Reaktor pro zpracování biomasy torefakcí
Oblast techniky
Zařízení svou podstatou spadá do oblasti nejademé energetiky, hospodaření s odpadními energiemi - teplem a jeho využitím za účelem torefakce.
Dosavadní stav techniky
Při zemědělské výrobě je vyprodukováno množství rostlinného bioodpadu, který může představovat například sláma, řepná sláma nebo i kůra z lesního hospodaření. Některé z těchto produktů lze přímo zaorávat do půdy, nicméně jsou-li takovéto „syrové“ zbytky zaorány ve velkém množství, nemusí se včas rozložit a mohou vysetým plodinám spíše škodit (dostupné na https://www.asz.cz/cs/sedlaci-v-mediich/podestylka-krmivo-i-zaorani-zpet-do-pole-zemedelci-sislamy-ceni-presto-konci-i-v-kotlich.html).
Takto vyprodukovaný bioodpad může být také například energeticky zhodnocen (bioplynové stanice, přímé spálení apod.). Další možnou variantou je jeho sušení a následné další použití v zemědělské výrobě. V současné době je sušení nejrůznějších materiálů hojně rozšířeno a používá se především v průmyslových aplikacích, dřevařské a potravinářské výrobě. Se sušením se tedy setkáváme na mnoha místech.
Technologie sušáren je známa a v běžném provedení jsou dobře popsány. Speciálním typem sušáren jsou zařízení pro provádění tzv. torefakce. S torefakcí, nebo určitou formou s pražením, se setkáváme, např. při výrobě kávy, přípravě pelet nebo dalších materiálů.
Z konstrukčního hlediska je známé provedení ve formě sušáren a pražíren s využitím sít, fluidního principu, nebo etážových pecí, případně rotačních reaktorů se šnekovým, nebo lopatkovým podáváním a transportem torefikovaného materiálu. Obecně se využívá pro sušení teplot v rozmezí 40 až 160 °C a k torefakcí teplot v rozmezí 160 až 350 °C.
Torefakcí je možné také použít pro lehké materiály a stébelniny. Takto zpracovaný materiál je pak možné následně použít pro zlepšení fyzikálních a chemických vlastností, např. u zemědělské půdy.
V dokumentu EP 2905322 AI je popsán vertikální reaktor pro torefakcí biomasy, který zahrnuje předehřívací sekci atorefakční sekci. Biomasa prochází jednotlivými sekcemi pomocí gravitační síly. Do torefakční sekce se přivádí torefakční plyn, který se vede stejným směrem jako biomasa. Torefakční sekce se ohřívá nepřímo přes topné plochy nebo přímo vedením plynu. V torefakční sekci může torefakce probíhat v několika stupních. Nejdříve se biomasa v prvním stupni ohřeje na torefakční teplotu 250 až 280 °C, poté se na této teplotě v druhém stupni udržuje a ve třetím stupni se ochladí na teplotu cca 200 °C. Během prvních dvou stupňů se biomasa ohřívá přímo pomocí torefakčního plynu. Během dalších stupňů torefakce (kromě prvního) na materiál působí gravitační síla a zbytkové teplo plynného média.
V dokumentu WO 9744410 AI je popsán fluidní reaktor o dvou sekcích pro termolýzu (nízkoteplotní pyrolýzu, torefakcí) biomasy. Ze spodu reaktoru se přivádí fluidizační plyn, do jehož proudu se přivádí biomasa. V první vnější sekci dochází k pyrolýze biomasy proudem plynu. Z reaktoru se odvádí proud plynů s částicemi pevného uhlíku, které se odstraňují v cyklonu a odvádí do zplyňovače. Tento cyklon může být umístěn uvnitř reaktoru a z cyklonu se potrubím uvnitř reaktoru odvádí uhlíkatý zbytek k dalšímu zpracování.
Další technologie a zařízení pro torefakcí biomasy jsou popsány v dokumentech CZ 33086 Ul, GB 2479924 A, DE 3721006 Cl a v publikacích „Pyrolýzní biochar vs. torifikovaný materiál: vliv
- 1 CZ 309086 B6 na půdní vlastnosti“; Václav Peer a kol.; Energie z biomasy XIX. sborník příspěvků z konference: 17. až 19. 9. 2019, Lednice, Česká republika, str. 103-110 (dostupné na https://eu.fine.vutbr.cz/fi1e/Sbomik-EnBio/20l9/l3.pdf) a „Torrefaction of oil palm EFB in the presence of oxygen“; Yoshimitsu Uemura a koi.; Fuel (20130131), 103, str. 156-160 (dostupné na https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S00162361110071257via%3Dihub).
Podstata vynálezu
Níže popsané zařízení řeší problematiku technologie pro souběžnou dopravu a torefikování materiálu. V zařízení dochází k využití proudu odpadního tepla plynného média a inertního média k transportu, při kterém také dochází k torefakci odpadního materiálu (biomasy).
Dvoutahový reaktor představuje vertikální komoru, která je tvořena první vnitřní sekcí trubicovitého tvaru, do jejíž spodní části je přiváděn materiál a zároveň horké plynné a stlačené médium a inertní médium (zdrojem je, např. nejrůznější odpadní nebo procesní teplo) pro termickou reakci materiálu, které také umožňuje jeho vznos a transport potrubím směrem vzhůru do druhé sekce. Horní část první vnitřní sekce je otevřená a volně průchozí.
Druhá sekce je tvořena válcovou nádobou (například trubkou), která obklopuje první vnitřní sekci a je značně většího průměru, zjednodušeně lze říct, že se jedná prakticky o „trubku v trubce“. Jedná se tedy o druhou, vnější sekci reaktoru. Samotná horní část této druhé vnější sekce je uzavřena a tvoří kopuli reaktoru. Kopule může být konstruována jako trvale uzavřená, ale i jako otevíratelná, například kvůli čištění. První, vnitřní sekce tedy svým horním koncem vystupuje do prostředí těsně před kopulí reaktoru v druhé sekci. Tímto zapojením, a zároveň působením gravitačních sil, je materiál, který proudí do kopule reaktoru z vnitřní sekce směřován vnější sekcí směrem ke spodní části reaktoru. Spodní část vnějšího reaktoru představuje šikmé dno s odvodním potrubím pro odvod již torefikováného materiálu.
Materiál je do reaktoru dopravován prostřednictvím například šnekového dopravníku či podavače, který je napojen v dolní části první sekce na její vstup. Jak již bylo výše řečeno, samotný materiál putuje nejprve vnitřním okruhem první sekce vzhůru prostřednictvím stlačeného plynného či inertního média a je částečně torefikován, následně po opuštění hrdla vnitřní sekce reaktoru vstupuje do druhé vnější sekce a je veden působením gravitačních sil a částečně pomocí zbytkového stlačeného média z první sekce směrem shora dolů, kdy na této trase dojde k jeho dokonalé torefakci. Tento jev je způsoben působením odpadního tepla, které je vyzařováno vnitřní sekcí do prostředí sekce vnější a delšího zdržení v reaktoru, který je konstruován jako dvoutahový.
Samotná torefakce probíhá prostřednictvím odpadního tepla spalin, procesního tepla či jiných externích zdrojů tepelné energie. Požadovaná provozní teplota je v rozmezí 200 až 300 °C s ohledem na kvalitu tepelného zdroje či odpadního tepla. Ohřívaným médiem tedy je inertní plynné médium, nebo spaliny, které zároveň slouží k transportu torefikovaného materiálu reaktorem. Toto teplo je produktem průmyslové výroby například teplárny, hutě, ale je možné využít i teplo například z lihovarů, kafilerií nebo pil.
V alternativních variantách může být vnitřní stěna druhé sekce a vnější stěna první sekce opatřena šikmými lamelami, směřujícími ve směru proudění materiálu. Díky tomuto uspořádání dochází k ještě lepší homogenizaci, zavíření proudu dopravovaného materiálu, intenzivnějšímu přestupu tepla do materiálu a prodloužení trasy - tedy i doby zdržení v reaktoru. Další variantu představuje plášť druhé sekce, který je dělený šroubovými spoji s vnitřním usazením pro pokrytí teplotních dilatací. Tato varianta je vhodná pro případné čištění a údržbu interních partií reaktoru.
Výhodou konstrukce tohoto reaktoru je jeho protiproudé provedení bez pohyblivých prvků, jako je dopravní šnek (není přímou součástí reaktoru, pouze do reaktoru dopravuje materiál apod.)
-2 CZ 309086 B6 tedy jeho konstrukční jednoduchost. Rovněž je výhodné, že zpracovávaný materiál je dopravován a torefikován v jednom zařízení ve stejnou dobu.
Dále díky postupu materiálu přes dvě sekce dochází k jeho velmi dobrému promíšení a tedy i k homogennímu ohřevu všech částic torefikovaného materiálu, např. odpadních materiálů z lesnické výroby, např. větve, kůra apod., nebo ze zemědělské výroby, jako je, např. sláma, seno, řepná sláma apod. Vyprodukovaný materiál je připraven ihned k použití a aplikaci do půdy, kterou může nejen obohacovat z hlediska svého složení (jedná se o zpracovanou biomasu), ale i přispět ke krajinotvobě, kdy může pozitivně ovlivnit erozi zemědělské půdy.
Objasnění výkresů
Obr. 1 představuje zjednodušené blokové schéma procesu zpracování materiálu.
Obr. 2 svislý řez reaktorem dle příkladu 1.
Obr. 3 svislý řez reaktorem dle příkladu 2.
Obr. 4 svislý řez reaktorem dle příkladu 3.
Obr. 5 svislý řez reaktorem dle příkladu 4.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1
Soukromý zemědělec zpracoval řepku a jako odpad mu zůstala řepná sláma, kterou se rozhodl nechat termicky zpracovat v lihovaru a následný produkt využít jako hnojivo a prostředek proti erozi. V lihovaru je umístěn dvoutahový reaktor pro zpracování biomasy torefakcí, který představuje systém tzv. „trubka v trubce“ a je tvořen první vnitřní sekcí 2 - trubkou, do níž je přes jejíž spodní části vstupem 1 přiváděn materiál a zároveň horké plynné médium, v tomto případě se jedná o odpadní teplo spalin, které termicky působí na materiál a zároveň ho dopravuje první vnitřní sekcí 2, tedy potrubím směrem vzhůru do druhé vnější sekce 3. Výstup přiváděného materiálu se děje v horní části první vnitřní sekce 2, která je otevřená, volně průchozí a umístěna v druhé vnější sekci 3.
Druhá vnější sekce 3 představuje válcovou nádobou značně většího průměru, než je první vnitřní sekce 2 a obklopuje ji. Horní límec (okraj) druhé vnější sekce 3 je nerozebíratelně spojen po svém obvodu s kopulí 4 reaktoru, která celý vnitřní prostor uzavírá, ale není spojena s první vnitřní sekcí 2. Samotná horní část druhé vnitřní sekce 3 je tedy uzavřená (zavařena, nebo smontována) a tvoří kopuli 4 reaktoru. První vnitřní sekce 2 tedy svým druhým koncem vystupuje do prostředí těsně před kopulí 4 reaktoru. Tímto zapojením je materiál, který proudí do kopule 4 reaktoru směřován směrem ke spodní části druhé vnější sekce 3. Spodní část 5 reaktoru je v tomto případě opatřena šikmým dnem s odvodním potrubím pro již torefikovaný materiál odváděný výstupem 7 z reaktoru.
Materiál mající 20 °C je v tomto případě do reaktoru dopravován prostřednictvím šnekového dopravníku, který je napojen v dolní části první sekce 2 na její vstup 1. Materiál pak prochází nejprve vnitřním okruhem první vnitřní sekce 2, tedy prvním stupněm A torefakce, vzhůru prostřednictvím stlačeného plynného média o teplotě 300 °C a je částečně torefikován, následně po opuštění hrdla první vnitřní sekce 2 , které je na straně opačné, než je její vstup 1, vstupuje do druhé vnější sekce 3, představující druhý stupeň B torefakce, a je veden působením gravitačních sil a částečně zbytkovým stlačeným médiem z první vnitřní sekce 2 směrem shora dolů, kdy na této trase dojde k jeho úplné torefakcí. Tento jev způsobuje odpadní teplo, které je vyzařováno
-3 CZ 309086 B6 první vnitřní sekcí 2 do prostředí druhé vnější sekce 3 a jeho zdržení v reaktoru, který je konstruován jako dvoutahový.
Příklad 2
Příklad 2 se od příkladu 1 odlišuje tím, že materiál je do vstupu 1 první vnitřní sekce 2 dopravován mechanickým podavačem 8. Horkým plynným médiem je v tomto případě tzv. procesní teplo o teplotě 200 °C, které je produkováno pilou. V tomto případě je zpracovávaným materiálem kůra a větve z těžby lesních porostů.
Příklad 3
Příklad 3 se od předchozích příkladů odlišuje tím, že je reaktor vybaven lamelami 9 umístěnými na vnějších stěnách první vnitřní sekce 2 a vnitřních stěnách druhé vnější sekce 3. Reaktor je v tomto případě umístěn v teplárně.
Příklad 4
Příklad 4 se od příkladu 3 odlišuje tím, že spodní část 5 reaktoru je oddělitelná od druhé vnější sekce 3 prostřednictvím pružného a těsného spojení 10. V tomto případě je reaktor umístěn v kafilerii.
Průmyslová využitelnost
Předkládané zařízení je možné využít všude tam, kde je zdroj odpadního tepla, které nemá další praktické využití, tudíž je možné je využít jako stlačených plynných médií (průmyslová výroba, klasická i lodní doprava, elektrárenství, hutě, kafilerie, lihovar, pila apod.) a následný produkt je možné využít dále v zemědělství jako hnojivo nebo jako prostředek proti erozi.