PL230694B1 - Sposob i urzadzenie do toryfikacji biomasy - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób oraz urządzenie do prowadzenia procesu toryfikacji biomasy w wysokiej temperaturze w sposób autotermiczny. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy polega na tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500°C, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min, przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych (3) powinna być wyższa niż 100°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz urządzenie do prowadzenia procesu toryfikacji biomasy w wysokiej temperaturze w sposób autotermiczny. Produktem procesu toryfikacji jest biopaliwo (toryfikat) o właściwościach zbliżonych do węgla kamiennego.

Znany jest proces toryfikacji biomasy polegający na ogrzewaniu biomasy w temperaturze 200-400°C, najczęściej w warunkach beztlenowych przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Na skutek działania wysokiej temperatury częściowemu rozkładowi ulega hemiceluloza - jeden z głównych składników materiałów roślinnych. Toryfikacji towarzyszy wydzielanie się części lotnych, zwanych torgazem, zawierającym w swoim składzie parę wodną, ditlenek węgla oraz frakcje palne. Proces ten powoduje częściowe obniżenie masy (o około 30%) przy nieznacznym spadku energii zawartej w toryfikacie (o około 10%), skutkując wzrostem zagęszczenia jego energii chemicznej. Prędkość nagrzewu podczas procesu toryfikacji zwykle wynosi 50oc/min, przy średnim czasie przebywania równym 30 min.

Doprowadzenie ciepła do reaktora podczas procesu toryfikacji możne być realizowane w sposób przeponowy (reaktory pośrednie) lub bezprzeponowy (reaktory bezpośrednie). W reaktorach pośrednich dostarczanie ciepła do biomasy odbywa się przeponowo przy użyciu takich nośników ciepła jak: para wodna, woda, olej, spaliny. W reaktorach bezpośrednich następuje bezpośredni kontakt biomasy z nośnikiem ciepła, co skutkuje krótszym czasem procesu toryfikacji. Może on wynosić poniżej 10 minut, co pozwala na ograniczenie objętości reaktora. Negatywną cechą tego typu reaktorów jest mieszanie się strumienia gazów toryfikujących z parą wodną (wydzielającą się podczas suszenia biomasy) oraz palnym torgazem, co powoduje obniżenie jego wartości opałowej. W celu wykropienia pary wodnej z mieszanki gazów stosuje się chłodnice, co znacznie wpływa na stopień komplikacji instalacji.

Znany jest proces toryfikacji prowadzony w sposób autotermiczny. Z opisu patentowego EP2789677 lub WO2005056723 znane są rozwiązania, które wykorzystują wytworzony torgaz do poprawy efektywności energetycznej procesu. Zgodnie z nimi, gaz procesowy wytwarzany w reaktorze do toryfikacji biomasy jest oczyszczany, a następnie, poprzez urządzenia pomocnicze takie jak komora spalania lub wymiennik ciepła, zawracany jest do procesu.

Znane jest z opisu US2009250331 rozwiązanie opierające się na mechanicznych przenośnikach ogrzewanych przeponowo przez gorące gazy powstające ze spalania torgazu. W zgłoszeniu WO2007078199 opisano proces toryfikacji biomasy polegający na bezprzeponowym ogrzewaniu biomasy za pomocą spalin. Reaktor według tego patentu podzielony jest na dwie części: część suszącą oraz toryfikującą. Linią podziału są dwa króćce, poprzez które kolejno są odbierane gazy suszące zmieszane z parą wodną oraz torgaz wraz ze spalinami.

Z opisu WO2012158116 znany jest sposób toryfikacji biomasy przy użyciu gazów zawierających tlen, przepływających współprądowo w stosunku do biomasy. Częściowe spalanie torgazu oraz nadpalanie biomasy powoduje podnoszenie temperatury spalin i umożliwia toryfikację biomasy w dalszych częściach reaktora.

Celem wynalazku jest ograniczenie zapotrzebowania procesu toryfikacji na zewnętrzne źródła energii poprzez spalanie surowego gazu procesowego (torgazu), uzyskiwanego podczas procesu toryfikacji biomasy.

Podczas testów nieoczekiwanie stwierdzono, że pomimo zasilania procesu gazami spalinowymi o temperaturze przekraczającej 600°C i zawierającymi nieznaczną zawartość tlenu, przy zachowaniu czasu przebywania cząstek biomasy w strefie toryfikacji na poziomie 5-10 min, nie następowało nadpalenie toryfikatu. O fakcie tym świadczy uzysk toryfikatu w procesie, który w przeliczeniu na suchą surową biomasę nie spadł poniżej 60%.

Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według wynalazku charakteryzuje się tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500oC, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych powinna być wyższa niż 100°C.

Korzystnie gdy strumień biomasy wprowadzany do procesu dzielony jest na dwie części: pierwszą poddawaną spaleniu oraz drugą poddawaną toryfikacji, przy czym część druga jest co najmniej 3-krotnie większa od części pierwszej.

PL 230 694 B1

Korzystnie gdy surowy odpylony wstępnie torgaz jest poddawany spaleniu w generatorze gorących gazów spalinowych i zmieszany z gorącymi spalinami ze spalania biomasy, tak by zawartość tlenu w gorących gazach spalinowych nie przekraczała 2% objętości.

Urządzenie do autotermicznej toryfikacji biomasy według wynalazku zawierające reaktor toryfikacji charakteryzuje się tym, że komory odpylania spalin, generatora gorących gazów spalinowych wraz z układem do podawania spalin do reaktora gdzie reaktor do toryfikacji posiada obrotowe mieszadło mechaniczne a dopływ spalin z generatora gorących gazów spalinowych do reaktora umieszczony jest w dolnej części natomiast układ do odbioru gazu z toryfikacji wyposażony jest w wentylator ssący przy czym układ odpylania umieszczony jest w górnej części reaktora.

Korzystnie gdy reaktor od góry zamknięty jest w sposób umożliwiający podawanie biomasy lecz uniemożliwiający dopływ powietrza do reaktora.

Korzystnie gdy na drodze torgazu do generatora gorących gazów spalinowych lub w samym generatorze gorących gazów spalinowych umieszczone jest urządzenie do podtrzymywania spalania torgazu.

Przykład sposobu i urządzenia według wynalazku zaprezentowano na rysunku gdzie fig. 1 przedstawia schemat ideowy sposobu prowadzenia procesu toryfikacji biomasy według wynalazku a fig. 2 urządzenie do toryfikacji biomasy.

Użyte odniesienia mają następujące znaczenie:

1. Palnik retortowy

2. Kanał odprowadzania nadmiaru spalin

3. Generator gorących gazów spalinowych

4. Wentylator ssący (torgazu)

5. Komora odpylania surowego torgazu (torgazu)

6. Mieszadło

7. Podajnik biomasy do toryfikacji

8. System odbioru toryfikatu

9. Podajnik surowej biomasy do spalania

10. Kanał doprowadzający gorące spaliny

Urządzenie składa się z reaktora, który opcjonalnie może pełnić funkcję suszarki, połączonego z generatorem gorących gazów spalinowych, gdzie następuje spalanie wytworzonego surowego torgazu. Według wynalazku, reaktor w trakcie pracy zostaje wypełniony biomasą, która przesuwając się wzdłuż jego osi podłużnej ulega najpierw podsuszeniu, a następnie toryfikacji. Wypełnienie jak największego przekroju reaktora korzystnie wpływa na wymianę ciepła oraz obniża niezbędny czas przebywania materiału w reaktorze. W reaktorze umieszczony jest mechaniczny element mieszający, mający na celu zarówno homogenizację materiału w osi poprzecznej reaktora, jak również wspomaga samoczynne bądź wymuszone przemieszczanie biomasy. Generator gorących gazów spalinowych opisywanego urządzenia do toryfikacji zaopatrzony jest w źródło ciepła, które umożliwia rozpoczęcie procesu toryfikacji oraz może również być wykorzystywany w awaryjnych sytuacjach do podtrzymania pracy reaktora. Wlot strumienia gorących spalin o jak najniższej zawartości tlenu umieszczony jest w dolnej części reaktora. Spaliny przetłaczane są przez toryfikowaną biomasę w kierunku przeciwnym do jej ruchu. Dodatkowo, taki reaktor umożliwia zastosowanie gazów o niższej temperaturze i wyższej zawartości tlenu, co prowadzi do częściowego spalenia rozgrzanego toryfikatu lecz ogranicza ilość ciepła, niezbędnego do prawidłowej pracy reaktora.

W podanym przykładzie, w węźle przygotowania gorących spalin za pomocą palnika retortowego (1) wytwarzane są gorące spaliny, które transportowane są do węzła toryfikacji. W reaktorze następuje ogrzewanie biomasy przez gorące spaliny, które dzięki niskiej zawartości tlenu (< 2%) nie powodują zapłonu biomasy. Gotowy toryfikat odbierany jest podajnikiem ślimakowym z dołu strefy toryfikacji (8). Równocześnie surowa biomasa podawana jest na górę reaktora do strefy podsuszania (7). Dzięki temu utrzymywana jest stała wysokość słupa materiału w reaktorze, co powoduje stały spadek ciśnienia gazów przepływających przez niego, umożliwiając precyzyjne sterowanie procesem i otrzymywanie jednorodnego materiału o takim samym stopniu toryfikacji. W trakcie ogrzewania biomasy wytwarzana jest najpierw para wodna, a następnie gaz procesowy - torgaz. Mieszanina spalin podawanych do reaktora oraz gazowych produktów toryfikacji (para, torgaz) wyprowadzana z reaktora i przechodzi do komory odpylania spalin (5). Następnie odpylony gaz, za pomocą wentylatora (4), transportowany jest do generatora gorących gazów spalinowych (2). Przed wentylatorem umieszczony jest króciec z klapą regula

PL 230 694 B1 cyjną, przez który zaciągane jest powietrze niezbędne do spalania torgazu. Bezpośrednio przed generatorem gorących gazów spalinowych umieszczony jest element podtrzymujący spalanie mieszaniny torgazu i powietrza (palnik lub żarnik). Nadmiar gorących spalin wytworzonych ze spalania torgazu i powietrza usuwany jest do atmosfery przez kanał odprowadzania nadmiaru spalin (3).

Poniżej podano przykład realizacji sposobu.

Do instalacji, której schemat przedstawiono na rys. 2, wprowadzono strumień biomasy w formie zrębków olchowych o uziarnieniu poniżej 10 mm i wilgotności 18%. Temperatura gazów podawanych do dolnej strefy toryfikatora wynosiła 620°C, przy jednoczesnej zawartości tlenu na poziomie nie przekraczającym 1,5%. Wyznaczony podczas testów średni czas przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji wynosił ok. 7 min. W procesie otrzymywano toryfikowaną biomasę z wydajnością średnią na poziomie 60% mas. Wyznaczona średnia wartość przemiałowa toryfikowanej biomasy wynosiła 52-60 HGI. Podane przykłady nie wyczerpują możliwości zastosowania wynalazku.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy, znamienny tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500°C, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych powinna być wyższa niż 100°C.
2. 2. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień biomasy wprowadzany do procesu dzielony jest na dwie części: pierwszą poddawaną spaleniu oraz drugą poddawaną toryfikacji, przy czym część druga jest co najmniej 3-krotnie większa od części pierwszej.
3. 3. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że surowy odpylony wstępnie torgaz jest poddawany spaleniu w generatorze gorących gazów spalinowych i zmieszany z gorącymi spalinami ze spalania biomasy, tak by zawartość tlenu w gorących gazach spalinowych nie przekraczała 2% objętości.
4. 4. Urządzenie do autotermicznej toryfikacji biomasy zawierające reaktor do toryfikacji, znamienne tym, że komory odpylania spalin, generatora gorących gazów spalinowych wraz z układem do podawania spalin do reaktora gdzie reaktor do toryfikacji posiada obrotowe mieszadło mechaniczne a dopływ spalin z generatora gorących gazów spalinowych do reaktora umieszczony jest w dolnej części natomiast układ do odbioru gazu z toryfikacji wyposażony jest w wentylator ssący przy czym układ odpylania umieszczony jest w górnej części reaktora.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że reaktor od góry zamknięty jest w sposób umożliwiający podawanie biomasy lecz uniemożliwiający dopływ powietrza do reaktora.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4 lub 5, znamienne tym, że na drodze torgazu do generatora gorących gazów spalinowych lub w samym generatorze gorących gazów spalinowych umieszczone jest urządzenie do podtrzymywania spalania torgazu.