PL235428B1

PL235428B1 - Urządzenie do uwęglania biomasy

Info

Publication number: PL235428B1
Application number: PL417430A
Authority: PL
Inventors: Włodzimierz Marian Stachura; Zbigniew Bis; Zbign Iew Bis; Robert Zarzycki; Marcin Kratofil
Original assignee: Carbontim Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2020-07-27
Also published as: PL417430A1; WO2017209632A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do uwęglania biomasy przeznaczone do stosowania w branży energetycznej do wytwarzania ciepła i energii elektrycznej oraz do produkcji węgla drzewnego.

Z polskiego opisu patentowego nr 206503 znane jest urządzenie do uwęglania biomasy, które stanowi pionowy reaktor z pionową retortą posiadającą na całym obwodzie i na całej długości wzdłuż komory spalania otwory skierowane w stronę komory spalania do wyprowadzania gazów powstających w retorcie do komory spalania, z przenośnikiem śrubowym o zmiennej prędkości obrotowej przemieszczającym mieszankę w stronę dolnej części reaktora, z wentylatorem powietrza stycznie zabudowanym w ścianie w dolnej części komory spalania, z króćcem wylotowym spalin lub gazów oraz z dolnym zamknięciem retorty, które jest poza reaktorem i zawiera wyprowadzenie uwęglonego paliwa, lub wyprowadzenie uwęglonego paliwa do innych urządzeń wykorzystujących to paliwo. Według odmiany urządzenia, dolne zamknięcie retorty stanowi urządzenie do mechanicznego rozdrabniania uwęglonego paliwa zabudowane na końcu przenośnika śrubowego wewnątrz reaktora i zawiera wyprowadzenie uwęglonego paliwa szczeliną po obwodzie stożka urządzenia do mechanicznego rozdrabniania tego paliwa w stronę ścian komory spalania a następnie w górną część komory spalania i króćca wylotowego.

Z polskiego opisu patentowego nr 207596 znane jest urządzenie do uwęglania biomasy zawierające pionowy reaktor z cylindryczną pionową kolumną susząco-podgrzewającą i komorę spalania. Wewnątrz kolumny susząco-podgrzewającej zamocowane jest mieszadło do wznoszenia i mieszania biomasy. Pod dolną częścią kolumny susząco-podgrzewającej umieszczony jest stożkowy ruszt, a pod nim mieszadło zgarniające do zgarniania uwęglonej biomasy ze stożkowego rusztu. Pod komorą spalania znajduje się komora schładzania uwęglonej biomasy i okno wylotowe do usunięcia gotowego produktu z urządzenia.

Dotychczasowe rozwiązania nie były przystosowane do przetwarzania biomasy o wysokiej wilgotności i wymagały jej wstępnego osuszenia w oddzielnej suszarni. W takich przypadkach mogą pojawić się znaczące problemy ze współpracą zewnętrznej suszarni oraz reaktora do uwęglania biomasy w postaci uzyskania odpowiednich wydajności obu urządzeń oraz kontroli temperatury biomasy na wyjściu z suszarni a na wejściu do reaktora uwęglającego. Ponadto wcześniejsze rozwiązania nie chroniły powierzchni reaktora przed niekorzystnym działaniem smół. Z kolei węgiel wytworzony z biomasy według znanych rozwiązań mógł być wykorzystany wyłącznie do spalania, nie mógł zaś być on wykorzystywany do celów przemysłu chemicznego z uwagi na niewystarczającą zawartość pierwiastka C.

Urządzenie według wynalazku składa się z zasobnika znajdującego się w górnej części urządzenia połączonego hermetycznie z wnętrzem urządzenia. Wewnątrz urządzenia znajduje się metalowa pionowa retorta w postaci rury o długości korzystnie od 1 do 15 metrów, najkorzystniej 6 metrów, średnicy wewnętrznej korzystnie od 400 do 1000 mm, najkorzystniej 600 mm, wzdłuż której biomasa transportowana jest pionowo w dół w jej wnętrzu. Wewnątrz retorty znajduje się rura wewnętrzna o średnicy zewnętrznej wynoszącej korzystnie od 200 do 800 mm, najkorzystniej 400 mm, na której nawinięta jest wstęga ślimaka. Rura wewnętrzna korzystnie zamocowana jest do górnej części urządzenia obrotowo. Wstęga ślimaka pochylona jest pod kątem od 30° do 60° względem płaszczyzny bocznej rury wewnętrznej, korzystnie 45°. Dzięki pochyleniu wstęgi ślimaka transportowana biomasa posiada bardzo dobry kontakt z wewnętrzną powierzchnią retorty. Zastosowanie pochylenia wstęgi ślimaka pod kątem od 30° do 60° jest korzystne ze względu na przepływ gazów powstających w procesie suszenia i odgazowania biomasy. Skok ślimaka zapewnia, że znajdująca się na powierzchni zwoju biomasa nie przemieszcza się samoczynnie. Stosunek średnicy zewnętrznej wewnętrznej rury z nawiniętym ślimakiem do wewnętrznej średnicy retorty powinien się mieścić w przedziale od 0,5 do 0,8, korzystnie 0,667. Transportowana za pomocą ślimaka, wewnątrz pionowej retorty o długości od 1 do 15 metrów, korzystnie 6 metrów, biomasa ulega nagrzewaniu, suszeniu, odgazowaniu oraz częściowemu uwęglaniu. Retorta zakończona jest walcowym elementem wykonanym z zestawu równolegle połączonych prętów w kształcie palisady. Element ten korzystnie wpływa na proces nagrzewania biomasy opuszczającej pionową retortę oraz na wypływ gazów z wnętrza retorty do wirowej komory spalania, znajdującej się pod rurą wewnętrzną. Przez szczeliny pomiędzy prętami możliwy jest wysyp pewnej części biomasy do wirowej komory spalania. W górnej części retorty umieszczone są otwory, poprzez które do komory spalania wydobywa się para wodna. Wirowa komora spalania posiada kształt cylindra, a w bocznych jej ścianach zabudowane są

PL 235 428 B1 stycznie dysze doprowadzające powietrze do procesu spalania gazów powstałych w procesie odgazowania biomasy. Korzystnie jest, gdy dysze doprowadzające powietrze znajdują się w czterech miejscach rozłożonych równomiernie na obwodzie wirowej komory spalania oraz korzystne jest umieszczenie dysz na kilku poziomach, korzystnie na 4 poziomach. Średnica wirowej komory spalania jest większa od średnicy zewnętrznej retorty korzystnie o 1,2 do 4 razy, korzystnie 2 razy. Wysokość wirowej komory spalania korzystnie wynosi od 0,5 do 3 średnic wirowej komory spalania, korzystnie 1,5. Poniżej retorty oraz walcowego elementu znajduje się stożek, którego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu biomasy z pionowego na poziomy. Średnica podstawy stożka korzystn ie wynosi od 0,6 do 0,9 średnicy wewnętrznej wirowej komory spalania, najkorzystniej 0,85. Kąt zawarty pomiędzy podstawą stożka a tworzącą boczną powierzchnię stożka powinien wynosić od 10 do 45°, korzystnie 20°. Nad powierzchnią stożka znajduje się mieszadło pozwalające na przegarnianie i odwracanie znajdującej się na stożku biomasy. Mieszadło korzystnie powinno posiadać od 2 do 8 ramion rozmieszczonych w ten sposób, aby zapewnić poprawne mieszanie i przegarnianie biomasy, korzystnie 4 ramiona. W wirowej komorze spalania, nad warstwą biomasy, następuje spalanie części lub całości gazów powstałych w procesie odgazowania biomasy. Powstałe spaliny przepływają okrągłym kanałem spalinowym, w którym znajduje się retorta. Retorta na zewnętrznej powierzchni posiada dodatkowy ślimak wydłużający czas pobytu spalin w sąsiedztwie retorty. Zwój ślimaka na zewnątrz retorty pochylony jest pod kątem od 30° do 60° względem płaszczyzny bocznej rury zewnętrznej, korzystnie 45°. Średnica kanału spalinowego jest korzystnie od 1,3 do 2,2 razy większa od średnicy zewnętrznej retorty, najkorzystniej 1,7. Długość kanału spalinowego odpowiada długości retorty. Spaliny opuszczające kanał spalinowy kierowane są do cyklonu a następnie do komory dopalającej celem dopalenia.

Uwęglana biomasa w wirowej komorze spalania, w wyniku spalania części lotnych oraz mieszania, przemieszczając się po powierzchni stożka przepływa do dolnej części reaktora, która jest cylindryczna a następnie korzystnie przechodzi w przekrój kwadratowy. Poniżej stożka została przewidziana ceramiczna komora w której uwęglona biomasa przebywając i przemieszczając się w dół może być pozbawiona resztek gazów oraz smół. Uzyskane gazy przepływając pionowo wydostają się otworem w opisanym powyżej stożku, natomiast smoły mogą ulegać zwęgleniu na znajdujących się powyżej ziarnach biowęgla. W części cylindrycznej zabudowane są co najmniej dwa poziomy rur z otworkami skierowanymi do dołu i na boki pozwalające na dozowanie do gorącego biowęgla pary wodnej lub innych składników w celu jego aktywacji oraz możliwości kontroli stopnia uwęglenia i temperatury. Rurki te oddalone są od siebie w poziomie korzystnie od 100 do 200 mm, najkorzystniej 150 mm, a odległość pomiędzy poziomami wynosi korzystnie od 100 do 200 mm, najkorzystniej 150 mm. Rurki znajdujące się na poszczególnych poziomach mogą być ustawione względem siebie prostopadle, lub równolegle z przesunięciem o połowę odległości pomiędzy rurkami na danym poziomie. Otwory w rurkach rozmieszczone wzdłuż długości mogą znajdować się w odstępach od 50 do 200 mm, korzystnie 100 mm. Średnica otworów powinna zapewniać wypływ pary wodnej z prędkością od 0,5 do 5 m/s, korzystnie 2 m/s.

W dolnej części urządzenia zabudowany jest układ wyprowadzania produktu stanowiący jednocześnie element pozwalający na jego chłodzenie. Korzystnie zbudowany jest on w kształcie litery „V” dzięki czemu istnieje możliwość wyprowadzenia produktu z urządzenia. Taki kształt jest korzystny ze względu na minimalizację możliwości blokady produktu. Uzyskano wzrost powierzchni wymiany ciepła co jest konieczne w celu chłodzenia. Element ten może być wykonany jako dwupłaszczowy z wypełnieniem wodnym.

Proces uwęglania biomasy urządzeniem według wynalazku polega na tym, że rozdrobnioną biomasę wprowadza się z zasobnika do wnętrza reaktora gdzie w wyniku jej ogrzewania następuje jej suszenie, odgazowanie oraz uwęglanie. Urządzenie wyposażone jest w układy pozwalające na kontrolę strumienia wprowadzanej do wnętrza reaktora biomasy. Wprowadzona do wnętrza biomasa transportowana jest pionowo w dół wewnątrz metalowej retorty za pomocą ślimaka. Transportowana za pomocą ślimaka wewnątrz pionowej retorty biomasa ulega nagrzewaniu, suszeniu, odgazowaniu oraz częściowemu uwęglaniu. Przez szczeliny walcowego elementu, pomiędzy prętami, możli wy jest wysyp pewnej części biomasy do wirowej komory spalania. W wirowej komorze spalania, nad warstwą biomasy następuje spalanie części lub całości gazów powstałych w procesie odgazowania biomasy. Powstałe spaliny przepływają okrągłym kanałem, w którym znajduje się retorta, która na zewnętrznej powierzchni zabudowany ma zwój ślimaka wydłużający czas pobytu spalin w sąsiedztwie retorty. Spaliny opuszczające kanał spalinowy kierowane są do cyklonu a następnie do komory dopalającej celem

PL 235 428 B1 dopalenia. Uwęglana biomasa w wirowej komorze spalania, w wyniku spalania części lotnych oraz mieszania, przemieszczając się po powierzchni stożka przepływa do dolnej części reaktora. Produkt odbierany jest w dolnej części urządzenia.

Urządzenie do uwęglania biomasy pozwala na rozwiązanie następujących problemów:

• Urządzenie do uwęglania biomasy pozwala na uwęglanie biomasy o znacznej zawartości wilgoci dzięki zabudowie wewnątrz reaktora pionowej retorty, która spełnia rolę suszarki biomasy. W przypadku znanych rozwiązań konstrukcyjnych stosowane są suszarnie jako dodatkowe elementy całej instalacji. W takich przypadkach mogą pojawić się znaczące problemy ze współpracą zewnętrznej suszarni oraz reaktora do uwęglania biomasy w postaci uzyskania odpowiednich wydajności obu urządzeń oraz kontroli temperatury biomasy na wyjściu z suszarni a na wejściu do reaktora uwęglającego. W szczególnych wypadkach może dochodzić tam do zapłonu biomasy. W proponowanym rozwiązaniu w przypadku zintegrowania procesu suszenia z procesem uwęglania w jednym urządzeniu nie występuje niebezpieczeństwo zapalenia biomasy, a w przypadku biomasy o niskiej zawartości wilgoci wewnętrzna suszarnia w postaci pionowej retorty służyć może także jako miejsce do wstępnej pirolizy i uwęglania biomasy co pozwoli na znaczące zwiększenie wydajności całego urządzenia do uwęglania biomasy.

• Poniżej pionowej retorty, która pełni rolę suszarni lub miejsca wstępnego uwęglania zabudowany został stożek, którego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu uwęglanej biomasy co pozwala na znaczące wydłużenie czasu pobytu jej w strefie wysokich temperatur pozwalających na jej szybkie uwęglenie. Zastosowanie dodatkowo mieszadła nad stożkiem pozwala na mieszanie uwęglanej biomasy dzięki czemu uzyskiwany produkt w postaci biowęgla charakteryzuje się wysoką zawartością pierwiastka C oraz dużą jednorodnością. Zastosowanie stożka oraz mieszadła pozwala na intensyfikację procesu uwęglania, co bezpośrednio przekłada się na wzrost wydajności urządzenia do uwęglania biomasy. Uwęglona biomasa przepływając pod stożek może ulegać w wyniku wysokiej temperatury dalszemu odgazowaniu (w przypadku obecności dużych kawałków biowęgla) w celu uzyskania produktu o wyższej jakości. W tym celu opisany powyżej stożek został ścięty, a uzyskany w tym miejscu otwór pozwala na swobodny wypływ gazów z procesu uwęglania biomasy do komory wirowej reaktora.

• Poniżej stożka została przewidziana ceramiczna komora, w której uwęglona biomasa przebywając i przemieszczając się w dół może być pozbawiona resztek gazów oraz smół. Uzyskane gazy, przepływając pionowo, wydostają się otworem w opisanym powyżej stożku, natomiast smoły mogą ulegać zwęgleniu na znajdujących się powyżej ziarnach biowęgla. W ten sposób można chronić wnętrze reaktora przed szkodliwym działaniem smół a jednocześnie zwiększać uzysk biowęgla.

• W dolnej części komory ceramicznej zabudowany został zestaw kanałów, które pozwalają na dozowanie do gorącego biowęgla pary wodnej lub innych składników w celu jego aktywacji. W takim przypadku możliwe jest produkowanie biowęgla o wysokiej zawartości pierwiastka C oraz założonych właściwościach fizycznych np. zdolność do adsorpcji wybranych gazów. Zastosowanie takiego rozwiązania pozwala na uzyskiwanie produktu nie tylko do celów jego spalania ale także wykorzystania w przemyśle chemicznym.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat budowy urządzenia do spalania biomasy, fig. 2 - budowę rury wewnętrznej zaś fig. 3 - budowę wirowej komory spalania.

Urządzenie według wynalazku składa się z zasobnika znajdującego się w górnej częś ci urządzenia połączonego hermetycznie z wnętrzem urządzenia. Wewnątrz urządzenia znajduje się metalowa pionowa retorta 2 w postaci rury o długości 6 metrów, średnicy wewnętrznej korzystnie 600 mm, wzdłuż której biomasa transportowana jest pionowo w dół w jej wnętrzu. Wewnątrz retorty 2 znajduje się rura wewnętrzna 13 o średnicy zewnętrznej wynoszącej 400 mm, na której n awinięta jest wstęga ślimaka 12. Rura wewnętrzna 13 zamocowana jest do górnej części urząd zenia obrotowo. Wstęga ślimaka 12 pochylona jest pod kątem 45° względem płaszczyzny bocznej rury wewnętrznej. Dzięki pochyleniu wstęgi ślimaka 12 transportowana biomasa posiada bardzo dobry kontakt z wewnętrzną powierzchnią retorty 2. Zastosowanie pochylenia wstęgi ślimaka 12 pod

PL 235 428 B1 kątem 45° jest korzystne ze względu na przepływ gazów powstających w procesie suszenia i odgazowania biomasy. Skok ślimaka 12 zapewnia, że znajdująca się na powierzchni zwoju biomasa nie przemieszcza się samoczynnie. Stosunek średnicy zewnętrznej wewnętrznej rury 13 z nawiniętym ślimakiem 12 do wewnętrznej średnicy retorty wynosi 0,667. Transportowana za pomocą ślimaka, wewnątrz pionowej retorty 2 o długości 6 metrów, biomasa ulega nagrzewaniu, suszeniu, odgazowaniu oraz częściowemu uwęglaniu. Retorta 2 zakończona jest walcowym elementem wykonanym z zestawu równolegle połączonych prętów 7 w kształcie palisady. Element ten korzystnie wpływa na proces nagrzewania biomasy opuszczającej pionową retortę oraz na wypływ gazów z wnętrza retorty 2 do wirowej komory spalania 9, znajdującej się pod rurą wewnętrzną 12. Przez szczeliny pomiędzy prętami możliwy jest wysyp pewnej części biomasy do wirowej komory spalania 9. W górnej części retorty 2 umieszczone są otwory 1, poprzez które do wirowej komory spalania 9 wydobywa się para wodna. Wirowa komora spalania 9 posiada kształt cylindra, a w bocznych jej ścianach zabudowane są stycznie dysze 14 doprowadzające powietrze, doprowadzane z zewnątrz kanałem 6, potrzebne do procesu spalania gazów powstałych w procesie odgazowania biomasy. Korzystnie jest, gdy dysze 14 doprowadzające powietrze znajdują się w czterech miejscach rozłożonych równomiernie na obwodzie wirowej komory spalania 9 na 4 poziomach. Średnica wirowej komory spalania 9 jest większa od średnicy zewnętrznej retorty 2 dwa razy. Wysokość wirowej komory spalania 9 wynosi 1,5 średnic wirowej komory spalania 9. Poniżej retorty 2 oraz walcowego elementu znajduje się ścięty stożek 10, którego zadaniem jest zmiana kierunku przepływu biomasy z pionowego na poziomy. Średnica podstawy stożka 10 wynosi 0,85 średnicy wewnętrznej wirowej komory spalania 9. Kąt zawarty pomiędzy podstawą stożka 10 a tworzącą boczną powierzchnię stożka 10 wynosi 20°. Nad powierzchnią stożka 10 znajduje się mieszadło pozwalające na przegarnianie i odwracanie znajdującej się na stożku 10 biomasy. Mieszadło 8 posiada 4 ramiona. W wirowej komorze spalania 9, nad warstwą biomasy, następuje spalanie części lub całości gazów powstałych w procesie odgazowania biomasy. Powstałe spaliny przepływają okrągłym kanałem spalinowym 5, w którym znajduje się retorta. Kanał spalinowy 5 utworzony jest przez wymurówkę, która pokryta jest od zewnątrz warstwą izolacyjną 4. Retorta 2 na zewnętrznej powierzchni posiada dodatkowy ślimak wydłużający czas pobytu spalin w sąsiedztwie retorty 2. Zwój ślimaka na zewnątrz retorty 2 pochylony jest pod kątem 45° względem płaszczyzny bocznej rury. Średnica kanału spalinowego jest 1,7 razy większa od średnicy zewnętrznej retorty 2. Długość kanału spalinowego o dpowiada długości retorty 2. Spaliny opuszczające kanał spalinowy kierowane są do cyklonu, a następnie do komory dopalającej celem dopalenia. Uwęglana biomasa 16 w wirowej komorze spalania 9, w wyniku spalania części lotnych oraz mieszania, przemieszczając się po powierzchni stożka 10 przepływa do dolnej części reaktora, która jest cylindryczna, a następnie przechodzi w przekrój kwadratowy. Uwęglona biomasa 16 przebywając i przemieszczając się w dół zostaje pozbawiona resztek gazów 15 oraz smół. Uzyskane gazy 15, przepływając pionowo, wydostają się otworem w stożku 10, natomiast smoły ulegają zwęgleniu na znajdujących się powyżej ziarnach biowęgla. W ten sposób można chronić wnętrze reaktora przed szkodliwym działaniem smół a jednocześnie zwiększać uzysk biowęgla. W części cylindrycznej zabudowane są dwa poziomy rurek 11 z otworkami skierowanymi do dołu i na boki pozwalające na dozowanie do gorącego biowęgla pary wodnej lub innych składników w celu jego aktywacji oraz możliwości kontroli stopnia uwęglenia i t emperatury. Rurki 11 oddalone są od siebie w poziomie o 150 mm, a odległość pomiędzy poziomami wynosi 150 mm. Rurki 11 znajdujące się na poszczególnych poziomach mogą być ustawione względem siebie prostopadle, lub równolegle z przesunięciem o połowę odległości pomiędzy rurkami na danym poziomie. Otwory w rurkach 11 rozmieszczone wzdłuż długości znajdują się w odstępach 100 mm. Średnica otworów powinna zapewniać wypływ pary wodnej z prędkością od 0,5 do 5 m/s. W dolnej części urządzenia zabudowany jest układ wyprowadzania produktu stanowiący jednocześnie element pozwalający na jego chłodzenie. Zbudowany jest on w kształcie litery „V” dzięki czemu istnieje możliwość wyprowadzenia produktu z urządzenia. Taki kształt jest korzystny ze względu na minimalizację możliwości blokady produktu. Uzyskano wzrost powierzchni wymiany ciepła co jest konieczne w celu chłodzenia. Element ten jest wykonany jako dwupłaszczowy z wypełnieniem wodnym.

W tabeli 1 zestawiono wyniki analizy technicznej i elementarnej biomasy oraz uzyskanego produktu uśrednione z 6 godzin stabilnej pracy urządzenia według wynalazku. W trakcie tego czasu pobrano po 12 próbek surowej biomasy oraz biowęgla.

PL 235 428 Β1

Tabela 1

Parametr	Biomasa	Biowęgiel
Wilgoć całkowita w stanie roboczym [%]	37,3	4.5
Popiół [%]	1.2	7.2
Części lotne f%l	81.3	13,1
Fixed Carbon [%]	17.5	79,7

Gęstość nasypowa [kg-ir?]	169	128
Ciepło spalania [kJ/kg]	20159	29732
Wartość opałowa [kJ/kgl	18091	28974

C[%]	46.24	82,43
H [%]	5.15	2,87
N[%]	0,42	0,79
s [%]	0,019	0.002
_____________OI%]_____________	46,97	6.71

Zestawione w tabeli 1 średnie wartości wskazują, że w trakcie prowadzonych badań dla optymalnych warunków procesowych uzyskano produkt w postaci biocarbonu o zawartości pierwiastka C powyżej 80%, zawartości fixed carbonu bliskiej 80%, oraz niskiej wilgotności produktu na poziomie poniżej 5%. W wyniku uwęglania uzyskano produkt o wysokiej wartości opałowej.

Ponadto przeprowadzone badania wykazały, iż:

1. Wilgoć całkowita badanych próbek surowej biomasy mieści się przeważnie w zakresie 33-43%, niemniej jednak w przypadku wystąpienia niekorzystnych warunków atmosferycznych (np. deszcz) przy braku odpowiedniego zabezpieczenia może znacząco wzrosnąć, nawet do poziomu ponad 60%, tj. charakteryzującego świeżą biomasę. Ponieważ realizacja autotermicznego uwęglania biomasy o wilgotności przekraczającej około 30-35% jest trudna, należy w takim przypadku zabudować wstępną suszarkę surowca, tak aby do reaktora wprowadzano zrębkę o wilgotności rzędu 20-30%. Zawartość wilgoci w produkcie uwęglania była niewielka (<10% - por. Tabela) i prawdopodobnie wynikała z pochłaniana przez suchy biocarbon (biowęgiel) wilgoci z otoczenia podczas chłodzenia;

2. Zawartość popiołu w biomasie była bardzo mała, około 1-2,5%. Zawartość popiołu w biowęglu wynosiła około 7-12%;

3. Oszacowane wartości fixed carbonu dla próbek zrębki oraz biocarbonu różniły się znacznie wynosząc około 10-20% w przypadku biomasy oraz 50-80% w przypadku biowęgla. Znaczne różnice w zawartości fixed carbonu w produkcie potwierdzają szerokie możliwości kontroli i zmian parametrów procesu uwęglania (czas pobytu i temperatura) w omawianym urządzeniu, co pozwala na dostosowywanie warunków pracy do konkretnego paliwa;

4. Porównanie zestawionych wartości gęstości nasypowych zrębki i biowęgla (odpowiednio około 146-171 kg/m³ i 95-165 kg/m³) wskazuje, że produkt jest nawet o połowę lżejszy niż wejściowa biomasa. Lepsze uwęglenie surowca (przejawiające się m.in. w mniejszej zawartości części lotnych oraz wyższej zawartości pierwiastka C i fixed carbonu) powoduje zmniejszenie gęstości nasypowej produktu;

5. Wartości ciepła spalania i wartości opałowej próbek biocarbonu były bardzo wysokie, mieszcząc się - w przypadku wartości opałowej - w zakresie 22-29,5 MJ/kg. Wartości te były znacznie (ponad 2 razy) wyższe niż wartości opałowe oszacowane dla zrębki w stanie roboczym, będąc na poziomie charakterystycznym dla bardzo dobrej jakości węgli kamiennych;

6. Wyniki analizy elementarnej (zawartość pierwiastków C, Η, N, S, O) próbek zrębki i biocarbonu. W przypadku pierwiastka węgla C, analiza porównawcza wyników wskazuje na prawie dwukrotny wzrost jego zawartości w produktach uwęglania w porównaniu do wejściowej zrębki - odpowiednie wartości mieszczą się w zakresie 48-50% (zrębka) oraz 65-86% (biocarbon). Wskutek obróbki termicznej i uwęglania nastąpiło także zna

PL 235 428 B1 czące ograniczenie zawartości wodoru i tlenu w produktach - pierwiastki te zostały w większości wydzielone wraz z częściami lotnymi. Analiza zawartości pierwiastków N (azot) oraz S (siarka) wskazuje, że zarówno w produktach uwęglania, jak i w surowej biomasie jest ich niewiele; udział azotu nie przekracza 1%, zaś zawartość siarki jest praktycznie zerowa.

Claims

1. Urządzenie do uwęglania biomasy w postaci pionowego reaktora zaopatrzonego w kolumnę do suszenia i odgazowania biomasy oraz komorę spalania ze stożkowym rusztem i zgarniakiem, znamienne tym, że składa się z zasobnika znajdującego się w górnej części urządzenia połączonego hermetycznie z wnętrzem urządzenia, a wewnątrz urządzenia znajduje się metalowa pionowa retorta (2), wewnątrz której znajduje się rura wewnętrzna (13), na której nawinięta jest wstęga ślimaka (12) pochylona pod kątem od 30° do 60° względem płaszczyzny bocznej rury (13), a ponadto retorta (2) zakończona jest walcowym elementem wykonanym z zestawu równolegle połączonych prętów, a w górnej części retorty (2) umieszczone są otwory, natomiast wirowa komora spalania (9) posiada kształt cylindra, a w bocznych jej ścianach zabudowane są stycznie dysze, a ponadto poniżej retorty (2) oraz walcowego elementu znajduje się ścięty stożek (10) a nad powierzchnią stożka (10) znajduje się mieszadło (8), ponadto retorta (2) umieszczona jest w okrągłym kanale spalinowym (5) o długości odpowiadającej długości retorty (2) i retorta (2) na zewnętrznej powierzchni posiada dodatkowy ślimak (3), którego zwój pochylony jest pod kątem od 30° do 60° względem płaszczyzny bocznej rury zewnętrznej, ponadto w części cylindrycznej zabudowane są co najmniej dwa poziomy rurek (11) z otworkami skierowanymi do dołu i na boki, a w dolnej części urządzenia zabudowany jest układ wyprowadzania produktu.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że metalowa pionowa retorta (2) ma długość od 1 do 15 metrów.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że metalowa pionowa retorta (2) ma długość 6 metrów.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że metalowa pionowa retorta (2) ma średnicę wewnętrzną od 400 do 1000 mm.

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że metalowa pionowa retorta (2) ma średnicę wewnętrzną 600 mm.

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rura wewnętrzna (13) ma średnicę ze- wnętrzną od 200 do 800 mm.

7. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że rura wewnętrzna (13) ma średnicę ze- wnętrzną 400 mm.

8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rura wewnętrzna (13) zamocowana jest do górnej części urządzenia obrotowo.

9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wstęga ślimaka (12) rury wewnętrznej (13) pochylona jest pod 45°.

10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek średnicy zewnętrznej wewnętrznej rury (13) z nawiniętym ślimakiem (12) do wewnętrznej średnicy retorty (2) wynosi od 0,5 do 0,8.

11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek średnicy zewnętrznej wewnętrznej rury (13) z nawiniętym ślimakiem (12) do wewnętrznej średnicy retorty (2) wynosi 0,667.

12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dysze doprowadzające (14) powietrze znajdują się w czterech miejscach rozłożonych równomiernie na obwodzie wirowej komory spalania (9).

13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dysze (14) umieszczone są na kilku poziomach.

14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że dysze (14) umieszczone są na 4 poziomach.

15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że średnica wirowej komory spalania (9) jest większa od średnicy zewnętrznej retorty (2) o 1,2 do 4 razy.

PL 235 428 B1

16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że średnica wirowej komory spalania (9) jest większa od średnicy zewnętrznej retorty (2) dwa razy.

17. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wysokość wirowej komory spalania (9) wynosi od 0,5 do 3 średnic wirowej komory spalania (9).

18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysokość wirowej komory spalania (9) wynosi 1,5 średnic wirowej komory spalania (9).

19. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że średnica podstawy stożka (10) wynosi od 0,6 do 0,9 średnicy wewnętrznej wirowej komory spalania (9).

20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że średnica podstawy stożka (10) wynosi 0,85 średnicy wewnętrznej wirowej komory spalania (9).

21. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kąt zawarty pomiędzy podstawą stożka (10) a tworzącą boczną powierzchnię stożka (10) wynosi od 10 do 45°.

22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że kąt zawarty pomiędzy podstawą stożka (10) a tworzącą boczną powierzchnię stożka (10) wynosi 20°.

23. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że mieszadło (8) posiada od 2 do 8 ramion.

24. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że mieszadło (8) posiada 4 ramiona.

25. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wstęga dodatkowego ślimaka (3) pochylona jest pod 45° względem płaszczyzny bocznej rury zewnętrznej.

26. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że średnica kanału spalinowego (5) jest od 1,3 do 2,2 razy większa od średnicy zewnętrznej retorty (2).

27. Urządzenie według zastrz. 26, znamienne tym, że średnica kanału spalinowego (5) jest 1,7 razy większa od średnicy zewnętrznej retorty (2).

28. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dolna część reaktora jest cylindryczna, a następnie przechodzi w przekrój kwadratowy.

29. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rurki (11) oddalone są od siebie w poziomie od 100 do 200 mm.

30. Urządzenie według zastrz. 29, znamienne tym, że rurki (11) oddalone są od siebie w poziomie o 150 mm.

31. Urządzenie według zastrz. 29, znamienne tym, że odległość pomiędzy poziomami wynosi od 100 do 200 mm.

32. Urządzenie według zastrz. 31, znamienne tym, że odległość pomiędzy poziomami wynosi 150 mm.

33. Urządzenie według zastrz. 29, znamienne tym, że rurki (11) znajdujące się na poszczególnych poziomach są ustawione względem siebie prostopadle albo równolegle z przesunięciem o połowę odległości pomiędzy rurkami (11) na danym poziomie.

34. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że otwory w rurkach (11) rozmieszczone wzdłuż długości znajdują się w odstępach od 50 do 200 mm.

35. Urządzenie według zastrz. 34, znamienne tym, że otwory w rurkach (11) rozmieszczone wzdłuż długości znajdują się w odstępach 100 mm.

36. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ wyprowadzania produktu zbudowany jest w kształcie litery „V”.

37. Urządzenie według zastrz. 36, znamienne tym, że układ wyprowadzania produktu wykonany jest jako dwupłaszczowy z wypełnieniem wodnym.