RU2732411C1

RU2732411C1 - Pyrolysis method of granulated biomass in autothermal mode

Info

Publication number: RU2732411C1
Application number: RU2019128511A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Зайченко; Александр Викторович Марков; Александр Викторович Морозов; Георгий Александрович Сычев; Александр Леонидович Шевченко
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-09-16

Abstract

FIELD: agriculture; forestry.SUBSTANCE: invention relates to methods for thermal treatment of different types of biomass, in particular, granulated biomass - agricultural wastes, logging, woodworking. Method includes: after activation of exothermic reaction as a result of thermic decomposition of hemicellulose, supply of heating heat carrier into reactor is stopped, and heating and pyrolysis of fresh portions of biomass is carried out by heat of exothermic reactions transferred from lower heated layers to upper layers of loaded granulated biomass by pyrolysis gases and water vapour rising from cooling section, thereby establishing an autothermal mode. Thermally treated biomass granules are unloaded into cooling section, where they are cooled down without access of oxygen due to water fine spraying, and the formed superheated steam rising to the pyrolysis zone provides additional convective heat transfer of the exothermic reactions.EFFECT: technical result of the invention is the production of solid hydrocarbon fuel with improved process characteristics and the biomass pyrolysis process with minimum power inputs.1 cl

Description

Заявляемое техническое решение относится к способам термической переработки различных видов биомассы - отходов сельского хозяйства, лесозаготовки, деревообработки и т.п. - с целью получения твердого углеводородного топлива с повышенными теплотехническими характеристиками. Биомассу нагревают в бескислородной среде до температуры 250-300°С, выдерживают и охлаждают без доступа воздуха до температуры менее 100°С, чтобы не произошло возгорание торрефицированной продукции. В результате такой обработки на 20-25% повышается теплота сгорания биотоплива, на 20-30% уменьшается удельный вес, существенно снижается предел гигроскопичности, что значительно упрощает процессы хранения и транспортировки, которые не требуют соблюдения специальных условий, исключающих контакт топлива с окружающей средой.The claimed technical solution relates to methods of thermal processing of various types of biomass - agricultural waste, logging, woodworking, etc. - in order to obtain solid hydrocarbon fuel with increased thermal performance. The biomass is heated in an oxygen-free environment to a temperature of 250-300 ° C, kept and cooled without air access to a temperature of less than 100 ° C so that the torrefied products do not ignite. As a result of such processing, the heat of combustion of biofuel increases by 20-25%, the specific gravity decreases by 20-30%, the hygroscopicity limit is significantly reduced, which greatly simplifies the storage and transportation processes, which do not require special conditions that exclude contact of the fuel with the environment.

Одной из главных причин отсутствия промышленно реализованной технологии торрефикации является тот факт, что несмотря на очевидную выгодность использования торрефицированного биотоплива в энергетических установках, затраты на его получение не окупаются преимуществами конечного продукта.One of the main reasons for the lack of an industrially implemented torrefaction technology is the fact that, despite the obvious advantage of using torrefied biofuel in power plants, the costs of obtaining it are not compensated by the benefits of the final product.

При пиролизе биомассы, в частности древесины, в интервале температур 250-300°С происходят реакции термического распада гемицеллюлозы, сопровождающиеся выделением тепла. В зависимости от вида перерабатываемой биомассы, за счет экзотермического разогрева может дополнительно выделяться до 1.5 МДж/кг тепловой энергии, что, для некоторых видов биомассы может обеспечить процесс прогрева и пиролиза биомассы за счет выделения внутреннего тепла в автотермальном режиме.During the pyrolysis of biomass, in particular wood, in the temperature range 250-300 ° C, reactions of thermal decomposition of hemicellulose occur, accompanied by the release of heat. Depending on the type of processed biomass, due to exothermic heating, up to 1.5 MJ / kg of thermal energy can be additionally released, which, for some types of biomass, can provide the process of heating and pyrolysis of biomass due to the release of internal heat in the autothermal mode.

Эффект экзотермического выделения тепла при пиролизе биомассы известен достаточно давно. В середине предыдущего столетия этот эффект активно использовался при получении древесного угля в процессе углежжения. Древесина частично сжигалась для нагрева до температуры, при которой начинался процесс экзотермического выделения тепла. Затем доступ воздуха к перерабатываемой биомассе прекращался и завершение процесса углежжения происходило за счет экзотермических реакций [В.Н. Козлов, А.А. Нимвицкий «Технология пирогенетической переработки древесины», М. Гослесбумиздат, 1954, стр. 64].The effect of exothermic heat release during pyrolysis of biomass has been known for a long time. In the middle of the previous century, this effect was actively used in the production of charcoal in the charcoal process. The wood was partially burned to heat up to a temperature at which the process of exothermic heat release began. Then the access of air to the processed biomass was terminated and the completion of the charcoal burning process occurred due to exothermic reactions [V.N. Kozlov, A.A. Nimvitsky "Technology of pyrogenetic processing of wood", M. Goslesbumizdat, 1954, p. 64].

Известны схемы осуществления процесса пиролиза, в частности торрефикации, в которых с целью построения экономически эффективной схемы процесса для нагрева перерабатываемого материала используются продукты сгорания газопоршневой электростанции или мини-ТЭЦ. Патент РФ RU 136801.Known schemes for the implementation of the pyrolysis process, in particular torrefaction, in which, in order to build a cost-effective process scheme for heating the material to be processed, the combustion products of a gas piston power plant or mini-CHP are used. RF patent RU 136801.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ низкотемпературного пиролиза биомассы (торрефикации) реализованный в конструкции устройства торрефикации, описанной в патенте РФ RU 175131 U1, 09.12.2016, представляющем энерготехнологический комплекс, содержащий газопоршневой энергоблок (ГПЭ) и программатор, предназначенный для управления режимами энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режимов энергоблока, исполнительный механизм регулирования расхода топлива в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента избытка воздуха в интервале 0,95-1,00, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор термической конверсии биомассы, снабженный устройствами загрузки-выгрузки, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. Причем, реактор снабжен датчиком температуры и исполнительным механизмом, управляющим действием разгрузочного устройства, который при самопроизвольном разогреве биомассы осуществляет частичную выгрузку перерабатываемой биомассы в зону охлаждения, при этом оставшаяся в реакторе часть биомассы, в которой происходят реакции экзотермического разогрева, обеспечивает непрерывность экзотермического разогрева загружаемых слоев перерабатываемого сырья.The closest to the claimed technical solution is a method of low-temperature pyrolysis of biomass (torrefaction) implemented in the design of a torrefaction device described in the RF patent RU 175131 U1, 09.12.2016, representing an energy technology complex containing a gas piston power unit (GGE) and a programmer designed to control the power unit modes with the possibility of obtaining electricity and heat simultaneously in different proportions by changing the modes of the power unit, an actuator for regulating the fuel consumption in the power unit to maintain the excess air ratio set by the programmer in the range 0.95-1.00, a gas-water heat exchanger in which the heated medium is water, and cooled - a part of the power unit exhaust gases set by the programmer, as well as a mixer for the remaining part of the power unit exhaust gases and cooled in a heat exchanger, and the complex contains a biomass thermal conversion reactor equipped with devices loading and unloading, in which the coolant is the gases obtained in the mixer. Moreover, the reactor is equipped with a temperature sensor and an actuator that controls the action of the unloading device, which, upon spontaneous heating of the biomass, partially unloads the processed biomass into the cooling zone, while the remaining part of the biomass in the reactor, in which exothermic heating reactions occur, ensures the continuity of exothermic heating of the loaded layers processed raw materials.

Существенным недостатком этого технического решения является необходимость постоянной подачи продуктов сгорания как в зону торрефикации, так и в секцию охлаждения в качестве охлаждающего бескислородного агента. И, как следствие, наличие в системе постоянного источника бескислородного теплоносителя и охлаждающего агента - в конкретном решении продуктов сгорания после ГПЭ.A significant drawback of this technical solution is the need for constant supply of combustion products both to the torrefaction zone and to the cooling section as an oxygen-free cooling agent. And, as a consequence, the presence in the system of a constant source of anoxic coolant and a cooling agent - in a specific solution of the combustion products after GGE.

Целью заявляемого способа является организация автотермального режима пиролиза биомассы, т.е. без подвода внешнего тепла. Поставленная цель достигается тем, что при определенном температурном уровне выделяющееся тепло экзотермических реакций оказывается достаточным для прогрева свежих порций загружаемой биомассы, а для охлаждения выгружаемой продукции в бескислородной среде используется мелкодисперсное водяное орошение. Образующийся при этом перегретый водяной пар поднимается в зону пиролиза и обеспечивает дополнительный конвективный теплообмен между разогретыми за счет экзотермических реакций слоями гранулированной биомассы и свежими порциями загружаемого сырья.The purpose of the proposed method is to organize the autothermal regime of biomass pyrolysis, i.e. without external heat supply. This goal is achieved by the fact that at a certain temperature level, the released heat of exothermic reactions is sufficient to warm up fresh portions of the loaded biomass, and finely dispersed water irrigation is used to cool the discharged products in an oxygen-free environment. The resulting superheated water vapor rises into the pyrolysis zone and provides additional convective heat exchange between the layers of granular biomass heated due to exothermic reactions and fresh portions of the feedstock.

При экспериментальной апробации разрабатываемого процесса, выполненного в ОИВТ РАН, было выявлено, что после активизации экзотермической реакции в зоне торрефикации при определенном температурном уровне подачу горячих продуктов сгорания можно было отключить, а охлажденные в теплообменнике отходящие от ГПУ газы использовались только как охлаждающий агент в секции охлаждения. В предлагаемом решении охлаждение торрефицированной биомассы перед выгрузкой в атмосферу осуществляется мелкодисперсным водяным орошением, что позволяет отказаться от постоянного источника бескислородного теплоносителя и охлаждающего газообразного агента. Внешний источник тепла в предлагаемом способе нужен только на начальном этапе для запуска процесса пиролиза.During the experimental testing of the developed process carried out at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, it was found that after the activation of the exothermic reaction in the torrefaction zone at a certain temperature level, the supply of hot combustion products could be turned off, and the gases cooled in the heat exchanger were used only as a cooling agent in the cooling section. ... In the proposed solution, the torrefied biomass is cooled before being discharged into the atmosphere by finely dispersed water irrigation, which makes it possible to abandon the constant source of anoxic coolant and a cooling gaseous agent. An external heat source in the proposed method is needed only at the initial stage to start the pyrolysis process.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных в Объединенном Институте высоких температур РАН, и анализ литературных данных показывают, что параметры экзотермической реакции в значительной степени могут быть различными для разных видов биомассы. В частности, древесина, ель, ольха, береза и т.д. имеют различные параметры экзотермического разогрева. При термической переработке сельскохозяйственных отходов энергия экзотермического выделения тепла различается для различных видов сельскохозяйственных отходов. И, следовательно, предлагаемый способ применим для пиролиза определенных видов биомассы, в которых тепла экзотермических реакций достаточно для организации и поддержания автотермального режима, таких как, например, отходы древесины хвойных пород, лузга подсолнечника, солома и т.п.The results of experimental studies carried out at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, and an analysis of the literature data show that the parameters of the exothermic reaction can largely be different for different types of biomass. In particular, timber, spruce, alder, birch, etc. have different parameters of exothermic heating. During thermal processing of agricultural waste, the energy of exothermic heat release differs for different types of agricultural waste. And, therefore, the proposed method is applicable for the pyrolysis of certain types of biomass, in which the heat of exothermic reactions is sufficient to organize and maintain an autothermal regime, such as, for example, coniferous wood waste, sunflower husk, straw, etc.

Управление процессом пиролиза осуществляется за счет регулирования скорости загрузки/выгрузки гранулированной биомассы и расходом охлаждающей воды через форсунки мелкодисперсного распыла.The pyrolysis process is controlled by regulating the loading / unloading rate of granular biomass and the flow rate of cooling water through the fine spray nozzles.

Заявляемый способ позволяет проводить процесс пиролиза биомассы с минимальными энергетическими затратами.The inventive method allows for the process of biomass pyrolysis with minimal energy consumption.

Claims

A method of thermal treatment of granular biomass, characterized in that after the activation of an exothermic reaction as a result of thermal decomposition of hemicellulose, the supply of the heating coolant to the reactor stops, and the heating and pyrolysis of fresh portions of biomass occurs due to the heat of exothermic reactions transferred from the lower heated layers to the upper layers of the loaded granular biomass pyrolysis gases and water vapor rising from the cooling section, due to which an autothermal regime is established, and the heat-treated biomass granules are discharged into the cooling section, where they cool down without oxygen access due to finely dispersed water irrigation, and the superheated water vapor formed at the same time rises to the pyrolysis zone, provides additional convective heat transfer of exothermic reactions.