PL230694B1 - Method and the device for biomass torrefaction - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób oraz urządzenie do prowadzenia procesu toryfikacji biomasy w wysokiej temperaturze w sposób autotermiczny. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy polega na tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500°C, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min, przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych (3) powinna być wyższa niż 100°C.The subject of the application is a method and a device for conducting the biomass torrefaction process at high temperature in an autothermal manner. The method of autothermal torrefaction of biomass consists in torrefaction of biomass with a moisture content below 25%, and the process is carried out using hot gases consisting of a mixture of flue gases from biomass combustion and burnt torgas, while the oxygen content in hot gases does not exceed 2%. and their temperature is higher than 500°C, while maintaining the residence time of the biomass particle in the torrefaction zone below 10 minutes, and the torgas temperature at the inlet to the hot exhaust gas generator (3) should be higher than 100°C.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób oraz urządzenie do prowadzenia procesu toryfikacji biomasy w wysokiej temperaturze w sposób autotermiczny. Produktem procesu toryfikacji jest biopaliwo (toryfikat) o właściwościach zbliżonych do węgla kamiennego.The subject of the invention is a method and a device for autothermal biomass torrefaction at high temperature. The product of the torrefaction process is biofuel (torrefaction) with properties similar to hard coal.

Znany jest proces toryfikacji biomasy polegający na ogrzewaniu biomasy w temperaturze 200-400°C, najczęściej w warunkach beztlenowych przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego. Na skutek działania wysokiej temperatury częściowemu rozkładowi ulega hemiceluloza - jeden z głównych składników materiałów roślinnych. Toryfikacji towarzyszy wydzielanie się części lotnych, zwanych torgazem, zawierającym w swoim składzie parę wodną, ditlenek węgla oraz frakcje palne. Proces ten powoduje częściowe obniżenie masy (o około 30%) przy nieznacznym spadku energii zawartej w toryfikacie (o około 10%), skutkując wzrostem zagęszczenia jego energii chemicznej. Prędkość nagrzewu podczas procesu toryfikacji zwykle wynosi 50oc/min, przy średnim czasie przebywania równym 30 min.The process of torrefaction of biomass is known, consisting in heating the biomass at a temperature of 200-400 ° C, most often in anaerobic conditions at a pressure close to atmospheric. Due to the high temperature, hemicellulose - one of the main components of plant materials - is partially decomposed. The torrefaction is accompanied by the release of volatile parts, called torgas, containing water vapor, carbon dioxide and combustible fractions. This process causes a partial reduction in mass (by about 30%) with a slight decrease in the energy contained in the torrefaction (by about 10%), resulting in an increase in the concentration of its chemical energy. The heating speed during the torrefaction process is usually 50 ° C / min, with an average residence time of 30 minutes.

Doprowadzenie ciepła do reaktora podczas procesu toryfikacji możne być realizowane w sposób przeponowy (reaktory pośrednie) lub bezprzeponowy (reaktory bezpośrednie). W reaktorach pośrednich dostarczanie ciepła do biomasy odbywa się przeponowo przy użyciu takich nośników ciepła jak: para wodna, woda, olej, spaliny. W reaktorach bezpośrednich następuje bezpośredni kontakt biomasy z nośnikiem ciepła, co skutkuje krótszym czasem procesu toryfikacji. Może on wynosić poniżej 10 minut, co pozwala na ograniczenie objętości reaktora. Negatywną cechą tego typu reaktorów jest mieszanie się strumienia gazów toryfikujących z parą wodną (wydzielającą się podczas suszenia biomasy) oraz palnym torgazem, co powoduje obniżenie jego wartości opałowej. W celu wykropienia pary wodnej z mieszanki gazów stosuje się chłodnice, co znacznie wpływa na stopień komplikacji instalacji.The supply of heat to the reactor during the torrefaction process can be carried out in a diaphragm manner (indirect reactors) or diaphragmless (direct reactors). In indirect reactors, heat is supplied to the biomass diaphragm with the use of such heat carriers as: steam, water, oil, flue gases. In direct reactors, the biomass is in direct contact with the heat carrier, which results in a shorter torrefaction process time. It can be less than 10 minutes, which allows the volume of the reactor to be limited. A negative feature of this type of reactors is the mixing of the stream of torrefying gases with water vapor (released during drying of biomass) and flammable torgas, which reduces its calorific value. Coolers are used to steep water vapor from the gas mixture, which greatly affects the complexity of the installation.

Znany jest proces toryfikacji prowadzony w sposób autotermiczny. Z opisu patentowego EP2789677 lub WO2005056723 znane są rozwiązania, które wykorzystują wytworzony torgaz do poprawy efektywności energetycznej procesu. Zgodnie z nimi, gaz procesowy wytwarzany w reaktorze do toryfikacji biomasy jest oczyszczany, a następnie, poprzez urządzenia pomocnicze takie jak komora spalania lub wymiennik ciepła, zawracany jest do procesu.An autothermal torrefaction process is known. From the patent description EP2789677 or WO2005056723, solutions are known that use the produced torgas to improve the energy efficiency of the process. According to them, the process gas produced in the biomass torrefaction reactor is purified and then returned to the process via auxiliary devices such as a combustion chamber or heat exchanger.

Znane jest z opisu US2009250331 rozwiązanie opierające się na mechanicznych przenośnikach ogrzewanych przeponowo przez gorące gazy powstające ze spalania torgazu. W zgłoszeniu WO2007078199 opisano proces toryfikacji biomasy polegający na bezprzeponowym ogrzewaniu biomasy za pomocą spalin. Reaktor według tego patentu podzielony jest na dwie części: część suszącą oraz toryfikującą. Linią podziału są dwa króćce, poprzez które kolejno są odbierane gazy suszące zmieszane z parą wodną oraz torgaz wraz ze spalinami.A solution is known from US2009250331 based on mechanical conveyors diaphragm heated by hot gases resulting from the combustion of torgas. The application WO2007078199 describes a process of biomass torrefaction consisting in diaphragmless heating of biomass by means of flue gas. The reactor according to this patent is divided into two parts: a drying part and a torrefying part. The dividing line is formed by two nozzles through which drying gases mixed with steam and torgas with exhaust gases are collected in sequence.

Z opisu WO2012158116 znany jest sposób toryfikacji biomasy przy użyciu gazów zawierających tlen, przepływających współprądowo w stosunku do biomasy. Częściowe spalanie torgazu oraz nadpalanie biomasy powoduje podnoszenie temperatury spalin i umożliwia toryfikację biomasy w dalszych częściach reaktora.WO2012158116 discloses a method of torrefying biomass using oxygen-containing gases flowing co-current with respect to the biomass. Partial combustion of torgas and biomass overburning increases the flue gas temperature and enables torrefaction of the biomass in further parts of the reactor.

Celem wynalazku jest ograniczenie zapotrzebowania procesu toryfikacji na zewnętrzne źródła energii poprzez spalanie surowego gazu procesowego (torgazu), uzyskiwanego podczas procesu toryfikacji biomasy.The aim of the invention is to reduce the demand of the torrefaction process for external energy sources by burning the raw process gas (torgas) obtained during the biomass torrefaction process.

Podczas testów nieoczekiwanie stwierdzono, że pomimo zasilania procesu gazami spalinowymi o temperaturze przekraczającej 600°C i zawierającymi nieznaczną zawartość tlenu, przy zachowaniu czasu przebywania cząstek biomasy w strefie toryfikacji na poziomie 5-10 min, nie następowało nadpalenie toryfikatu. O fakcie tym świadczy uzysk toryfikatu w procesie, który w przeliczeniu na suchą surową biomasę nie spadł poniżej 60%.During the tests, it was surprisingly found that despite feeding the process with flue gases with a temperature exceeding 600 ° C and containing a small amount of oxygen, while maintaining the residence time of the biomass particles in the torrefying zone at the level of 5-10 min, torrefaction did not burn. This fact is evidenced by the torrefaction yield in the process, which in terms of dry raw biomass did not fall below 60%.

Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według wynalazku charakteryzuje się tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500oC, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych powinna być wyższa niż 100°C.The method of autothermal torrefaction according to the invention is characterized by the fact that biomass with a moisture content below 25% is subjected to torrefaction, and the process is carried out with the use of hot gases constituting a mixture of combustion gases from biomass combustion and burnt torgas, while the oxygen content in the hot gases does not exceed 2 %, and their temperature is higher than 500oC, while maintaining the residence time of the biomass particle in the torrefying zone below 10 minutes, while the torgas temperature at the inlet to the hot flue gas generator should be higher than 100 ° C.

Korzystnie gdy strumień biomasy wprowadzany do procesu dzielony jest na dwie części: pierwszą poddawaną spaleniu oraz drugą poddawaną toryfikacji, przy czym część druga jest co najmniej 3-krotnie większa od części pierwszej.Preferably, the biomass stream fed to the process is divided into two parts: the first one for combustion and the second one for torrefaction, the second part being at least 3 times larger than the first part.

PL 230 694 B1PL 230 694 B1

Korzystnie gdy surowy odpylony wstępnie torgaz jest poddawany spaleniu w generatorze gorących gazów spalinowych i zmieszany z gorącymi spalinami ze spalania biomasy, tak by zawartość tlenu w gorących gazach spalinowych nie przekraczała 2% objętości.Preferably, the raw pre-dedusted torgas is burned in a hot flue gas generator and mixed with the hot flue gas from biomass combustion so that the oxygen content in the hot flue gas does not exceed 2% by volume.

Urządzenie do autotermicznej toryfikacji biomasy według wynalazku zawierające reaktor toryfikacji charakteryzuje się tym, że komory odpylania spalin, generatora gorących gazów spalinowych wraz z układem do podawania spalin do reaktora gdzie reaktor do toryfikacji posiada obrotowe mieszadło mechaniczne a dopływ spalin z generatora gorących gazów spalinowych do reaktora umieszczony jest w dolnej części natomiast układ do odbioru gazu z toryfikacji wyposażony jest w wentylator ssący przy czym układ odpylania umieszczony jest w górnej części reaktora.The device for autothermal biomass torrefaction according to the invention, comprising a torrefying reactor, is characterized by the fact that the exhaust gas dedusting chambers, the hot flue gas generator with the flue gas feeding system to the reactor, where the torrefaction reactor has a rotating mechanical agitator and the flue gas inflow from the hot flue gas generator to the reactor is in the lower part, while the gas collection system from torrefaction is equipped with a suction fan, while the dedusting system is located in the upper part of the reactor.

Korzystnie gdy reaktor od góry zamknięty jest w sposób umożliwiający podawanie biomasy lecz uniemożliwiający dopływ powietrza do reaktora.Preferably, the top of the reactor is closed in such a way that it is possible to feed biomass but prevent air from entering the reactor.

Korzystnie gdy na drodze torgazu do generatora gorących gazów spalinowych lub w samym generatorze gorących gazów spalinowych umieszczone jest urządzenie do podtrzymywania spalania torgazu.Preferably, a device for supporting the combustion of torgas is arranged on the path of the torgas to the hot flue gas generator or in the hot flue gas generator itself.

Przykład sposobu i urządzenia według wynalazku zaprezentowano na rysunku gdzie fig. 1 przedstawia schemat ideowy sposobu prowadzenia procesu toryfikacji biomasy według wynalazku a fig. 2 urządzenie do toryfikacji biomasy.An example of the method and device according to the invention is presented in the drawing, where Fig. 1 shows a schematic diagram of the method for carrying out the biomass torrefying process according to the invention, and Fig. 2 shows a device for biomass torrefaction.

Użyte odniesienia mają następujące znaczenie:The references used have the following meanings:

1. Palnik retortowy1. Retort burner

2. Kanał odprowadzania nadmiaru spalin2. Exhaust gas discharge duct

3. Generator gorących gazów spalinowych3. Hot exhaust gas generator

4. Wentylator ssący (torgazu)4. Suction fan (torgas)

5. Komora odpylania surowego torgazu (torgazu)5. Raw torgas dedusting chamber

6. Mieszadło6. Agitator

7. Podajnik biomasy do toryfikacji7. Biomass feeder for torrefaction

8. System odbioru toryfikatu8. The system of receipt of the torificate

9. Podajnik surowej biomasy do spalania9. Raw biomass feeder for combustion

10. Kanał doprowadzający gorące spaliny10. A duct for supplying hot exhaust fumes

Urządzenie składa się z reaktora, który opcjonalnie może pełnić funkcję suszarki, połączonego z generatorem gorących gazów spalinowych, gdzie następuje spalanie wytworzonego surowego torgazu. Według wynalazku, reaktor w trakcie pracy zostaje wypełniony biomasą, która przesuwając się wzdłuż jego osi podłużnej ulega najpierw podsuszeniu, a następnie toryfikacji. Wypełnienie jak największego przekroju reaktora korzystnie wpływa na wymianę ciepła oraz obniża niezbędny czas przebywania materiału w reaktorze. W reaktorze umieszczony jest mechaniczny element mieszający, mający na celu zarówno homogenizację materiału w osi poprzecznej reaktora, jak również wspomaga samoczynne bądź wymuszone przemieszczanie biomasy. Generator gorących gazów spalinowych opisywanego urządzenia do toryfikacji zaopatrzony jest w źródło ciepła, które umożliwia rozpoczęcie procesu toryfikacji oraz może również być wykorzystywany w awaryjnych sytuacjach do podtrzymania pracy reaktora. Wlot strumienia gorących spalin o jak najniższej zawartości tlenu umieszczony jest w dolnej części reaktora. Spaliny przetłaczane są przez toryfikowaną biomasę w kierunku przeciwnym do jej ruchu. Dodatkowo, taki reaktor umożliwia zastosowanie gazów o niższej temperaturze i wyższej zawartości tlenu, co prowadzi do częściowego spalenia rozgrzanego toryfikatu lecz ogranicza ilość ciepła, niezbędnego do prawidłowej pracy reaktora.The device consists of a reactor, which can optionally act as a dryer, connected to a hot flue gas generator, where the raw torgas produced is burned. According to the invention, during operation, the reactor is filled with biomass, which, while moving along its longitudinal axis, first dries up and then torrefies. Filling the largest cross-section of the reactor positively affects the heat exchange and reduces the necessary residence time of the material in the reactor. A mechanical mixing element is placed in the reactor, which aims both to homogenize the material along the transverse axis of the reactor, as well as to support the automatic or forced movement of the biomass. The generator of hot flue gases of the described torrefaction device is equipped with a heat source that enables the torrefaction process to be started and can also be used in emergency situations to keep the reactor running. The inlet of the hot exhaust gas stream with the lowest oxygen content is located in the lower part of the reactor. The flue gas is forced through the torrefied biomass in the opposite direction to its movement. In addition, such a reactor allows the use of gases with a lower temperature and higher oxygen content, which leads to partial combustion of the hot torrefied product, but reduces the amount of heat necessary for the proper operation of the reactor.

W podanym przykładzie, w węźle przygotowania gorących spalin za pomocą palnika retortowego (1) wytwarzane są gorące spaliny, które transportowane są do węzła toryfikacji. W reaktorze następuje ogrzewanie biomasy przez gorące spaliny, które dzięki niskiej zawartości tlenu (< 2%) nie powodują zapłonu biomasy. Gotowy toryfikat odbierany jest podajnikiem ślimakowym z dołu strefy toryfikacji (8). Równocześnie surowa biomasa podawana jest na górę reaktora do strefy podsuszania (7). Dzięki temu utrzymywana jest stała wysokość słupa materiału w reaktorze, co powoduje stały spadek ciśnienia gazów przepływających przez niego, umożliwiając precyzyjne sterowanie procesem i otrzymywanie jednorodnego materiału o takim samym stopniu toryfikacji. W trakcie ogrzewania biomasy wytwarzana jest najpierw para wodna, a następnie gaz procesowy - torgaz. Mieszanina spalin podawanych do reaktora oraz gazowych produktów toryfikacji (para, torgaz) wyprowadzana z reaktora i przechodzi do komory odpylania spalin (5). Następnie odpylony gaz, za pomocą wentylatora (4), transportowany jest do generatora gorących gazów spalinowych (2). Przed wentylatorem umieszczony jest króciec z klapą regulaIn the given example, in the hot flue gas preparation unit, hot flue gas is produced by the retort burner (1) and transported to the torrefying unit. In the reactor, the biomass is heated by hot flue gas, which, thanks to the low oxygen content (<2%), does not ignite the biomass. The finished torrefaction is collected by a screw conveyor from the bottom of the torrefaction zone (8). At the same time, the raw biomass is fed to the top of the reactor to the pre-drying zone (7). Thanks to this, a constant height of the material column in the reactor is kept, which causes a constant pressure drop of the gases flowing through it, enabling precise control of the process and obtaining a homogeneous material with the same degree of torrefaction. When heating biomass, first steam is produced, and then process gas - torgas. The mixture of exhaust gases fed to the reactor and gaseous torrefaction products (steam, torgas) discharged from the reactor and goes to the exhaust gas dedusting chamber (5). Then the dust-free gas is transported to the hot exhaust gas generator (2) by means of a fan (4). In front of the fan there is a connection with a regulator flap

PL 230 694 B1 cyjną, przez który zaciągane jest powietrze niezbędne do spalania torgazu. Bezpośrednio przed generatorem gorących gazów spalinowych umieszczony jest element podtrzymujący spalanie mieszaniny torgazu i powietrza (palnik lub żarnik). Nadmiar gorących spalin wytworzonych ze spalania torgazu i powietrza usuwany jest do atmosfery przez kanał odprowadzania nadmiaru spalin (3).The air is drawn in, which is necessary for the combustion of torgas. Immediately in front of the hot exhaust gas generator, there is an element supporting the combustion of a mixture of torgas and air (burner or filament). The excess of hot exhaust gas produced from torgas and air combustion is removed to the atmosphere through the excess exhaust gas discharge channel (3).

Poniżej podano przykład realizacji sposobu.An exemplary embodiment of the method is given below.

Do instalacji, której schemat przedstawiono na rys. 2, wprowadzono strumień biomasy w formie zrębków olchowych o uziarnieniu poniżej 10 mm i wilgotności 18%. Temperatura gazów podawanych do dolnej strefy toryfikatora wynosiła 620°C, przy jednoczesnej zawartości tlenu na poziomie nie przekraczającym 1,5%. Wyznaczony podczas testów średni czas przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji wynosił ok. 7 min. W procesie otrzymywano toryfikowaną biomasę z wydajnością średnią na poziomie 60% mas. Wyznaczona średnia wartość przemiałowa toryfikowanej biomasy wynosiła 52-60 HGI. Podane przykłady nie wyczerpują możliwości zastosowania wynalazku.To the installation, the diagram of which is shown in Fig. 2, a biomass stream was introduced in the form of alder chips with particle size below 10 mm and humidity of 18%. The temperature of the gases fed to the lower zone of the torrefixor was 620 ° C, with the simultaneous oxygen content at the level not exceeding 1.5%. The average residence time of the biomass particle in the torrefaction zone determined during the tests was approx. 7 minutes. In the process, torrefied biomass was obtained with an average efficiency of 60% by weight. The determined average milling value of torrefied biomass was 52-60 HGI. The examples provided do not exhaust the applicability of the invention.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy, znamienny tym, że toryfikacji poddawana jest biomasa o zawartości wilgoci poniżej 25%, a proces prowadzony jest przy zastosowaniu gorących gazów stanowiących mieszaninę spalin ze spalania biomasy oraz dopalonego torgazu, przy czym zawartość tlenu w gorących gazach nie przekracza 2%, a ich temperatura jest wyższa niż 500°C, przy zachowaniu czasu przebywania cząstki biomasy w strefie toryfikacji poniżej 10 min przy czym temperatura torgazu na dolocie do generatora gorących gazów spalinowych powinna być wyższa niż 100°C.1. The method of autothermal biomass torrefaction, characterized in that biomass with a moisture content below 25% is subjected to torrefaction, and the process is carried out with the use of hot gases constituting a mixture of combustion gases from biomass combustion and burnt torgas, with the oxygen content in the hot gases not exceeding 2 %, and their temperature is higher than 500 ° C, while maintaining the residence time of the biomass particle in the torrefying zone below 10 min, while the torgas temperature at the inlet to the hot flue gas generator should be higher than 100 ° C. 2. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień biomasy wprowadzany do procesu dzielony jest na dwie części: pierwszą poddawaną spaleniu oraz drugą poddawaną toryfikacji, przy czym część druga jest co najmniej 3-krotnie większa od części pierwszej.2. The method of autothermal biomass torrefaction according to claim The process according to claim 1, characterized in that the biomass stream fed into the process is divided into two parts: the first one subjected to combustion and the second subjected to torrefaction, the second part being at least 3 times larger than the first part. 3. Sposób autotermicznej toryfikacji biomasy według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że surowy odpylony wstępnie torgaz jest poddawany spaleniu w generatorze gorących gazów spalinowych i zmieszany z gorącymi spalinami ze spalania biomasy, tak by zawartość tlenu w gorących gazach spalinowych nie przekraczała 2% objętości.3. The method of autothermal biomass torrefaction according to claim 1 The process of claim 1 or 2, characterized in that the raw pre-dedusted torgas is burned in a hot flue gas generator and mixed with the hot flue gas from biomass combustion so that the oxygen content of the hot flue gas does not exceed 2% by volume. 4. Urządzenie do autotermicznej toryfikacji biomasy zawierające reaktor do toryfikacji, znamienne tym, że komory odpylania spalin, generatora gorących gazów spalinowych wraz z układem do podawania spalin do reaktora gdzie reaktor do toryfikacji posiada obrotowe mieszadło mechaniczne a dopływ spalin z generatora gorących gazów spalinowych do reaktora umieszczony jest w dolnej części natomiast układ do odbioru gazu z toryfikacji wyposażony jest w wentylator ssący przy czym układ odpylania umieszczony jest w górnej części reaktora.4.A device for autothermal biomass torrefaction containing a torrefying reactor, characterized in that the flue gas dedusting chambers, a hot flue gas generator with a flue gas feeding system to the reactor, where the torrefaction reactor has a rotating mechanical agitator and the flue gas inflow from the hot flue gas generator to the reactor it is located in the lower part, while the gas collection system from torrefaction is equipped with a suction fan, while the dedusting system is located in the upper part of the reactor. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że reaktor od góry zamknięty jest w sposób umożliwiający podawanie biomasy lecz uniemożliwiający dopływ powietrza do reaktora.5. The device according to claim 1 4. A process as claimed in claim 4, characterized in that the top of the reactor is closed in such a way that it is possible to feed biomass but not to allow air to enter the reactor. 6. Urządzenie według zastrz. 4 lub 5, znamienne tym, że na drodze torgazu do generatora gorących gazów spalinowych lub w samym generatorze gorących gazów spalinowych umieszczone jest urządzenie do podtrzymywania spalania torgazu.6. The device according to claim 1 A device for supporting the combustion of torgas is arranged in the path of the torgas to the hot flue gas generator or in the hot flue gas generator itself, as claimed in claim 4 or 5.