EA039214B1 - Method for wet torrefication (carbonization) of biomass - Google Patents
Method for wet torrefication (carbonization) of biomass Download PDFInfo
- Publication number
- EA039214B1 EA039214B1 EA202000046A EA202000046A EA039214B1 EA 039214 B1 EA039214 B1 EA 039214B1 EA 202000046 A EA202000046 A EA 202000046A EA 202000046 A EA202000046 A EA 202000046A EA 039214 B1 EA039214 B1 EA 039214B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- biomass
- particles
- reactor
- steam
- carried out
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
- C10L9/00—Treating solid fuels to improve their combustion
- C10L9/08—Treating solid fuels to improve their combustion by heat treatments, e.g. calcining
- C10L9/083—Torrefaction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области коммунального хозяйства, сельскохозяйственного производства и энергетики, в частности к способу влажной торрефикации (карбонизации) биомассы для получения гидрококса.The invention relates to the field of public utilities, agricultural production and energy, in particular to a method of wet torrefaction (carbonization) of biomass to produce hydrocoke.
Уровень техникиState of the art
Биомасса широко используется как продукт питания или как возобновляемое сырье для производства энергии, а также как сырье для производства различных химических веществ и активированных углей. В последние годы такой метод обработки биомассы, как гидротермальная карбонизация, стал привлекать внимание исследователей, благодаря возможности получения твердого продукта, который называют гидрококс [Z. Liu, F.S. Zhang, Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass, J. Hazard. Mater. 167 (2009) 933-939, Z. Liu, F.S. Zhang, J. Wu, Characterization and application of chars produced from pinewood pyrolysis and hydrothermal treatment, Fuel 89 (2010) 510-514].Biomass is widely used as a food product or as a renewable raw material for energy production, as well as a raw material for the production of various chemicals and activated carbons. In recent years, hydrothermal carbonization, a biomass treatment method, has attracted the attention of researchers due to the possibility of obtaining a solid product, which is called hydrocoke [Z. Liu, F.S. Zhang, Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass, J. Hazard. mater. 167 (2009) 933-939, Z. Liu, F.S. Zhang, J. Wu, Characterization and application of chars produced from pinewood pyrolysis and hydrothermal treatment, Fuel 89 (2010) 510-514].
Последний может быть в дальнейшем использован для синтеза активированного угля [М. Sevilla, A. Fuertes, R. Mokaya, High density hydrogen storage in superactivated carbons from hydrothermally carbonized renewable organic materials, Energy Environ. Sci. 4 (2011) 1400-1410, M. Sevilla, A.B. Fuertes, Sustainable porous carbons with a superior performance for CO2 capture, Energy Environ. Sci. 4 (2011) 1765-1771. 802 A. Jain et al./Chemical Engineering Journal 283 (2016) 789-805, Sevilla, J.A. Macia-Agull0, A.B. Fuertes, Hydrothermal carbonization of biomass as a route for the sequestration of CO2: chemical and structural properties of the carbonized products, Biomass Bioenergy 35 (2011) 3152-3159].The latter can be further used for the synthesis of activated carbon [M. Sevilla, A. Fuertes, R. Mokaya, High density hydrogen storage in superactivated carbons from hydrothermally carbonized renewable organic materials, Energy Environ. sci. 4 (2011) 1400-1410, M. Sevilla, AB Fuertes, Sustainable porous carbons with a superior performance for CO 2 capture, Energy Environ. sci. 4 (2011) 1765-1771. 802 A. Jain et al./Chemical Engineering Journal 283 (2016) 789-805, Sevilla, JA Macia-Agull0, AB Fuertes, Hydrothermal carbonization of biomass as a route for the sequestration of CO 2 : chemical and structural properties of the carbonized products, Biomass Bioenergy 35 (2011) 3152-3159].
Отмечается, что гидротермальная карбонизация биомассы позволяет получить гидрококс с более высокой концентрацией кислородных функциональных групп и низкой степенью ароматизации, что делает полученный гидрококс более пригодным для дальнейшей химической активации [М. Sevilla, A. Fuertes, R. Mokaya, High density hydrogen storage in superactivated carbons from hydrothermally carbonized renewable organic materials, Energy Environ. Sci. 4 (2011) 1400-1410, M. Sevilla, A. Fuertes, The production of carbon materials by hydrothermal carbonization of cellulose, Carbon 47 (2009) 2281-2289].It is noted that hydrothermal carbonization of biomass makes it possible to obtain hydrocoke with a higher concentration of oxygen functional groups and a low degree of aromatization, which makes the resulting hydrocoke more suitable for further chemical activation [M. Sevilla, A. Fuertes, R. Mokaya, High density hydrogen storage in superactivated carbons from hydrothermally carbonized renewable organic materials, Energy Environ. sci. 4 (2011) 1400-1410, M. Sevilla, A. Fuertes, The production of carbon materials by hydrothermal carbonization of cellulose, Carbon 47 (2009) 2281-2289].
Гидрококс рекомендуется также к использованию как чистое твердое топливо [Zhao P., Shen Y., Ge S., Chen Z., Yoshikawa K. Clean solid biofuel production from high moisture content waste biomass employing hydrothermal treatment. Appl Energy 2014; 131:345-67, Bach Q.-V., Skreiberg 0. Upgrading biomass fuels via wet torrefaction: a review and comparison with dry torrefaction. Renew Sustain Energy Rev 2016; 54:665-577, Nizamuddin S., Baloch H.A., Griffin G.J., Mubarak N.M., Bhutto A.W., Abro R., et al. An overview of effect of process parameters on hydrothermal carbonization of biomass. Renew Sustain Energy Rev 2017; 73: 1289-1299, Volpe M., Fiori L. From olive waste to solid biofuel through hydrothermal carbonization: the role of temperature and solid load on secondary char formation and hydrochar energy properties. J Anal Appl Pyrolysis 2017; 124:63-72], благодаря снижению влажности полученного биотоплива, снижению содержания в нем соединений хлора и азота, что уменьшает вредные выбросы при сжигании [Zhao P., Shen Y., Ge S., Chen Z., Yoshikawa K. Clean solid biofuel production from high moisture content waste biomass employing hydrothermal treatment. Appl Energy 2014; 131:345-367].Hydrocoke is also recommended for use as a clean solid fuel [Zhao P., Shen Y., Ge S., Chen Z., Yoshikawa K. Clean solid biofuel production from high moisture content waste biomass employing hydrothermal treatment. Apple Energy 2014; 131:345-67, Bach Q.-V., Skreiberg 0. Upgrading biomass fuels via wet torrefaction: a review and comparison with dry torrefaction. Renew Sustain Energy Rev 2016; 54:665-577, Nizamuddin S., Baloch H.A., Griffin G.J., Mubarak N.M., Bhutto A.W., Abro R., et al. An overview of the effect of process parameters on hydrothermal carbonization of biomass. Renew Sustain Energy Rev 2017; 73: 1289-1299, Volpe M., Fiori L. From olive waste to solid biofuel through hydrothermal carbonization: the role of temperature and solid load on secondary char formation and hydrochar energy properties. J Anal Appl Pyrolysis 2017; 124:63-72], due to a decrease in the moisture content of the obtained biofuel, a decrease in the content of chlorine and nitrogen compounds in it, which reduces harmful emissions during combustion [Zhao P., Shen Y., Ge S., Chen Z., Yoshikawa K. Clean solid biofuel production from high moisture content waste biomass employing hydrothermal treatment. Apple Energy 2014; 131:345-367].
Процесс влажной торрефикации рассматривается как процесс, аналогичный процессу гидротермальной карбонизации.The wet torrefaction process is considered to be similar to the hydrothermal carbonization process.
Процесс влажной торрефикации протекает в водной среде при температуре 180-260°С [Yan W., Acharjee Т.С., Coronella C.J., Vasquez V.R.. Thermal pretreatment of lignocellulosic biomass. Environ Progress Sustain Energy 2009; 28:435-440, Chen W.-H., Ye S.-C., Sheen H.-K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresour Technol 2012; 118:195-203, Yan W., Hastings J.T., Acharjee T.C., Coronella C.J., Vasquez V.R. Mass and energy balances of wet torrefaction of lignocellulosic biomass. Energy Fuels 2010; 24:4738-4742, Runge T., Wipperfurth P., Zhang C. Improving biomass combustion quality using a liquid hot water treatment. Biofuels 2013; 4:73-83, Bach Q.-V., Tran K.-Q., Khalil R.A., Skreiberg 0, Seisenbaeva G. Comparative assessment of wet torrefaction. Energy Fuels 2013; 27:6743-6753, Yang W., Shimanouchi T., Iwamura M., Takahashi Y., Mano R., Takashima K., et al. Elevating the fuel properties of Humulus lupulus, Plumeria alba and Calophyllum inophyllum L. through wet torrefaction. Fuel 2015; 146:88-94, Bach Q.-V., Tran K.-Q., Khalil R.A., Skreiberg 0. Wet torrefaction of forest residues. Energy Procedia 2014; 61:1196-1199].The wet torrefaction process takes place in an aqueous medium at a temperature of 180-260°C [Yan W., Acharjee T.C., Coronella C.J., Vasquez V.R.. Thermal pretreatment of lignocellulosic biomass. Environ Progress Sustain Energy 2009; 28:435-440, Chen W.-H., Ye S.-C., Sheen H.-K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresour Technol 2012; 118:195-203, Yan W., Hastings J.T., Acharjee T.C., Coronella C.J., Vasquez V.R. Mass and energy balances of wet torrefaction of lignocellulosic biomass. Energy Fuels 2010; 24:4738-4742, Runge T., Wipperfurth P., Zhang C. Improving biomass combustion quality using a liquid hot water treatment. Biofuels 2013; 4:73-83, Bach Q.-V., Tran K.-Q., Khalil R.A., Skreiberg 0, Seisenbaeva G. Comparative assessment of wet torrefaction. Energy Fuels 2013; 27:6743-6753, Yang W., Shimanouchi T., Iwamura M., Takahashi Y., Mano R., Takashima K., et al. Elevating the fuel properties of Humulus lupulus, Plumeria alba and Calophyllum inophyllum L. through wet torrefaction. fuel 2015; 146:88-94, Bach Q.-V., Tran K.-Q., Khalil R.A., Skreiberg 0. Wet torrefaction of forest residues. Energy Procedia 2014; 61:1196-1199].
Процесс влажной торрефикации реализован в реакторах периодического действия и включает следующие стадии [Chen W.-H., Ye S.-C., Sheen H.-K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresour Technol 2012; 118:195-203, Bach Q.-V., Tran K.Q., Khalil R.A., Skreiberg 0, Seisenbaeva G. Comparative assessment of wet torrefaction. Energy Fuels 2013; 27:6743-6753]:The wet torrefaction process is implemented in batch reactors and includes the following stages [Chen W.-H., Ye S.-C., Sheen H.-K. Hydrothermal carbonization of sugarcane bagasse via wet torrefaction in association with microwave heating. Bioresour Technol 2012; 118:195-203, Bach Q.-V., Tran K.Q., Khalil R.A., Skreiberg 0, Seisenbaeva G. Comparative assessment of wet torrefaction. Energy Fuels 2013; 27:6743-6753]:
загрузка воды и биомассы в реактор в необходимом соотношении, нагрев реактора до необходимой температуры с подъемом давления внутри реактора для исключения вскипания воды, процесс влажной торрефикации биомассы в течение заданного времени, быстрое охлаждение реактора,loading water and biomass into the reactor in the required ratio, heating the reactor to the required temperature with a rise in pressure inside the reactor to prevent water boiling, the process of wet torrefaction of biomass within a specified time, rapid cooling of the reactor,
- 1 039214 сброс давления и выгрузка гидрококса с последующей сушкой.- 1 039214 release of pressure and unloading of hydrocoke with subsequent drying.
Из изложенного выше очевидны недостатки технологии влажной торрефикации при ее реализации известным способом:From the foregoing, the disadvantages of wet torrefaction technology are obvious when it is implemented in a known way:
периодичность процесса, необходимость применения реакторов, работающих под высоким давлением, большой объем загрязненной воды, которая требует дальнейшей переработки.the frequency of the process, the need to use high-pressure reactors, a large volume of contaminated water that requires further processing.
Известен способ карбонизации биомассы, согласно которому в реактор, содержащий биомассу, подается водяной насыщенный пар под избыточным давлением 2,3-2,5 МПа и температурой до 225°С, и биомасса подвергается воздействию пара в течение нескольких часов, после чего давление уменьшаются до атмосферного, а пар используют для нагрева свежей порции биомассы, после чего отработанный пар сбрасывают в расширительный бак, где его охлаждают до конденсации [Peter Quicker, Kathrin Weber Biokohle Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von Biomassekarbonisaten Springer Vieweg, 2016, pp. 128-131].A known method of carbonization of biomass, according to which in a reactor containing biomass, water saturated steam is supplied under an overpressure of 2.3-2.5 MPa and a temperature of up to 225°C, and the biomass is exposed to steam for several hours, after which the pressure is reduced to atmospheric, and steam is used to heat a fresh portion of biomass, after which the exhaust steam is discharged into an expansion tank, where it is cooled to condensation [Peter Quicker, Kathrin Weber Biokohle Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von Biomassekarbonisaten Springer Vieweg, 2016, pp. 128-131].
Недостатками процесса являются:The disadvantages of the process are:
периодичность процесса карбонизации, необходимость применения реакторов, работающих под высоким давлением, что удорожает оборудование и усложняет его эксплуатацию, большая длительность процесса карбонизации (несколько часов).the frequency of the carbonization process, the need to use reactors operating under high pressure, which increases the cost of equipment and complicates its operation, the long duration of the carbonization process (several hours).
Технической задачей изобретения является обеспечение непрерывности процесса карбонизации с повышением энергоэффективности процесса, увеличением степени однородности карбонизации биомассы и повышение надежности процесса, а также сокращение длительности процесса карбонизации.The technical objective of the invention is to ensure the continuity of the carbonization process with an increase in the energy efficiency of the process, an increase in the degree of homogeneity of the carbonization of biomass and an increase in the reliability of the process, as well as a reduction in the duration of the carbonization process.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Для решения поставленной задачи предложен способ влажной торрефикации (карбонизации) биомассы, согласно которому проводят:To solve this problem, a method for wet torrefaction (carbonization) of biomass is proposed, according to which the following is carried out:
(а) высушивание биомассы;(a) drying the biomass;
(б) измельчение биомассы;(b) biomass grinding;
(в) обработку высушенной и измельченной биомассы перегретым водяным паром с избыточным давлением в реакторе с кипящим слоем с получением термообработанных частиц биомассы и отработанного водяного пара, где термообработанные частицы биомассы непрерывно выносятся из реактора вместе с потоком отработанного водяного пара;(c) treating the dried and ground biomass with superheated pressurized steam in a fluidized bed reactor to produce heat-treated biomass particles and waste steam, wherein the heat-treated biomass particles are continuously removed from the reactor along with the waste steam stream;
(г) разделение термообработанных частицы биомассы и отработанного водяного пара; причем биомассу загружают в реактор непрерывно;(d) separating the heat-treated biomass particles and waste steam; moreover, the biomass is loaded into the reactor continuously;
обработку биомассы осуществляют при температуре не выше 300°С;processing of biomass is carried out at a temperature not exceeding 300°C;
выс ушивание биомассы осуществляют за счет тепла отработанного водяного пара, полученного на стадии (г);drying of the biomass is carried out using the heat of the waste water vapor obtained in step (d);
изм ельчение биомассы осуществляют до частиц такого размера, чтобы их скорость витания после потери частицами 40-50% массы была в 2-3 раза больше минимальной скорости псевдоожижения исходных частиц биомассы;biomass grinding is carried out to particles of such a size that their speed of soaring after the loss of 40-50% of the mass by particles is 2-3 times higher than the minimum fluidization rate of the initial biomass particles;
перегретый водяной пар подают в реактор с таким расходом, чтобы скорость пара в реакторе, отнесенная к сечению пустого реактора, не более чем в 1,5 раза была выше минимальной скорости псевдоожижения исходных частиц биомассы.superheated water vapor is fed into the reactor at such a rate that the steam velocity in the reactor, referred to the cross section of the empty reactor, is not more than 1.5 times higher than the minimum fluidization rate of the initial biomass particles.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
На фиг. 1 представлена схема установки для влажной торрефикации (карбонизации) биомассы, реализующей предложенный способ.In FIG. 1 shows a diagram of a plant for wet torrefaction (carbonization) of biomass that implements the proposed method.
На фиг. 2 представлена схема реактора со взвешенным слоем.In FIG. 2 is a diagram of a suspended bed reactor.
На фиг. 3 проиллюстрирован внешний вид исходной биомассы (смеси куриного помета и соломы в примере реализации предложенного способа карбонизации (торрефикации) биомассы.In FIG. 3 illustrates the appearance of the original biomass (a mixture of chicken manure and straw in an example of the implementation of the proposed method of carbonization (torrefaction) of biomass.
На фиг. 4 проиллюстрировано изменение концентрации СО, СО2, Н2 и СН4 в газообразных неконденсирующихся продуктах торрефикации смеси помета и древесных опилок в среде перегретого водяного пара.In FIG. 4 illustrates the change in the concentration of CO, CO 2 , H 2 and CH 4 in gaseous non-condensing products of torrefaction of a mixture of manure and sawdust in an environment of superheated water vapor.
Описание изобретенияDescription of the invention
На фиг. 1 представлена схема одного из вариантов установки для проведения торрефикации (карбонизации) биомассы согласно настоящему изобретению, которая состоит из сушилки исходной биомассы 1, дробилки биомассы 2, парового котла 3, пароперегревателя 4, реактора для влажной торрефикации (карбонизации) биомассы во взвешенном (кипящем) слое 5, циклона 6 для отделения термообработанных частиц биомассы от парогазового потока.In FIG. 1 shows a diagram of one of the options for the installation for carrying out torrefaction (carbonization) of biomass according to the present invention, which consists of a dryer of the initial biomass 1, a biomass crusher 2, a steam boiler 3, a superheater 4, a reactor for wet torrefaction (carbonization) of biomass in suspended (boiling) layer 5, cyclone 6 for separating heat-treated biomass particles from the gas-vapor stream.
Установка работает следующим образом.The installation works as follows.
Исходную биомассу подвергают сушке в сушилке 1 и измельчению в дробилке 2.The initial biomass is subjected to drying in the dryer 1 and grinding in the crusher 2.
В качестве исходной биомассы может быть использована практически любая биомасса растительного или животного происхождения, которая применяется для выработки топлива. Наиболее предпочтительным видом биомассы согласно изобретению являются биоотходы с высокой исходной влажностью: птичий помет или смесь птичьего помета и опилок или соломы, ил очистных сооружений и т.п. ТакжеAlmost any biomass of plant or animal origin that is used for fuel generation can be used as the initial biomass. The most preferred type of biomass according to the invention is biowaste with a high initial moisture: bird droppings or a mixture of bird droppings and sawdust or straw, sewage treatment plant sludge, etc. Also
- 2 039214 возможно применение различных древесных отходов, растительных материалов, таких как лузга проса, подсолнечник, рис.- 2 039214 it is possible to use various wood waste, plant materials, such as millet husks, sunflower, rice.
В качестве сушилки 1 может быть использована, например, вакуумная сушилка, в рубашку которой подается отработанный в данном процессе перегретый пар. Указанный пар конденсируется, за счет чего происходит сушка исходной биомассы до влажности менее 20%. Таким образом, влажность высушенной биомассы согласно изобретению может составлять от 0 до 20%, предпочтительно от 10 до 20%. Согласно изобретению влажность биомассы после сушки не превышает 20%, поскольку при более высокой влажности, как показывают эксперименты, возникают проблемы с измельчением биомассы и ее псевдоожижением в реакторе.As the dryer 1 can be used, for example, a vacuum dryer, in the jacket of which the superheated steam exhausted in this process is supplied. Said steam is condensed, whereby the original biomass is dried to a moisture content of less than 20%. Thus, the moisture content of the dried biomass according to the invention can be from 0 to 20%, preferably from 10 to 20%. According to the invention, the moisture content of the biomass after drying does not exceed 20%, since at higher humidity, as experiments show, there are problems with the grinding of the biomass and its fluidization in the reactor.
Высушенную биомассу подают из сушилки 1 в дробилку 2, где происходит ее измельчение.The dried biomass is fed from the dryer 1 to the crusher 2, where it is crushed.
В качестве дробилки 2 можно использовать дробилку любой известной конструкции, например молотковую дробилку.As crusher 2, you can use a crusher of any known design, such as a hammer mill.
В паровом котле 3 за счет сжигания органического топлива или за счет электроэнергии генерируется водяной пар с избыточным давлением не выше 0,1 МПа, например с избыточным давлением от 0,05 до 0,1 МПа, который затем направляется в пароперегреватель 4. Производство пара с более высоким избыточным давлением, как правило, не имеет смысла, поскольку существенно усложняет конструкцию установки и, следовательно, стоимость изготовления и эксплуатации парового котла.In the steam boiler 3, due to the combustion of fossil fuels or due to electricity, steam is generated with an overpressure of not more than 0.1 MPa, for example, with an overpressure of 0.05 to 0.1 MPa, which is then sent to the superheater 4. Steam production with higher excess pressure, as a rule, does not make sense, since it significantly complicates the design of the installation and, consequently, the cost of manufacturing and operating the steam boiler.
В пароперегревателе 4, который может иметь конструкцию в виде трубного змеевика, например, за счет использования тепла уходящих дымовых газов котла или за счет электроэнергии осуществляют перегрев водяного пара до температуры от 275 до 300°С.In the superheater 4, which may have a design in the form of a tube coil, for example, by using the heat of the exhaust flue gases of the boiler or by electricity, water vapor is superheated to a temperature of 275 to 300°C.
Перегретый водяной пар подают в реактор с взвешенным (кипящим) слоем 5. Схема реактора 5 подробно представлена на фиг. 2. Как изображено на фиг. 2 реактор 5 имеет корпус 1, в котором размещен кипящий слой 2 частиц биомассы. Этот слой опирается на решетку 3, под которой расположен приемник пара 4. Реактор снабжен узлом вывода 5 отработанного пара и термообработанных частиц биомассы, то есть гидрококса, а также бункером 6 для загрузки частиц биомассы в реактор. Корпус реактора 5 может быть также снабжен нагревающим устройством для поддержания необходимой температуры. В целом в реакторе поддерживают температуру не выше 300°С.Superheated water vapor is fed into the fluidized bed reactor 5. The diagram of the reactor 5 is shown in detail in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the reactor 5 has a housing 1 in which a fluidized bed 2 of biomass particles is placed. This layer rests on a grate 3, under which a steam receiver 4 is located. The reactor is equipped with an outlet 5 for exhaust steam and heat-treated biomass particles, that is, hydrocoke, as well as a hopper 6 for loading biomass particles into the reactor. The reactor vessel 5 may also be provided with a heating device to maintain the required temperature. In General, the reactor maintain a temperature not higher than 300°C.
Согласно процессу в реактор 5 подают биомассу, подвергнутую измельчению в дробилке 2.According to the process, the biomass subjected to crushing in the crusher 2 is fed into the reactor 5.
Согласно предложенному способу измельчение биомассы осуществляют до частиц такого размера, чтобы их скорость витания после потери частицами 40-50% массы была в 2-3 раза больше минимальной скорости псевдоожижения частиц биомассы.According to the proposed method, the grinding of biomass is carried out to particles of such a size that their speed of soaring after the loss of 40-50% of the mass by particles is 2-3 times higher than the minimum fluidization rate of biomass particles.
Под минимальной скоростью псевдоожижения, также называемой скоростью начала псевдоожижения, понимается та скорость газа, то есть в случае настоящего изобретения скорость перегретого водяного пара, при которой слой частиц биомассы полностью переходит в псевдоожиженное состояние.The minimum fluidization speed, also referred to as the fluidization start speed, is understood to be that gas velocity, ie, in the case of the present invention, the superheated water vapor velocity at which the bed of biomass particles is completely fluidized.
Под скоростью витания, также называемой скоростью уноса, понимается та скорость газа, то есть в случае настоящего изобретения скорость перегретого водяного пара, при которой частицы выносятся из взвешенного слоя с потоком газа.The soaring speed, also called entrainment speed, is understood to mean that gas speed, that is, in the case of the present invention, the speed of superheated water vapor, at which particles are carried out of the suspended bed with the gas flow.
Минимальная скорость псевдоожижения и скорость витания для конкретного вида частиц биомассы может быть определена специалистом любым подходящим способом, известным в данной области техники. Подходящие способы весьма разнообразны и широко описаны в профильной литературе, например в [Баскаков А.П. Скоростной безокислительный нагрев и термическая обработка в кипящем слое. М.: Металлургия, 1968, с. 16, 18],The minimum fluidization rate and soaring rate for a particular type of biomass particle can be determined by one skilled in the art by any suitable method known in the art. Suitable methods are very diverse and are widely described in the specialized literature, for example in [Baskakov A.P. High-speed non-oxidizing heating and heat treatment in a fluidized bed. Moscow: Metallurgy, 1968, p. 16, 18],
Согласно одному из вариантов реализации измельчение биомассы осуществляют до частиц размером 0,4 -1,1 мм.According to one embodiment, the grinding of biomass is carried out to particles with a size of 0.4 -1.1 mm.
Перегретый водяной пар проходит через решетку с реактора 5 и переводит слой частиц биомассы во взвешенное состояние. Благодаря высоким скоростям тепло- и массообмена во взвешенном слое происходит интенсивная термическая обработка частиц биомассы в реакторе 5. Перегретый водяной пар подают в реактор с таким расходом, чтобы его скорость, отнесенная к сечению пустого реактора, не более чем в полтора раза была выше минимальной скорости псевдоожижения исходных частиц биомассы.Superheated water vapor passes through the grate from the reactor 5 and brings the layer of biomass particles into suspension. Due to the high rates of heat and mass transfer in the suspended layer, intensive thermal treatment of biomass particles in the reactor 5 occurs. fluidization of the initial biomass particles.
Здесь под скоростью пара понимается именно скорость водяного пара, отнесенная к сечению пустого реактора, поскольку если измерять скоростью пара в реакторе, заполненном слоем частиц, то скоростью пара будет являться скорость пара в просветах между частицами и при одном и том же расходе пара через реактор она будет меняться в зависимости от размеров частиц.Here, the steam velocity is understood precisely as the water vapor velocity referred to the cross section of the empty reactor, since if we measure the steam velocity in a reactor filled with a layer of particles, then the steam velocity will be the steam velocity in the gaps between the particles and at the same steam flow rate through the reactor, it will vary with particle size.
Таким образом, в ходе термообработки в реакторе 5 биомасса теряет до 40-50% собственной массы, скорость витания частиц биомассы в два-три раза превосходит минимальную скорость псевдоожижения исходных частиц, и перегретый водяной пар подается в реактор с таким расходом, чтобы его скорость, отнесенная к сечению пустого реактора, не более чем в полтора раза была выше минимальной скорости псевдоожижения исходных частиц биомассы. Соответственно более легкие термообработанные частицы биомассы (частицы гидрококса) выносятся с потоком отработанного пара и газов, выделившихся в процессе торрефикации. Этот поток отработанного пара, газа и частиц гидрококса направляют в циклон 6, в котором термообработанные частицы биомассы отделяют от потока пара и газа и направляют потребителю (они могут быть использованы как биотопливо, улучшитель почвы или органическое удобрение; так- 3 039214 же частицы гидрококса могут быть переработаны в сорбент за счет активации, например, химическим методом).Thus, during heat treatment in the reactor 5, the biomass loses up to 40-50% of its own mass, the speed of the biomass particles is two to three times higher than the minimum fluidization rate of the initial particles, and superheated water vapor is fed into the reactor at such a rate that its speed, referred to the cross section of the empty reactor, was not more than one and a half times higher than the minimum fluidization rate of the initial biomass particles. Accordingly, the lighter heat-treated biomass particles (hydrocoke particles) are carried out with the flow of exhaust steam and gases released during the torrefaction process. This flow of exhaust steam, gas and hydrocoke particles is sent to cyclone 6, in which the heat-treated biomass particles are separated from the steam and gas flow and sent to the consumer (they can be used as biofuel, soil improver or organic fertilizer; hydrocoke particles can also be processed into a sorbent by activation, for example, by a chemical method).
Увеличение скорости водяного пара, подаваемого в реактор для карбонизации, отнесенной к сечению пустого реактора, до значений более чем в полтора раза по сравнению с минимальной скоростью псевдоожижения частиц биомассы не целесообразно, поскольку приводит к увеличению расхода пара и дополнительным энергозатратам на процесс карбонизации.Increasing the rate of water vapor supplied to the reactor for carbonization, referred to the cross section of the empty reactor, to values of more than one and a half times compared to the minimum rate of fluidization of biomass particles is not advisable, since it leads to an increase in steam consumption and additional energy consumption for the carbonization process.
Ввиду того что скорость витания частиц биомассы после завершения процесса карбонизации и потери частицами биомассы 40-50% в два-три раза выше минимальной скорости псевдоожижения исходных частиц биомассы, то при рабочей скорости пара, превосходящей минимальную скорость псевдоожижения в полтора раза, происходит гарантированный вынос из кипящего слоя частиц биомассы, карбонизация которых завершена.Due to the fact that the speed of the biomass particles hovering after the completion of the carbonization process and the loss of 40-50% of biomass particles is two to three times higher than the minimum fluidization rate of the initial biomass particles, then at an operating steam speed that exceeds the minimum fluidization rate by one and a half times, there is a guaranteed removal from fluidized bed of biomass particles, the carbonization of which is completed.
Таким образом, обеспечивается непрерывный ввод частиц биомассы в реактор для карбонизации, энергоэффективная термическая обработка и вывод термообработанных частиц биомассы (частиц гидрококса) из реактора для торрефикации.Thus, continuous input of biomass particles into the carbonization reactor, energy efficient thermal treatment and removal of thermally treated biomass particles (hydrocoke particles) from the torrefaction reactor are ensured.
Как показывают эксперименты по влажной торрефикации, например, птичьего помета, продолжительность процесса карбонизации по предложенной технологии не превышает 10 мин, а характеристики полученного гидрококса во многом соответствуют характеристикам гидрококса, полученного методом гидротермальной карбонизации известными методами.As experiments on wet torrefaction of, for example, bird droppings show, the duration of the carbonization process according to the proposed technology does not exceed 10 minutes, and the characteristics of the obtained hydrocoke largely correspond to the characteristics of hydrocoke obtained by hydrothermal carbonization by known methods.
Отработанный пар направляется в сушилку для исходной биомассы 1.The exhaust steam is sent to the dryer for the original biomass 1.
Расчеты показывают, что для сушки исходной биомассы в количестве 1 т с исходной влажности 40% до влажности 20% требуется примерно столько же тепловой энергии, сколько можно получить при конденсации отработанного перегретого водяного пара, требующегося для торрефикации высушенной биомассы.Calculations show that drying the initial biomass in an amount of 1 ton from an initial moisture content of 40% to a moisture content of 20% requires approximately the same amount of thermal energy as can be obtained by condensing the spent superheated water vapor required for torrefaction of the dried biomass.
Для подтверждения эффективности предложенной технологии были проведены эксперименты по влажной карбонизации (торрефикации) смеси куриного помета и соломы. Эксперименты проводились на установке, которая включала паровой электрический котел, электрический пароперегреватель, реактор для исследования процесса торрефикации частиц биомассы в кипящем слое. Газообразные продукты торрефикации вместе с отработанным водяным паром поступали в холодильник. Неконденсируемые газы поступали в газгольдер, за которым установлен газоанализатор VarioPlus SinGaz для непрерывного анализа химического состава неконденсируемых газообразных продуктов торрефикации.To confirm the effectiveness of the proposed technology, experiments were carried out on wet carbonization (torrefaction) of a mixture of chicken manure and straw. The experiments were carried out on a facility that included a steam electric boiler, an electric superheater, and a reactor for studying the process of torrefaction of biomass particles in a fluidized bed. The gaseous products of torrefaction, together with the exhausted water vapor, entered the refrigerator. Non-condensable gases entered the gas holder, behind which a VarioPlus SinGaz gas analyzer was installed for continuous analysis of the chemical composition of non-condensable gaseous torrefaction products.
Реактор для торрефикации выполнен из нержавеющей стали и имеет диаметр 80 мм и высоту 800 мм. Стенки реактора теплоизолированы. Количество помета, загружаемого в реактор, составляло 20-23 г. При торрефикации непрерывно измерялось содержание в газах за холодильником двуокиси углерода, окиси углерода, CH4, водорода с помощью газоанализатора VarioPlus SynGaz. Опыт прекращался когда газоанализатор переставал фиксировать выделение указанных газов. После завершения опыта реактор продувался в течение 2 ч холодным азотом, после чего из него выгружался гидрококс.The torrefaction reactor is made of stainless steel and has a diameter of 80 mm and a height of 800 mm. The reactor walls are thermally insulated. The amount of manure loaded into the reactor was 20–23 g. During torrefaction, the content of carbon dioxide, carbon monoxide, CH4, and hydrogen in the gases behind the refrigerator was continuously measured using the VarioPlus SynGaz gas analyzer. The experiment was terminated when the gas analyzer ceased to record the release of these gases. After the completion of the experiment, the reactor was purged with cold nitrogen for 2 h, after which hydrocoke was unloaded from it.
Исходная биомасса имела влажность 18%. Другие характеристики исходной биомассы, а также гидрококса приведены в табл. 1.The original biomass had a moisture content of 18%. Other characteristics of the original biomass, as well as hydrocoke are given in table. one.
Таблица 1Table 1
0,232 мм. Минимальная скорость псевдоожижения таких частиц паром при температуре 300°С составила 0,6 м/с. Скорость витания таких частиц при тех же условиях и после потери ими 40% массы составила 1,8 м/с, т.е. в три раза превосходит минимальную скорость псевдоожижения исходных частиц биомассы. Продолжительность процесса торрефикации в кипящем слое составляла примерно 600 с.0.232 mm. The minimum rate of fluidization of such particles by steam at a temperature of 300°C was 0.6 m/s. The speed of soaring of such particles under the same conditions and after the loss of 40% of their mass was 1.8 m/s, i.e. three times the minimum fluidization rate of the original biomass particles. The duration of the torrefaction process in the fluidized bed was approximately 600 s.
- 4 039214- 4 039214
В табл. 2 приведены данные по химическому составу исходной смеси помета и гидрококса, полученного методом классической гидротермальной карбонизации при температуре 300°С в течение 480 мин [Bashir M. Ghanim, Daya Shankar Pandey, Witold Kwapinski, James J. Leahy Hydrothermal carbonisation of poultry litter: Effects of treatmenttemperature and residence time on yields and chemical propertiesof hydrochars//Bioresource Technology, 216, (2016), 373-380].In table. Table 2 shows the data on the chemical composition of the initial mixture of manure and hydrocoke obtained by classical hydrothermal carbonization at a temperature of 300°C for 480 min [Bashir M. Ghanim, Daya Shankar Pandey, Witold Kwapinski, James J. Leahy Hydrothermal carbonization of poultry litter: Effects of treatmenttemperature and residence time on yields and chemical propertiesof hydrochars//Bioresource Technology, 216, (2016), 373-380].
Таблица 2table 2
Характеристики смеси помета до и после гидротермальной карбонизацииCharacteristics of the litter mixture before and after hydrothermal carbonization
Сопоставление данных, представленных в табл. 1 и 2, позволяет утверждать, что предложенный метод обработки биомассы в кипящем слое в среде перегретого водяного пара позволит получить гидрококс примерно такого же качества, как и при термической обработке методом гидротермальной карбонизации, при этом ускорить процесс в 30 раз по сравнению известным вариантом реализации гидротермальной карбонизацией с обеспечением непрерывности процесса карбонизации и повышением энергоэффективности за счет использования отработанного водяного пара.Comparison of the data presented in table. 1 and 2, allows us to state that the proposed method of processing biomass in a fluidized bed in an environment of superheated water vapor will make it possible to obtain hydrocoke of approximately the same quality as in thermal treatment by the method of hydrothermal carbonization, while speeding up the process by 30 times compared to the known embodiment of hydrothermal carbonization. carbonization to ensure the continuity of the carbonization process and increase energy efficiency through the use of exhaust steam.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000046A EA039214B1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method for wet torrefication (carbonization) of biomass |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000046A EA039214B1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method for wet torrefication (carbonization) of biomass |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA202000046A1 EA202000046A1 (en) | 2021-06-30 |
| EA039214B1 true EA039214B1 (en) | 2021-12-17 |
Family
ID=76807429
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA202000046A EA039214B1 (en) | 2019-12-13 | 2019-12-13 | Method for wet torrefication (carbonization) of biomass |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA039214B1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2261891C1 (en) * | 2004-05-31 | 2005-10-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) | Method of producing liquid hydrocarbon mixtures from solid hydrocarbon raw material |
| US20110173888A1 (en) * | 2010-01-15 | 2011-07-21 | Jacqueline Hitchingham | Pretreatment of biomass feed for gasification |
| EA201071380A1 (en) * | 2008-06-11 | 2011-08-30 | Био Энерджи Дивелопмент Норт Аб | METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCTION OF CORRECTED LIGNOCELLULUS MATERIAL |
| WO2012113979A1 (en) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | Metso Power Oy | Torrefaction process integrated in a fluidized bed reactor |
| RU2559491C2 (en) * | 2010-03-29 | 2015-08-10 | Торкаппаратер-Термиск Просессутрустнинг Аб | Method and device for biomass low-temperature pyrolysis |
| WO2016118067A1 (en) * | 2015-01-23 | 2016-07-28 | Bioendev Ab | Method and system for energy efficient torrefaction of biomass |
-
2019
- 2019-12-13 EA EA202000046A patent/EA039214B1/en unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2261891C1 (en) * | 2004-05-31 | 2005-10-10 | Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) | Method of producing liquid hydrocarbon mixtures from solid hydrocarbon raw material |
| EA201071380A1 (en) * | 2008-06-11 | 2011-08-30 | Био Энерджи Дивелопмент Норт Аб | METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCTION OF CORRECTED LIGNOCELLULUS MATERIAL |
| US20110173888A1 (en) * | 2010-01-15 | 2011-07-21 | Jacqueline Hitchingham | Pretreatment of biomass feed for gasification |
| RU2559491C2 (en) * | 2010-03-29 | 2015-08-10 | Торкаппаратер-Термиск Просессутрустнинг Аб | Method and device for biomass low-temperature pyrolysis |
| WO2012113979A1 (en) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | Metso Power Oy | Torrefaction process integrated in a fluidized bed reactor |
| WO2016118067A1 (en) * | 2015-01-23 | 2016-07-28 | Bioendev Ab | Method and system for energy efficient torrefaction of biomass |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202000046A1 (en) | 2021-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2518120C2 (en) | Method of biomass thermal treatment with help of boiler plant | |
| KR101772165B1 (en) | Method for manufacturing biocrude-oil by torrefaction and fast pyrolysis | |
| RU2011152323A (en) | METHOD FOR CARRYING OUT PYROLYSIS AND DEVICE FOR PYROLYSIS | |
| RU2124547C1 (en) | Method of thermally processing biomass | |
| Sadaka | Gasification of raw and torrefied cotton gin wastes in an auger system | |
| Sun et al. | Review of torrefaction reactor technology | |
| Vakalis et al. | The case of Frictional Torrefaction and the effect of reflux condensation on the operation of the Rotary Compression Unit | |
| Guo et al. | Pyrolysis Characteristics of Corn Stalk with Solid Heat Carrier. | |
| JP6502532B2 (en) | Cooling method of half carbonized biomass | |
| EA039214B1 (en) | Method for wet torrefication (carbonization) of biomass | |
| US10428288B2 (en) | Process for converting a biomass into at least one biochar | |
| WO2023205081A1 (en) | Apparatus and process for production of dry durable carbon | |
| JP2019206684A (en) | Manufacturing method of biomass fuel and biomass fuel | |
| Is’ emin et al. | Comparative studies of the biochar production process using hydrothermal carbonization and superheated steam torrefaction | |
| RU2718051C1 (en) | Method of oxidative torrefaction of bio-wastes in fluidized bed | |
| Isemin et al. | Study of Oxidative Torrefaction Process of Sunflower Husks. | |
| Ahmad et al. | Carbonization of coconut shell biomass in a downdraft reactor: effect of temperature on the charcoal properties | |
| RU2783747C1 (en) | Method for synthesising 5-hydroxymethylfurfural and furfural from biomass | |
| RU2777169C1 (en) | Method for hydrothermal carbonation or wet torrefication of biomass, including biowaste | |
| RU2761821C1 (en) | Reactor for steam-heat carbonisation of biomass | |
| Yang et al. | Conversion of organic residue from solid-state anaerobic digestion of livestock waste to produce the solid fuel through hydrothermal carbonization | |
| Rahim et al. | Upgrading of Palm Oil Empty Fruit Bunches to Solid Fuel Using Torrefaction and Hydrothermal Treatment | |
| Zhuravskii et al. | High-temperature thermolysis of organic raw materials | |
| Surahmanto et al. | Hydrothermal Treatment of Herb Residue for Solid Fuel Production | |
| Kareem et al. | Optimization of Energy Content of Palm Kernel Shell (PKS) Using Modelling Approach |