Спосіб та пристрій для виробництва палива з вологої біомаси

Реферат: Спосіб і пристрій для отримання пресованих заготовок палива з вологої біомаси всіх видів, при якому біомаса подрібнюється, механічно зневоднюється, сушиться і після цього переробляється пресуванням, при якому подрібненням є тонке подрібнення і/або біомаса перед або після подрібнення за необхідності промивається водою, що виходить при механічному обезводненні, за необхідності перед механічним обезводненням заздалегідь зневоднюється і/або нагрівається та за необхідності після механічного обезводнення для легшого сушіння наново подрібнюється. UA 101661 C2 (12) UA 101661 C2 UA 101661 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Предметом цього винаходу є спосіб, пристрій, а також застосування одного такого пристрою для отримання пресованого палива з вологої біомаси всіх видів, як-то сільськогосподарських продуктів, продуктів лісового господарства і садівничих продуктів, включаючи відходи, наприклад, скошену траву, відходи садівництва або кухонні відходи, відходи промислової переробки біомаси, як, наприклад, переробки продуктів харчування, виготовлення паперу або подібного. Подібного роду способи та пристрій для їх здійснення відомі, наприклад, з документа WO 2004/067685 A1. Ці способи включають, наприклад, перед завершальним процесом пресування у формі для виготовлення пресованого у формі палива процес сушки, перед процесом сушки процес пресування для зменшення вмісту вологи і перед процесом пресування перший процес подрібнення, завдяки якому підвищується ефективність подальшого пресування, тобто можливе зменшення вмісту води у вологій біомасі. Пристрої для здійснення цих способів мають конструкцію відповідно до вимог вказаних способів. В порівнянні з існуючою, застосовуваною як паливо, сухою або в значній мірі сухою біомасою, як, наприклад, дерево і в порівнянні із заздалегідь висушеною на полі біомасою, як, наприклад, сіно, волога біомаса при своїй переробці в паливо має різні переваги. По-перше, волога біомаса скрізь є у великій кількості, часто без ідеї її іншого використання, окрім утилізації, наприклад, вона повинна компостуватися, якщо вона не переробляється в паливо, або навіть залишаться гнити на місці без енергетичного використання. В порівнянні із заздалегідь висушеною перероблена волога біомаса має перевагу в тому, що запобігаються втрати маси, які, наприклад, унаслідок випадання насіння виникають при сушці в полі. Але перш за все при природній сушці завдяки випаровуванню залишаються речовини, що завдають шкоди при спалюванні, які містяться в біомасі і які, як наприклад, хлор – прискорюють корозію спалюючих установок або які негативно позначаються на характеристиках золи горючого матеріалу, і які знижують вартість біомаси як палива. Цей недолік може бути в значній частині усунений перш за все, якщо волога біомаса згідно відомому способу піддається пресуванню перед термічною сушкою, так що з неї видаляється вода, що міститься в ній, з істотною частиною шкідливих речовин. Проте названі способи мають при всіх достоїнствах свої недоліки. Перш за все вони досить енергоємні, тобто негативно позначаються на енергетичному балансі піддаваного виготовленню палива. У основі цього лежить перш за все те, що віджимання свіжої біомаси, де часто міститься достатньо твердих злаків, вимагає значних зусиль і, однак, забезпечує недостатнє відведення вологи, так що для видалення ще дуже значного вмісту вологи з вже віджатого матеріалу його доводиться піддавати особливо енергоємній термічній сушці. Одночасно це означає, що шкідливі при спалюванні речовини, які містяться в біомасі, видаляються тільки в обмеженій кількості, оскільки ці речовини переважно розчинні у воді і тому термічна сушка їх не зменшує. Значні зусилля, необхідні для віджимання біомаси, спричиняють значний знос машин, який тим більше, чим більше біомаса забруднена матеріалами, що підвищують стирання, як-то пісок, неорганічні відходи і подібне, перш за все, наприклад, якщо мова йде про скошену траву з сільськогосподарських або відкритих площ, по яких здійснюються перевезення. Завданням винаходу є таким чином оптимізувати відомі способи отримання палива з пресованої біомаси з вологого початкового матеріалу, а також застосувані для цього пристрої, щоб при нижчій витраті енергії, перш за все на термічну сушку, і при найнижчому по можливості навантаженні виробничих установок отримати вищу теплоту згорання і кращі властивості отриманого палива. Цю задачу вирішують запропонований згідно винаходу спосіб, охарактеризований ознаками згідно пунктам 1 і 2 формули винаходу, а також запропонований згідно винаходу пристрій, охарактеризований ознаками згідно пунктам 9-13 формули винаходу. У першому варіанті виконання цього винаходу біомасу перед механічним обезводненням піддають тонкому подрібненню за допомогою розмелювання, протирання через сито, виготовлення пюре, виготовлення мезги або подібного таким чином, що виходить гомогенна каша з мусу/пюре, консистенція якої, переважно, від густої до рідкої. При цьому процес подрібнення здійснюють в один або декілька етапів. Цей стан має перевагу, яка полягає перш за все, в тому, що біомаса придатніша до подальшої переробки, якось здатніша до перекачування (з добавкою або без добавки іншій рідині) і при підготовці може легше подаватися на інші етапи переробки. 1 UA 101661 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Це пов'язано із зміною або широким руйнуванням клітинної структури і при цьому з виходом клітинної рідини або її відділенням (седиментацією, попереднім обезводненням) навіть перед будь-яким механічним обезводненням. Але, перш за все розпушені клітинні структури дуже істотно полегшують подальше механічне обезводнення. Вони полегшують не тільки вельми помітно віджимання при нижчих витратах сил в машині і дозволяють набагато могутніше механічне зменшення вологи. Вони навіть роблять можливим застосування альтернативних, механічних способів обезводнення, які не ефективні при тільки грубо подрібненій біомасі, як, наприклад, застосування фільтр-пресів, стрічкових пресів, декантаторів або центрифуг. Якщо для обезводнення застосовується шнековий прес або фільтр-пресс або центрифуга, то зменшується залишкова волога, яка, наприклад, у трави при механічному обезводненні після відомих способів складає 64-70 %, при тонко подрібненій масі до 30-55 % або навіть до 30-45 %. Слід врахувати, що тонке подрібнення унаслідок руйнування клітинної структури і відповідного збільшення поверхні частинок біомаси робить можливою вельми ефективну подальшу сушку біомаси. Завдяки тонкому подрібненню з біомаси механічно або вже під час попереднього обезводнення видаляється в сукупності більше води. Завдяки цьому зменшуються небезпечні з погляду спалювання речовини, що містяться в біомасі, які при меншому (попередньому обезводненні) і механічному обезводненні, відповідно сильнішій термічній сушці залишалися б в ній в збільшеній кількості. Це веде до зменшеної корозії опалювального котла, підвищення теплоти згорання, зменшення вмісту золи і підвищення точки плавлення золи, тобто в цілому до щадного режиму опалювальних установок, що працюють на отриманому паливі. Завдяки цьому зменшенню вмісту речовин, шкідливих (вибухових) при спалюванні, оброблена біомаса може використовуватися в різних опалювальних котлах, які традиційно були розраховані не для біомаси, подібної стебельчатому матеріалу. Проте, перш за все значно поліпшується енергетичний і вартісний баланси способу отримання, оскільки унаслідок високого механічного обезводнення витрати енергії для термічної сушки, яка сама по собі дуже енергоємна, істотно знижуються. Механічне обезводнення вимагає 5-15 % енергії, яка потребна для термічної сушки, щоб випарувати подібну кількість води. Переважно для підтримки, зокрема, процесу попереднього обезводнення, тобто перед власне механічним обезводненням, застосовується хімічний засіб для обезводнення, що підтримує процес обезводнення, тобто до біомаси додаються присадки. У альтернативному варіанті виконання запропонований згідно винаходу спосіб отримання палива з пресованої у формі біомаси з вологою біомасою як початковим матеріалом, який характеризується тим, що біомаса перед або після першого процесу подрібнення піддається процесу миття. При цьому здатні осідати матеріали (камені, метал і так далі) можуть осідати. Спливаючі сторонні речовини, як, наприклад, пластик можуть уручну або автоматично збиратися з поверхні мийної води. Мийна вода може циркулювати в кругообігу. При цьому тут не повинно бути якого-небудь тонкого подрібнення. Миття, як таке, проявляє свою позитивну дію на спосіб отримання і на кінцевий продукт також тоді, коли застосовується звичайний ступінь подрібнення. Спочатку завдяки промиванню біомаси, пов'язаному з миттям, подібно як за допомогою механічного обезводнення, зменшується вміст речовин, що надають негативну дію на техніку спалювання. Тобто миття покращує умови спалювання і поведінку золи, зокрема, знижує сприйнятливість до корозії і точку плавлення золи завдяки тому, що усувається шкідлива дія в установці для спалювання. Слід врахувати, що при митті з біомаси одночасно видаляються крупні забруднення такі, як камені, пісок, метали але і речовини, що створюють навантаження на навколишнє середовище, як кіптява від вихлопних газів і залишки від стирання шин на траві, скошеній біля доріг, завдяки чому в щадному режимі працюють пристрої для подрібнення і пресування, оскільки відпадає підвищений знос (аж до нездійсненності способу), який несуть з собою такі речовини, що містяться в біомасі. Це у будь-якому випадку покращує вартісний баланс запропонованого згідно винаходу способу, але приносить з собою і обмеження порівняння біомаси, яке знову ж таки сприятливо позначається в плані техніки спалювання, тобто означає підвищення якості продукту. Миття біомаси дозволяє тільки підготовку біомаси як палива незалежно від приймального пристрою (наприклад, всмоктуючий вентилятор або решітка) і від виду біомаси (наприклад, біомаса з сільського господарства або зелена смуга уподовж дорогі). Тобто, захід дає також економічну перевагу. Разом з цим при цьому виходить економічна вигода, оскільки запобігається спалювання шкідливих речовин. 2 UA 101661 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Нарешті, миття робить можливим особливо ефективне управління температурою переробки, приблизно таким чином, що може підтримуватися така температура мийної води, що завдяки цьому руйнуються клітинні структури (бланширування/проварювання), унаслідок чого знову ж таки полегшується подальша переробка, зокрема, відділення води усередині біомаси (зв'язана вода в біомасі). У іншому переважному варіанті здійснення способу етапи способу миття і подрібнення можуть комбінуватися один з одним у формі тонкого подрібнення. Їх позитивна дія на протікання способу в цьому випадку посилюється. Правда, миття в цьому випадку має місце перед тонким подрібненням. Біомаса перед механічним обезводненням може заздалегідь зневоднюватися. Це рекомендується, зокрема, якщо вона миється, оскільки мийна вода простим способом знову відводиться і механічний пристрій для обезводнення в частині потужності розвантажується. Попереднє обезводнення, яке може здійснюватися, за допомогою фільтр-преса, гідравлічного преса, шнекового преса, вібропреса або стрічкового преса, центрифуги або декантатора, набуває свого особливого сенсу також завдяки пропонованим етапам способу для розкладання клітинних структур, як, зокрема тонке подрібнення. Вони роблять можливим відведення значної частки води без значних витрат сил і розвантажують власне механічний процес обезводнення. Це у результаті веде до зниження зносу і економії енергії і таким чином до поліпшення енергетичного і вартісного балансів. При цьому може бути корисним нагрівати біомасу перед тонким подрібненням або механічним процесом обезводнення (проварювання, бланширування). Нагрівання може здійснюватися перед подрібненням або після подрібнення, десь вже при митті за допомогою нагрітої мийної води. Тут переважними є температури до 100°. Як альтернатива нагрівання може здійснюватися також під час подрібнення і/або перед попереднім обезводненням або під час його. Теплота для нагрівання або частина її, може братися шляхом повернення енергії з процесу. Також нагрівання веде саме до кращого розкладання клітинних структур біомаси і таким чином до полегшеного виходу води, яка може виділятися в деякій мірі вже в рамках попереднього обезводнення значно без пресування або завдяки подальшому пресуванню, десь в рамках механічного обезводнення, в усякому разі з невеликими витратами сил і енергії. Завдяки нагріванню одночасно зменшується витрата енергії для термічної сушки, яка є особливо енергоємною. Таким чином, енергетичний баланс поліпшується ще більше. Так залежно від техніки обезводнення може варіюватися біогенна складова у віджатій воді. Нагрівання завдяки покращуваному розкладанню кліток може вести до збільшення біогенної складової у віджатій воді і таким чином підвищувати її величину. Цей ефект посилюється завдяки тонкому подрібненню, яке зі свого боку може вести до підвищеного виходу біогенною складовою у віджатій воді. Це дійсно для випадку, коли віджата вода виділяється як добриво або для цього піддається подальшій переробці, так і для випадку, коли вона використовується для виробництва газу. Як якість добрива, так і вихід газу підвищуються завдяки підвищенню біогенної складової у віджатій воді. Значення води, виділеної при механічному обезводненні, для згаданих вище цілей (як добриво абопочаткова речовина для його виготовлення або для зброджування для отримання газу) може підвищуватися ще більше завдяки тому, що вона застосовується як мийна вода, тобто багато разів збагачується біогенним матеріалом. Оскільки біомаса після подрібнення, попереднього обезводнення і механічного обезводнення для зменшення вологи дивлячись по обставинах така ущільнена, що її в цьому стані складно було б сушити далі, в більшості випадків її рекомендується перед термічною сушкою слідом за механічним процесом зневоднювання піддавати другому процесу подрібнення (процес розпушування), завдяки якому маса, ущільнена при механічному обезводненні, знову розпушується, але за відомих умов також може далі подрібнюватися. Зокрема, мова йде при цьому про: 1. Пристрій або застосування пристрою для отримання палива з пресованої біомаси для здійснення способу за одним з пунктів 1 і 3-8 формул винаходу, що складається з пристрою для пресування біомаси, встановленого попереду нього пристрою для сушки біомаси, встановленого попереду нього пристрою для механічного обезводнення біомаси для зменшення вмісту вологи в ній і встановленого попереду нього першого пристрою для подрібнення біомаси, яке сприяє тонкому подрібненню. 2. Пристрій або застосування пристрою або застосування пристрою для отримання палива з пресованої у формі біомаси для здійснення способу за одним з пунктів 2-8 формули винаходу, 3 UA 101661 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 що складається з пристрою для пресування у формі біомаси, встановленого попереду нього пристрою для сушки біомаси, встановленого попереду нього пристрою для механічного обезводнення біомаси для зменшення вмісту вологи в ній, встановленого попереду нього першого пристрою для подрібнення і останнього встановленого попереду або позаду пристрою для миття біомаси. 3. Пристрій або застосування пристрою як раніше описано в пункті 2, при якому перший пристрій для подрібнення біомаси сприяє тонкому подрібненню, і при якому пристрій для миття біомаси встановлений попереду пристрою для подрібнення, для здійснення способу за одним з пунктів 3-8 формули винаходу. 4. Пристрій або застосування пристрою, як описано раніше в пунктах 1-3, у якого пристрій для попереднього обезводнення біомаси встановлений попереду пристрою для механічного обезводнення, для здійснення способу за одним з пунктів 1-8 формули винаходу. 5. Пристрій або застосування пристрою, як описано раніше в пунктах 1-4, яке включає другий пристрій для подрібнення (розпушування) біомаси, встановлений попереду пристрою для сушки і позаду пристрою для механічного обезводнення. Винахід нижче детальніше пояснюється за допомогою єдиного креслення, на якому представлений пристрій 1 для пресування у формі для отримання прес-виробів палива, який встановлений попереду пристрою 2 для термічної сушки біомаси, що підлягає пресуванню. У пристрої 2 для сушки встановлений прилад 12 для вимірювання вологості для відповідного регулювання бажаного ступеня сушки біомаси, що підлягає пресуванню, і температурний датчик 14 для оптимального управління процесом сушки. Крім того, пристрій 2 для сушки має в своєму розпорядженні трубопровід 11 для відведення вологи, що виходить, і відвідний газопровід 15 для відведення газів, що утворюються при сушці. Попереду пристрою 2 для сушки встановлений пристрій 3 для механічного видалення вологи (пресування і тому подібне), за допомогою якого з вологої біомаси за допомогою пресування, центрифугування і тому подібного механічно видаляється по можливості більше вологи, щоб зробити економічнішим дуже енергоємний процес термічної сушки. Пристрій 3 для видалення вологи містить, як і пристрій 2 для сушки, трубопровід 8 для відведення рідини, за допомогою якого відводиться вода, що відходить при механічному обезводненні, і за необхідності може підводитися для іншого застосування. У якості згаданого іншого застосування мова може йти про застосування як сільськогосподарське добриво або також подальша переробка для цього або для ферментації при отриманні газу. Оскільки механічне видалення вологості з біомаси зазвичай веде до її ущільнення, яке могло б ускладнити подальшу переробку, зокрема, подальшу термічну сушку, відразу ж за механічним пристроєм 3 для видалення вологи і перед термічним пристроєм 2 для сушки може бути передбачений (другий) пристрій 9 для подрібнення як пристрій для розпушування біомаси. В усякому разі, біомаса, щоб зробити більш легким її механічне обезводнення і термічну сушку, а також подальшу переробку і отримати по можливості гомогенну структуру біомаси, перед механічним обезводненням подрібнюється в (першому) пристрої 4 для подрібнення. Це подрібнення, згідно винаходу, повинне бути тонким подрібненням. Біомаса до першого пристрою 4 для подрібнення підводиться від збірного пристрою 10, в якому біомаса знаходиться для її переробки. Збірний пристрій одночасно може бути виконаний у вигляді пристрою для змішування різної біомаси, або такий пристрій 16 для змішування може бути передбачений окремо. Між збірним пристроєм 10 і механічним пристроєм 3 для видалення вологи може бути передбачений ряд інших пристроїв. Вони можуть бути, як позначено стрілкою до позицій 5, 6, 7, 13, 16 на кресленні, встановлені по вибору попереду або позаду першого пристрою 4 для подрібнення. Так ззаду або також перед першим пристроєм 4 для подрібнення може бути передбачений пристрій 13 для відділення забруднень, зокрема, піску та каменів. При цьому в більшості випадків рекомендується встановлювати його попереду пристрою 4 для подрібнення, оскільки таким чином оберігаються його подрібнюючі інструменти. У іншому варіанті виконання винаходу може бути передбачений мийний пристрій 5 для миття біомаси. Він може бути, як показано стрілкою на кресленні, встановлений попереду пристрою 4 для подрібнення або може бути встановлений позаду нього. При цьому миття може застосовуватися навіть як альтернатива тонкому подрібненню. В цьому випадку воно переважно застосовується після першого подрібнення, причому в цьому випадку можна відмовитися від тонкого подрібнення. Якщо, навпаки, застосовується тонке подрібнення, то миття має місце переважно перед тонким подрібненням і установка має відповідну конструкцію. При процесі миття в цьому випадку одночасно здійснюється відділення піску і каменів та інших 4 UA 101661 C2 5 10 крупних забруднень. Попереду механічного пристрою 3 для видалення вологи може бути встановлений пристрій 6 для попереднього обезводнення. Це служить для розвантаження наступного пристрою 3 для видалення вологи за рахунок видалення частки вологи, яка може відділятися без додаткових механічних заходів, як-то пресування. Пристрій 6 для попереднього обезводнення може бути встановлений попереду першого пристрою 4 для подрібнення, якщо мова йде про попереднє обезводнення із самого початку дуже сирої біомаси. Але він також може бути передбачений після подрібнення в першому пристрої 4 для подрібнення або в обох місцях, перш за все, якщо перше подрібнення є тонким подрібненням, при якому біомаса може мати кашоподібну, десь зовсім текучу консистенцію, яка робить можливим попереднє обезводнення без додаткового механічного втручання і є раціональним. Щоб підтримати ці процеси біомаса може нагріватися перед механічним обезводненням, для чого перед пристроєм 3 для видалення вологи може бути передбачене пристрій 7 для нагрівання. 15 Нарешті, механічному обезводненню може передувати ферментація в ферментаційному пристрої 17. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 1. Спосіб отримання палива з пресованої біомаси, при якому вологу біомасу перед процесом пресування у формі піддають процесу сушіння, перед процесом сушіння процесу механічного обезводнення для зменшення вмісту вологи і перед механічним процесом обезводнення процесу подрібнення, який відрізняється тим, що біомасу в процесі подрібнення тонко подрібнюють. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що біомасу перед тонким подрібненням промивають. 3. Спосіб за пп. 1 або 2, який відрізняється тим, що біомасу перед механічним процесом обезводнення заздалегідь зневоднюють. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що біомасу перед механічним процесом обезводнення нагрівають. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 2-4, який відрізняється тим, що воду, отриману при механічному процесі обезводнення, застосовують як мийну воду. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 1-5, який відрізняється тим, що біомасу для її розпушування піддають другому процесу подрібнення, наступному за механічним процесом обезводнення. 7. Спосіб за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що біомасу перед механічним процесом обезводнення зброджують для отримання газу, а воду, отриману при механічному процесі обезводнення, застосовують як добриво або для подальшої переробки в сільськогосподарські добрива. 8. Пристрій для отримання палива з пресованої біомаси для здійснення способу за будь-яким з пп. 1-7, що містить пристрій для пресування біомаси у формі, встановлений попереду нього пристрій для сушіння біомаси, встановлений попереду нього пристрій для механічного обезводнення біомаси для зменшення вмісту вологи в ній і встановлений попереду нього перший пристрій для подрібнення біомаси, який призначений для тонкого подрібнення. 9. Пристрій за п. 8 для здійснення способу за будь-яким з пп. 2-7, який відрізняється тим, що пристрій для промивання біомаси встановлений попереду пристрою для тонкого подрібнення біомаси. 10. Пристрій за п. 8 або 9, який відрізняється тим, що він містить пристрій для попереднього обезводнення біомаси, встановлений попереду пристрою для механічного обезводнення. 11. Пристрій за будь-яким з пп. 8-10, який відрізняється тим, що він містить другий пристрій для подрібнення біомаси, встановлений попереду пристрою для сушіння і встановлений за пристроєм для механічного обезводнення. 5 UA 101661 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 6