Установка для енерготехнологічної переробки біомаси

Реферат: UA 79797 U UA 79797 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до біоенергетики і безпосередньо до енерготехнологічної переробки біомаси. Відомі установки енерготехнологічної переробки біомаси, які базуються на процесах газифікації, піролізу, гідрогенізації чи анаеробної ферментації. В залежності від направленості процесу на виході можуть отримуватися горючий газ, рідкі продукти чи біовуглець. На даний час, більшість відомих установок, направлена на газифікацію біомаси з отриманням горючого газу і наступним його спалюванням в теплоенергетичних установках. Проте, ефективність використання енергії біомаси при цьому залишається низькою, оскільки при переважному використанні повітряного дуття горючий газ отримують сильно забаластований азотом, двоокисом вуглецю і парами води. Внаслідок цього його теплота згоряння не перевищує 3 4,6 МДж/м . Крім цього значно ускладнюється процес газифікації при переробці біомаси з високою (40 % і більше) початковою вологістю, коли унеможливлюється проведення процесу в автотермічному режимі, а також в таких установках є суттєві обмеження і по фракційному складу вихідної біомаси. Ці недоліки, дещо, можна усунути шляхом піролізної переробки біомаси у спеціальних енерготехнологічних установках [С.Д. Федосеев, А.Б. Чернышев. Полукоксование и газификация твердого топлива. М.: ГОСТОПТЕХ - ИЗДАТ., 1960. - 326 с]. В таких установках, при відсутності кисню, здійснюють енерготехнологічну переробку біомаси, як за рахунок теплоти екзотермічних реакцій, так і за рахунок теплоти іншого джерела енергії, яку підводять зовнішнім, внутрішнім чи комбінованим способом. При цьому, в залежності від направленості, одночасно отримують, як горючий газ, так і біовуглець чи рідкі продукти. Так відома установка вагонного типу "Арканзас" [Промышленное производство древесного угля. - Экспресс-информ.: Заруб. Опыт - М.: ВНИПИЭИ леспром, 1987.-20 с. Ил. Табл. (лесохимия и подсочка; Вып. 3)], в якій піроліз проводять при зовнішньому обігріві за рахунок теплоти теплоносія, який отримується в технологічній топці при спалюванні горючого газу піролізного процесу. В результаті процесу, який проводять при температурі 450-500 °C, отримують крупнокускове деревне вугілля, горючий газ і конденсовану фазу (вода, смоли та інші високомолекулярні сполуки). Недоліком установки є її періодичність роботи, невелика продуктивність на одиницю об'єму, значні експлуатаційні витрати і висока металоємність. Крім цього установка не дозволяє здійснювати переробку мілкофракційної біомаси, а для використання горючого газу необхідна громіздка і складна система охолодження, конденсації і очистки від твердої мілкодисперсної фази, смоли та інших високомолекулярних сполук. Найбільш близька по технічній суті і результату, що досягається, вибрана нами за прототип, є установка газифікації вуглевмісної сировини в шнеку (УГВШ) [http://koez.com.ua/products/ugush/], що включає технологічну топку, в якій розташована двоходова камера піролізу шнекового типу із зовнішнім обігрівом, що має камеру сухої перегонки і камеру прокалювання, завантажувальні і розвантажувальні пристрої, а також систему відведення горючого газу. У відомій установці камера піролізу виконана двоходовою, з тим щоб утворити камеру сухої перегонки при 350-500 °C і камеру прокалювання біовуглецю при температурі 800-850 °C. Теплота для зовнішнього нагріву камер надходить від теплоносія, що утворюється при спалюванні додаткового палива в технологічній топці. Вказані камери з'єднані між собою перехідним патрубком, по якому з камери сухої перегонки в камеру прокалювання подається біовуглець, а зворотно-газова фаза продуктів піролізу біовуглецю, з тим щоб бути видаленою, в суміші з газовою фазою сухої перегонки, в систему відведення горючого газу, вхідний газовий патрубок якої розташовано на виході з камери сухої перегонки. Таким чином, внаслідок піролізу подрібненої біомаси, в установці одночасно отримують горючий газ, який при допомозі системи відведення подають до споживача і біовуглець, який після прокалювання, при допомозі розвантажувальних пристроїв накопичують у бункері. Одним із суттєвих недоліків прототипу є те, що горючий газ відводиться із камери сухої перегонки при 350-500 °C. Це означає, що значна кількість конденсованих продуктів піролізу (пари води, смоли та інші високомолекулярні сполуки), а також частки мілкодисперсного пилу золи і біовуглецю попадають у систему відведення горючого газу. Для використання такого газу, особливо в двигунах внутрішнього згоряння, необхідна складна система охолодження і очистки. Внаслідок охолодження горючого газу в системі очистки конденсується рідка фаза, що зменшує його теплоту згоряння, як мінімум на 10-15 %. Крім цього після прокалювання значна кількість теплоти втрачається у вигляді фізичної теплоти біовуглецю при охолодженні, збільшуючи при цьому, теплові викиди в атмосферу. 1 UA 79797 U 5 10 15 20 Величина цих втрат може сягати до 10 і більше відсотків, від загальної потенційної теплоти поданої в установку. Загалом, вказані недоліки суттєво погіршують її енергетичну ефективність. В основу корисної моделі поставлена задача, підвищення енергетичної ефективності установки для енерготехнологічної переробки біомаси, в якій біомасу піддають піролізу з одночасним отриманням біовуглецю і горючого газу, за рахунок більш повного розкладання конденсованої фази продуктів піролізу і утилізації фізичної теплоти біовуглецю, що забезпечить підвищення її енергетичної ефективності та зменшить теплові викиди в навколишнє середовище. Поставлена задача вирішується тим, що в установці для енерготехнологічної переробки біомаси, що включає технологічну топку, в якій розташована двоходова піролізна камера шнекового типу із зовнішнім обігрівом, що має камеру сухої перегонки і камеру прокалювання, завантажувальні і розвантажувальні пристрої, а також систему відведення горючого газу, згідно з корисною моделлю, камера прокалювання має дві зони відновлювання довжиною 1,2-1,5 діаметра шнека, які утворюються в місцях розриву його витка, з яких одна зона відновлювання сполучена перехідним патрубком з камерою сухої перегонки, а друга зона відновлювання - з патрубком подачі додаткового дуття, а вхідний газовий патрубок системи відведення горючого газу розташовано між зонами відновлювання. Згідно з корисною моделлю, продукти сухої перегонки, по перехідному патрубку, надходять у високотемпературну (800-850 °C) зону відновлювання, де вони фільтруються, при проходженні через затиснутий, рухомий і розжарений шар біовуглецю. При цьому смоли і інші високомолекулярні сполуки розкладаються, а компоненти, що містять кисень (CO, CO 2, Н2О) беруть участь в проходженні реакцій відновлювання, з яких основними є: С + СО2=2СО - 161,5 МДж/кмоль (1) С + Н2О = СО + Н2 - 118,7 МДж/кмоль (2) С + 2Н2О = СО2+2Н2 - 75,5 МДж/кмоль (3) СО + Н2О = СО2 + Н2 + 43,6 МДж/кмоль (4) 25 30 35 40 45 50 55 Повнота проходження цих реакцій знаходиться в залежності від температури розігріву рухомого шару біовуглецю, що в даному випадку обмежується стійкістю матеріалу піролізної камери і часом його перебування в зоні високих температур. Таким чином, основна маса відновлювальних реакцій є ендотермічною, тобто фізична теплота біовуглецю поглинається з утворенням горючих газів СО та Н 2, які суттєво підвищують теплоту згоряння вихідного горючого газу. В другу відновну зону, назустріч руху біовуглецю, по патрубку подається додаткове дуття (охолоджені продукти згоряння чи газ піролізу, або ж водяна пара). При цьому, наприклад, водяна пара по ходу нагрівається, охолоджуючи біовуглець, а в зоні відновлювання реагує по реакціям (2, 3). Отриманий горючий газ, після фільтрації через затиснутий рухомий шар біовуглецю в зонах відновлення, подається через вхідний газовий патрубок, що розташовано між зонами відновлення, в систему відведення горючого газу. Таке розміщення вхідного газового патрубку дозволяє очистити горючий газ від мілкодисперсного пилу і збільшити час перебування газу в зоні високих температур, для більш повного розкладання смол та інших високомолекулярних сполук. На кресленні представлена принципова схема енерготехнологічної установки для переробки біомаси, що заявляється, де: 1 - технологічна топка; 2 - завантажувальні пристрої; 3, 8 - шнек; 4 - камера сухої перегонки; 5 - перехідний патрубок; 6 - камера прокалювання; 7, 9 - зони відновлення; 10 - патрубок подачі додаткового дуття; 11 - вхідний газовий патрубок; 12 - система відведення горючого газу; 13 розвантажувальні пристрої; 4 - бункер. Реалізація корисної моделі здійснюється наступним чином. Подрібнена біомаса, при допомозі завантажувальних пристроїв (2) і шнека (3) подається в камеру сухої перегонки (4), яка нагрівається до температури 350-500 °C, теплоносієм, що утворюється при спалюванні додаткового палива в технологічній топці (1). При даній температурі біомаса нагрівається до температури термічного розкладу на леткі (конденсовані і неконденсовані) та тверді (біовуглець і мінеральні) продукти. Отримані продукти піролізу через перехідний патрубок (5) надходять у камеру прокалювання (6) де проходять через затиснутий, рухомий і розжарений (800-850 °C) 2 UA 79797 U 5 10 15 20 шар біовуглецю зони відновлення (7), яка утворюється в місці розриву витка шнека (8) довжиною 1,2-1,5 його діаметра. При цьому, при проходженні продуктів сухої перегонки, через зону відновлення (7) смоли та інші високомолекулярні сполуки розкладаються, a CO, CO 2 і Н2О приймають участь у реакціях відновлення (1-4), з отримання горючих СО та Н2. Крім цього тверді мілкодисперсні частки біовуглецю і мінеральних сполук затримуються у шарі біовуглецю відновлювальної зони (7). Після зони відновлювання (7) біовуглець надходить у другу відновлювальну зону (9), також утворену в місці розриву витка шнека (8) довжиною 1,2-1,5 його діаметра, куди назустріч руху біовуглецю, через патрубок подачі додаткового дуття (10) подають наприклад водяну пару. Водяна пара по ходу охолоджує біовуглець і перегрівається, а в зоні відновлення (9) реагує з біовуглецем, з отриманням додаткового водню. При цьому внутрішня поверхня біовуглецю розкривається більш повно, що підвищує його якість. Горючий газ, з двох зон відновлювання, через вхідний газовий патрубок (11), який розташований між зонами відновлювання, направляють в систему відведення горючого газу (12), а охолоджений біовуглець, при допомозі розвантажувальних пристроїв (13) накопичується у бункері (14). Таким чином, забезпечується очікуваний технічний результат, а саме - підвищення енергетичної ефективності корисної моделі установки для енерготехнологічної переробки біомаси за рахунок більш повного розкладання конденсованої фази продуктів піролізу, шляхом утворення двох зон відновлювання в камері прокалювання, для проведення реакцій відновлювання продуктів сухої перегонки і додаткового дуття, а також утилізації фізичного тепла біовуглецю, що виводиться із установки. Загалом, реалізація корисної моделі, що заявляється, дає змогу підвищити продуктивність установки, збільшити на 10-15 % теплоту згоряння горючого газу і покращити якість біовуглецю, а також зменшити на 7-10 % теплові викиди в навколишнє середовище. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Установка для енерготехнологічної переробки біомаси, що включає технологічну топку, в якій розташована двоходова камера піролізу шнекового типу із зовнішнім обігрівом, що має камеру сухої перегонки і камеру прокалювання, завантажувальні і розвантажувальні пристрої, а також систему відведення горючого газу, яка відрізняється тим, що камера прокалювання має дві зони відновлювання довжиною 1,2-1,5 діаметра шнека, які утворюються в місцях розриву його витка, з яких одна зона відновлювання сполучена перехідним патрубком з камерою сухої перегонки, а друга зона відновлювання - з патрубком подачі додаткового дуття, а вхідний газовий патрубок системи відведення горючого газу розташовано між зонами відновлювання. 3 UA 79797 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4