PL245093B1 - Duo hydrothermal method of processing biomass substrates and system for its implementation - Google Patents
Duo hydrothermal method of processing biomass substrates and system for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- PL245093B1 PL245093B1 PL438595A PL43859521A PL245093B1 PL 245093 B1 PL245093 B1 PL 245093B1 PL 438595 A PL438595 A PL 438595A PL 43859521 A PL43859521 A PL 43859521A PL 245093 B1 PL245093 B1 PL 245093B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- node
- water
- reactor
- energy
- biomass
- Prior art date
Links
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 title abstract description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 114
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 44
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000004017 vitrification Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000004887 air purification Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 74
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 48
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 34
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 26
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 18
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims description 16
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 11
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 9
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 claims description 9
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 7
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 6
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000003403 water pollutant Substances 0.000 claims description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract description 15
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 abstract description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 4
- 239000012263 liquid product Substances 0.000 abstract description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 239000003570 air Substances 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 10
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 7
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 239000010801 sewage sludge Substances 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 3
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 3
- 239000002029 lignocellulosic biomass Substances 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 2
- 239000002956 ash Substances 0.000 description 2
- 239000012075 bio-oil Substances 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000010216 calcium carbonate Nutrition 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000018185 Betula X alpestris Nutrition 0.000 description 1
- 235000018212 Betula X uliginosa Nutrition 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000002918 Fraxinus excelsior Nutrition 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002154 agricultural waste Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021502 aluminium hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K aluminium hydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[OH-].[Al+3] WNROFYMDJYEPJX-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- -1 aluminum-copper-zinc Chemical compound 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000036983 biotransformation Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L calcium dihydroxide Chemical compound [OH-].[OH-].[Ca+2] AXCZMVOFGPJBDE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 1
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 1
- 238000009264 composting Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- JJLJMEJHUUYSSY-UHFFFAOYSA-L copper(II) hydroxide Inorganic materials [OH-].[OH-].[Cu+2] JJLJMEJHUUYSSY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- AEJIMXVJZFYIHN-UHFFFAOYSA-N copper;dihydrate Chemical compound O.O.[Cu] AEJIMXVJZFYIHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000004332 deodorization Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 150000002013 dioxins Chemical class 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 1
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 1
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 150000002240 furans Chemical class 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 1
- 229910001679 gibbsite Inorganic materials 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002815 homogeneous catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 description 1
- FLTRNWIFKITPIO-UHFFFAOYSA-N iron;trihydrate Chemical compound O.O.O.[Fe] FLTRNWIFKITPIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 229910021514 lead(II) hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 235000013379 molasses Nutrition 0.000 description 1
- 239000010815 organic waste Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 239000010909 process residue Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021511 zinc hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Treatment Of Sludge (AREA)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest duo hydrotermiczny sposób przekształcania substratów z biomasy do produktów płynnych, które wykorzystywane są jako paliwa silnikowe lub komponenty paliw lub energii elektrycznej i cieplnej. Wynalazek dotyczy również duo hydrotermicznego układu przetwarzania biomasy, który znajduje zastosowanie w przemyśle paliwowym, energetyce oraz przekształcania odpadów. Duo hydrotermiczny układ przetwarzania biomasy zawiera węzeł technologiczny (1) w postaci reaktora dwururowego (12) z rurami umieszczonymi koncentrycznie z wodą w jej stanie podkrytycznym, który dostarcza energię cieplną do substratów w drodze promieniowania termicznego, węzeł technologiczny (2) w postaci reaktora cyklonowego (13) z wodą w stanie nadkrytycznym, dostarczający energię do znajdujących się w nim związków chemicznych i metali zarówno w drodze promieniowania termicznego oraz promieniowania mikrofalowego, węzeł oczyszczania gazu (3) z płuczkami wodnymi (16), agregat prądotwórczy (4) z silnikiem spalinowym (19) oraz generatorem energii elektrycznej (20), węzeł oczyszczania spalin (5) zawierający zarówno trójdrożne reaktory katalityczne (23), filtry ceramiczne (22) oraz filtry elektromagnetyczne (21), a także wymienniki ciepła (24), węzeł organicznego cyklu Rankine’a ORC (6) zawierający układ przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną, węzeł oczyszczania wody (7) zwierający kompleks urządzeń (31-35) do mechanicznego oraz chemicznego jej oczyszczania, węzeł witryfikacji (8) zawierający reaktor mikrofalowy (36) oraz węzeł oczyszczania powietrza (9) zawierający filtry mechaniczne; ceramiczne (29) i włókninowe (30) oraz elektromagnetyczne (28).The subject of the invention is a duo-hydrothermal method of transforming biomass substrates into liquid products that are used as motor fuels or components of fuels or electricity and heat. The invention also concerns a duo-hydrothermal biomass processing system, which is used in the fuel industry, energy industry and waste treatment. The duo hydrothermal biomass processing system includes a technological node (1) in the form of a two-pipe reactor (12) with pipes placed concentrically with water in its subcritical state, which supplies thermal energy to the substrates through thermal radiation, and a technological node (2) in the form of a cyclone reactor ( 13) with water in a supercritical state, supplying energy to the chemical compounds and metals contained therein both by thermal radiation and microwave radiation, gas purification unit (3) with water scrubbers (16), power generator (4) with an internal combustion engine ( 19) and an electrical energy generator (20), an exhaust gas treatment node (5) containing both three-way catalytic reactors (23), ceramic filters (22) and electromagnetic filters (21), as well as heat exchangers (24), an organic Rankine cycle node a ORC (6) containing a system for converting thermal energy into electricity, a water purification node (7) containing a complex of devices (31-35) for mechanical and chemical purification, a vitrification node (8) containing a microwave reactor (36) and an air purification node (9) containing mechanical filters; ceramic (29) and non-woven (30) and electromagnetic (28).
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest sposób przekształcania substratów z biomasy do produktów płynnych, które wykorzystywane są jako paliwa silnikowe lub komponenty paliw lub energii elektrycznej i cieplnej. Wynalazek dotyczy również układu przetwarzania biomasy, który znajduje zastosowanie w przemyśle paliwowym, energetyce oraz przekształcania odpadów, w którym biomasa znajdująca w polu promieniowania zwłaszcza termicznego i/lub mikrofalowego, przekształcana jest z wykorzystaniem wody w jej stanie pod- i nadkrytycznym, a pochodzące z biomasy produkty stałe utylizowane są w drodze mikrofalowej witryfikacji.The subject of the invention is a method of transforming biomass substrates into liquid products that are used as motor fuels or components of fuels or electricity and heat. The invention also relates to a biomass processing system that is used in the fuel industry, energy industry and waste transformation, in which biomass found in a field of radiation, especially thermal and/or microwave radiation, is transformed using water in its sub- and supercritical state, and derived from biomass solid products are disposed of by microwave vitrification.
Substratami jest biomasa w tym odpadowa zawarta w roślinach, odpadach komunalnych, osadach ściekowych itp.The substrates are biomass, including waste contained in plants, municipal waste, sewage sludge, etc.
Energia produktów palnych powstających w trakcie przekształcania jest częściowo wykorzystywana na potrzeby własne instalacji do realizacji przedmiotowej technologii duo hydrotermicznej tak, że instalacja ta może być autonomiczna energetycznie.The energy of flammable products generated during transformation is partially used for the installation's own needs to implement the duo hydrothermal technology in question, so that the installation can be energy autonomous.
Sposób wg projektu jest szczególnie przydatny do przekształcania biomasy mokrej.The method by design is particularly useful for converting wet biomass.
Wobec zagrożenia świata wynikającego z nadmiernej emisji CO2, czyli emisji, która nie może być całkowicie wykorzystana w obiegu CO2 w przyrodzie, istnieje pilna potrzeba jej zbilansowania, a to oznacza konieczność wykorzystywania do celów energetycznych wyłącznie zasobów odnawialnych.Given the threat to the world resulting from excessive CO2 emissions, i.e. emissions that cannot be fully used in the CO2 cycle in nature, there is an urgent need to balance them, and this means the need to use only renewable resources for energy purposes.
Zasoby te stanowi m.in. biomasa w jej różnych formach i postaciach, w tym jako składowa odpadów komunalnych i osadów ściekowych.These resources include, among others: biomass in its various forms and forms, including as a component of municipal waste and sewage sludge.
Istnieje wiele sposobów upłynniania biomasy oraz przekształcania jej na nośniki energii takie jak gazy palne, czy palne ciecze. Sposoby te różnią się między sobą złożonością procesu, kosztami instalacji czy też skalą osiągnięcia zdolności wdrożeniowej (laboratoryjna, pilotażowa, demonstracyjna, przemysłowa). W sposobach tych, do konwersji substratów w formy o wyższej gęstości energii, najczęściej wykorzystywane jest ciepło.There are many ways to liquefy biomass and transform it into energy carriers such as flammable gases or flammable liquids. These methods differ in the complexity of the process, installation costs and the scale of implementation (laboratory, pilot, demonstration, industrial). In these methods, heat is most often used to convert substrates into forms with higher energy density.
W dotychczasowej praktyce i działających instalacjach technologicznych w/w substraty, są albo bezpośrednio spalane albo też wstępnie przekształcane termicznie w wysokotemperaturowych procesach taryfikacji lub pirolizy. Znane są również metody biologiczne przekształcania substratów w procesach bio zgazowania (w procesach kompostowania lub fermentacj i przyspieszonej). Wadą tych procesów jest niska sprawność energetyczna oraz powstawanie problematycznych produktów najczęściej odpadów. Niska sprawność energetyczna wynika z faktu, że substraty przed wprowadzeniem do procesów muszą osiągać bardzo niskie wartość zawilgocenia. Ich suszenie jest bardzo energochłonne. W procesach biologicznych, w których przekształcana jest biomasa mokra, przekształceniu do gazów ulega natomiast niewielka tylko część (mniejsza od 20% m/m) substratów. Powstawanie problematycznych produktów wynika również z faktu, że w/w substraty, jako paliwa, nie są przed spalaniem oczyszczane, zwłaszcza chemicznie. W procesie spalania są zatem brudnym paliwem. Spaliny, powstałe z tego spalania, zawierają cały szereg składników toksycznych, t rudnych do odseparowania i utylizacji.In current practice and operating technological installations, the above-mentioned substrates are either directly burned or pre-thermally transformed in high-temperature tarification or pyrolysis processes. Biological methods of transforming substrates in biogasification processes (composting or accelerated fermentation) are also known. The disadvantage of these processes is low energy efficiency and the creation of problematic products, most often waste. Low energy efficiency results from the fact that the substrates must achieve a very low moisture content before being introduced into the processes. Drying them is very energy-consuming. In biological processes in which wet biomass is transformed, only a small part (less than 20% m/m) of the substrates is converted into gases. The formation of problematic products also results from the fact that the above-mentioned substrates, as fuels, are not cleaned before combustion, especially chemically. Therefore, in the combustion process they are dirty fuel. The exhaust gases resulting from this combustion contain a number of toxic components that are difficult to separate and dispose of.
Problematyczne są również pozostałości po procesach spalania czyli żużle i popioły. Pozostałości te są trudne do zagospodarowania i najczęściej są składowane - ze wszystkimi tego ujemnymi skutkami.Residues from combustion processes, i.e. slags and ashes, are also problematic. These residues are difficult to manage and are most often landfilled - with all its negative consequences.
Wątpliwe są również pozostałości po procesach bio przekształcania. Np. w biogazowniach pozostałość taka stanowi ponad 80% wsadu. Ta pozostałość traktowana jest jako nawóz, ale jak się okazuje środowisko jest w stanie przyjąć tylko ograniczoną jego masę.The remains of biotransformation processes are also questionable. For example, in biogas plants, such residue constitutes over 80% of the input. This residue is treated as fertilizer, but as it turns out, the environment can only absorb a limited amount of it.
Korzystniejsze, w stosunku do spalania bezpośredniego, są procesy taryfikacji lub pirolizy. Procesy te są również względnie mało sprawne energetycznie. Wynika to zarówno z faktu, że substraty kierowane do w/w procesów muszą być praktycznie pozbawione wilgoci ale też z faktu, że energia cieplna do toryfikacji lub pirolizy biomasy dostarczana jest, w istniejących rozwiązaniach technologicznych, zarówno w drodze promieniowania (termicznego) jak też w drodze przewodzenia i unoszenia. Wiadomym natomiast jest, że biomasa słabo przewodzi ciepło, zatem dostarczanie energii w wymieniony sposób oznacza długi czas realizacji procesu i wysokie straty energetyczne. Problematycznym produktem procesu toryfikacji oraz pirolizy jest powstający w tym procesie węgiel w postaci koksiku. Powstaje on na skutek wytwarzania, miejscowo, zbyt wysokiej temperatury (przy braku dostępu powietrza). Węgiel ten sorbuje, zwłaszcza metale ciężkie zawarte w substratach. Nie jest zatem możliwe jego bezpośrednie spalanie, a utylizacja w innych procesach jest trudna i energochłonna. Oczywiście problematyczne są również poprocesowe pozostałości popiołowe. Te jak w przypadku spalania są najczęściej składowane.Tarification or pyrolysis processes are more favorable than direct combustion. These processes are also relatively energy inefficient. This is due to the fact that the substrates used in the above-mentioned processes must be practically moisture-free, but also to the fact that thermal energy for torrefaction or pyrolysis of biomass is provided, in existing technological solutions, both by (thermal) radiation and in through conduction and transport. However, it is known that biomass conducts heat poorly, so providing energy in the above-mentioned way means a long process implementation time and high energy losses. A problematic product of the torrefaction and pyrolysis process is the carbon produced in this process in the form of coke breeze. It occurs as a result of locally too high temperatures (in the absence of air). This carbon absorbs, especially heavy metals contained in the substrates. Therefore, it is not possible to burn it directly, and its disposal in other processes is difficult and energy-intensive. Of course, post-process ash residues are also problematic. Those used for combustion are most often stored.
Wiele form substratów charakteryzuje się bardzo wysoką zawartością wilgoci (nawet rzędu 60-80%). Sprawia to, że są one trudne zarówno do przechowywania i transportu, jak i do przekształcania.Many forms of substrates are characterized by very high moisture content (up to 60-80%). This makes them difficult to store and transport, as well as to transform.
Niedogodnością jest zatem, że mokre substraty (biomasa, odpady i osady), by być substratem wielu rozwijanych obecnie technologii np. pirolizy, wymagają wstępnego przygotowania poprzez osuszenie, co jest skomplikowane i generuje dodatkowe koszty energetyczne, ekologiczne i ekonomiczne.Therefore, the disadvantage is that wet substrates (biomass, waste and sludge), in order to be the substrate of many currently developed technologies, e.g. pyrolysis, require preliminary preparation by drying, which is complicated and generates additional energy, ecological and economic costs.
Jednym z procesów termicznego przekształcania biomasy, w którym wykorzystywany jest wsad niewymagający wstępnego osuszania jest tzw. hydrotermiczne upłynnianie mokrej biomasy.One of the processes of thermal conversion of biomass that uses input that does not require preliminary drying is the so-called hydrothermal liquefaction of wet biomass.
Proces ten przebiega na ogół w temperaturze 280-370°C i przy ciśnieniu 10-25 MPa. Są to warunki podkrytyczne, czyli bliskie warunkom krytycznym (istnienia) wody w postaci ciekłej tj. temperaturze krytycznej Tk = 374,2°C = 647,35 K oraz ciśnieniu krytycznemu pk = 22,1 MPa = 22 131 360 Pa.This process generally takes place at a temperature of 280-370°C and a pressure of 10-25 MPa. These are subcritical conditions, i.e. close to the critical conditions (existence) of water in liquid form, i.e. critical temperature Tk = 374.2°C = 647.35 K and critical pressure pk = 22.1 MPa = 22,131,360 Pa.
Istotne jest, że w temperaturze o wartościach wyższych jak wartość krytyczna woda nie istnieje w postaci ciekłej niezależnie od wartości ciśnienia. Istnieje natomiast jako gaz tzn. jest parą wodną. W temperaturze ok. 3000°C woda (para wodna) ulega termicznemu rozkładowi na tlen i wodór.It is important that at temperatures higher than the critical value, water does not exist in liquid form regardless of the pressure value. However, it exists as a gas, i.e. it is water vapor. At a temperature of approximately 3000°C, water (water vapor) undergoes thermal decomposition into oxygen and hydrogen.
Woda w warunkach podkrytycznych ma właściwości pośrednie między cieczą a gazem. W warunkach tych np. biomasa, ulega depolimeryzacji. Głównymi produktami depolimeryzacji są (bio)gazy, bioolej, biowęgiel (koksik), związki rozpuszczalne w wodzie oraz minerały. Niekorzystne w procesie jest powstawanie biowęgla (koksiku). Można je jednak ograniczyć m.in. poprzez wprowadzenie katalizatorów alkalicznych.Water in subcritical conditions has properties intermediate between a liquid and a gas. Under these conditions, e.g. biomass, undergoes depolymerization. The main depolymerization products are (bio)gases, bio-oil, biochar (coke), water-soluble compounds and minerals. The formation of biochar (coke breeze) is unfavorable in the process. However, they can be limited, among others: by introducing alkaline catalysts.
Proces prowadzony jest w klasycznych reaktorach (najczęściej kotłach) ogrzewanych zewnętrznie (płaszczowo). Reaktory te charakteryzują się dużą pojemnością, a jednocześnie względnie małą objętością doprowadzenia do substratów ciepła w drodze promieniowania termicznego. Ponieważ strefa promieniowania termicznego obejmuje względnie małą objętość przyścienną reaktora, to oznacza to jednocześnie, że ciepło, w drodze promieniowania (absorbowane przez biomasę), dostarczane jest do procentowo niewielkiej objętości substratów. Ponieważ przewodnictwo cieplne substratów jest względnie niskie, oznacza to, że większa ilość dostarczanego ciepła absorbowana jest przez biomasę w drodze konwekcji i unoszenia, czyli bardzo powoli i z dużymi stratami, a to z kolei oznacza konieczność realizacji procesu w długim czasie, w którym występuje nadmierne koksowanie substratów. Są to niedogodności.The process is carried out in classic reactors (usually boilers) heated externally (jacket). These reactors are characterized by a large capacity and, at the same time, a relatively small volume of heat supplied to the substrates via thermal radiation. Since the thermal radiation zone covers a relatively small volume near the reactor wall, it also means that heat, through radiation (absorbed by biomass), is delivered to a small percentage of the volume of substrates. Since the thermal conductivity of the substrates is relatively low, this means that a larger amount of the supplied heat is absorbed by the biomass by convection and rising, i.e. very slowly and with large losses, which in turn means the need to carry out the process for a long time, during which excessive coking occurs. substrates. These are inconveniences.
Ze względu na trudne warunki prowadzenia procesu depolimeryzacji, w wodzie o parametrach podkrytycznych, jego zastosowanie w przemyśle jest ograniczone. Proces ten wciąż pozostaje w fazie badań i w większości przypadków prowadzony jest w skali laboratoryjnej. Niemniej istnieje kilka technologii w skali pilotażowej czy demonstracyjnej, w których proces jest realizowany.Due to the difficult conditions of the depolymerization process in water with subcritical parameters, its use in industry is limited. This process is still in the research phase and in most cases it is carried out on a laboratory scale. However, there are several technologies on a pilot or demonstration scale in which the process is implemented.
Przykładem jest sposób HTU (z ang. hydrothermal upgrading). Prace nad nią prowadziły laboratoria Shell w Amsterdamie już w latach osiemdziesiątych XX wieku. W 2004 roku uruchomiona została instalacja pilotażowa w Apeldoorn w Holandii. W technologii tej, wilgotny materiał wsado wy ulega depolimeryzacji w wodzie o parametrach podkrytycznych. Czas depolimeryzacji wynosi 5-20 minut. W jej wyniku uzyskuje się ok. 45% (w stosunku do wsadu) biooleju, który może być poddany dalszemu przetwarzaniu np. odtlenieniu i uwodornieniu w obecności katalizatora, krakingowi i rozdestylowaniu do frakcji zbliżonej składem do benzyn, nafty i oleju napędowego.An example is the HTU (hydrothermal upgrading) method. Work on it was carried out by Shell laboratories in Amsterdam in the 1980s. In 2004, a pilot installation was launched in Apeldoorn in the Netherlands. In this technology, the wet feed material is depolymerized in water with subcritical parameters. The depolymerization time is 5-20 minutes. As a result, approximately 45% (in relation to the input) of bio-oil is obtained, which can be further processed, e.g. deoxidation and hydrogenation in the presence of a catalyst, cracking and distillation to a fraction similar in composition to gasoline, kerosene and diesel oil.
Osobnym osiągnięciem jest sposób firmy CWT (Changing World Technology), w której proces przekształcania biomasy przebiega w warunkach podkrytycznych wody.A separate achievement is the method of CWT (Changing World Technology), in which the biomass transformation process takes place in subcritical water conditions.
Instalacja składa się z kilku węzłów technologicznych, które można opisać jak następuje: W pierwszej kolejności występuje węzeł mielenia, gdzie wsad mielony jest do takiego stopnia rozdrobnienia by po zmieszaniu z wodą dał się pompować standardowymi pompami do pompowania cieczy brudnych. Jest to niedogodność, nie tylko energetyczna ale również technologiczna, gdyż mielenie zanieczyszczonych substratów wiąże się z przyspieszonym zużyciem elementów mielących i koniecznością ich częstej wymiany co z kolei powoduje przestoje instalacji. Zmieszany z wodą wsad pompowany jest do pierwszego reaktora, w którym panuje wysokie ciśnienie (powyżej 20 MPa) przy względnie niskiej temperaturze (ok. 300°C). Cząstki materiałów takich jak tworzywa sztuczne, odpady organiczne i inne są dyspergowane na mniejsze. W kolejnym reaktorze ciśnienie jest skokowo obniżane, w tych warunkach większa część wody odparowuje (przy mniejszym zapotrzebowaniu energii niż przy ogrzewaniu). Para jest zawracana i ogrzewa reaktor. Ciała stałe sedymentują i następnie są odseparowywane. W następ nym etapie zabrudzona ciecz, z poprzedniego reaktora, która podobna jest do ropy naftowej, odparowuje w dwóch reaktorach, przy wyższej temperaturze (ok. 500°C). Cząstki tej mieszaniny rozpadają się na jeszcze mniejsze elementy i wraz z oparami z poprzedniego reaktora przedostają się do wież destylacyjnych, gdzie kondensują zależnie od ciężaru właściwego. W ten sposób wyekstrahowane są węgiel, woda, cięższy olej, lżejszy olej i na górze gaz. Poszczególne frakcje przekazywane są do odpowiednich zbiorników. W technologii CWT, w swojej istocie, realizowany jest jedynie proces przekształcania biomasy w warunkach podkrytycznych wody. Niedogodnością tego typu procesu jest to, iż przekształcanie jest zbyt energochłonne, a jednocześnie nie cała masa substratów jest przekształcona tak, by pozostałości procesu nie były uciążliwe dla środowiska, w szczególności występuje bowiem zjawisko przekształcania „odpadu w odpad”.The installation consists of several technological nodes, which can be described as follows: First, there is the grinding node, where the charge is ground to such a degree of grinding that, after mixing with water, it can be pumped with standard pumps for pumping dirty liquids. This is an inconvenience, not only in terms of energy but also technologically, because grinding contaminated substrates is associated with accelerated wear of the grinding elements and the need for their frequent replacement, which in turn causes downtime of the installation. The feed mixed with water is pumped to the first reactor, which is under high pressure (above 20 MPa) at a relatively low temperature (approx. 300°C). Particles of materials such as plastics, organic waste and others are dispersed into smaller ones. In the next reactor, the pressure is suddenly lowered, and in these conditions most of the water evaporates (with less energy required than during heating). The steam is recycled and heats the reactor. Solids settle and are then separated. In the next stage, the dirty liquid from the previous reactor, which is similar to crude oil, evaporates in two reactors at a higher temperature (approx. 500°C). The particles of this mixture break down into even smaller elements and, together with the vapors from the previous reactor, enter the distillation towers, where they condense depending on their specific gravity. In this way, carbon, water, heavier oil, lighter oil and, on top, gas are extracted. Individual fractions are transferred to appropriate tanks. CWT technology, in its essence, only involves the process of transforming biomass in subcritical water conditions. The disadvantage of this type of process is that the transformation is too energy-intensive, and at the same time not all the substrates are transformed in such a way that the process residues are not burdensome to the environment, in particular there is the phenomenon of transforming "waste into waste".
Z ukraińskiego opisu patentowego nr UA81562 U znana jest metoda hydrotermalnego przetwarzania biomasy odnawialnej, organicznych odpadów rolniczych, odpadów przemysłu drzewnego i chemicznego, odpadów obiektów użyteczności publicznej, diwotu, węgla poniżej normy do produkcji wodoru, metanu i gazu syntezowego zawierającego H+CO lub H+CO +CO, która polega na zgazowaniu wodnych zawiesin związków węglowodorowych w obecności katalizatora na bazie węgla aktywnego z łupin orzecha kokosowego z wytworzeniem H, CO, CO, CH i węglowodanów C-Cat w warunkach nadkrytycznych wody w temperaturze 500- pod ciśnieniem 34,5 MPa. 20% wodna zawiesina melasy o strumieniu masowym 1,5 g/g katalizatora poddawana jest obróbce na katalizatorze aluminiowo-miedziano-cynkowym przemysłowego typu CHM-U o podobnej wydajności w stosunku do wodoru w warunkach temperatury obniżonej do 200°C i ciśnienia obniżone do 24,0 MPa.From the Ukrainian patent description No. UA81562 U, a method of hydrothermal processing of renewable biomass, organic agricultural waste, wood and chemical industry waste, waste of public utility facilities, divot, substandard coal for the production of hydrogen, methane and syngas containing H+CO or H+ is known CO +CO, which involves the gasification of aqueous suspensions of hydrocarbon compounds in the presence of a catalyst based on activated carbon from coconut shells to produce H, CO, CO, CH and C-Cat carbohydrates in supercritical conditions of water at a temperature of 500- and a pressure of 34.5 MPa. A 20% aqueous suspension of molasses with a mass flow of 1.5 g/g of catalyst is processed on an industrial aluminum-copper-zinc catalyst of the CHM-U type with similar efficiency in relation to hydrogen under conditions of temperature reduced to 200°C and pressure reduced to 24 .0 MPa.
W chińskim opisie patentowym nr CN103386411 B ujawniono sposób hydrotermalnego przetwarzania odpadów biomasy i jego układ. Metoda obejmuje etapy: materiał poddaje się kolejno obróbce wstępnego podgrzewania zawiesiny, obróbce hydrotermalnej parą pod wysokim ciśnieniem i obróbce przez odparowanie rzutowe. Para stosowana w procesie hydrotermalnym obejmuje parę surową i parę wtórną. Według pary wtórnej, przy różnicy ciśnień pary pomiędzy urządzeniami do reakcji hydrotermalnej, wyrównywanie ciśnienia pary i temperatury obu urządzeń do reakcji hydrotermalnej jest zakończone. Poprzez wielopoziomowe wyrównywanie ciśnień pomiędzy urządzeniami reakcji hydrotermalnej poprawia się efektywność wymiany ciepła i można zmniejszyć zużycie pary surowej.Chinese patent No. CN103386411 B discloses a method for hydrothermal processing of biomass waste and its system. The method includes the following stages: the material is successively treated by preheating the suspension, hydrothermal treatment with high-pressure steam and treatment by flash evaporation. The steam used in the hydrothermal process includes raw steam and secondary steam. According to the secondary steam, with the steam pressure difference between the hydrothermal reaction equipment, the equalization of the steam pressure and temperature of the two hydrothermal reaction equipment is completed. By multi-level pressure equalization between hydrothermal reaction devices, the efficiency of heat transfer is improved and the consumption of raw steam can be reduced.
Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P. 399911 A1 znany jest sposób hydrotermicznego upłynniania biomasy, w którym pobraną ze zbiornika biomasę za pomocą pomp wtłacza się do reaktora, w którym biomasę podgrzewa się w celu uzyskania produktów reaktora w postaci frakcji lotnych, ciekłych i stałych, które rozdziela się w separatorze. Pobraną ze zbiornika biomasę spręża się w pompach do ciśnienia w zakresie od 220 atm. do 250 atm., po czym wstępnie nagrzewa się sprężoną biomasę w wymienniku ciepła do temperatury co najmniej 374-400°C energią cieplną gorących produktów reaktora, a następnie wstępnie nagrzaną biomasę dogrzewa się w reaktorze za pomocą emitowanego z generatorów promieniowania mikrofalowego o częstotliwości w paśmie od 900 MHz do 4 GHz poprzez rozmieszczone wzdłuż komory reaktora promienniki fal spolaryzowanych, których kierunki polaryzacji są prostopadłe dla sąsiednich promienników, a szerokość szczeliny promiennika jest mniejsza od połowy długości fali promieniowania emitowanego z generatorów, przy czym mierzy się odbicia fali elektromagnetycznej doprowadzanej do promienników za pomocą reflektometrów umieszczonych pomiędzy promiennikami, a generatorami oraz mierzy się temperaturę biomasy wewnątrz reaktora za pomocą czujników temperatury i za pomocą sterownika, na podstawie wskazań czujników temperatury i reflektometrów reguluje się moc promieniowania generowanego przez generatory, utrzymując biomasę wewnątrz reaktora w temperaturze w zakresie od 374°C do 400°C.A method of hydrothermal liquefaction of biomass is known from the Polish patent application No. P. 399911 A1, in which the biomass taken from the tank is pumped into the reactor, where the biomass is heated in order to obtain reactor products in the form of volatile, liquid and solid fractions, which separates in the separator. The biomass taken from the tank is compressed in pumps to a pressure ranging from 220 atm. up to 250 atm, then the compressed biomass is preheated in a heat exchanger to a temperature of at least 374-400°C with the thermal energy of the hot reactor products, and then the preheated biomass is heated in the reactor using microwave radiation emitted from the generators with a frequency in the band from 900 MHz to 4 GHz through polarized wave radiators placed along the reactor chamber, the polarization directions of which are perpendicular to the adjacent radiators, and the width of the radiator slot is smaller than half the wavelength of the radiation emitted from the generators, and the reflections of the electromagnetic wave fed to the radiators are measured using reflectometers placed between the radiators and the generators, and the temperature of the biomass inside the reactor is measured using temperature sensors and using the controller; based on the readings of the temperature sensors and reflectometers, the power of radiation generated by the generators is regulated, maintaining the biomass inside the reactor at a temperature ranging from 374° C to 400°C.
W amerykańskim opisie patentowym nr US 10689282 B2 opisano proces oparty na obróbce upłynnianiem hydrotermalnym (HTL) do wspólnego przetwarzania wysokowodnych osadów ściekowych i innej biomasy lignocelulozowej do wspólnej produkcji biogazu i bioropy naftowej. Mieszaninę osadu czynnego odpadowego i biomasy lignocelulozowej, takiej jak trociny brzozowe/łodyga kukurydzy/MSW, poddano konwersji w warunkach HTL w obecności KOH jako homogenicznego katalizatora. Warunki operacyjne, w tym temperatura reakcji, czas reakcji i stężenie substancji stałych, zoptymalizowano w oparciu o metodologię powierzchni reakcji dla maksymalnej produkcji bioropy naftowej. Najwyższy uzysk bioropy naftowej wynoszący około 34% wag. uzyskano poprzez współzasilanie osadu czynnego odpadowego z biomasą lignocelulozową w optymalnej temperaturze 310°C, czasie reakcji 10 min i stężeniu części stałych 10% wag. Dwa produkty uboczne tego procesu (biowęgiel i produkty rozpuszczalne w wodzie) można również wykorzystać do produkcji energii. Do produkcji biogazu wykorzystano produkty rozpuszczalne w wodzie w ramach testu potencjału biometanu (BMP). Stwierdzono, że w ciągu dni wytworzyły łącznie około 800 ml biometanu na 0,816 g całkowitego węgla organicznego (TOC) lub 2,09 g chemicznego zapotrzebowania na tlen (COD) produktów rozpuszczalnych w wodzie.US Patent No. 10,689,282 B2 describes a process based on hydrothermal liquefaction (HTL) treatment for the co-processing of high-water sewage sludge and other lignocellulosic biomass for the co-production of biogas and bio-crude oil. A mixture of waste activated sludge and lignocellulosic biomass such as birch sawdust/corn stalk/MSW was converted under HTL conditions in the presence of KOH as a homogeneous catalyst. Operating conditions, including reaction temperature, reaction time and solids concentration, were optimized based on the reaction surface methodology for maximum biocrude oil production. The highest yield of biocrude oil is approximately 34% by weight. was obtained by co-feeding waste activated sludge with lignocellulosic biomass at the optimal temperature of 310°C, reaction time of 10 min and solids concentration of 10% by weight. Two by-products of this process (biochar and water-soluble products) can also be used to produce energy. Water-soluble products were used to produce biogas under the Biomethane Potential (BMP) test. Over the days, they were found to have produced a total of approximately 800 ml of biomethane per 0.816 g of total organic carbon (TOC) or 2.09 g of chemical oxygen demand (COD) of water-soluble products.
Celem wynalazku było zatem opracowanie nowego sposobu przetwarzania substratów z biomasy oraz układu do jego realizacji, które rozwiązywałby niedogodności opisane powyżej.The aim of the invention was therefore to develop a new method for processing biomass substrates and a system for its implementation, which would solve the disadvantages described above.
Postanowiono zapewnić, aby całość biomasy była upłynniana (do mieszaniny gazów, w tym zawierających gaz syntezowy i par cieczy lekkich) w polu promieniowania termicznego i/lub mikrofalowego, przy wykorzystaniu wody w jej stanie pod- i nadkrytycznym, gdzie miejscowo ulegać ona może dysocjacji termicznej, natomiast poprocesowa frakcja mineralna jest częściowo przekształcona w procesie mikrofalowej witryfikacji do fazy ceramicznej i metalicznej.It was decided to ensure that all biomass was liquefied (to a mixture of gases, including synthesis gas and light liquid vapors) in a field of thermal and/or microwave radiation, using water in its sub- and supercritical state, where it may locally undergo thermal dissociation , while the post-process mineral fraction is partially transformed in the microwave vitrification process into the ceramic and metallic phase.
Sposób przekształcania substratów z biomasy, według wynalazku, polega na tym że obejmuje następujące etapy:The method of transforming biomass substrates according to the invention includes the following steps:
a) dwustopniowe komprymowanie substratów z biomasy, przy czym pierwszy stopień odbywa się w prasie tłokowej, drugi stopień odbywa się w prasie ślimakowej wraz z niskotemperaturowym, w temperaturze 90°C, podgrzewaniem biomasy,a) two-stage compression of biomass substrates, with the first stage taking place in a piston press, the second stage taking place in a screw press along with low-temperature heating of the biomass at 90°C,
b) wtłoczenie substratów w przestrzeń międzyrurową węzła technologicznego, w postaci reaktora dwururowego z rurami umieszczonymi koncentrycznie i mieszanie biomasy z wodą w jej stanie podkrytycznym, w temperaturze 350-370°C oraz ciśnienie większe niż 20 MPa, w wyniku czego powstają dwa strumienie substratów tj. faza palna i faza stała,b) injecting the substrates into the inter-pipe space of the technological node, in the form of a two-pipe reactor with concentrically placed pipes, and mixing the biomass with water in its subcritical state, at a temperature of 350-370°C and a pressure greater than 20 MPa, as a result of which two streams of substrates are created, i.e. . flammable phase and solid phase,
c) faza palna oraz stała kierowane są do kolejnego węzła technologicznego, w postaci reaktora cyklonowego z wodą w jej stanie nadkrytycznym o temperaturze od 500°C do 3500°C, w wyniku czego następuje dalsza depolimeryzacja fazy palnej i stałej do gazu i par lekkich cieczy, przy jednoczesnym strefowym wprowadzeniu energii w postaci promieniowania mikrofalowego w reaktorze mikrofalowym z zasobnikiem rurowym , celem upłynnienia części fazy stałej tj. koksiku (K),c) the flammable and solid phase are directed to the next technological node, in the form of a cyclone reactor with water in its supercritical state at a temperature from 500°C to 3500°C, resulting in further depolymerization of the flammable and solid phase into gas and light liquid vapors , with simultaneous zone introduction of energy in the form of microwave radiation in a microwave reactor with a tubular tank, in order to liquefy part of the solid phase, i.e. coke (K),
d) faza palna składająca się z gazów i par lekkich cieczy oraz faza stała kierowane są do węzła oczyszczania gazu z płuczkami wodnymi i filtrem magnetycznym, gdzie jest płukana wodą demineralizowaną i oczyszczana chemicznie oraz separowana od zanieczyszczeń w separatorze odśrodkowym,d) the flammable phase consisting of gases and vapors of light liquids and the solid phase are directed to the gas purification center with water scrubbers and a magnetic filter, where it is rinsed with demineralized water and chemically cleaned and separated from impurities in a centrifugal separator,
e) oczyszczona mieszanina gazów i par lekkich cieczy kierowana jest do agregatu prądotwórczego z silnikiem spalinowym, oraz generatorem energii elektrycznej w silniku spalinowym, w którego kolektorze dolotowym, następuje jej mieszanie z wcześniej oczyszczonym w węźle filtracji powietrza powietrzem zasysanym przez silnik i spalanie powstałej mieszaniny,e) the purified mixture of gases and vapors of light liquids is directed to a power generator with an internal combustion engine and an electricity generator in the internal combustion engine, in the intake manifold of which it is mixed with the air sucked in by the engine, previously purified in the air filtration node, and the resulting mixture is burned,
f) spaliny z silnika spalinowego, kierowane są do katalitycznego węzła oczyszczania spalin w którym następuje utlenianie resztek niespalonych w silniku gazów, spaliny rozdzielane są na dwa strumienie: strumień energetyczny oraz strumień cieplny,f) exhaust gases from the combustion engine are directed to the catalytic exhaust gas purification unit, where the remains of gases not burned in the engine are oxidized, the exhaust gases are separated into two streams: an energy stream and a heat stream,
g) strumień cieplny, którego ciepło wykorzystywane jest na potrzeby własne układu w węzłach technologicznych,g) thermal stream, the heat of which is used for the system's own needs in technological nodes,
h) strumień energetyczny, kierowany jest do węzła organicznego cyklu Rankine’a ORC, w którym następuje przekształcanie energii cieplnej w energię elektryczną, po czym strumienie spalin są łączone i odprowadzane na zewnątrz,h) the energy stream is directed to the organic node of the Rankine cycle ORC, where thermal energy is converted into electricity, after which the exhaust gas streams are combined and discharged outside,
i) woda zanieczyszczona doprowadzana jest do węzła oczyszczania wody zawierającego kompleks urządzeń do mechanicznego oraz chemicznego jej oczyszczania,i) contaminated water is supplied to a water treatment center containing a complex of devices for mechanical and chemical purification,
j) w węźle witryfikacji zawierającym reaktor mikrofalowy w którym substraty osiągają temperaturę powyżej 1500°C następuje stopienie fazy stałej, grawitacyjna separacja fazy metalicznej od fazy ceramicznej w półotwartym kanale spustowym oraz szokowe chłodzenie obu faz w studni sedymentacyjnej zawierającej wodę demineralizowaną,j) in the vitrification node containing a microwave reactor in which the substrates reach temperatures above 1500°C, the solid phase is melted, the metallic phase is separated from the ceramic phase by gravity in a semi-open drain channel, and shock cooling of both phases takes place in a sedimentation well containing demineralized water,
k) zanieczyszczenia wody w postaci frakcji mineralnej składającej się z fazy ceramicznej i fazy metalicznej są albo wykorzystywane jako frakcja mineralna nawozów i/lub poddawane witryfikacji poprzez podgrzanie mikrofalowo do temperatury wyższej od ich temperatury topnienia po czym szokowo chłodzone w wodzie.k) water pollutants in the form of a mineral fraction consisting of a ceramic phase and a metallic phase are either used as the mineral fraction of fertilizers and/or subjected to vitrification by heating in a microwave to a temperature above their melting point and then shock-cooled in water.
Układ przekształcania biomasy wg wynalazku zawiera węzeł technologiczny w postaci reaktora dwururowego z rurami umieszczonymi koncentrycznie z wodą w jej stanie podkrytycznym, który dostarcza energię cieplną do substratów w drodze promieniowania termicznego, węzeł technologiczny w postaci reaktora cyklonowego z wodą w stanie nadkrytycznym, dostarczający energię do znajdujących się w nim związków chemicznych i metali zarówno w drodze promieniowania termicznego oraz promieniowania mikrofalowego, węzeł oczyszczania gazu z płuczkami wodnymi, agregat prądotwórczy z silnikiem spalinowym oraz generatorem energii elektrycznej, węzeł oczyszczania spalin zawierający zarówno trójdrożne reaktory katalityczne, filtry ceramiczne oraz filtry elektromagnetyczne, a także wymienniki ciepła, węzeł organicznego cyklu Rankine’a ORC zawierający układ przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną, węzeł oczyszczania wody zawierający kompleks urządzeń do mechanicznego oraz chemicznego jej oczyszczania, węzeł witryfikacji zawierający reaktor mikrofalowy oraz węzeł oczyszczania powietrza zawierający filtry mechaniczne; ceramiczne i włókninowe oraz elektromagnetyczne.The biomass conversion system according to the invention includes a technological node in the form of a two-pipe reactor with pipes placed concentrically with water in its subcritical state, which supplies thermal energy to the substrates through thermal radiation, and a technological node in the form of a cyclone reactor with supercritical water, supplying energy to the chemical compounds and metals by means of thermal radiation and microwave radiation, a gas purification node with water scrubbers, a power generator with an internal combustion engine and an electricity generator, an exhaust gas purification node containing both three-way catalytic reactors, ceramic filters and electromagnetic filters, as well as heat exchangers, an organic Rankine cycle ORC node containing a system for converting thermal energy into electricity, a water purification node containing a complex of devices for mechanical and chemical purification, a vitrification node containing a microwave reactor and an air purification node containing mechanical filters; ceramic, non-woven and electromagnetic.
Korzystnie, gdy układ zawiera węzeł technologiczny, w którym woda osiąga temperaturę 350370°C oraz ciśnienie większe niż 20 MPa.Preferably, the system includes a technological node in which the water reaches a temperature of 350-370°C and a pressure greater than 20 MPa.
Korzystnie, gdy w węźle technologicznym energia cieplna jest dostarczana do co najmniej 90% objętości biomasy w drodze promieniowania termicznego.Preferably, in the technological node, thermal energy is supplied to at least 90% of the biomass volume by thermal radiation.
Korzystnie, gdy układ zawiera węzeł technologiczny z wodą w stanie nadkrytycznym o temperaturze od 500°C do 3500°C.Preferably, the system includes a technological node with supercritical water at a temperature from 500°C to 3500°C.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania gazu co najmniej jedną płuczkę wodną oraz co najmniej jeden filtr magnetyczny.Preferably, the gas purification node has at least one water scrubber and at least one magnetic filter.
Korzystnie, gdy agregat prądotwórczy zawiera co najmniej jeden silnik spalinowy oraz generator energii elektrycznej napędzany przez ten silnik.Preferably, the generating set includes at least one internal combustion engine and an electricity generator driven by this engine.
Korzystnie, gdy silnik spalinowy jest silnikiem wielopaliwowym.Preferably, the internal combustion engine is a multi-fuel engine.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania spalin zawiera co najmniej jeden trójdrożny reaktor katalityczny, co najmniej jeden filtr elektromagnetyczny i co najmniej jeden filtr ceramiczny oraz wymiennik ciepła.Preferably, the exhaust gas treatment node includes at least one three-way catalytic converter, at least one electromagnetic filter and at least one ceramic filter and a heat exchanger.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania spalin zawiera co najmniej jeden wymiennik ciepła spalin z innymi nośnikami ciepła, w tym metalami niskotopliwymi i/lub ich solami.Preferably, the exhaust gas treatment unit contains at least one exhaust gas heat exchanger with other heat carriers, including low-melting metals and/or their salts.
Korzystnie, gdy węzeł organicznego cyklu Rankine’a ORC zawiera układ przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną: wymiennik ciepła ORC, turbina ORC oraz generator prądu elektrycznego ORC.Preferably, the node of the organic Rankine cycle ORC includes a system for converting thermal energy into electrical energy: an ORC heat exchanger, an ORC turbine and an ORC electric current generator.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania wody zawiera co najmniej jeden stopień sedymentacji, co najmniej jedną wirówkę wody, co najmniej jeden stopień wymiany jonowej oraz co najmniej jeden stopień filtracji, w tym z wykorzystaniem membrany odwróconej osmozy.Preferably, the water purification node includes at least one sedimentation stage, at least one water centrifuge, at least one ion exchange stage and at least one filtration stage, including using a reverse osmosis membrane.
Korzystnie, gdy węzeł witryfikacji, w którym substraty osiągają temperaturę powyżej 1500°C, zawiera co najmniej jeden reaktor mikrofalowy witryfikacji.Preferably, the vitrification node, where the substrates reach a temperature above 1500°C, contains at least one microwave vitrification reactor.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania powietrza zawiera co najmniej jeden filtr elektromagnetyczny oraz co najmniej jeden filtr z przegrodą mechaniczną.Preferably, the air purification node contains at least one electromagnetic filter and at least one filter with a mechanical partition.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania powietrza zawiera filtr z przegrodą włókninową i/lub ceramiczną.Preferably, the air purification node contains a filter with a non-woven and/or ceramic partition.
Korzystnie, gdy węzeł oczyszczania powietrza zawiera filtr elektromagnetyczny umieszczony jest przed przegrodą mechaniczną.Preferably, the air purification node includes an electromagnetic filter placed in front of the mechanical partition.
Zaletą rozwiązania wg wynalazku jest niskoenergetyczne przekształcanie substratów do energii elektrycznej i cieplnej, a duży nadmiar tych energii może być przekazany do osób trzecich jako energia wyłącznie z zasobów odnawialnych. Istotne jest przy tym, że pochodząca z zasobów odnawialnych energia elektryczna, uzyskiwana jest w systemie rozproszonym i może być przekazywana do e-mobilności. Zaletą rozwiązania jest również to, że faza stała metaliczna jak i ceramiczna są witryfikatami wypłukanymi w wodzie i jako takie mogą stanowi surowiec dla przemysłu hutniczego (faza metaliczna) jak i budowlanego (faza ceramiczna), przy czym ta ostatnia może być przekazana bezpośrednio do środowiska gdyż nie generuje odcieku. Zaletą rozwiązania wg projektu jest również możliwość uzyskiwania mikroelementów (w procesie oczyszczania wody obiegowej) mogących być użyte m.in. jako nawozy. Rozwiązanie wg wynalazku charakteryzuje się praktycznie zerową uciążliwością dla środowiska. Energia uzyskiwana jest z bowiem zasobów odnawialnych, natomiast spaliny praktycznie nie zawierają składników toksycznych oraz cząstek stałych. Biorąc pod uwagę rozbudowany układ filtracji powietrza, doprowadzanego do silnika, oraz rozbudowany układ filtracji spalin należy spodziewać się, że spaliny opuszczające silnik zawierać będą mniej cząstek stałych jak zawartych w otaczającym powietrzu doprowadzanym do silnika. Zaletą rozwiązania wg wynalazku jest również deodoryzacja otoczenia instalacji (na skutek poboru ew. zanieczyszczonego powietrza otaczającego instalację do procesu spalania w silniku).The advantage of the solution according to the invention is the low-energy transformation of substrates into electricity and heat, and a large excess of these energies can be transferred to third parties as energy exclusively from renewable resources. It is important that electricity from renewable resources is obtained in a distributed system and can be transferred to e-mobility. The advantage of the solution is also that the solid metallic and ceramic phases are vitrifieds rinsed in water and as such they can constitute a raw material for the metallurgical industry (metallic phase) and construction industry (ceramic phase), the latter of which can be transferred directly to the environment because does not generate leachate. The advantage of the project solution is also the possibility of obtaining microelements (in the process of purifying circulating water) that can be used, among others, as fertilizers. The solution according to the invention is characterized by virtually zero environmental impact. Energy is obtained from renewable resources, while exhaust gases contain virtually no toxic components and particulate matter. Taking into account the extensive filtration system of the air supplied to the engine and the extensive exhaust gas filtration system, it is expected that the exhaust gases leaving the engine will contain fewer particulate matter than those contained in the ambient air supplied to the engine. Another advantage of the solution according to the invention is the deodorization of the installation surroundings (due to the intake of possibly polluted air surrounding the installation for the combustion process in the engine).
Przedmiot wynalazku przedstawiony jest bliżej w przykładzie realizacji oraz na fig. 1, który przedstawia układ do realizacji sposobu w którym zaznaczono strumienie substratów i produktów, a także zaznaczono strumienie energii elektrycznej i cieplnej.The subject of the invention is presented in more detail in an embodiment and in Fig. 1, which shows a system for implementing the method in which the streams of substrates and products are marked, as well as the streams of electric and thermal energy.
Przykład 1Example 1
Układ przekształcania biomasy uwidoczniono na fig. 1, który przedstawia węzeł technologiczny 1 w postaci reaktora dwururowego 12 z rurami umieszczonymi koncentrycznie, między które wprowadzana jest biomasa, z wodą w jej stanie podkrytycznym którym woda osiąga temperaturę 350-370°C oraz ciśnienie większe niż 20 MPa charakteryzujący się dostarczaniem do substratów energii cieplnej w drodze promieniowania termicznego, węzeł technologiczny 2 w postaci reaktora cyklonowego 13 z wodą w stanie nadkrytycznym o temperaturze od 500°C do 3500°C, charakteryzujący się dostarczaniem energii do znajdujących się w nim związków chemicznych i metali zarówno w drodze promieniowania termicznego jak też w drodze promieniowania mikrofalowego, węzeł oczyszczania gazu 3 z jedną płuczką wodną 16 i jednym filtrem magnetycznym 17, agregat prądotwórczy 4 z wielopaliwowym silnikiem spalinowym 19 oraz generatorem energii elektrycznej 20, węzeł oczyszczania spalin 5 zawierający zarówno jeden trójdrożny reaktor katalityczny 23, jeden filtr ceramiczny 22 oraz jeden filtr elektromagnetyczny 21, a także wymienniki ciepła 24, węzeł organicznego cyklu Rankine’a ORC 6 zawierający układ przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną - wymiennik ciepła ORC 25, turbina ORC 26 oraz generator prądu elektrycznego ORC 27, węzeł oczyszczania wody 7 zawierający kompleks urządzeń do mechanicznego oraz chemicznego jej oczyszczania, w postaci jednego stopnia sedymentacji 31, jednej wirówki wody, jednego wymiennika jonowego 34 oraz jednej membrany odwróconej osmozy 35, węzeł witryfikacji 8, w którym substraty S osiągają temperaturę powyżej 1500°C zawierający reaktor mikrofalowy 36 oraz węzeł oczyszczania powietrza 9 zawierający jeden filtr elektromagnetyczny 28 oraz filtr z przegrodą włókninową 30 i ceramiczną 29.The biomass conversion system is shown in Fig. 1, which shows the technological node 1 in the form of a two-pipe reactor 12 with concentrically placed pipes between which biomass is introduced, with water in its subcritical state in which the water reaches a temperature of 350-370°C and a pressure greater than 20 MPa characterized by the supply of thermal energy to the substrates by thermal radiation, technological node 2 in the form of a cyclone reactor 13 with supercritical water at a temperature from 500°C to 3500°C, characterized by the supply of energy to the chemical compounds and metals contained therein both by thermal radiation and by microwave radiation, a gas purification node 3 with one water scrubber 16 and one magnetic filter 17, a power generator 4 with a multi-fuel internal combustion engine 19 and an electric energy generator 20, an exhaust gas purification node 5 containing both one three-way reactor catalytic filter 23, one ceramic filter 22 and one electromagnetic filter 21, as well as heat exchangers 24, the node of the organic Rankine cycle ORC 6 containing a system for converting thermal energy into electricity - the ORC 25 heat exchanger, the ORC 26 turbine and the ORC 27 electric current generator , water purification node 7 containing a complex of devices for mechanical and chemical purification, in the form of one sedimentation stage 31, one water centrifuge, one ion exchanger 34 and one reverse osmosis membrane 35, vitrification node 8 in which the substrates S reach a temperature above 1500° C containing a microwave reactor 36 and an air purification node 9 containing one electromagnetic filter 28 and a filter with a non-woven partition 30 and a ceramic partition 29.
Fig. 1 przedstawia również strumienie; substratów S, powietrza P, wody W, wody zanieczyszczonej Wb, wody demineralizowanej Wd, dodatków D, a także gazów G, cieczy L, oraz węgla (koksiku) K, fazy stałej Fs. Na Fig. 1 zaznaczono również strumienie energii elektrycznej Ee, energii cieplnej Ec oraz energii cieplnej niskotemperaturowej Ecn. Ponadto na Fig. 1 zaznaczono fazę ceramiczną Fc, fazę metaliczną Fm oraz mikroelement ME.Fig. 1 also shows the streams; substrates S, air P, water W, contaminated water Wb, demineralized water Wd, additives D, as well as gases G, liquid L, and carbon (coke) K, solid phase Fs. Fig. 1 also shows the flows of electric energy Ee, thermal energy Ec and low-temperature thermal energy Ecn. Moreover, the ceramic phase Fc, the metallic phase Fm and the microelement ME are marked in Fig. 1.
Przykład 2Example 2
Substraty S w postaci biomasy, biomasy odpadowej i osadów ściekowych dostarczane są do węzła technologicznego 1 w postaci reaktora dwururowego 12 z rurami umieszczonymi koncentrycznie, gdzie są dwustopniowo komprymowane, przy czym pierwszy stopień odbywa się w prasie tłokowej 10, drugi stopień odbywa się w prasie ślimakowej 11 wraz z niskotemperaturowym w temperaturze 90°C, podgrzewaniem biomasy, następnie mieszane z wodą będącą w stanie podkrytycznym w temperaturze 360°C oraz ciśnienie większe niż 20 MPa, a mieszanina ta jest podgrzewana w polu promieniowania termicznego tak, by osiągnąć temperaturę i ciśnienie właściwe dla stanu podkrytycznego wody, a jednocześnie zapewniające destrukcję molekuł biomasy oraz np. znajdujących się w mieszaninie tworzyw sztucznych. W wyniku tej destrukcji uzyskujemy dwa strumienie substratów tj. faza palna G, L, K i faza stała Fs. W węźle technologicznym 1 następuje mechaniczna separacja w wyniku której wydzielana jest zabrudzona woda Wb. Woda ta jest odprowadzana przewodem rurowym do kolektora i dalej do węzła oczyszczania wody 7.Substrates S in the form of biomass, waste biomass and sewage sludge are delivered to the technological node 1 in the form of a two-pipe reactor 12 with concentrically placed pipes, where they are compressed in two stages, with the first stage taking place in a piston press 10, the second stage taking place in a screw press 11 together with low-temperature heating of the biomass at 90°C, then mixed with water in a subcritical state at a temperature of 360°C and a pressure greater than 20 MPa, and this mixture is heated in a thermal radiation field so as to reach the proper temperature and pressure for the subcritical state of water, and at the same time ensuring the destruction of biomass molecules and, for example, plastics contained in the mixture. As a result of this destruction, we obtain two streams of substrates, i.e. the flammable phase G, L, K and the solid phase Fs. In technological node 1, mechanical separation takes place, as a result of which dirty water Wb is released. This water is discharged through a pipe to the collector and further to the water treatment plant 7.
Mieszanina gazu G, cieczy L, koksika K oraz fazy stałej Fs, kierowana jest preizolowanym przewodem rurowym do węzła technologicznego 2, w postaci reaktora cyklonowego 13, w którym następuje obniżenie ciśnienia od 20 MPa do 10 MPa oraz wzrost temperatury od 500°C do punktowo 3500°C. W warunkach tych prowadzona jest mechaniczna separacja składowych mieszaniny. W dalszej kolejności strefowo wprowadzane jest podgrzewanie mikrofalowe w reaktorze mikrofalowym (14) z zasobnikiem rurowym 15 koksiku K oraz pozostałości fazy stałej Fs do temperatury punktowo 3500°C. Ciepło od koksiku K i od fazy stałej Fs oraz pochodzące z energii mikrofal, transportowane jest do otaczającej pary tak, że na powierzchni zarówno koksiku K jak i fazy stałej Fs następuje termiczny rozpad wody na tlen O2 oraz wodór H2. Tlen wchodzi w reakcję z węglem (koksikiem K) tworząc tlenek i częściowo ditlenek węgla. Tlen wchodzi również w reakcję z cięższymi węglowodorami. Gazy i pary, w tym para wodna, z węzła technologicznego 2 kierowane są przewodem rurowym do węzła oczyszczania gazu 3 z płuczkami wodnymi 16 i filtrem magnetycznym 17, gdzie jest płukana wodą demineralizowaną Wd i oczyszczana chemicznie oraz separowana od zanieczyszczeń w separatorze odśrodkowym 18. Przeciętny skład gazu kierowanego do węzła oczyszczania gazu 3 to: wodór (H2) 30-35%, węglowodory (CmHn) 10-15%, tlenek węgla (CO) 35-40%, ditlenek węgla (CO2) 15-20%, Metan (CH4) ok. 2%, para wodna (H2O) do 3%, azot (N2) do 4%. Wartość opałowa tej mieszaniny to ok. 12 GJ/Mg. Faza stała Fs, która sedymentuje w węźle technologicznym 2, tłoczona jest przewodem rurowym do kolektora i dalej do węzła oczyszczania wody 7. Do węzła oczyszczania gazu 3 dostarczana jest, przewodem rurowym, woda demineralizowana Wd z węzła oczyszczania wody 7. W węźle oczyszczania gazu 3 następuje płukanie gazów w wodzie demineralizowanej Wd, która jest w nadmiarze. W wyniku tego gaz opuszczający płuczkę 16 osiąga szokowo temperaturę 250°C. Zapobiega to reakcji de novo odtwarzania się dioksyn i furanów (PCDD/F). Część pary wodnej rozpuszcza się w wodzie demineralizowanej Wd płuczki 16. Woda ta ulega również zabrudzeniu, głównie fazą stałą Fs i dalej jako woda zabrudzona Wd, przewodem rurowym odprowadzana jest do węzła oczyszczania wody 7. W węźle oczyszczania gazu 3 działa filtr magnetyczny 17, który separuje z gazu fazę stałą Fs. Faza stała Fs tłoczona jest przewodem rurowym do kolektora i następnie do węzła oczyszczania wody 7. Oczyszczony, ale wilgotny gaz, o temperaturze 250°C, kierowany jest do wielopaliwowego silnika spalinowego 19 agregatu prądotwórczego 4, w którym w kolektorze dolotowym silnika 19 i w komorze spalania tego silnika 19 miesza się z powietrzem P. Powietrze P dostarczane do silnika 19 jest wcześniej oczyszczane w węźle oczyszczania powietrza 9, w którym oprócz filtru z przegrodą włókninową 30 i ceramiczną 29 działa również filtr elektromagnetyczny 28. Energia elektryczna Ee dostarczana jest do węzła oczyszczania powietrza 9 przewodem elektrycznym. Faza stała Fs odseparowana na filtrze elektromagnetycznym 29 kierowana jest do kolektora i dalej do węzła witryfikacji 8.The mixture of gas G, liquid L, coke K and solid phase Fs is directed through a pre-insulated pipe to the technological node 2, in the form of a cyclone reactor 13, where the pressure is reduced from 20 MPa to 10 MPa and the temperature is increased from 500°C to point 3500°C. Under these conditions, mechanical separation of the mixture components is carried out. Next, microwave heating is introduced in zones in a microwave reactor (14) with a tubular container 15 of coke K and the remains of the solid phase Fs to a point temperature of 3500°C. The heat from the coke cake K and the solid phase Fs, as well as from the energy of microwaves, is transported to the surrounding steam so that on the surface of both the coke cake K and the solid phase Fs, thermal decomposition of water into oxygen O2 and hydrogen H2 occurs. Oxygen reacts with carbon (coke K) to form carbon monoxide and partly carbon dioxide. Oxygen also reacts with heavier hydrocarbons. Gases and vapors, including water vapor, from the technological node 2 are directed through a pipe to the gas purification node 3 with water scrubbers 16 and a magnetic filter 17, where they are rinsed with Wd demineralized water and chemically cleaned and separated from impurities in the centrifugal separator 18. Average the composition of the gas directed to gas purification node 3 is: hydrogen (H2) 30-35%, hydrocarbons (CmHn) 10-15%, carbon monoxide (CO) 35-40%, carbon dioxide (CO2) 15-20%, methane ( CH4) approx. 2%, water vapor (H2O) up to 3%, nitrogen (N2) up to 4%. The calorific value of this mixture is approximately 12 GJ/Mg. The solid phase Fs, which sediments in the technological node 2, is pumped through a pipe to the collector and then to the water purification node 7. Demineralized water Wd from the water purification node 7 is supplied to the gas purification node 3 via a pipe. the gases are washed in excess demineralized water Wd. As a result, the gas leaving the scrubber 16 shocks to a temperature of 250°C. This prevents de novo reactions from the formation of dioxins and furans (PCDD/F). Part of the water vapor is dissolved in the demineralized water Wd of the scrubber 16. This water is also contaminated, mainly with the solid phase Fs, and then as dirty water Wd, it is discharged through a pipe to the water purification node 7. In the gas purification node 3, a magnetic filter 17 operates, which separates the solid phase Fs from the gas. The solid phase Fs is pumped through a pipe to the collector and then to the water purification node 7. Purified but moist gas, at a temperature of 250°C, is directed to the multi-fuel combustion engine 19 of the power generator 4, where in the engine intake manifold 19 and in the combustion chamber of this engine 19 is mixed with air P. The air P supplied to the engine 19 is previously cleaned in the air purification node 9, in which, in addition to the filter with a non-woven partition 30 and ceramic 29, there is also an electromagnetic filter 28. Electrical energy Ee is supplied to the air purification node 9 electric cable. The solid phase Fs separated on the electromagnetic filter 29 is directed to the collector and further to the vitrification node 8.
W wyniku spalania w wielopaliwowym silniku spalinowym 19 agregatu prądotwórczego 4 gazu G w tlenie zawartym w powietrzu P powstają gorące spalin Sp zawierające energię cieplną Ec oraz energię elektryczną Ee wytwarzaną poprzez generator energii elektrycznej 20 napędzany tym silnikiem 19. Ponadto w układzie chłodzenia silnika 19 powstaje energia cieplna niskotemperaturowa Ecn (o temperaturze nie przekraczającej 100°C). Spaliny Sp kierowane są do węzła oczyszczania spalin 5, w którym na skutek reakcji utleniania niespalonych, w komorze spalania silnika 19, składników gazu G, następuje ich katalityczne utlenianie, co skutkuje wzrostem temperatury spalin Sp do temperatury 600°C. Odpowiednia część energii cieplnej spalin Ec separowana jest w wymienniku ciepła 24 zawartym w węźle oczyszczania spalin 5 i dalej transportowana preizolowanymi przewodami rurowymi do węzła technologicznego 1 oraz węzła technologicznego 2. Do węzła technologicznego 1 przewodami preizolowanymi transportowana jest również energia cieplna niskotemperaturowa Ecn. Odpowiednia część (ok. 20% objętościowo) spalin Sp kierowana jest do węzła organicznego cyklu Rankine’a ORC 6, w którym energia cieplna spalin Sp zamieniana jest na energię elektryczną Ee. Spaliny Sp odprowadzane są przewodem wydechowym do powietrza. Energia elektryczna Ee, uzyskiwana w agregacie prądotwórczym 4 oraz energia elektryczna, uzyskiwana w węźle organicznego cyklu Rankine’a ORC 6 wykorzystywana jest na potrzeby ruchowe układu wg wynalazku, a jej nadmiar odprowadzany jest do osób trzecich. W szczególności energia elektryczna Ee na potrzeby własne układu przesyłana jest przewodami elektrycznymi do elementów 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9.As a result of combustion of gas G in the oxygen contained in the air P in the multi-fuel internal combustion engine 19 of the generating set 4, hot exhaust gas Sp is produced, containing thermal energy Ec and electrical energy Ee produced by the electric energy generator 20 driven by this engine 19. Moreover, energy is generated in the engine cooling system 19 low-temperature thermal Ecn (with a temperature not exceeding 100°C). The exhaust gases Sp are directed to the exhaust gas purification node 5, where, as a result of the oxidation reaction of the unburned gas components G in the combustion chamber of the engine 19, their catalytic oxidation takes place, which results in an increase in the exhaust gas temperature Sp to 600°C. The appropriate part of the thermal energy of exhaust gases Ec is separated in the heat exchanger 24 located in the exhaust gas treatment node 5 and further transported through pre-insulated pipes to technological node 1 and technological node 2. Low-temperature thermal energy Ecn is also transported to technological node 1 via pre-insulated pipes. An appropriate part (approx. 20% by volume) of the exhaust gases Sp is directed to the organic node of the Rankine cycle ORC 6, where the thermal energy of the exhaust gases Sp is converted into electrical energy Ee. Sp exhaust gases are discharged into the air through the exhaust pipe. The electrical energy Ee obtained in the generator set 4 and the electrical energy obtained in the node of the organic Rankine cycle ORC 6 are used for the operating needs of the system according to the invention, and its excess is transferred to third parties. In particular, the electrical energy Ee for the system's own needs is transmitted through electric cables to elements 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9.
Woda zabrudzona Wb z węzła technologicznego 1 oraz z węzła oczyszczania gazu 3 jest transportowana, przewodami rurowymi, do węzła oczyszczania wody 7, w którym woda oczyszczana jest zarówno fizycznie jak i chemicznie. Oczyszczanie to jest bardzo dokładne, a proces oczyszczania przebiega wielostopniowo. Są trzy stopnie sedymentacji 31-33, wymiennik jonowy 34 oraz membrana odwróconej osmozy 35. Woda oczyszczona, demineralizowana Wd jest wodą obiegową układu. Ponieważ gaz G, kierowany do silnika 19 w agregacie prądotwórczym 4, jest zawilgocony to następuje ubytek wody, stąd też jest ona uzupełniana z zewnątrz tj. doprowadzana przewodem rurowym do węzła oczyszczania wody 7 jako strumień W. W pierwszym stopniu sedymentacji 31 do wody dodawany jest wodorotlenek sodu (Na(OH)), przez co podwyższa się jej kwasowość do pH równego około 5,5. Dodatek nadtlenku wodoru H2O2 ułatwia powstawanie wodorotlenków żelaza (Fe(OH)3) i aluminium (Al(OH)3). Wodorotlenki te osadzają się w osadniku pierwszego stopnia. W drugim stopniu sedymentacji 32, poprzez dalsze dodawanie wodorotlenku sodu (Na(OH)), uzyskuje się podwyższenie kwasowości wody do wartości 5,5>pH>9,5, powstają wodorotlenki metali takich jak cynk (Zn(OH)2), ołów (Pb(OH)2), miedź (Cu(OH)2). W trzecim stopniu sedymentacji 33 usuwany jest wodorotlenek wapnia (Ca(OH)2), który w reakcji z ditlenkiem węgla (CO2) tworzy węglan wapniowy CaCO3. W kolejnym stopniu oczyszczania wody w wymienniku jonowym 34 zatrzymywane są takie metale jak wapń (Ca), magnez (Mg) oraz cynk (Zn). Dla prowadzenia wymiany jonowej niezbędna jest (ze względu na koncentrację wymienionych metali) odpowiednia wartość pH wody, która uzyskuje się poprzez dodatek do niej kwasu solnego (HCl). Kolejnym stopniem oczyszczania wody w węźle oczyszczania wody 7 jest odwrotna osmoza w membranie odwróconej osmozy 35. W procesie tym ciśnienie wody zwiększane jest do ok. 6 MPa i przy tym ciśnieniu przetłaczana jest ona przez membranę odwrotnej osmozy 35. W procesie odwrotnej osmozy separuje się z wody chlorek sodu (NaCl). Wszystkie strumienie dodatków D do poszczególnych stopni oczyszczania wody w węźle oczyszczania wody 7 zaznaczono na schemacie Fig. 1, łącznie jako dodatki D. Z przeprowadzonych badań i analiz wynika, że zabrudzenia wody stanowią ok. 0,003 jej masy (3 kg/Mg Wb). Woda demineralizowana Wd odprowadzana jest przewodami rurowymi z węzła oczyszczania wody 7 do węzłów technologicznych 1 i 2, oraz do węzła oczyszczania gazu 3. Osady z węzła oczyszczania wody 7 dzielone są na dwa strumienie mikroelementów ME oraz fazę stałą Fs. Mikroelementy Me kierowane są na zewnątrz instalacji do odbiorców. Pozostałość jako faza stała Fs kierowana jest do węzła witryfikacji 8, zawierając reaktor mikrofalowy 36, w którym następuje mikrofalowe podgrzanie wsadu do temperatury 1600°C. W temperaturze tej następuje stopienie fazy stałej Fs do formy płynnej, która prowadzona jest półotwartym kanałem spustowym 37 o długości ok. 3 m do studni sedymentacyjnej 38. W kanale 37 tym następuje grawitacyjne separowanie fazy ceramicznej Fc od fazy metalicznej Fm. Następnie płynna Fs wprowadzana jest do studni sedymentacyjnej 38 zawierającej wodę demineralizowaną Wd o temperaturze otoczenia. W wyniku szybszego oddawania ciepła (na skutek lepszego przewodnictwa cieplnego) przez fazę metaliczną Fm zestala się ona wcześniej jak pozostałość czyli faza ceramiczna Fc. Następuje samoczynna separacja obu faz. Jednocześnie obie fazy ulegają wypłukaniu w wodzie Wd. Woda ta ulega zabrudzeniu i jako Wb odtransportowywana jest przewodem rurowym do kolektora Wb i dalej do węzła oczyszczania wody 7. Po odprowadzeniu ze studni sedymentacyjnej 38, z wykorzystaniem przenośnika zgrzebłowego, obie fazy są magnetycznie separowane (faza metaliczna jest zwykle ferromagnetyczna bowiem najczęściej zawiera żelazo) rozdzielone fazy tj. faza ceramiczna Fc oraz faza metaliczna Fm kierowane są na zewnątrz układu do odbiorców zewnętrznych.Contaminated water Wb from the technological node 1 and from the gas purification node 3 is transported through pipes to the water purification node 7, where the water is purified both physically and chemically. This cleaning is very thorough and the cleaning process is multi-stage. There are three stages of sedimentation 31-33, an ion exchanger 34 and a reverse osmosis membrane 35. Purified, demineralized water Wd is the circulating water of the system. Since the gas G, directed to the engine 19 in the generating set 4, is moist, water is lost, hence it is replenished from the outside, i.e. supplied through a pipe to the water purification node 7 as stream W. In the first sedimentation stage 31, water is added to sodium hydroxide (Na(OH)), which increases its acidity to a pH of approximately 5.5. The addition of hydrogen peroxide H2O2 facilitates the formation of iron (Fe(OH)3) and aluminum (Al(OH)3) hydroxides. These hydroxides are deposited in the first stage settling tank. In the second stage of sedimentation 32, by further adding sodium hydroxide (Na(OH)), the acidity of water increases to 5.5>pH>9.5, hydroxides of metals such as zinc (Zn(OH)2), lead are formed (Pb(OH)2), copper (Cu(OH)2). In the third sedimentation stage 33, calcium hydroxide (Ca(OH)2) is removed, which reacts with carbon dioxide (CO2) to form calcium carbonate CaCO3. In the next stage of water purification, metals such as calcium (Ca), magnesium (Mg) and zinc (Zn) are retained in the ion exchanger 34. To carry out ion exchange, an appropriate pH value of water is necessary (due to the concentration of the mentioned metals), which is obtained by adding hydrochloric acid (HCl) to it. The next stage of water purification in the water purification node 7 is reverse osmosis in the reverse osmosis membrane 35. In this process, the water pressure is increased to approximately 6 MPa and at this pressure it is forced through the reverse osmosis membrane 35. In the reverse osmosis process, it is separated from water sodium chloride (NaCl). All streams of D additives for individual stages of water purification in the water treatment plant 7 are marked in the diagram Fig. 1, collectively as D additives. The conducted research and analyzes show that water contamination constitutes approximately 0.003 of its mass (3 kg/Mg Wb). Demineralized water Wd is discharged through pipes from the water purification node 7 to technological nodes 1 and 2, and to the gas purification node 3. Sediments from the water purification node 7 are divided into two streams of microelements ME and the solid phase Fs. Me microelements are directed outside the installation to recipients. The residue, as the solid phase Fs, is directed to the vitrification node 8, containing a microwave reactor 36, where the batch is heated to a temperature of 1600°C by microwave. At this temperature, the solid phase Fs melts into a liquid form, which is led through a semi-open drain channel 37, approximately 3 m long, to the sedimentation well 38. In this channel 37, the ceramic phase Fc is separated from the metallic phase Fm by gravity. Then, liquid Fs is introduced into the sedimentation well 38 containing demineralized water Wd at ambient temperature. As a result of faster heat dissipation (due to better thermal conductivity) by the metallic phase Fm, it solidifies earlier than the remainder, i.e. the ceramic phase Fc. Both phases are separated automatically. At the same time, both phases are washed out in Wd water. This water becomes dirty and is transported as Wb through a pipe to the Wb collector and further to the water treatment plant 7. After being drained from the sedimentation well 38, using a scraper conveyor, both phases are magnetically separated (the metallic phase is usually ferromagnetic because it most often contains iron). separated phases, i.e. the ceramic phase Fc and the metallic phase Fm, are directed outside the system to external recipients.
Wykaz oznaczeń na rysunkuList of symbols in the drawing
Węzeł technologiczny 1Technology node 1
Prasa tłokowa 10Piston press 10
Prasa ślimakowa 11Screw press 11
Reaktor dwururowy 12Two-pipe reactor 12
Węzeł technologiczny 2Technology node 2
Reaktor cyklonowy 13Cyclone reactor 13
Reaktor mikrofalowy 14Microwave reactor 14
Rura kolektora 15Collector pipe 15
Węzeł oczyszczania gazu 3Gas purification node 3
Zespół płuczek wodnych 16Water scrubber set 16
Filtr magnetyczny 17Magnetic filter 17
Separator odśrodkowy 18Centrifugal separator 18
Agregat prądotwórczy 4Power generator 4
Silnik spalinowy 19Internal combustion engine 19
Generator prądu elektrycznego 20Electric current generator 20
Węzeł oczyszczania spalin 5Exhaust gas treatment unit 5
Filtr elektromagnetyczny spalin 21Exhaust gas electromagnetic filter 21
Filtr ceramiczny spalin 22Ceramic exhaust gas filter 22
Katalityczny reaktor trójdrożny 23Catalytic three-way reactor 23
Wymiennik ciepła 24Heat exchanger 24
Węzeł organicznego cyklu Rankine’a ORC 6Organic Rankine Cycle ORC 6 node
Wymiennik ciepła ORC 25ORC 25 heat exchanger
Turbina ORC 26ORC 26 turbine
Generator prądu elektrycznego ORC 27ORC 27 electric generator
Węzeł oczyszczania wody 7Water purification node 7
Pierwszy stopień sedymentacji 31First stage of sedimentation 31
Drugi stopień sedymentacji 32Second stage of sedimentation 32
Trzeci stopień sedymentacji 33Third degree of sedimentation 33
Wymiennik jonowy 34Ion exchanger 34
Membrana odwróconej osmozy 35Reverse osmosis membrane 35
Węzeł witryfikacji 8Vitrification node 8
Reaktor mikrofalowy witryfikacji 36Microwave vitrification reactor 36
Kanał spustowy 37Drain channel 37
Studnia sedymentacyjna 38Sedimentation well 38
Węzeł oczyszczania powietrza 9Air purification node 9
Filtr elektromagnetyczny oczyszczania powietrza 28Air purification electromagnetic filter 28
Filtr ceramiczny oczyszczania powietrza 29Air purification ceramic filter 29
Filtr włókninowy oczyszczania powietrza 30Air purification non-woven filter 30
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL438595A PL245093B1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | Duo hydrothermal method of processing biomass substrates and system for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL438595A PL245093B1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | Duo hydrothermal method of processing biomass substrates and system for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
PL438595A1 PL438595A1 (en) | 2023-01-30 |
PL245093B1 true PL245093B1 (en) | 2024-05-13 |
Family
ID=85174276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL438595A PL245093B1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | Duo hydrothermal method of processing biomass substrates and system for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
PL (1) | PL245093B1 (en) |
-
2021
- 2021-07-27 PL PL438595A patent/PL245093B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
PL438595A1 (en) | 2023-01-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110451754B (en) | Harmless treatment method for oil sludge pyrolysis | |
Jiang et al. | Thermochemical methods for the treatment of municipal sludge | |
Su et al. | Hydrothermal carbonization of food waste after oil extraction pre-treatment: Study on hydrochar fuel characteristics, combustion behavior, and removal behavior of sodium and potassium | |
Ma et al. | Gasification performance of the hydrochar derived from co-hydrothermal carbonization of sewage sludge and sawdust | |
Lam et al. | Progress in waste oil to sustainable energy, with emphasis on pyrolysis techniques | |
Bridgwater et al. | A review of biomass pyrolysis and pyrolysis technologies | |
DK1799796T3 (en) | Slurry drainage and sludge conversion into a renewable fuel | |
RU2175075C2 (en) | Method and device for electrical energy generation (alternatives) | |
KR101861753B1 (en) | Internal Combustion Engine Generation System and Method for Pyrolysis Liquefaction for Synthetic Polymer Waste | |
Gong et al. | Analysis on integrated thermal treatment of oil sludge by Aspen Plus | |
Yan et al. | Cascading disposal for food waste by integration of hydrothermal carbonization and supercritical water gasification | |
CN102875005A (en) | Sludge biological carbonizing technology based on hydrothermal reaction | |
CA2748985A1 (en) | Method for processing organic waste and a device for carrying out said method | |
Casademont et al. | Supercritical water gasification: a patents review | |
CA2800606A1 (en) | Device and method for the thermochemical carbonization and gasification of wet biomass | |
CN110903855A (en) | Material pyrolysis gasification process, system and application | |
CN211394370U (en) | System for pyrolysis of junked tire of boiler flue gas of thermal power plant | |
Chu et al. | Process analysis of H2 production from pyrolysis-CO2 gasification-water gas shift for oil sludge based on calcium looping | |
CN112080323A (en) | Solid-liquid carbon-containing waste comprehensive treatment and resource utilization system | |
Anando et al. | Thermochemical pretreatments to improve the fuel properties of rice husk: a review | |
KR101507956B1 (en) | Steam supply and power generation energy system using organic waste and method thereof | |
EP3568242B1 (en) | Process and system for treating municipal solid waste materials and producing multiple products | |
Xu et al. | Treatment of secondary sludge for energy recovery | |
US20150024448A1 (en) | Integrated Processes for the Conversion of Coal to Chemicals | |
US9650275B2 (en) | Integrated process for the production of bio-oil from sludge coming from a wastewater purification plant |