагаемый способ применим для пиролиза определенных видов биомассы, в которых тепла экзотермических реакций достаточно для организации и поддержания автотермального режима, таких как, например, отходы древесины хвойных пород, лузга подсолнечника, солома и т.п.

Управление процессом пиролиза осуществляется за счет регулирования скорости загрузки/выгрузки гранулированной биомассы и расходом охлаждающей воды через форсунки мелкодисперсного распыла.

Заявляемый способ позволяет проводить процесс пиролиза биомассы с минимальными энергетическими затратами.

Способ термической обработки гранулированной биомассы, отличающийся тем, что после активизации экзотермической реакции в результате терморазложения гемицеллюлозы подача греющего теплоносителя в реактор прекращается, а разогрев и пиролиз свежих порций биомассы происходит за счет тепла экзотермических реакций, переносимого от нижних разогретых слоев к верхним слоям загружаемой гранулированной биомассы пиролизными газами и водяным паром, поднимающимся из секции охлаждения, благодаря чему устанавливается автотермальный режим, причем термообработанные гранулы биомассы выгружаются в секцию охлаждения, где остывают без доступа кислорода за счет водяного мелкодисперсного орошения, а образующийся при этом перегретый водяной пар, поднимаясь в зону пиролиза, обеспечивает дополнительный конвективный перенос тепла экзотермических реакций.