RO129722B1

RO129722B1 - Instalaţie şi procedeu de carbonizare a biomasei

Info

Publication number: RO129722B1
Application number: ROA201300183A
Authority: RO
Inventors: Geza Kovacs
Original assignee: Explocom Gk S.R.L.
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-07-29
Also published as: RO129722A1

Description

Invenția se referă la un procedeu și la o instalație de carbonizare a biomasei, cu funcționare ciclică sau continuă, pentru producerea de biomasă carbonizată poroasă și de gaz de sinteză (singaz), care se aplică pentru valorificarea biomasei de orice tip, lemn, deșeuri de lemn, rezultate din silvicultură și industriile conexe, biomasă din culturi energetice.

Este cunoscut, din http://ec.europa.eu/environment/life/project/Projects/ index.cfm?fuseaction=search.dspPage&n_proj_id=4581&docType=pdf, un proiect de sistem de cogenerareîn care, pe lângă combustibili, se mai produce căldură, energie electrică, alcool sau alte substanțe utilizate în industria chimică. Cogenerarea constă în producerea în același complex, în paralel, a electricității și a căldurii, folosind un singur combustibil ca sursă de energie, uzinele de cogenerare având rolul de a îmbunătăți eficiența energetică și a reduce emisiile de C0₂, procesul de gazificare de tip pat dual fluidizat fiind fezabil. Acest sistem are dezavantajul că din procesul tehnologic nu rezultă biomasă carbonizată, poroasă.

Mai este cunoscut un sistem de obținere a cărbunelui din lemn, dar care are dezavantajul că nu valorifică energia generată în procesul de carbonizare, când o mare cantitate de energie se risipește, nefiind recuperată sub formă de energie electrică.

Sunt cunoscute, din documentul R0122207 (B1), un procedeu și o instalație de gazificare a cărbunilor și a deșeurilor, procedeu care constă din semicocsificarea la temperaturi de până la 450°C, pentru material celulozic, și până la 600°C, pentru cărbune, cu obținere de cocs, combustibil lichid și combustibil solid, materia primă mărunțită circulând gravitațional, în contact direct cu gazul generat local și recirculat orizontal prin masa granulată, fiind supusă unor etape de distilare uscată, piroliză și semicocsificare, temperatura necesară procesului fiind realizată prin arderea parțială a gazului rezultat, instalația având ca utilaj principal un reactor vertical tip tun, cu două zone distincte, prevăzute cu fante de ieșire a gazului rezultat, și fante de admisie a agentului termic gazos, materia primă circulând gravitațional în reactor, iar cocsul solid rezultat fiind eliminat pe la baza reactorului cu ajutorul unui șnec.

Din documentul RO/EP 00874881 (T2) este cunoscut un procedeu și un dispozitiv pentru producerea de energie termică din combustibili solizi carboniferi, care presupune încălzirea combustibilului la o temperatură suficient de ridicată într-o primă zonă, pentru a piroliză combustibilul anaerob, urmată de transferarea cărbunelui rezultat într-o a doua zonă, unde cărbunele este supus gazificării prin introducerea de aer de combustie, opțional cu abur și/sau gaz de evacuare recirculat, gazele rezultate fiind supuse combustiei secundare, respectivele zone fiind încălzite prin căldură radiantă derivată din combustia secundară. Dezavantajul acestui procedeu constă în controlul dificil al celor două zone unde au loc cele două etape diferite, ce poate genera o ineficiență a procedeului global.

Documentul RO/EP 1343858 (T2) se referă la un proces și la un aparat de producere de hidrogen pur și bioxid de carbon, prin gazificarea unor materii prime lichide, nămoloase sau solide, sau produse provenite din procese industriale, care cuprinde etapele de alimentare combinată cu dozarea materiilor prime, piroliză rapidă cu gazificarea moleculelor conținute în materialele introduse, fără acumulare de particule în reactor, extragerea reziduurilor solide sub formă de pulbere sau vitrificată, neutralizarea și purificarea gazului de sinteză obținut, compresia gazului de sinteză, conversia catalitică a CO și H₂, separarea gazelor pure, respectiv, hidrogen și bioxid de carbon, obținute în gazul de sinteză, recuperarea și refolosirea amestecului rezidual de gaz de sinteză.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenție constă în elaborarea unui procedeu de multigenerare simultană a unei biomase carbonizate, cu suprafața specifică mare, și a unui gaz de sinteză cu putere calorică de 16...18% Mj/Nm³.

Soluția la această problemă constă în mărunțirea biomasei până la o granulație cu diametrul de 20...120 mm, și uscată până la umiditatea corespunzătoare, de 6...25%, care este apoi încălzită indirect, din exterior către interior, la o temperatură de 480.. ,670°C, într-un interval de timp de 2...5 h, proces în urma căruia rezultă un gaz de sinteză ce prezintă o putere calorică de 16...18 Mj/Nm³, și care se compune din metan CH₄ în proporție de

RO 129722 Β1

13.. .15.5%, dioxid de carbon CO₂ de 26...30,0%, oxigen O₂ de 2...3%, azot N₂ de 8...10%, 1 monoxid de carbon CO de 29...32%, hidrogen H₂ de 6...9%, și o biomasă carbonizată poroasă A, cu conținut de carbon fix C de 76...86%, cenușă 0,9...1,5%, substanțe volatile 3

4.. .12%, suprafață specifică BET 200...600 m²/g; în biomasa carbonizată poroasă A este injectat abur cald, pentru accelerarea eliminării din biomasă a substanțelor volatile, rezultând 5 în final o biomasă carbonizată B, cu o suprafață specifică BET de 600...1200 m²/g, și un gaz de sinteză suplimentar, ce are în compoziție metan CH₄, monoxid de carbon CO, dioxid de 7 carbon CO₂ și hidrogen H₂, care este evacuat cu o pompă de vid, răcit, spălat, comprimat și înmagazinat pentru utilizare. 9

Instalația conform invenției este constituită dintr-un cuptor în care se află o retortă fixă, prevăzută cu un dispozitiv de etanșare, și în care se introduce o retortă mobilă, închisă 11 cu un capac de etanșare, prevăzut cu un orificiu de evacuare a gazelor, un coș de evacuare cu deschidere din partea superioară a cuptorului, un coș de tiraj cu deschidere din partea 13 inferioară a cuptorului, un injector de abur, gazele de sinteză sub presiune fiind evacuate din retorta mobilă în retorta fixă, și din aceasta într-o conductă de gaze, de unde sunt absorbite 15 cu ajutorul unei pompe de vid.

Procedeul de carbonizare a biomasei și instalația aferentă, conform invenției, prezintă 17 următoarele avantaje:

- se poate prelucra orice fel de biomasă organică, indiferent de soiul, tipul, granulația 19 sau umiditatea acestora;

- simultan, se obține biomasă carbonizată cu suprafață specifică mare, și gaz de 21 sinteză de puritate ridicată;

- procesul este discontinuu și permite un control mai riguros al parametrilor 23 tehnologici.

în continuare se dă un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu figura ce 25 reprezintă o secțiune transversală prin instalație.

Procedeul de carbonizare a biomasei, conform prezentei invenții, presupune 27 prelucrarea biomasei de orice tip, și anume, deșeuri de lemn, deșeuri din silvicultură și industriile conexe, biomasă din culturi energetice, din agricultură. 29 într-o primă etapă a procedeului, se realizează o mărunțire a biomasei selectate ca mai sus, la o granulație corespunzătoare de diametru 20...120 mm, care este apoi uscată 31 până la umiditatea corespunzătoare de 6...25%. în continuare, biomasa astfel mărunțită se introduce în retorta mobilă a instalației, care se închide etanș, și aceasta este introdusă într-o 33 retortă metalică fixă, care este preîncălzită în prealabil la o temperatură de 800...900°C.

în continuare are loc etapa de încălzire a biomasei din retorta mobilă, din exterior 35 către interior, la o temperatură de 480.. ,670°C, temperatura fiind aleasă în funcție de umiditatea, granulația și tipul biomasei. Datorită poziționării specifice a coșului de evacuare a 37 gazelor al instalației pe partea superioară a cuptorului și a coșului de tiraj, are loc încălzirea indirectă, din exterior spre interior, a biomasei la temperatura de480...670°C, care este posi- 39 bilă datorită evacuării controlate a gazelor de ardere, prin poziționarea coșului de evacuare a gazelor, și a coșului de tiraj la partea superioară a cuptorului. Carbonizarea biomasei are 41 loc într-un interval de 2...5 h, rezultând în retorta mobilă o biomasă carbonizată poroasă A cu caracteristici specifice. Astfel, în urma tratamentului, această biomasă carbonizată 43 poroasă A prezintă un conținut de C fix 76...86%, cenușă 0,9...1,5%, substanțe volatile

4.. .12%, și are o suprafață specifică BET de 200...600 m²/g. 45

Simultan cu procesul de carbonizare al biomasei în retorta mobilă, rezultă un gaz de sinteză (singaz) care este evacuat din retorta mobilă în retorta fixă, gaz ce prezintă o putere 47 calorică de 16...18 Mj/Nm³. Gazul de sinteză rezultat se compune din metan CH₄în proporție de 13...15,5%, dioxid de carbon CO₂ 26...30,0%, oxigen O₂ 2...3%, nitrogen (azot) N₂ 49

8.. .10%, monoxid de carbon CO 29...32%), hidrogen H₂ 6...9%.

RO 129722 Β1 în continuarea procesului tehnologic, biomasa carbonizată poroasă A este încălzită la o temperatură de 600...670°C, urmând ca, la sfârșitul ciclului de ardere, aceasta să fie bombardată din exterior cu abur cald la temperatura de 670°C, cu scopul ca substanțele volatile conținute să fie expulzate mai intensiv din biomasă și, în urma acestei etape, rezultă în retorta mobilă o biomasă carbonizată foarte poroasă B.

Această biomasă carbonizată foarte poroasă B prezintă o suprafață specifică BET mai mare, ce ajunge la 600...1200 m²/g. în această etapă, aburii fierbinți se descompun în H₂ și O₂, elemente care intră în reacție cu biomasa carbonizată B ce are 80% carbon fix. Gazele de sinteză obținute au în compoziție doar metan CH₄, monoxid de carbon CO, dioxid de carbon CO₂ și hidrogen H₂, gaz din care lipsește oxigenul O₂ și nitrogenul N₂, având o putere calorică foarte ridicată. Pe parcursul procesului tehnologic, gazele rezultate din procesul de carbonizare sunt în permanență sub presiune, evitându-se oxidarea biomasei A și a gazelor rezultate.

După colectare, gazele rezultate sunt absorbite de o pompă de vid care ajută la exhaustarea acestora, în acest mod întregul proces tehnologic fiind accelerat, reducându-se ciclul de producție a șarjei de biomasă cu 50%.

într-o ultimă etapă, după răcirea gazelor rezultate, acestea sunt tratate chimic, spălate și curățate de gudroane și alte impurități, ca în final să fie comprimate și înmagazinate în rezervoare de stocare. Aceste gaze pot fi folosite drept combustibil pentru motoarele cu ardere internă, unde sunt transformate în energie electrică și termică, sau pot fi introduse direct în conducta de gaze, netratate, necurățate și nerăcite, în sisteme de cogenerare tip ORC (Organic Raukine Cycle), pentru a produce energie electrică și energie termică.

Instalația pentru realizarea procedeului de carbonizare este constituită dintr-o retortă mobilă 1, prevăzută cu un orificiu de evacuare 2 a gazelor, dispus în capacul de închidere 3 al retortei mobile. La rândul său, retorta mobilă 1 este dispusă într-o retortă fixă 4, prevăzută cu dispozitiv de etanșare poziționat într-un cuptor 5.

Pe părțile laterale ale cuptorului 5 sunt dispuse două coșuri de evacuare a gazelor arse, un coș de evacuare 6 dispus la partea superioară a cuptorului 5, cu deschidere din partea superioară a cuptorului, și un coș de tiraj 7 cu deschidere din partea inferioară a cuptorului. La mijlocul cuptorului 5, instalația are prevăzut un injector de aburi 10.

Gazele de sinteză sub presiune sunt evacuate din retorta mobilă 1 în retorta fixă 4 și, din aceasta, într-o conductă de gaze 8, fiind absorbite cu ajutorul unei pompe de vid 9. Cuptorul 5 este montat pe un suport, sub un pod rulant.

Claims

1. Procedeu de carbonizare a biomasei, care presupune încălzirea biomasei și piro- 3 liza anaerobă a acesteia, urmată de gazificarea prin introducerea de abur, gazele rezultate fiind utilizate pentru încălzirea indirectă a diferitelor zone ale dispozitivului aferent, caracte- 5 rizat prin aceea că se realizează prin următoarele etape:

- se mărunțește biomasa la o granulație corespunzătoare, de diametru 20...120 mm, 7 după care este uscată până la umiditatea corespunzătoare, de 6...25%;

- se introduce biomasa într-o retortă mobilă, se închide etanș, după care retorta 9 mobilă este introdusă într-o retortă metalică fixă, preîneălzită în prealabil la o temperatură de 800...900°C; 11

- se încălzește biomasa din retorta mobilă, din exterior către interior, la o temperatură de 48O...67O°C, aleasă în funcție de umiditatea, granulația și tipul biomasei, carbonizarea 13 biomasei realizându-se într-un interval de 2...5 h, rezultând în retorta mobilă o biomasă carbonizată poroasă (A), ce are un conținut de C fix 76...86%, cenușă 0,9...1,5%, substanțe 15 volatile 4...12% și o suprafață specifică BET de 200...600 m²/g, simultan rezultând un gaz de sinteză care prezintă o putere calorică de 16...18 Mj/Nm³, și este format din metan CH₄ 17 în proporție de 13...15,5%, dioxid de carbon CO₂ 26...30,0%, oxigen O₂ 2...3%, azot N₂

8...10%, monoxid de carbon CO 29...32%, hidrogen H₂ 6...9%, gaz care este evacuat din 19 retorta mobilă în retorta fixă și, din aceasta, către conducta colectoare;

- biomasa încălzită la o temperatură de 600...670°C, la sfârșitul ciclului de carboni- 21 zare, este bombardată din exterior cu abur fierbinte, cu o temperatură de 670°C, pentru accelerarea eliminării substanțelor volatile din biomasă, în urma căreia rezultă, în retorta 23 mobilă, o biomasă carbonizată foarte poroasă (B), cu un conținut de carbon fix de 80%, și cu o suprafață specifică BET de 600...1200 m²/g; 25

- se continuă injectarea de abur fierbinte cu o temperatură de 670°C, peste biomasa carbonizată (B), având ca rezultat obținerea unui gaz de sinteză de calitate, ce are în 27 compoziție metan CH₄, monoxid de carbon CO, dioxid de carbon CO₂ și hidrogen H₂;

- gazele rezultate din procesul de carbonizare, aflate în permanență sub presiune, 29 într-o ultimă fază sunt răcite, tratate chimic, spălate și curățate de gudroane și alte impurități, după care sunt comprimate și înmagazinate în rezervoare de stocare. 31

2. Instalație pentru carbonizarea biomasei prin procedeul definit în revendicarea 1, alcătuită dintr-un cuptor (5) ce are în componență o retortă fixă (4), prevăzută cu un dispo- 33 zitiv de etanșare, și în care se introduce o retortă mobilă (1), care este închisă cu un capac (3) prevăzut cu un orificiu de evacuare (2) a gazelor, caracterizată prin aceea că, pe părțile 35 laterale ale cuptorului (5), sunt dispuse două coșuri de evacuare a gazelor arse, un coș de evacuare (6) cu deschidere din partea superioară a cuptorului (5), și un coș de tiraj (7) cu 37 deschidere din partea inferioară a cuptorului (5), la mijloc cuptorul fiind prevăzut cu un injector de aburi (10), gazele de sinteză sub presiune fiind evacuate din retorta mobilă (1) în 39 retorta fixă (4), și din aceasta în conducta de gaze (8), de unde acestea sunt absorbite cu ajutorul unei pompe de vid (9). 41