LV11994B - Biomasas karbonizācijas procesā nepieciešamās enerģijas nodrošināšanas un/vai deggāzes ieguves paņēmiens - Google Patents

Description

BIOMASAS KARBONIZĀCIJAS PAŅĒMIENS, NODROŠINOT PROCESA NORISEI NEPIECIEŠAMO ENERĢIJU UN PAPILDUS IEGŪSTOT DEGGĀZI

Izgudrojums attiecas uz kurināmā ķīmisko tehnoloģiju un to var izmantot biomasas (īpaši koksnes) pārstrādei, vienlaicīgi iegūstot koksu (vai kokogles) un deggāzi.

Zināmos biomasas karbonizācijas paņēmienus [1] realizē divu veidu aparātos: a) ar tiešo apsildi, kur siltumnesējs tieši saskaras ar materiālu, un b) ar ārējo apsildi, kur siltumnesējs un materiāls ir nodalīts ar sieniņu.

Karbonizācijas materiāla tiešās apsildes priekšrocības ir tajā ziņā, ka process ir intensīvāks, noris liela izmēra aparātos un viegli realizēt nepārtrauktas darbības tehnoloģiju. Kā galvenais šā paņēmiena trūkums jāatzīmē tas, ka siltumnesējs sajaucas ar pirolīzes gāzēm un tvaikiem, samazinot to koncentrāciju. Ražotnēs, kurās uztver un izdala sausās pārtvaices produktus (etiķskābi, metanolu, darvu u. c.), tas nopietni sarežģī kondensācijas sistēmas izveidi. Modernajās iekārtās, kur iegūst vienīgi kokogles, problēmu rada ekoloģisko prasību nodrošināšana ražošanas izmešiem. Parasti šajos augstražīgajos, nepārtrauktas darbības aparātos realizē pirolīzes gaistošo produktu daļēju sadedzināšanu aparāta iekšienē ierobežota gaisa daudzuma klātbūtnē, nodrošinot nepieciešamo procesa temperatūru (piemēram, firmu “Lambiotte” un “Lurgi” aparāti, Hereshofa krāsnis u. c.). Tā rezultātā daļējās sadegšanas produkti satur pirolīzes gaistošos produktus- oglekļa monoksīdu, metānu, etiķskābi, darvu u. c. savienojumus, kuri rada atmosfēras piesārņojumu, kas pārsniedz pieļaujamās koncentrācijas. Tā kā izplūstošajā gāzu maisījumā ir augsts ūdens tvaiku saturs, kas rodas biomasai žūstot, termiskās sadalīšanās reakcijā un degšanas procesā, un tā temperatūra ir zema (400-450^&C), tad tieša gaisa padeve dūmgāzēs nenodrošina minēto piemaisījumu sadegšanu. Tādēļ karbonizējamais materiāls pirms pirolīzes jāizžāvē līdz gaissausam stāvoklim (relatīvais mitrums <25%) vai izmēsi jāizdedzina, izmantojot papildus augstas kaloritātes kurināmo (piemēram, dabas gāzi). Līdz ar to šo aparātu darbība ir ļoti jūtīga pret karbonizējamā materiāla veida (koksnes gadījumā- pat no sugas) vai mitruma izmaiņām un apmierinoši darbojas tikai pie viendabīgām izejvielām nemainīga režīma apstākļos. Ekoloģisku apsvērumu dēļ karbonizācijai nevar izmantot agrāk lietotās Švarca krāsnis, kokogļu dedzināšanu sārtos, bedrēs un dažādu veidu pārvietojamās iekārtās [2, 3],

Ārējās apsildes aparātos kā siltumnesēju parasti izmanto dūmgāzēs, ko iegūst, sadedzinot kurtuvē malku vai kāda cita veida kurināmo. Siltumnesējs apsilda aparāta ārējo sienu, kas var būt izgatavota no metālā, ķieģeļiem, ugunsizturīga betona u. tml., līdz ar to nesajaucoties ar pirolīzes gaistošajiem produktiem, kurus var kondensēt un pārstrādāt tālāk vai sadedzināt kurtuvē kā papildus kurināmo.

Zināmajiem tehniskajiem risinājumiem ar pirolīzes gāzu-tvaiku sadedzināšanu ārējās apsildes iekārtās bez pirolīzes produktu kondensācijas piemīt virkne trūkumu. Tā PSRS autorapliecībā Nr.l 312 072 (1987) un tai analogā Latvijas Republikas patentā LV 10 631 (1993) aprakstītā krāsns ar izceļamām retortēm ir siltumtehniski neracionāla un nenodrošina gaistošo produktu pilnīgu sadegšanu.

Mīņātajos paņēmienos [4, 5] maksimālais koksnes pirolīzes tvaiku-gāzu maisījuma daudzums tiek sadedzināts eksotermiskās reakcijas laikā, kad retoršu apsilde nav nepieciešama un tā ir pat nevēlama, taču dotajos risinājumos nenovēršama. Kurtuves konstrukcija, kas pieļauj tiešu liesmas kontaktu ar retortēm, jo tās ir iekārtas kurtuves kamerā, nenodrošina efektīgu siltuma atdevi uz sieniņām un kurināmā pilnīgu sadegšanu. Tas ir izskaidrojams ar to, ka retortes dzesē kurināmā degšanas zonu, kā ari kurtuves konstrukcija nenodrošina pietiekami ilgu tvaiku-gāzu uzturēšanos augsttemperatūras zonā (>750°C). Rezultātā dūmgāzēs ir ļoti augsta oglekļa monoksīda (pat virs 7,5 tilpuma %), cieto daļiņu un citu pirolīzes gaistošo produktu (etiķskābes, metanola, acetona, etilacetāta, darvas u. c.) koncentrācija, līdz ar to radot sarežģījumus apkārtējās vides aizsardzības apsvērumu dēļ.

No pirolīzes tvaiku-gāzu maisījuma pilnīgas sadegšanas un siltuma pārnešanas viedokļa sekmīgāks ir risinājums, kurā izmanto iznesto kurtuvi un ārējās apsildes retortes ar organizētu siltumnesēja plūsmu ap tām, kas, piemēram, aprakstīts Latvijas Republikas patentā LV 11 333 (1996) (prototips). Tomēr arī šajā gadījumā siltumtehniskais un tehnoloģiskais risinājums nav veiksmīgs, jo tā realizācijas gadījumā nepieciešams papildus kurināmais- malka, kā arī iespējams gadījums, kad, kurinot tikai ar pirolīzes tvaiku-gāzu maisījumu (pie koksnes relatīvā mitruma <20%), pārāk augstas dūmgāzu temperatūras dēļ (>1000°C) var notikt retoršu izdegšana, kā ari apmūrējuma un dūmeju bojājumi. Regulējot retoršu apsildi tikai ar dūmgāzu plūsmu ap retortēm, nav iespējams mainīt tvaiku-gāzu maisījuma padevi kurtuvē eksotermiskā procesa laikā, kad izdalīto tvaiku-gāzu daudzums ir divas reizes lielāks kā parasti, īpaši, ja tas notiek, piemēram, divās retortēs vienlaicīgi. Šādā gadījumā nav novēršama siltuma nelietderīga izmantošana un dūmgāzu temperatūras paaugstināšanās retoršu apsildes kanālos virs pieļaujamās, kas parasti ir ap 700°C.

Ir zināms [6], ka siltuma patēriņš pirolīzes procesā un izdalīto tvaiku-gāzu daudzums galvenokārt ir atkarīgs no biomasas mitruma un tās blīvuma. Taču periodiska procesa īpatnība ir tā, ka tvaiku-gāzu izdalīšanās nav vienmērīga laikā, jo pirolīze noris vairākos posmos. Žūšanas (līdz 120-150°C) un termiskās sadalīšanās sākuma (120-275°C) posmā degt spējīgās gaistvielas izdalās maz un aparātā esošās koksnes vai citas biomasas temperatūras celšanai ar šo produktu sadedzināšanā iegūto siltumu nepietiek. Temperatūrā no 280-400°C notiek t. s. eksotermiskā reakcija un paša reakcijas siltuma un gaistošo produktu sadedzināšanas rezultātā radušais siltuma daudzums ir lielāks nekā nepieciešams koksnes vai citas biomasas temperatūras celšanai aparātā, un to var novadīt citiem aparātiem, kur koksne vai cita biomasa žūst vai tikko sāk termiski sadalīties. Kvēlināšanas posmā (400-500°C) pirolīzes gaistošo produktu sadedzināšana nodrošina nepieciešamo siltuma daudzumu, lai paceltu temperatūru aparātā un uzturētu to noteiktu laiku.

Izgudrojuma mērķis ir novērst augstākminēto zināmo ārējās apsildes aparātu siltumnesēja sagatavošanas, padeves un regulēšanas trūkumus un nodrošināt:

a) pilnīgu biomasas pirolīzes procesa apsildi, sadedzinot biomasas termiskās sadalīšanās reakcijas gaistošos produktus;

b) pirolīzes aparātu pārkāršanas novēršanu;

c) biomasas termiskās sadalīšanās gaistošo produktu pilnīgu sadedzināšanu;

d) visa biomasas termiskās sadalīšanās gaistošo produktu enerģētiskā potenciāla racionālu izmantošanu.

Lai sasniegtu izvirzīto mērķi, piedāvāta ārējās apsildes pirolīzes aparātu un iznestās kurtuves sistēma, kurā pirolīzes procesa apsildi regulē ne tikai mainot dūmgāzu plūsmas intensitāti ap aparātiem, bet ari regulējot biomasas pirolīzes gaistošo produktu padevi, daļu no tiem sadedzinot utilizācijas kurtuvē un iegūstot siltumenerģiju un/vai realizējot krekingu pēc zināmiem paņēmieniem (izmantojot kokogles, dolomītu utml. pildījumu), un iegūstot uzglabājamu un transportablu gāzveida kurināmo.

Bez tam piedāvāts veikt daļēju atstrādātā siltumnesēja recirkulāciju, lai novērstu siltumnesēja temperatūras paaugstināšanos virs pieļaujamās temperatūras (ap 700°C, ja retortes izgatavotas no nelēģēta tērauda).

Izgudrojuma realizācijai piedāvāts apvienot jebkuras konstrukcijas ārējās apsildes biomasas pirolīzes aparātus vienā sistēmā, kas sastāv no ne mazāk kā 3 aparātiem (optimāli

4-6 aparāti), kopīgas iznestas kurtuves siltumnesēja iegūšanai no pirolīzes tvaiku - gāzu maisījuma, utilizācijas kurtuves un/vai tvaiku - gāzu krekinga iekārtas. Utilizācijas kurtuvē paredzēts sadedzināt lieko pirolīzes tvaiku - gāzu maisījumu siltumenerģijas ieguvei vietējam patēriņam (koksnes vai citas biomasas žāvēšanai, ūdens sildīšanai vai telpu apkurei). Tvaiku

-gāzu krekinga iekārta paredzēta pirolīzes tvaiku un gāzu maisījuma pārvēršanai transportablā un uzglabājamā deggāzē, ko iespējams izmantot arī iekšdedzes dzinējos.

Iekārtas principiālā shēma parādīta fig. 1, kur : R_b R2, R3, Rļ- retortes; K- kurtuve; S - dūmenis; Z- žāvētava; U- utilizācijas kurtuve; G- krekinga iekārta, bet kokogļu ražošanas iekārtas shēma - fig. 2, kur: 1, 4- ventilatori; 2- kurtuve, 3- utilizācijas kurtuve; 5,6,7,8retortes; 9- dūmsūcējs; 10- dūmenis.

Izgudrojuma realizācijai biomasas pirolīzes iekārtas darbs jāorganizē tā, lai katrā no sistēmā ieslēgtajām retortēm tiktu realizētas dažādas pirolīzes procesa stadijas. Strādājot ar aparātiem, kuru tilpumi un izmantotā biomasa būtiski neatšķiras, to panāk, uzsākot retoršu aparātapriti pēc vienādiem laika sprīžiem, ko nosaka pēc formulas:

T <j-> _ procesa .

n τ procesa - pirolīzes procesa ilgums, h; n - pirolīzes aparātu skaits.

Pirolīzes procesa apsildei sadedzināmo tvaiku - gāzu daudzumu kurtuvē K regulē pēc dūmgāzu temperatūras pirms retortšu Ri, R2, R3, R4 apsildes dūmejām. Pārsniedzot pieļaujamo temperatūru, rovī pirms retortēm tiek padots atstrādātais siltumnesējs un daļa tvaiku - gāzu maisījuma tiek novirzīta uz utilizācijas kurtuvi U un/vai krekinga iekārtu G, tādējādi samazinot siltumnesēja temperatūru līdz pieļaujamajai. Atsevišķu pirolīzes aparātu apsildi regulē ar aizbīdņiem vai aizvariem, kas novietoti atstrādātā siltumnesēja vadā aiz katra no aparātiem. Atstrādāto siltumnesēju izvada caur dūmeni S, bet daļu atstrādātā siltumnesēja iespējams novirzīt uz koksnes žāvētavu Z.

Piedāvāto biomasas karbonizācijas paņēmienu, nodrošinot procesam nepieciešamo enerģiju un papildus iegūstot deggāzi un realizāciju vienā no tās iespējamiem variantiem ilustrē fig. 1. un 2., neizsmeļot izgudrojuma iespējamos realizācijas veidus.

Piemērs.

Piedāvātā kokogļu ražošanas iekārta (fig. 2) sastāv no 4 ārējās apsildes periodiskas darbības retortēm (5; 6; 7; 8), kurtuves (2), dūmeņa (10) un utilizācijas kurtuves (3). Retortes izgatavotas no tērauda un apmūrētas ar ugunsizturīgiem ķieģeļiem. Apmūrējumā izvietotas spirālveida vai gredzenveida dūmejas, no kurām apakšējā izmūrēta no šamota ķieģeļiem, bet pārējās veido metāla segmenti, kas piemetināti retortes ārpusei. Kurtuves vertikālais rovis beidzas horizontālā sadalītāj rovī, pa kuru siltumnesēju padod retoršu, kas izvietotas divos pretējos blokos pa pāriem (5; 6) un (7; 8), dūmejās. Tāpat sadalītājrovī atrodas atstrādātā siltumnesēja ievads. Abos sadalītāj rovja galos pirms ieejas retoršu dūmejās ir ievietotas temperatūras mērierīces, ar kurām mēra siltumnesēja temperatūru.

No retoršu (5; 6, 7; 8) dūmejām atstrādātais siltumnesējs nonāk kolektorā, kas ir savienots ar dūmeni (10). No kolektora atiet recirkulācijas cauruļvads, pa kuru atstrādātais siltumnesējs tiek padots ar dūmsūcēja (9) palīdzību kurtuves horizontālajā rovī un/vai arī uz koksnes žāvētavu. Ja pārogļojamās malkas relatīvais mitrums ir virs 30%, tad to iepriekš žāvē pēc kāda zināma paņēmiena. Pirolīzes tvaiku-gāzu maisījums no retortēm (5, 6; 7; 8) pa izvadcaurulēm saplūst kopējā kolektorā, no kurienes to padod caur tvaiku-gāzu degli kurtuvē (2). Deglim pievienots ventilators (1), kas paredzēts piespiedu gaisa padevei. No tvaiku-gāzu kolektora atiet cauruļvads, pa kuru daļu tvaiku-gāzu maisījuma caur degli, kam pievienots ventilators (4), novada utilizācijas kurtuvē (3) sadedzināšanai. Iegūto siltumenerģiju izlieto ūdens sildīšanai, telpu apkurei vai tehnoloģiskās malkas žāvēšanai.

Piedāvātā paņēmiena realizācijai retortē (5) ar ģeometrisko tilpumu 6 m³ iekrauj 1520 cm garus koksnes klucēnus un hermētiski noslēdz apakšējo un augšējo vāku. Atver vārstu (7) uz tvaiku gāzu vada un vārstu (8) atstrādātā siltumnesēja vadā. Vārsts (9) ir paredzēts retortes apsildes atslēgšanai tās avārijas vai remonta gadījumā. Iekurina apsildes kurtuvi (2) ar malku, lai iegūtu siltumenerģiju pirolīzes procesa uzsākšanai retortē (5). Sasniedzot temperatūru 100°C, retortē sāk izdalīties galvenokārt ūdens tvaiki, kuri pa tvaiku-gāzu vadu nonāk kurtuvē (2). Tā kā vienas retortes aprites laiks ir 16 stundas, ik pēc 4 stundām apsildei pieslēdz nākošo retorti (6, 7; 8) līdzīgi kā aprakstīts iepriekš. Apkuri ar malku turpina paralēli pirolīzes tvaiku-gāzu sadedzināšanai, lai nodrošinātu siltumnesēja temperatūru horizontālajā rovī ap 700°C. Pakāpeniski, palielinoties tvaiku-gāzu siltumspējai, pārtrauc kurināšanu ar malku un pāriet pilnībā uz tvaiku-gāzu maisījuma sadedzināšanu. Siltumnesējam sasniedzot 800°C temperatūru, daļa tvaiku-gāzu maisījuma novirza uz utilizācijas kurtuvi (3), atverot vārstu (3) un pieverot vārstu (2). Atverot vārstu (5) un (19) uz atstrādātā siltumnesēja recirkulācijas vada un iedarbinot dūmsūcēju (9), daļu atstrādātā siltumnesēja padod kurtuves rovī, lai samazinātu siltumnesēja temperatūru līdz 800°C. Dūmsūcējs (9) paredzēts arī atstrādātā siltumnesēja padevei, atverot vārstu (6) uz koksnes žāvētavu. Dūmenī (10) izplūstošais atstrādātais siltumnesējs (dūmgāzes) tiek kontrolēts vizuāli pēc izskata dūmeņa galā, kā arī pēc oglekļa monoksīda koncentrācijas mērījuma rezultātiem. Nepietiekamas dabiskās vilkmes rezultātā radušos gaisa trūkumu kurtuvē (2) novērš, atverot vārstu (1) un padodot papildus gaisu ar ventilatoru (1) tvaiku-gāzu deglī. Kad temperatūra retortē (5) sasniegusi 450-500°C, aizver vārstu (8) atstrādātā siltumnesēja vadā un ļauj temperatūrai 1,52 stundu laikā nokristies par 50-100°C. Tad aizver vārstu uz tvaiku-gāzu vada (7) un, atverot retortes apakšējo vāku, izkrauj gatavās kokogles apakšā novietotā kokogļu dzesētājā. Pēc tam atver retortes augšējo lūku, aizver apašējo lūku, pieber retorti ar klucēniem un uzsāk procesu no sākuma.

Utilizācijas kurtuvē (3) tiek sadedzināts liekais tvaiku-gāzu maisījums, iegūstot siltumnesēju, kas tiek izmantots telpu un ūdens sildīšanai, kā arī koksnes žāvēšanai. Sadedzināšanai nepieciešamo gaisu padod, atverot vārstu (4), ar ventilatora (4) palīdzību. Šādi regulējot pirotīzes tvaiku-gāzu maisījuma padevi uz apsildes (2) un utilizācijas (3) kurtuvi, kā arī regulējot gaisa padevi attiecīgajās kurtuvēs ar ventilatoriem (1,4) un izmantojot daļēju atstrādātā siltumnesēja recirkulāciju apsildes kurtuves rovī ar dūmsūcēja (9) palīdzību, panāk:

1) vienmērīgu siltumnesēja temperatūru (ap 700°C) pirms ieplūdes retoršu dūmejās, tādējādi pasargājot tās no termiskās bojāšanās;

2) racionālu pirolīzes tvaiku-gāzu izmantošanu, nodrošinot pārogļošanās enerģētiski autonomu režīmu,

3) pilnīgu kurināmā (malkas, tvaiku-gāzu maisījuma) sadegšanu un zemu kaitīgo izmešu līmeni atmosfērā.

INFORMĀCIJAS AVOTI

1. TexHOJioran jiecoxnMnnecKHx npon3BoztcTB.- 1987., JlecHan npoMbiuuieHHOcTb, MocKBa, 352 CTp.

2. Kalniņš A. Ķīmiskā meža technoloģija.- Rīga, 1944, 496 Ipp.

3. Emrich W. Handbook of Charcoal Making.- Amsterdam, 1985, 278 pp.

4. SU 1. 312. 072, 1987.

5. LV 10 631, 1993.

6. LV 11 333, 1996.

7. UJyjibrHH IO.H., E<1>hmob JI.M. AHajiH3 3HepreTnnecKHX aarpaT b npon3BojicTBe apeBecHoro yrjw.- 1988., CSopmiK rpvnoB ΙΙΗΙΕΊΧΗ, JlecHan npoMbiniJieHHocTb, MocKBa, c. 5-16

Claims (2)

1. IZGUDROJUMA FORMULA

   1. Biomasas karbonizācijas procesā nepieciešamās enerģijas nodrošināšanas un iegūšanas paņēmiens, kas ietver biomasas karsēšanu hermētiskos ārējās apsildes reaktoros bez gaisa piekļūšanas, kas atšķiras ar to, ka, lai nodrošinātu ekoloģiski tīru procesu, realizētu to bez blakus kurināmā izmantošanas, izņemot kurināmo procesa uzsākšanai, izslēgtu tehnoloģiskās aparatūras izdegšanu un vienlaicīgi iegūtu vajadzīgās kvalitātes koksu vai kokogles, papildus siltumnesēju, kā arī transportablu un uzglabājamu gāzveida kurināmo, procesu veic periodiskas darbības iekārtā ar ne mazāk kā 3 aparātiem, katrā no kuriem realizē dažādas pirolīzes procesa stadijas, vienādās stadijas nobīdot laikā, pie kam siltumnesēja temperatūras un daudzuma regulēšanu veic izmainot tvaiku-gāzu maisījuma daudzumu, ko padod apsildes kurtuvē, un/vai padod atstrādāto siltumnesēju apsildes kurtuves rovī, bet prolīzes tvaiku-gāzu maisījumu, kas nav nepieciešams procesa uzturēšanai, ievada krekinga iekārtā, lai iegūtu transportablu un uzglabājamu deggāzi.
2. 2. Iekārta paņēmiena saskaņā ar 1. punktu realizācijai, kas atšķiras ar to, ka tās sastāvā ietilpst tehnoloģiskās koksnes žāvētava, utilizācijas kurtuve un tvaiku-gāzu maisījuma krekinga iekārta.