Способ низкотемпературного пиролиза гранулированной биомассы растительного или животного происхождения

Изобретение относится к области термической переработки различных видов биомассы растительного (древесные отходы, солома, лузга подсолнечника, риса, проса и т.п.) и животного происхождения (навоз, помет) в конечный продукт с высокой добавленной стоимостью, который может быть использован как топливо или органическое удобрение в различных отраслях народного хозяйства.

Термическая обработка заключается в низкотемпературном пиролизе (отжиге) биомассы, т.е. в нагреве биомассы до температуры 150-300°C, предпочтительнее до 200-280°C, в специальном устройстве (реакторе) с последующим ее охлаждением в том же устройстве (реакторе) или в другом устройстве до температуры 45-60°C во избежание самовоспламенения биомассы при последующем хранении.

В результате термической обработки биомасса приобретает гидрофобные свойства, повышается теплота сгорания биомассы и ее размолоспособность. При подобной термической обработке биомассы животного происхождения (навоз, помет), как показывают исследования, происходит полное обеззараживание биомассы с уничтожением всей находящейся в ней патогенной микрофлоры. Поскольку после низкотемпературного пиролиза биомасса приобретает гидрофобные свойства, то последующего заражения биомассы патогенными бактериями не происходит, т.к. для развития подобных бактерий требуется влажная среда.

Низкотемпературному пиролизу подвергается гранулированная (прессованная) биомасса.

Известен способ низкотемпературного пиролиза биомассы с использованием реактора пиролиза, имеющего вертикально расположенные лотки, и включающий непрерывную подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора низкотемпературного пиролиза так, чтобы биомасса попадала на верхний лоток из множества лотков, расположенных вертикально друг под другом внутри реактора; нагрев и сушку биомассы газом, вводимым в реактор, по мере ее движения по верхней поверхности каждого из лотков, являющимся газообразным продуктом протекающего в реакторе процесса низкотемпературного пиролиза, не содержащим кислорода и находящимся под давлением, близким к атмосферному, ранее выведенном из ректора, осушенным и нагретым во внешнем устройстве до необходимой температуры, и каскадное движение биомассы вниз через лотки посредством перемещения через щели в каждом из лотков до попадания биомассы на нижележащий лоток; выгрузку термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора (System andmethod for dryingand torrefaction (Патент США №2010/0083530 A1).

Недостатком способа является низкая надежность работы реактора, реализующего известный способ, обусловленная тем, что способ не описывает, а конструкция реактора, реализующая указанный способ, не предполагает охлаждение биомассы после низкотемпературного пиролиза (отжига) перед выгрузкой из реактора. Между тем, опыт реализации описанного способа и эксплуатации реактора, реализующего способ, показывает, что при выгрузке из реактора биомассы с температурой около 230-250°C требуется резкое охлаждение биомассы для остановки процессов термохимической конверсии в биомассе. В противном случае, температура в слое выгруженной биомассы резко повышается и возможно воспламенение биомассы.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы оборудования, в котором реализуется процесс низкотемпературного пиролиза биомассы.

Указанная задача решается тем, что реализуется способ низкотемпературного пиролиза биомассы растительного и животного происхождения с использованием реактора пиролиза, имеющего вертикально расположенные лотки, и включающий подачу биомассы через верхний загрузочный вход реактора и последующее каскадное движение биомассы вниз через лотки посредством перемещения через щели в каждом из лотков до попадания биомассы на нижележащий лоток с выгрузкой термически обработанной биомассы через нижний разгрузочный выход из реактора, отличающийся тем, что нагрев, сушка и низкотемпературный пиролиз биомассы осуществляется газообразными продуктами пиролиза, выделяющимися на каждом лотке из биомассы при ее контакте с боковыми стенками и днищем лотка, обогреваемыми высокотемпературным теплоносителем, причем по крайней мере последний лоток не обогревается упомянутым теплоносителем, а в находящийся на этом лотке слой биомассы осуществляется прямая подача охлаждающей воды, расход которой обеспечивает снижение температуры биомассы на этом лотке до 160°C, после чего биомасса охлаждается до 45-60°C через стенки лотка водой, подаваемой в рубашку лотка.

На фигуре 1 изображена схема реактора, в котором может быть осуществлен предлагаемый способ низкотемпературного пиролиза биомассы растительного и животного происхождения.

Реактор состоит из вертикального корпуса 1, имеющего в верхней части узел загрузки 2, а в нижней части - узел выгрузки 3 биомассы. В корпусе 1 реактора имеются лотки 4 и 5, на которых осуществляется процесс низкотемпературного пиролиза. Лотки имеют отверстия для выгрузки биомассы на нижний лоток (на схеме не показаны).

Лотки 4 и 5 имеют рубашки, в которые подается высокотемпературный теплоноситель, нагреваемый во внешнем источнике (на фигуре 1 не показан). Днище лотков 4 и 5 также обогревается высокотемпературным теплоносителем. Нижний лоток 6 имеет рубашку для подачи охлаждающей воды, в его боковой стенке также расположена форсунка 7 для подачи охлаждающей воды.

Биомасса растительного или животного происхождения с одного на другой лоток реактора перемещается с помощью лопастей мешалки 8, установленных на валу мешалки 9.

Выделяющиеся при пиролизе газообразные продукты удаляются из реактора по трубопроводу 10.

Способ реализуется следующим образом. В рубашки лотков 4 и 5 корпуса реактора 1 подается высокотемпературный теплоноситель, нагретый во внешнем источнике. После того как температурае во внутреннем объеме лотков достигнет необходимой величины (230-250°C), через узел загрузки 2 в верхний лоток 4 подается порция биомассы растительного или животного происхождения. При прогреве из загруженной биомассы, непосредственно соприкасающейся с боковыми стенками и днищем лотка, выделяются газообразные продукты пиролиза, которые, поднимаясь, способствуют быстрому прогреву всего объема биомассы, загруженной в лоток. Прогрев биомассы, расположенной на лотках 4 и 5, происходит также за счет кондуктивного теплообмена частиц биомассы друг с другом, с боковыми стенками и днищем лотков.

После выдержки в течение 30-40 мин биомасса с лотка 4 перегружается с помощью мешалки 8 в лоток 5, а во внутренний объем лотка 4 загружается следующая порция биомассы. По истечении следующих 30-40 мин биомасса из лотка 5 выгружается в лоток 6, а во внутренний объем лотка 5 загружается биомасса из лотка 4.

Во внутренний объем лотка 6 через форсунку 7 подается охлаждающая вода. Поскольку биомасса, загруженная в лоток 6, имеет температуру 230-250°C, то эта вода испаряется, охлаждая биомассу до температуры не ниже 160°C, но не смачивая ее. После снижения температуры биомассы до 160°C подача воды через форсунки прекращается и биомасса охлаждается до температуры 45-60°C благодаря холодной воде, подаваемой в рубашку лотка 6.

Охлажденная биомасса выгружается через узел выгрузки 3, пары воды удаляются из внутреннего объема реактора по трубопроводу 10.

Таким образом, при реализации предложенного способа повышается надежность процесса низкотемпературного пиролиза (отжига) биомассы растительного или животного происхождения за счет исключения ее воспламенения на стадии охлаждения.