Устройство термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород

Предлагаемая полезная модель может быть использована в энергетике, в том числе водородной, для конверсии органических веществ, в частности, торфа, отходов древесины, органической части твердых бытовых отходов с получением экологически чистого газообразного моторного и печного топлива, состоящего из водорода и монооксида углерода.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу сокращения времени термической конверсии биомассы, повышения производительности устройства, тонкого регулирования профиля температур и темпа нагрева, отказа от использования получаемых газов на внутренние нужды и их подачу внешним потребителям в полном вырабатываемом объеме.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород, включающее обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода газообразных продуктов конверсии в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, содержит участок приготовления гранулированной биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления или горячего водоснабжения, причем обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450÷600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950÷1000°С, при этом устройство содержит один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть. Ил.1.

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, отходов лесозаготовок, деревообрабатывающей промышленности в энергетике, в том числе водородной, для получения экологически чистого газообразного моторного и печного топлива.

Известен способ пиролизной переработки биомассы с получением высококалорийных газообразного и жидкого топлив и углеродных материалов, в котором исходную биомассу гранулируют, гранулированную биомассу подают в газоплотные шлюзовые затворы с регулируемой подачей из них биомассы в одну или несколько непрерывно действующих вертикальных металлических реторт, заключенных в общую теплоизоляционную оболочку, в которых биомасса гравитационно движется сверху вниз, с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, теплоту, необходимую для процесса пиролиза, передают биомассе через стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, движущихся снизу вверх по каналам обогрева реторт, каналы обогрева реторт образованы соседними стенками реторт и стенками реторт и теплоизоляционной оболочкой, причем пиролизные газы, движущиеся внутри реторт сверху вниз, фильтруют через слой горячего угольного остатка в нижних частях реторт и затем выводят из реторт, а управление соотношением газообразного и жидкого топлив осуществляют изменением температуры продуктов сгорания на входе в каналы обогрева (RU, патент 2380395, МПК С10В 47/30 2006-01).

Недостатком этого способа и соответствующего устройства является низкий коэффициент теплопередачи от продуктов сгорания к нагреваемой биомассе и большие потери теплоты с газами, выходящими из каналов обогрева реторт. Низкий коэффициент теплопередачи обусловлен низкой концентрацией в продуктах сгорания излучающих газов, не превышающей 30÷32% по объему, и резким снижением лучистой составляющей при понижении температуры греющих газов, что влечет за собой уменьшение производительности установки и увеличение удельного расхода газов на внутренние нужды на единицу массы перерабатываемых веществ.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство пиролизной переработки гранулированных органических веществ, включающее топку, соединенкальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, причем устройство содержит два теплообменника, а также участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку (RU патент 84375, МПК С10В 53/02, F23G 5/00, 2006.01, прототип).

Недостатками этого устройства являются недостатки, присущие всем устройствам, в которых нагрев биомассы осуществляется через стенки реторт продуктами сгорания, описанные выше, трудность регулирования необходимого профиля температур по высоте реторты и темпа нагрева биомассы, а также наличие дополнительного теплообменного оборудования.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу сокращения времени термической конверсии биомассы, повышения производительности устройства, тонкого регулирования профиля температур и темпа нагрева, отказа от использования получаемых газов на внутренние нужды и их подачу внешним потребителям в полном вырабатываемом объеме.

Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород, включающее обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода газообразных продуктов конверсии в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, содержит участок приготовления гранулированной биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления или горячего водоснабжения, причем обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450÷600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950÷1000°С, при этом устройство содержит один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1.

Устройство содержит участок 1 приготовления гранулированной влажной биомассы, расходный бункер 2 с газоплотным шлюзовым затвором 3, реторту 4 с теплоподводящими элементами-ребрами 5 и днищем 6 с отверстиями, верхнюю низкотемпературную секцию 7 с обмоткой сопротивления 8 и нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия 9 камеры обогрева, заключенной в теплоизоляционную оболочку 10, емкость 11 для сбора золы с теплообменником 12 охлаждения золы и нагрева воды с газоплотным шлюзовым затвором 13, трубчатый канал 14 для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии. Устройство может включать охладитель выведенных из устройства газов и фильтр-пылеуловитель (не показаны на фиг.1).

Устройство работает следующим образом. Из участка приготовления 1 гранулированный материал, например, кусковой торф или древесная щепа с влажностью 30÷40% подается в расходный бункер 2. Расчет минимально необходимой влажности показан ниже на конкретном примере биомассы. Из бункера 2 материал через газоплотный шлюзовой затвор 3 поступает в реторту 4 снабженную вертикальными ребрами 5 для увеличения поверхности теплопередачи слою биомассы, которая гравитационно движется вниз. Поверхность ребер равна 1÷1,5 внутренней поверхности реторты. Гранулы последовательно нагреваются до 450÷600°С с выделением основной массы летучих за счет теплоты, выделяющейся в обмотке сопротивления 8 верхней секции 7 камеры обогрева и до 950÷1000°С в нижней секции 9, представляющей собой электрическую нагревательную печь прямого действия. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию эндотермических реакций испарение воды, плавление лигнина и некоторые другие), стадию экзотермических реакций образования полиядерных ароматических соединений с формированием полукокса и кокса, заканчивающимся в зависимости от вида биомассы в диапазоне 450÷600°С, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций практически полного «выгорания» угольного остатка при температуре 950÷1000°С по эндотермическим реакциям C+CO₂2CO и C+H₂OCO+H₂ с образованием в конечном итоге смеси из сверхстехиометрических водяных паров, водорода и монооксида углерода. Температура 950÷1000°С необходима из кинетических условий. Зола и, возможно, непрореагировавшие угольные частицы через перфорированное днище 6 реторты 4 ссыпаются в емкость 11, где она охлаждается в теплообменнике 12, нагревает сетевую воду и выводится из устройства через газоплотный затвор 13. Образующаяся смесь водорода и монооксида углерода выводится из устройства по трубчатому каналу 14. При движении по каналу газы частично охлаждаются через стенки холодными гранулами биомассы, поступающими из бункера 3. При необходимости конденсации водяных паров, смесь охлаждается ниже точки росы в газо-водяном теплообменнике (на фиг.1 не показан). Смесь монооксида углерода и водорода направляется на дальнейшее использование, например, в газопоршневую машину с электрогенератором или на разделение CO и H₂ с получением водорода. Пример использования полезной модели.

В качестве примера органического вещества приведен торф.

Химический состав органической (горючей) части торфа приведен в таблице.

Зольность торфа в сухой массе А^c=3,1%

Необходимое количество влаги в торфе рассчитывается по следующей методике.

При конечной температуре пиролиза ~1000°С весь углерод торфа переходит в СО, при этом количество образующегося СО из 1 кг горючей массы:

G_co=C^daf·28/12=1,3 кг

Необходимое количество «водяного» кислорода

G_ow=G_co·16/28-O ^daf=0,385 кг

Минимальное количество воды для полной конверсии органики торфа в газ:

G _w=G_ow·18/16=0,43 кг

Пересчет на 1 кг рабочей массы торфа с теоретически необходимой влажностью представлен ниже.

Для увеличения концентрации водяных паров и, как следствие, ускорения реакций в нижней части реторты, предпочтительно использовать исходный материал с влажностью 35÷40%. Таким образом, во многих случаях отпадает необходимость предварительной сушки используемого органического вещества, например, древесной щепы или кускового торфа, которые поставляются потребителям с влажностью ~40%.

Устройство термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород, включающее обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода газообразных продуктов конверсии в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, при этом устройство содержит участок приготовления гранулированной биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления или горячего водоснабжения, отличающееся тем, что обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450÷600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950÷1000°С, причем устройство содержит один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть.