способ пиролизной переработки биомассы с получением высококалорийных газообразного и жидкого топлив и углеродных материалов

Формула изобретения

Способ пиролизной переработки биомассы с получением высококалорийных газообразного и жидкого топлив и углеродных материалов, в котором исходную биомассу гранулируют, гранулированную биомассу подают в газоплотные шлюзовые затворы с регулируемой подачей из них биомассы в одну или несколько непрерывно действующих вертикальных металлических реторт, заключенных в общую теплоизоляционную оболочку, в которых биомасса гравитационно движется сверху вниз, с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, теплоту, необходимую для процесса пиролиза, передают биомассе через стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, движущихся снизу вверх по каналам обогрева реторт, отличающийся тем, что каналы обогрева реторт образованы соседними стенками реторт и стенками реторт и теплоизоляционной оболочкой, причем пиролизные газы, движущиеся внутри реторт сверху вниз, фильтруют через слой горячего угольного остатка в нижних частях реторт и затем выводят из реторт через каналы, по которым пиролизные газы направляют на конденсацию не разложившихся в процессе фильтрации конденсирующихся веществ пиролиза и охлаждение неконденсирующихся пиролизных газов, а охлажденные неконденсирующиеся пиролизные газы направляют на охлаждение угольного остатка, при этом поперечное сечение реторт выполняют прямоугольным с соотношением ширины к длине 1:5÷15, причем ширину выполняют размером не менее 8÷12 эквивалентных диаметров гранул биомассы, а управление соотношением газообразного и жидкого топлив осуществляют изменением температуры продуктов сгорания на входе в каналы обогрева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и производству углеродных материалов и может быть использовано для получения высококалорийных газообразного и жидкого топлив и углеродных материалов из биомассы.

Известен способ пиролизной переработки биомассы, в частности древесных опилок, путем нагрева их до температуры 600°С, при этом переработку выполняют в две стадии, на первой из которых выделяют летучие вещества, содержащие неконденсирующиеся газы (метан, моно- и диоксид углерода, водород и др.), пары смолистых веществ и подсмольную воду с уксусной кислотой, метанолом и другими высокомолекулярными соединениями, а на второй стадии осуществляют разложение смолистых веществ и веществ подсмольной воды с получением неконденсирующихся газов в слое огнеупорной крошки, древесного угля или полукокса при температуре слоя 950°С с последующей подачей газов в устройство конденсации, где получают топливный газ и небольшое количество жидкого топлива, причем нагрев слоя огнеупорной крошки, древесного угля или полукокса осуществляют продуктами сгорания пиролизных газов в воздухе (S.K.Chembukulam, S.D.Arunkumar et al. - Smokeless Fuel from Carbonized sawdust. - Industrial and Engineering Product Research and Development. - V.20, № 4, 1981, p.714-719). Недостатком этого способа является низкая калорийность газообразного топлива вследствие большого содержания в нем балластных газов - азота и диоксида углерода.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для пиролиза древесины и ее отходов, в котором пиролиз происходит в цилиндрических ретортах с уплотняющими верхними крышками, реторты установлены в пиролизной камере с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, а теплота пиролизируемой древесине передается через стенки реторт от продуктов сгорания, движущихся по каналам, образованным цилиндрическими стенками реторт и специальными направляющими элементами. Режим работы - непрерывный в целом и периодический по протеканию процесса в каждой реторте (патент РФ № 2237699, МПК С10В 53/02, прототип).

Недостатками этого способа является то, что в нем не предусматривается получение высококалорийного газового и/или жидкого топлив, отпускаемых внешним потребителям, а все парогазы сжигаются в топке для получения энергии на внутренние нужды.

Кроме того, периодичность работы каждой реторты предусматривает их выемку, что усложняет обслуживание системы и требует дополнительных затрат энергии. Предусматриваются также дополнительные элементы для образования каналов обогрева реторт. Необходимость этих элементов обусловлена цилиндрической формой реторт.

Предлагаемое изобретение лишено этих недостатков и решает техническую задачу получения конечных целевых продуктов - регулируемых количеств высококалорийных газообразного и жидкого топлив, отпускаемых сторонним потребителям, а также углеродных материалов из биомассы.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе пиролизной переработки биомассы с получением топливных газов, жидкого топлива и угольных материалов исходную биомассу гранулируют, гранулированную биомассу подают в газоплотные шлюзовые затворы с регулируемой подачей из них биомассы в одну или несколько непрерывно действующих вертикальных металлических реторт, заключенных в общую теплоизоляционную оболочку, в которых биомасса гравитационно движется сверху вниз, с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, теплоту, необходимую для процесса пиролиза, передают биомассе через стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, движущихся снизу вверх по каналам обогрева реторт, при этом каналы обогрева реторт образованы соседними стенками реторт и стенками реторт и теплоизоляционной оболочкой, причем пиролизные газы, движущиеся внутри реторт сверху вниз, фильтруют через слой горячего угольного остатка в нижних частях реторт и затем выводят из реторт через каналы, по которым пиролизные газы направляют на конденсацию неразложившихся в процессе фильтрации конденсирующихся веществ пиролиза и охлаждение неконденсирующихся пиролизных газов, а охлажденные неконденсирующиеся пиролизные газы направляют на охлаждение угольного остатка, при этом поперечное сечение реторт выполняют прямоугольным с соотношением ширины к длине 1:5÷15, причем ширину выполняют размером не менее 8÷12 эквивалентных диаметров гранул биомассы, а управление соотношением газообразного и жидкого топлив осуществляют изменением температуры продуктов сгорания на входе в каналы обогрева.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется чертежом на примере системы из двух пиролизных реторт.

Из устройства грануляции гранулированную биомассу подают до определенного уровня в расходный бункер 1, снабженный верхней газоплотной крышкой 2 и нижним дозатором-разгружателем 3. После достижения определенного уровня заполнения верхняя газоплотная крышка 2 закрывается, а дозатор-разгружатель 3 подает биомассу во второй расходный бункер 4, также снабженный верхней газоплотной крышкой 5, которая во время заполнения бункера 4 открыта, и дозатором-разгружателем 6. После заполнения бункера 4 до определенного уровня крышка 5 закрывается, а гранулированная биомассы дозатором-разгружателем 6 подается в реторты 7. Циклограмма заполнения бункеров 1 и 4, открытия-закрытия газоплотных крышек 2 и 5, включения-выключения дозаторов-разгружателей 3 и 6 разрабатывается в соответствии с заданной производительностью пиролизной переработки биомассы. Система газоплотных бункеров и заполнения реторт может быть общей для всех реторт или отдельной для каждой реторты или их групп. По мере движения биомассы в ретортах 7 сверху вниз происходит ее сушка, карбонизация за счет нагрева биомассы через высокотеплопроводные металлические стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, которые движутся снизу вверх по каналам 8, образованными соседними стенками реторт и стенками двух крайних реторт и теплоизоляционной оболочкой 9.

Для турбулизации потока греющих газов и интенсификации теплопередачи слою биомассы каналы 8 могут заполняться частицами высокотеплопроводного огнеупорного материала. В целях равномерного прогрева твердого материала по сечению реторт 7 их поперечное сечение выполнено прямоугольным с отношением ширины к длине 1:5÷15 (см. сечение А-А). Равномерности прогрева способствует также выделение продуктов сушки и пиролиза, которые распределяются равномерно по всему сечению. Для предотвращения образования сводов в ретортах их ширина составляет не менее 8-12 эквивалентных диаметров частиц гранулированной биомассы. При движении по каналам 8 продукты сгорания охлаждаются и выводятся из установки. В нижней части реторт образуется движущийся слой 10 горячих частиц углеродного остатка с температурой 750-1000°С, при фильтрации через который пары смолистых веществ, метанола, кислот и других конденсирующихся продуктов пиролиза разлагаются на неконденсирующиеся топливные газы со степенью разложения 75-99% и выводятся из реторт по каналам 11 в устройство 12 конденсации неразложившихся конденсирующихся соединений и охлаждения неконденсирующихся продуктов.

Повышению калорийности газов и жидкого топлива способствует значительное или полное сокращение балластных газов (водяных паров и диоксида углерода), реагирующих с горячими частицами углеродного остатка с образованием горючих газов по реакциям H₂O+С СО+H₂ и СО₂+С 2СО. Количество угольного остатка после прохождения указанных реакций составляет 7÷20% от абсолютно сухой биомассы, зависящее от влажности исходной биомассы и скорости ее движения в ретортах. Количество угольного остатка регулируют температурой греющих газов на входе в каналы обогрева реторт. Охлаждающим агентом в устройстве 12 могут служить атмосферный воздух или вода. В первом случае нагретый воздух подается в топку 13, а во втором - вода подается в систему теплоснабжения или горячего водоснабжения. Регулирование количеств неконденсирующихся и конденсирующихся топлив производится регулированием температуры греющих газов на входе в каналы 8 обогрева реторт и тем самым температуры частиц углеродного остатка, через которые фильтруются продукты пиролиза. Жидкое топливо из устройства конденсации подается сторонним потребителям и/или на сгорание в топке 13, из которой продукты сгорания поступают в каналы обогрева реторт. Охлажденные неконденсирующиеся газы направляются в устройство 14 охлаждения угольного остатка, а из него - внешним потребителям. Охлажденный угольный остаток выгружается дозатором-разгружателем 15 из установки. Для минимизации или полного сокращения перетечек газов из охлаждающего устройства в реторты и обратно устанавливают одинаковое давление (разрежение) газов в нижней части реторт и охлаждающем устройстве при помощи регулирования шиберов тягодутьевых устройств 16 и 17. Для этой цели служит и слой 19 угольного остатка между выходом пиролизных газов из реторт и устройством охлаждения угольного остатка.

Достоинством предлагаемого способа являются высокая калорийность топлива из биомассы, непрерывность технологического процесса.