Способ низкотемпературного пиролиза (отжига) биомассы

СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПИРОЛИЗА (ОТЖИГА) БИОМАССЫ Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в установках по производству высокосортного биотоплива из древесных отходов и отходов растениеводства, в частности предложен способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза,имеющего вертикально расположенные лотки, отличающийся тем, что реактор имеет как минимум два лотка, при этом температура процесса, протекающего на первой половине по ходу движения биомассы или на верхнем лотке, выше, чем температура процесса, протекающего на нижней половине или нижнем лотке, и предпочтительно составляет 260 и 240 С соответственно, а обогрев реактора осуществляется частично за счет газа, являющегося продуктом низкотемпературного пиролиза, выводимым из реактора и нагреваемым до необходимой температуры во внешнем устройстве, частично - высокотемпературным жидким теплоносителем, нагреваемым во внешнем устройстве. Реализация заявленного способа повышает энергоэффективность процесса низкотемпературного пиролиза биомассы. Исьемин Рафаил Львович, Кузьмин Сергей Николаевич, Коняхин Валентин Васильевич, Вирясов Дмитрий Михайлович, Милованов Олег Юрьевич, Михалв Александр Валерьевич (RU) Нилова М.И. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU) Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в установках по производству высокосортного биотоплива из древесных отходов и отходов растениеводства. Низкотемпературным пиролизом (отжигом) обычно называют процесс термической обработки различных целлюлозных материалов в инертной (то есть не содержащей кислорода) атмосфере для преобразования подобных материалов в более ценный продукт. Например, древесина, высушенная и нагретая до температуры от 200 до 290 С, представляет собой продукт с высоким содержанием углерода, обладающий нейтральной эмиссией углерода в атмосферу, высокой теплотворной способностью, очень низким содержанием влаги, является не гигроскопичной и не подвергается гниению. Известен способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза,имеющего вертикально расположенные лотки, включающий непрерывную подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора низкотемпературного пиролиза, так, чтобы биомасса попадала на верхний лоток из множества лотков, расположенных вертикально друг под другом внутри реактора; нагрев и сушку биомассы газом, вводимым в реактор, по мере ее движения по верхней поверхности каждого из лотков, не содержащим кислорода и находящимся под давлением не менее 20 бар избыточного давления и при температуре не менее 200 С, и каскадное движение биомассы вниз через лотки посредством перемещения через щели в каждом из лотков до попадания биомассы на нижележащий лоток; выгрузку термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора и циркуляцию газа, высвобождаемого на более низком уровне реактора в верхнюю часть реактора (Method and system for thetorrefaction of lignocellulosic material (патент США US 2012/0042567 A1). Причем в качестве газа, с помощью которого проводят термическую обработку биомассы, может применяться водяной пар, двуокись углерода или азот. Данный способ низкотемпературного пиролиза характеризуется низкой энергоэффективностью,низкой надежностью, его реализация может представлять угрозу для окружающей среды. Низкая энергоэффективность процесса обусловлена необходимостью применения инертных газов,вводимых в процесс из вне в холодном состоянии и требующих подогрева во внешнем источнике тепла для достижения температуры, необходимой для протекания процесса низкотемпературного пиролиза. Низкая надежность и экологическая опасность процесса обусловлена применением инертных газов,находящихся под высоким давлением, что требует особого уплотнения узлов ввода и вывода биомассы. Нарушение герметичности упомянутых узлов неизбежно приводит к выбросам газообразных продуктов низкотемпературного пиролиза в атмосферу, потерям теплоносителя и остановке реактора. Наиболее близким к предлагаемому, прототипом, является способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза, имеющего вертикально расположенные лотки, включающий непрерывную подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора низкотемпературного пиролиза, так, чтобы биомасса попадала на верхний лоток из множества лотков, расположенных вертикально друг под другом внутри реактора; нагрев и сушку биомассы газом, вводимым в реактор, по мере ее движения по верхней поверхности каждого из лотков, являющимся газообразным продуктом протекающего в реакторе процесса низкотемпературного пиролиза, не содержащим кислорода и находящимся под давлением, близким к атмосферному, ранее выведенным из ректора, осушенным и нагретым во внешнем устройстве до необходимой температуры и каскадное движение биомассы вниз через лотки посредством перемещения через щели в каждом из лотков до попадания биомассы на нижележащий лоток; выгрузку термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора (System and method for drying and torrefaction (патент США US 2010/0083530 A1) Недостатком способа является его низкая энергоэффективность, обусловленная тем, что при его реализации не учитывается двухстадийность процесса низкотемпературного пиролиза некоторых видов биомассы, например соломы, при температуре выше 250 С. Описание фигур Фиг. 1. Изменение безразмерной массы образца от температуры и времени обработки в полулогарифмических координатах. Фиг. 2. Зависимость продолжительности первой стадии процесса от температуры. Фиг. 3. Зависимость энергоэффективности процесса от температуры и продолжительности обработки при осуществлении процесса в одну стадию. Фиг. 4. Зависимость энергоэффективности процесса от температуры и продолжительности обработки при осуществлении процесса в две стадии. Фиг. 5. Схема реактора для предлагаемого способа низкотемпературного пиролиза. На фиг. 1 в полулогарифмических координатах представлено изменение безразмерной массы подвергаемого низкотемпературному пиролизу образца соломы от времени обработки при различной температуре. Здесь W - текущая масса образца, М 0 - начальная масса образца, МСоо - масса образца после завершения пиролиза. Из фиг. 1 четко видно, что при температуре выше 250 С процесс идет в две стадии, причем до температуры 340 С продолжительность первой стадии значительно превышает продолжительность второй стадии. Очевидно, на первой стадии протекает удаление летучих веществ из биомассы, прежде всего влаги, а на второй стадии протекает частичное разложение твердой массы и переход ее в газообразную форму. Продолжительность первой стадии уменьшается с ростом температуры процесса до тех пор, пока последняя не достигнет 300 С и выше (фиг. 2). Если процесс вести в одну стадию, т.е. обеспечивать очень высокую скорость нагрева биомассы, то энергоэффективность процесса, определяемая как отношение тепловой энергии, содержащейся в обработанной биомассе, к затраченной тепловой энергии на процесс, будет низкой. На фиг. 3 представлена зависимость энергоэффективности процесса от температуры при одностадийном его осуществлении (высокая скорость нагрева биомассы). Как видно из этой фигуры, энергоэффективная область ведения процесса является очень узкой по времени, за это время полностью осуществить процесс низкотемпературного пиролиза невозможно: при температуре процесса 240-300 С из биомассы будет удалена только влага, а разложение целлюлозы не будет иметь места. Следовательно, при ведении процесса в одну стадию нельзя будет обеспечить влагостойкость обработанной биомассы и устойчивость ее к гниению. При осуществлении процесса в две стадии можно достичь полного завершения процесса низкотемпературного пиролиза и добиться его высокой энергоэффективности (фиг. 4). Из фиг. 4 видно, что энергоэффективность процесса снижается с повышением температуры процесса. Из фиг. 4 также видно, что для обеспечения высокой энергоэффективности процесс низкотемпературного пиролиза необходимо вести при разной температуре на разных стадиях: на первой стадии при более высокой температуре, а на второй - при более никой температуре. В таблице приведены расчетные значения потери массы и энергоэффективности процесса низкотемпературного пиролиза при различных вариантах его осуществления. Сравнение энергоэффективных характеристик процесса низкотемпературного пиролиза при различных вариантах его осуществления Как видно из таблицы, энергоэффективность процесса резко, более чем на 10%, повышается, если процесс низкотемпературного пиролиза вести в две стадии, причем на первой стадии поддерживать температуру 260 С, а на второй - 240 С. Технической задачей настоящего изобретения является повышение энергоэффективности процесса низкотемпературного пиролиза биомассы. Указанная цель достигается тем, что реализуется способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза, имеющего вертикально расположенные лотки, включающий непрерывную подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора низкотемпературного пиролиза, так,чтобы биомасса попадала на верхний лоток из множества лотков, расположенных вертикально друг под другом внутри реактора; нагрев и сушку биомассы газом, вводимым в реактор, по мере ее движения по верхней поверхности каждого из лотков, являющимся газообразным продуктом протекающего в реакторе процесса низкотемпературного пиролиза, не содержащим кислорода и находящимся под давлением,близким к атмосферному, ранее выведенным из ректора, осушенным и нагретым во внешнем устройстве до необходимой температуры и каскадное движение биомассы вниз через лотки посредством перемещения через щели в каждом из лотков до попадания биомассы на нижележащий лоток; выгрузку термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора, отличающийся тем, что с целью повышения энергоэффективности процесса реактор имеет четное количество лотков, т.е. как минимум два лотка, при этом температура процесса, протекающего на первой половине по ходу движения биомассы или на верхнем лотке, выше, чем температура процесса, протекающего на нижней половине или нижнем лотке, и предпочтительно составляет 260 и 240 С соответственно, а обогрев реактора осуществляется частично за счет газа, являющегося продуктом низкотемпературного пиролиза, выводимым из реактора и нагреваемым до необходимой температуры во внешнем устройстве, частично высокотемпературным жидким теплоносителем, нагреваемым во внешнем устройстве. Регулирование температуры процесса, протекающего на первой половине и на второй половине по ходу движения лотков, регулируется путем впрыска необходимого количества воды в поток газа, подаваемый в реактор для пиролиза биомассы. Кроме того, процесс осуществляется в реакторе, который кроме упомянутых выше лотков снабжен по крайней мере одним лотком с биомассой, охлаждаемой через стенки реактора водой. На фиг. 5 изображена схема реактора, в котором может быть осуществлен предлагаемый способ низкотемпературного пиролиза биомассы. Реактор состоит из вертикального корпуса 1, имеющего в верхней части узел загрузки 2, а в нижней части узел выгрузки 3 биомассы. В корпусе 1 реактора имеется по крайней мере два лотка 4 и 5, на которых осуществляется процесс низкотемпературного пиролиза. Лотки имеют перфорацию 6 со стороны,обращенной к обрабатываемой биомассе. Лотки 4 и 5 имеют рубашки 7 и 8, в которые поступает газообразный теплоноситель, являющийся рециркулируемым газообразным продутом пиролиза, нагреваемым во внешнем устройстве (на схеме не показано). Лотки имеют отверстия для выгрузки биомассы на нижний лоток (на схеме не показаны). В рубашке 8 нижнего лотка 5 имеется штуцер ввода воды 9. Над лотками 4 и 5 расположены патрубки 10 для вывода газообразных продуктов пиролиза. По вертикальной оси реактора установлен вал мешалки с лопастями 11 и приводом 12. Корпус 1 над лотками 4 и 5 снабжен рубашкой 13 для приема высокотемпературного теплоносителя.В нижней части реактора расположен лоток 14, снабженной рубашкой 15 для приема охлаждающей воды. Способ низкотемпературного пиролиза (отжига) биомассы реализуется следующим образом. В рубашку 13 корпуса 1 реактора подается высокотемпературный теплоноситель, нагретый во внешнем устройстве (на схеме не показано). После достижения в рабочем объеме реактора необходимой температуры(предпочтительно 260 С) через узел 2 в реактор загружается исходная биомасса в виде гранул, щепы,опилок и т.п. Биомасса попадает на верхний лоток 4, по которому перемещается с помощью лопастей мешалки 11, вращаемой приводом 12. При нагреве биомассы из нее выделяются газообразные продукты,которые удаляются из реактора через патрубки 10. Часть этих газообразных продуктов пиролиза затем нагревается во внешнем устройстве до необходимой температуры и вновь возвращается в реактор. Для этого они подаются в рубашки 7 и 8 и через перфорацию 6 в лотках 4 и 5 поступают в зону реакции. При этом в рубашку нижнего лотка 5 через штуцер 9 подается вода, которая, попадая в поток газов с высокой температурой, испаряется и снижает температуру этих газов так, чтобы температура биомассы, обрабатываемой на лотке 5, была ниже, чем температура биомассы на лотке 4. Предпочтительно эта температура должна быть 240 С. Таким образом, в реакторе создаются условия для протекания процесса низкотемпературного пиролиза в две стадии. На лотке 4 идет первая стадия пиролиза, а лотке 5 - вторая стадия. Это, как было показано выше, обеспечивает максимальную энергетическую эффективность процесса. Обработанная биомасса затем с лотка 5 выгружается на лоток 14, в рубашку 15 которого подается охлаждающая вода. Охлажденная до необходимой температуры (предпочтительно 100 С) биомасса выгружается из реактора и направляется потребителю или на дальнейшую переработку (например, гранулирование). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для проведения низкотемпературного пиролиза биомассы, содержащее: вертикальный корпус, снабженный рубашкой для высокотемпературного жидкого носителя и загрузочным узлом в верхней части; по меньшей мере два лотка, расположенных друг под другом, причем каждый лоток снабжен рубашкой для подачи газообразного теплоносителя, при этом в лотках выполнены отверстия для подачи указанного газообразного теплоносителя в зону обрабатываемого материала и отверстия для каскадного перемещения биомассы на расположенный ниже лоток; средство для перемещения биомассы на нижний лоток. 2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее по меньшей мере один дополнительный нижний охлаждаемый лоток, снабженный рубашкой для приема охлаждающей воды. 3. Способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза по п.1,включающий: непрерывную подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора на верхний из множества лотков, расположенных вертикально друг под другом внутри реактора; сушку и пиролиз биомассы путем нагрева теплоносителем, причем в качестве теплоносителей используют:(а) газ, который представляет собой газообразный продукт протекающего в реакторе процесса низкотемпературного пиролиза, который выводят из реактора, сушат и нагревают во внешнем устройстве до необходимой температуры и подают в рубашку для газообразного теплоносителя, и(б) высокотемпературный жидкий теплоноситель, нагреваемый во внешнем устройстве, который подают в рубашку для высокотемпературного теплоносителя; каскадное перемещение биомассы при помощи средств для перемещения биомассы вниз через лотки через отверстия в каждом из лотков с попаданием биомассы на нижележащий лоток; выгрузку термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора; при этом температуру процесса, протекающего на стадии удаления летучих веществ, поддерживают выше температуры процесса, протекающего на стадии разложения биомассы. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ осуществляют в реакторе, который дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный нижний охлаждаемый лоток, снабженный рубашкой для приема охлаждающей воды. 5. Способ по пп.1-4, согласно которому температуру на стадии удаления летучих веществ поддер-3 023153 живают равной 260 С, а на стадии разложения биомассы равной 240 С.