PL211898B1 - Sposób zwęglania biomasy oraz reaktor do zwęglania biomasy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwęglania biomasy oraz reaktor do zwęglania biomasy, zwłaszcza zrębków drewna.

Znany jest ze zgłoszenia polskiego opisu patentowego nr 363785 sposób i urządzenie do autonomicznej waloryzacji stałych paliw odpadowych oraz biomasy, zwłaszcza dla czystej produkcji energii elektrycznej i ciepła. W rozwiązaniu tym mieszaninę rozdrobnionej biomasy i innych odpadów o niskiej zawartości opałowej, poddaje się przy ciągłym mieszaniu z przemieszczaniem się przez długość retorty w reaktorze suszeniu i ogrzewaniu bez dostępu tlenu do temperatury nie wyższej niż 600°C na wyjściu i procesowi karbonizacji z wydzieleniem do komory spalania gazów z powstających części lotnych. Wydostające się promieniowo z retorty gazy miesza się w komorze spalania z powietrzem i spala je w przepływie zawirowanym wymuszonym przez styczne doprowadzenie powietrza, w czasie nie krótszym niż 2 sek. i w temperaturze nie niższej niż 850°C. Otrzymane w wyniku spalania spaliny lub gazy z niską zawartością pyłów wyprowadza się z komory spalania, a otrzymane uwęglone, bardziej reaktywne paliwo w postaci półkoksu, o wyższej gęstości energii opałowej, uwolnione od wilgoci i szkodliwych składników kieruje się do zaniknięcia retorty pełniącej funkcję zbiornika uwęglonego paliwa i gazu.

Znane jest z powyższego opisu urządzenie zawierające zbiornik odpadów paliw, urządzenia do rozdrabniania i segregacji, zasobniki świeżej mieszanki, poziomy reaktor z poziomą cylindryczną retortą z umieszczonym wewnątrz przenośnikiem śrubowym połączonym z zasobnikiem świeżej mieszanki, palnik rozpałkowy osadzony w ścianie komory reaktora, wentylator powietrza do spalania, króciec wylotowy spalin. W rozwiązaniu tym retorta posiada w górnej części na całej długości wzdłuż komory spalania otwory skierowane do górnej części komory spalania do wyprowadzania gazów powstających w retorcie do komory spalania. Retorta wyprowadzona jest wraz z podajnikiem śrubowym poza reaktor i wprowadzona jest wraz z podajnikiem śrubowym do zamknięcia retorty. Przy tym podajnik śrubowy ma zmienną, prędkość obrotową, a wentylator powietrza jest stycznie zabudowany w ścianie komory spalania korzystnie poniżej retorty. Ponadto reaktor ma króciec wylotowy spalin.

Wadą powyższego rozwiązania są trudności z uzyskaniem stabilnej pracy.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie powyższej niedogodności.

W sposobie według wynalazku świeża biomasa, rozdrobniona do wymiaru od 10 do 100 mm transportowana jest do suszarni, gdzie ogrzewana jest spalinami uchodzącymi z reaktora o temperaturze nie wyższej od 470 K aż do osiągnięcia zawartości wilgoci nie większej niż 25%. Następnie wstępnie przygotowana biomasa transportowana jest przez śluzę do co najmniej jednego reaktora. W reaktorze w warunkach beztlenowych w czasie od 5 do 60 minut biomasa osią ga temperaturę od 600 do 1300 K. Energia cieplna przekazywana jest biomasie w reaktorze na sposób przeponowy przez spaliny wytworzone w zewnętrznej komorze spalania. Spaliny na wyjściu z tej komory mają temperaturę od 1000 do 1500 K. Od zwęglonej biomasy oddziela się w reaktorze gaz pirolityczny, który jest spalany w zewnętrznej komorze spalania. Po wyjściu z reaktora zwęglona biomasa kierowana jest do wygaszacza, gdzie schładza się ją do temperatury poniżej 400 K.

W celu zwiększenia wydajności korzystne jest zastosowanie reaktorów połączonych równolegle.

W przypadku potrzeby zwę glania mniej energetycznej biomasy korzystne jest szeregowe po łączenie reaktorów w układzie reaktora niskotemperaturowego z reaktorem wysokotemperaturowym. Taki sposób połączenia reaktorów pozwala również na separację gazów o różnej zawartości składników oraz kondensatów o różnych właściwościach.

Korzystne jest w takim przypadku kierowanie z reaktora niskotemperaturowego do wygaszacza gazu z przewagą pary wodnej, a powstały w wyniku tego gaz wodny podaje się do zewnętrznej komory spalania wraz z gazem pirolitycznym powstałym w reaktorze wysokotemperaturowym.

Reaktor do zwęglania biomasy posiada lej zasypowy biomasy który przytwierdzony jest do komory wstępnej. Komora wstępna połączona jest z wlotem górnej retorty. Wylot tej retorty przylega do komory przesypowej, do której to komory przylega wlot dolnej retorty. Wylot dolnej retorty połączony jest z separatorem umieszczonym bezpośrednio pod komorą wstępną. Separator wyposażony jest w odprowadzenie gazów oraz wylot zwęglonej biomasy. Przez komorę wstępną , obie retorty, komorę przesypową oraz separator przechodzi wspólny przenośnik. Obie retorty umieszczone są w komorze grzewczej zaopatrzonej w króciec wlotowy i króciec wylotowy spalin.

Korzystne jest zaopatrzenie komory wstępnej w króciec odpowietrzający.

Ponadto korzystne jest wykonanie przenośnika w postaci transportera zgarniakowego.

PL 211 898 B1

Dodatkowo korzystne jest zaopatrzenie komory przesypowej w króciec odpływowy do usuwania kondensatu.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy procesu zwęglania biomasy, fig. 2 - schemat blokowy procesu zwęglania biomasy z wytworzeniem gazu wodnego, a fig. 3 przedstawia, w przekroju, reaktor do zwęglania biomasy.

Zwęglanie biomasy przeprowadza się w ten sposób, że biomasa surowa B1, w postaci zrębków drewnianych podawana jest na rozdrabniacz 1, w którym wszystkie kawałki, których wymiar przekracza 100 mm zostają, rozdrobnione na mniejsze. Tak znormalizowana gabarytowo biomasa B2 kierowana jest do suszarni 2. W suszami biomasa ogrzewana jest spalinami S1 uchodzącymi z reaktora i mającymi temperaturę około 420 K. Uchodzące z suszami spaliny S2 mają temperaturę co najmniej 375 K, w celu zapobieżenia kondensacji pary wodnej. Natomiast wstępnie wysuszona biomasa B3 posiada na wyjściu z suszarni wilgotność poniżej 20%. Tak przygotowana biomasa transportowana jest poprzez śluzę 3, ograniczającą dostęp powietrza, do reaktora 4. W reaktorze, w warunkach beztlenowych, biomasa ogrzewana jest przeponowo gorącymi spalinami S3, które na wejściu do reaktora mają około 1000 K. W tych warunkach biomasa uzyskuje w ciągu około 5 minut temperaturę na wyjściu około 800 K. W wyniku pirolizy biomasy następuje jej zwęglenie oraz powstaje kondensat oleisty K oraz gaz pirolityczny G, które to produkty oddziela się w reaktorze od biomasy. Opuszczająca reaktor zwęglona biomasa B4 posiada wysoką temperaturę i w celu zabezpieczenia jej przed spaleniem w powietrzu kierowana jest do wygaszacza 5. W urządzeniu tym następuje jej schłodzenie do temperatury poniżej 400 K. Chłodzenie odbywa się w warunkach beztlenowych przez przeponowy kontakt z otaczającym powietrzem. Schłodzona biomasa B5, jako produkt końcowy, odbierana jest okresowo z wygaszacza przez śluzę 7, ograniczającą przedostawanie się gazu pirolitycznego na zewnątrz reaktora oraz przedostawanie się powietrza do reaktora.

Natomiast gaz pirolityczny kierowany jest z reaktora do zewnętrznej komory spalania 6, do której podawane jest w stechiometrycznych ilościach powietrze P, w wyniku czego tworzą się gorące spaliny S3. Ponadto w przypadku deficytu energii i/lub rozruchu instalacji komora spalania zasilana jest paliwem gazowym Θ' z obcego źródła lub częścią zwęglonej biomasy B5.

Zwęglanie biomasy opisane jak wyżej, z zastosowaniem reaktorów połączonych równolegle, nieuwidocznione na rysunku, pozwala na zwielokrotnienie wydajności procesu.

Zwęglanie biomasy o niższej wartości energetycznej przeprowadza się, według wynalazku, w ten sposób, ze biomasa surowa B1, w postaci kawałków wilgotnego drewna i/lub odpadów roślinnych kierowana jest na rozdrabniacz 1 w którym zostaje rozdrobniona na zrębki o wymiarze od 20 do 60 mm. Tak rozdrobniona biomasa B2 transportowana jest do suszami 2. Wchodzące do suszami spaliny S1 mają temperaturę poniżej 470 K. Opuszczające suszarnię spaliny S2 mają temperaturę powyżej 375 K. Opuszczająca suszarnię wstępnie wysuszona biomasa B3 posiada na wyjściu z suszami wilgotność poniżej 35%. Biomasa, w tej postaci, transportowana jest poprzez śluzę 3, ograniczającą dostęp powietrza, do reaktora niskotemperaturowego 4'. Reaktor ten połączony jest szeregowo z reaktorem wysokotemperaturowym 4. W obu reaktorach biomasa przebywa w warunkach beztlenowych kolejno przez około 60 minut i ogrzewana jest w nich przeponowo za pośrednictwem spalin S3 wytworzonych w zewnętrznej komorze spalania 6. Przy tym temperatura spalin dostarczanych do reaktora wysokotemperaturowego ma wartość ok. 1500 K, a temperatura spalin S1 opuszczających reaktor niskotemperaturowy jest poniżej 470 K. Reaktor niskotemperaturowy wytwarza całkowicie odwodnioną, i częściowo zwęgloną biomasę, o temperaturze ok. 600 K, która kierowana jest do reaktora wysokotemperaturowego.

W reaktorze niskotemperaturowym powstaje kondensat K1 o dużej zawartości wody i gaz G1 z przewagą pary wodnej. Natomiast reaktor wysokotemperaturowy, który zasilany jest biomasą uzyskaną z reaktora niskotemperaturowego, wytwarza całkowicie zwęgloną biomasę B4 oraz kondensat smolisty K2 i wysokoenergetyczny gaz pirolityczny G2. Całkowicie zwęglona biomasa, o temperaturze ok. 1300 K transportowana jest z reaktora wysokotemperaturowego do wygaszacza 8, w którym poddana jest działaniu pary wodnej zawartej w gazie G1. W rezultacie tworzy się gaz wodny G3 i towarzyszy temu znaczne obniżenie temperatury biomasy o ok. 400 K. Dalsze jej schłodzenie następuje w warunkach beztlenowych przez przeponowy kontakt z otaczającym powietrzem do temperatury poniżej 400 K. Schłodzona biomasa B5, jako produkt końcowy, odbierana jest okresowo z wygaszacza przez śluzę 7, ograniczającą przedostawanie się gazów pizolitycznych na zewnątrz reaktora oraz przedostawanie się powietrza do reaktora.

PL 211 898 B1

Otrzymany w wygaszaczu gaz wodny oraz gaz pirolityczyny z reaktora wysokotemperaturowego podawane są do zewnętrznej komory spalania 6, do której podawana jest proporcjonalna ilość powietrza P, w wyniku czego tworzą się gorące spaliny S3. W przypadku deficytu energii i/lub rozruchu instalacji komora spalania zasilana jest paliwem gazowym G' z obcego źródła lub części zwęglonej biomasy B5.

Jest przy tym oczywiste, że równolegle połączenie zespołu reaktorów pracujących szeregowo, nieuwidocznione na rysunku, jest rozwiązaniem objętym tym wynalazkiem.

Reaktor do zwęglania biomasy zaopatrzony jest w izolację termiczną 10 ograniczającą straty ciepła. Reaktor posiada lej zasypowy 11, poprzez który zasilany jest biomasą B. Lej ten jest przytwierdzony do komory wstępnej 12. Komora ta połączona jest z wlotem 13 górnej retorty 14. Wylot 15 tej retorty przylega do komory przesypowej 16. Komora ta posiada zasyfonowany króciec odpływowy 17, który przeznaczony jest do usuwania kondensatu K. Do komory przesypowej przylega wlot 18 dolnej retorty 19. Wylot 20 tej retorty połączony jest z separatorem 21 umieszczonym bezpośrednio pod komorą wstępną. Separator wyposażony jest w wyprowadzenie 22 gazu pirolitycznego G oraz wylot 23 zwęglonej biomasy B'. Przez komorę wstępną, obie retorty, komorę przesypową oraz separator przeprowadzony jest wspólny przenośnik 24, w postaci transportera zgarniakowego, o regulowanej prędkości przesuwu. Obie retorty umieszczone są w komorze grzewczej 25, do której doprowadza się spaliny S przez króciec wlotowy 26. Przechodząc obok szykan 27 spaliny obmywają początkowo powierzchnię zewnętrzną dolnej retorty, a później górnej. Ochłodzone spaliny SI wyprowadzane są z komory grzewczej króćcem wylotowym 28. Połączenia elementów składowych reaktora są szczelne w stopniu zapewniającym beztlenowy rozkład biomasy. Dodatkowo komora wstępna zaopatrzona jest w króciec odpowietrzający 29, przez który usuwane jest powietrze P przedostające się z biomasą do tej komory.

Claims (8)

1. Sposób zwęglania biomasy przemieszczanej w poziomej retorcie umieszczonej w komorze spalania i poddawanej suszeniu i ogrzewaniu bez dostępu powietrza, znamienny tym, że biomasa (B2), rozdrobniona do wymiaru od 10 do 100 mm, transportowana jest do suszarni (2), gdzie ogrzewana jest spalinami (S1) uchodzącymi z reaktora (4) o temperaturze nie wyższej od 470 K, aż do osiągnięcia zawartości wilgoci nie większej niż 35%, po czym wstępnie przygotowana biomasa (B3) transportowana jest przez śluzę (3) do co najmniej jednego reaktora (4, 4) gdzie w warunkach beztlenowych w czasie od 5 do 60 minut osiąga temperaturę od 600 do 1300 K, przy czym w reaktorze energia cieplna przekazywana jest biomasie na sposób przeponowy przez spaliny (S3), które wytwarzane są w zewnętrznej komorze spalania (6) i które to spaliny na wyjściu z komory spalania mają temperaturę od 1000 do 1500 K, a następnie od zwęglonej biomasy oddziela się w reaktorze (4, 4) gaz pizolityczny (G), który spalany jest w zewnętrznej komorze spalania, a po wyjściu z reaktora zwęglona biomasa (B4) kierowana jest do wygaszacza (5), gdzie schładza się ją do temperatury poniżej 400 K.

2. Sposób zwęglania biomasy, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się reaktory połączone równolegle.

3. Sposób zwęglania biomasy, według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się szeregowe połączenie reaktora niskotemperaturowego (4) z reaktorem wysokotemperaturowym (4).

4. Sposób zwęglania biomasy, według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że z reaktora niskotemperaturowego (4) kieruje się do wygaszacza (5) gaz z przewagą, pary wodnej (G1), a powstały w wyniku tego gaz wodny (G3) podaje się do zewnętrznej komory spalania (6) wraz z powstałym w reaktorze wysokotemperaturowym (4) gazem pirolitycznym (G).

5. Reaktor do zwęglania biomasy zawierający lej zasypowy, poziomą retortę z umieszczonym w jej wnętrzu przenośnikiem, znamienny tym, że lej zasypowy (11) biomasy (B) przytwierdzony jest do komory wstępnej (12), która połączona jest z wlotem (13) górnej retorty (14) a wylot (15) tej retorty przylega do komory przesypowej (16), do której to komory przylega wlot (18) dolnej retorty (19), przy czym wylot (20) tej retorty połączony jest z separatorem (21) umieszczonym bezpośrednio pod komorą wstępną, który to separator wyposażony jest w odprowadzenie (22) gazów (G) oraz wylot (23) zwęglonej biomasy (B'), a przez komorę wstępną, obie retorty, komorę przesypową oraz separator przechodzi wspólny przenośnik (24), przy czym obie retorty umieszczone są w komorze grzewczej (25) zaopatrzonej w króciec wlotowy (26) i króciec wylotowy (28) spalin (S, SD.

PL 211 898 B1

6. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że komora wstępna (12) zaopatrzona jest w króciec odpowietrzający (29).

7. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że przenośnik (24) ma postać transportera zgarniakowego.

8. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że komora przesypowa (16) posiada króciec odpływowy (17) przeznaczony do usuwania kondensatu (K).