LV14040B - Biomasas pirolīzes reaktors - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz biomasas pārvēršanu enerģijā, konkrētāk - uz biomasas pirolītisku pārvēršanu degvielā rotācijas tipa reaktorā.

ZINĀMĀ TEHNIKAS LĪMEŅA ANALĪZE

Biomasas resursi var tikt izmantoti kā bioenerģija. Biomasa, ieskaitot augu un dzīvnieku, substances, mežkopības un ar to saistītu nozaru produktu, atkritumu un atlikumu bioloģiski sadalāmo daļu, vispār ir lauksaimniecības, kā arī rūpniecības un municipālo atkritumu bioloģiski sadalāmā daļa. Ir attīstīti trīs biomasas resursu izmantošanas veidi: biomasa apkurināšanas nolūkiem (bioapkure); biomasa elektroenerģijas ražošanai (bioelektroenerģija); biomasa transporta degvielai (transporta biodegviela).

Kā minēts, pārvēršanai enerģijā ir pieejama daudzu tipu biomasa. Biomasas pārvēršanas enerģijā efektivitāti nosaka pielietotās biomasas pārvēršanas tehnoloģijas specifiskās īpašības.

Pašlaik biomasas pārvēršanai elektroenerģijā tiek pielietotas šādas tehnoloģijas:

- sadedzināšana boileros (parasti Fluid Bed- pseidosašķidrinātā slāņa tipa) ar tvaika ražošanu un tā izmantošanu Renkina ciklā; šīs metodes pielietošanu ierobežo nepieciešamība savākt lielus daudzumus biomasas un radītais gaisa piesārņojums, pie kam izdalītie sadegšanas produkti, par spīti sarežģītām un dārgām attīrīšanas un gāzes aizvadīšanas sistēmām, satur lielus daudzumus piesārņojošu vielu;

- biomasas gazificēšana un tālāka gāzu sadedzināšana gāzes turbīnās vai dzinējos; tās efektivitāti nopietni ierobežo iegūto degvielas gāzu zemā siltumspēja;

- biomasas pirolīzes metode, ja tā ir veiksmīga, ļauj iegūt gāzveida vai šķidru degvielu ar lielu siltumspēju enerģijas ģenerēšanai un, šķiet, ir īpaši piemērota mazas jaudas iekārtām, kas paredzētas siltuma ģenerēšanai in situ.

Ir zināmas dažādas pirolīzes iekārtas, it īpaši rotējoši pirolīzes reaktori, dažāda tipa biomasas pārvēršanai enerģijā. Piemēram, ASV patentā US 5,688,117 „Rotatable Heating Chamber with Internai Tubes for Waste” (Rotējoša karsēšanas kamera ar iekšējām caurulēm atkritumiem), izgudrotājs Meijs un citi, ir aprakstīts relatīvi garš rotējošs zemas temperatūras karbonizēšanas cilindrs, kuram iekšā ir daudzas paralēlas karsēšanas caurules, kurās atkritumi tiek karsēti gandrīz pilnīgi bez gaisa klātbūtnes. Zemas temperatūras karbonizācijas kamerā (pirolīzes reaktorā) atkritumi, kurus piegādā pa atkritumu konveijeru, tiek pārveidoti par zemas temperatūras karbonizācijas gāzi un pirolīzes atlikumiem. Šāda karsēšanas metode neļauj kontrolēt temperatūras gradientu pa cilindra garumu.

Citā ASV patentā US5,657,705, izgudrotājs Martins un citi, ir aprakstīta krāsns atkritumu materiālu pirolīzes pārstrādei, kas satur būtībā cilindrisku dobumu atkritumu materiālu pirolīzes veikšanai, griežot to ap tās garenisko asi. Apkārt dobumam ir novietota sadedzināšanas kamera un inžektori degvielas un degšanas uzturētāju ievadīšanai sadedzināšanas kamerā.

Esošie risinājumi, uz kuriem šeit dotas atsauces, kā arī citi risinājumi nespēj nodrošināt efektīvu pirolīzes iekārtu radīšanu biomasas pārvēršanai enerģijā. Vēl vairāk, līdz šim zināmās iekārtās optimāls režīms var tikt sasniegts tikai ar noteikta tipa biomasu, un biomasas produktu mainīguma dēļ līdz šim zināmo iekārtu darbības raksturlielumi ir tāli no optimāliem.

RISINĀMA TEHNISKĀ PROBLĒMA

Šī izgudrojuma mērķis ir piedāvāt reaktoru biomasas pirolītiskai pārvēršanai enerģijā, tādā kā elektroenerģija un siltumenerģija, ar uzlabotu sistēmas efektivitāti, kurā tiek pārstrādāta biomasa ar dažādām ķīmiskām un fiziskām īpašībām. Cits šī izgudrojuma mērķis ir piedāvāt reaktoru biomasas pirolītiskai pārvēršanai enerģijā, kas notiek in situ, un tādā veidā tiek novērstas ar biomasas transportēšanu saistītās augstās izmaksas.

i

IZGUDROJUMA IZKLĀSTS

Izgudrojuma mērķi tiek sasniegti ar tādu biomasas pirolīzes reaktoru, kas satur: reaktora kameru biomasas pirolītiskai pārvēršanai, kurai ir ieejas gals un tam pretī esošs izkraušanas gals, un gareniska ass, ap kuru reaktora kamera tiek griezta; apkārt reaktora kamerai novietotu karsēšanas kameru biomasas karsēšanai reaktora kamerā; hermētisku iekraušanas piltuvi saistībā ar reaktora kameras ieejas galu biomasas ievadīšanai reaktora kamerā; hermētisku piegādes kameru saistībā ar reaktora kameras izkraušanas galu biomasas pirolīzes produktu izvadīšanai; piedziņas mezglu reaktora kameras griešanai ap tās garenisko asi. Piedāvātais reaktors raksturīgs ar to, ka reaktors ir uzstādīts uz pamata tā, ka tie var svārstīties viens attiecībā pret otru un reaktora slīpuma leņķis attiecībā pret pamatu var tikt brīvi mainīts, tādējādi mainot reaktora kameras gareniskās ass orientāciju vertikālā plaknē. Ir vēlams, ka reaktors satur svārstīšanas mehānismu slīpuma leņķa mainīšanai.

Ir vēlams, ka reaktora kameras būtiskās daļas šķērsgriezums pakāpeniski samazinās. Piemēram, reaktora kamerai var būt būtībā koniska forma vai būtībā piramidāla forma, vai jebkāda cita forma, kurai ir šķērsgriezums, kas pakāpeniski samazinās.

Izvēlētajā realizācijas variantā reaktors satur grozu, kas novietots piegādes kamerā un ir saistīts ar reaktora kameras izkraušanas galu.

Reaktoram, vēlams, ir daudzas radzes, kas izvietotas uz reaktora kameras iekšējās virsmas, lai veicinātu biomasas virzīšanu un maisīšanu.

Atbilstoši izgudrojuma vienam realizācijas variantam svārstīšanas mehānisms satur asi un bīdītāju, citā variantā svārstīšanas mehānisms tiek vadīts elektroniski.

Atbilstoši izgudrojuma vēl citam variantam piedziņas mezgls reaktora griešanai ir piemērots, lai nepārtraukti mainītu griešanas ātrumu un virzienu, pie kam piedziņas mezgls var tikt vadīts elektroniski.

Izvēlētajā realizācijas variantā reaktors satur elektronisku kontrolieri griešanas ātruma, virziena un gareniskās ass orientācijas mainīšanai, lai vadītu biomasas virzīšanu, tādējādi regulējot pirolītiskās reakcijas parametrus.

ZĪMĒJUMU APRAKSTS UN TAJOS IZMANTOTO APZĪMĒJUMU SPECIFIKĀCIJA

1. zīm. ir attēlots reaktora skats gareniskā šķērsgriezumā atbilstoši šim izgudrojumam; 2. zīm. ir attēlots reaktora skats šķērsgriezumā pa līniju Χ-Χ; 3. zīm. ir attēlots rotējošā reaktora iekšējās sienas palielināts skats.

Zīmējumos izmantoti sekojoši apzīmējumi: 1 - vibrējošā piltuve biomasas ielādēšanai; 2 - kamera ievadīšanai gliemežtransportierī; 3 - motors gliemežtransportiera darbināšanai; 4 - gliemežtransportieris biomasas ievadīšanai; 5 - motors ar invertoru piedziņas mezgla darbināšanai; 6 - piedziņas mezgls reaktora kameras griešanai; 7 - izolēti daudzslāņu elementi reaktora siltumizolācijai; 8 grupa dzesētu gultņu reaktora kameras griešanai; 9 - karsēšanas kameras izolēts elements; 10 - siltumizolācijas daudzslāņu elements; 11 - ventiļi karstās gāzes plūsmai un atkārtotai izmantošanai; 12 - ventiļi karstās gāzes iesūknēšanai; 13 bīdītājs reaktora kameras slīpuma regulēšanai; 14 - atbalsts (šarnīra ass) reaktora svārstīšanai; 15 - atloku savienojumi stiprināšanai; 16 - karsēšanas kameras elementu savienošanas stiprinājums; 17 - karsēšanas kamera; 18 - reaktora kamera; 19 - radzes uz reaktora kameras iekšējās virsmas; 20 - ventiļi sintētiskās gāzes iegūšanai; 21 - grozs ar režģi pārogļotās substances savākšanai; 22 piegādes kamera pirolīzes produktu savākšanai; 23 - rotoru grupas rotācijas vārpsta; 24 - piltuve pārogļotās substances savākšanai; 25 - atloki reaktora kameras elementu savienošanai; 26 - pamats.

IZGUDROJUMA ĪSTENOŠANAS PIEMĒRA DETALIZĒTS IZKLĀSTS

Kā parādīts 1. zīm. un 2. zīm., biomasa B tiek iespiesta vibrējošā piltuvē 1 un ievadīšanas kamerā 2 tā, lai krasi samazinātu gaisa (O₂) klātbūtni. Biomasas ievadīšana caur gliemežtransportieri 4 ir pastāvīga un nepārtraukta, lai novērstu gaisa klātbūtni reaktora kamerā 18. Gliemežtransportierī 4 biomasas materiāls tiek iepriekš sasildīts un bīdīts tālāk iekšā reaktora kamerā 18. Gliemežtransportieri 4 darbina motors 3. Piltuve 1, ievadīšanas kamera 2 un gliemežtransportieris veido hermētisku iekraušanas piltuvi, kas ir saistīta ar reaktora kameras 18 ieejas galu, lai ievadītu biomasu reaktora kamerā 18.

Rotējošai reaktora kamerai 18 vai rotoram var būt cilindra, konusa vai piramīdas forma, lai apstrādātu biomasu atbilstoši tās raksturlielumiem (īpatnējais svars, granulācija, utt.). Izvēlētajā realizācijas variantā reaktora kamerai ir forma, kas pakāpeniski sašaurinās virzienā uz izkraušanas galu.

Uz reaktora kameras 18 iekšējās virsmas izvietotās daudzās radzes 19 nodrošina biomasas nepārtrauktu maisīšanu un tās pakāpenisku pārvietošanu reaktora kameras 18 garumā virzienā uz grozu 21 un piegādes kameru 22. Radzes 19 ir izvietotas uz reaktora kameras 18 iekšējās sienas un ir piestiprinātas spirālveidīgā izkārtojumā un tām ir projektā noteikti izmēri. To piramidālā forma, kas palielināti parādīta 3. zīm. ar to virsmu dažādiem slīpumiem, ļauj biomasas materiālu maisīt un virzīt gareniskās ass virzienā, kamēr, griežot reaktora kameru 18 pretējā virzienā, biomasas materiāla virzīšana tiek palēnināta.

Piegādes kamerā 22 novietotais grozs 21, kas atrodas saistībā ar reaktora kameras 18 izkraušanas galu, ir uzbūvēts ar īpašu režģi, lai zināmu laiku noturētu pārogļotās substances cieto fāzi pirms tās savākšanas piltuvē 24. Tādējādi tiek veicināta tālāka sintētiskās gāzes atdalīšana no pārogļotās substances. Piltuves 24 izkraušana ir nepārtraukta un tiek regulēta tā, lai samazinātu sintētiskās gāzes S zudumus kopā ar pārogļoto substanci. Sintētiskā gāze tiek sūknēta ārā caur ventili 20 un nogādāta uz galveno agregātu izmantošanai.

Rotējošā reaktora kamera 18 ir salikta no vairākiem elementiem, kas izgatavoti ar atlokiem 25. Katra elementa garums var būt no 3000 līdz 5000 mm, tā diametrs var būt no 1500 līdz 4000 mm atkarībā no vajadzīgās produktivitātes un pārstrādājamās biomasas veida. Reaktora kamera 18 ir nostiprināta gultņos 8, kas tiek dzesēti un ir hermētiski, lai samazinātu karstās gāzes zudumus no karsēšanas kameras 17. Piedziņas mezgls 6, kas satur motoru 5, griež reaktora kameru 18 ap tās garenisko asi. Piedziņas mezgls 6 ļauj mainīt rotācijas ātrumu un virzienu.

Karsēšanas kamera 17 ir salikta no daudzslāņu termoizolētiem elementiem 10, kas sastiprināti ar savienojumiem 16. Katra elementa garums var būt no 3000 līdz 6000 mm atkarībā no projektā paredzētā diametra.

Karsēšanas kamerā 17 temperatūra tiek regulēta ar karstās gāzes daudzumu, ko pievada caur ventiļiem 12, 11 (A - D).

Var tikt modificēts reaktora slīpums vai gareniskās ass sagāzums, griežot to ap šarnīra asi 14 grupas 13 iedarbībā. Izvēlētajā realizācijā grupa 13 ir svārstīšanas mehānisms, kas satur šarnīra asi 14 vai asi un bīdītāju.

Pirolīzes gazifikācijas process notiek cilindriskā, koniskā vai piramidālā reaktora kamerā 18, kas griežas karsēšanas kamerā 17.

Biomasa tiek nepārtraukti iepildīta karsēšanas kamerā ar grupas, kas satur vibrējošu piltuvi 1 un gliemežtransportieri 4, palīdzību. Šī sistēma novērš gaisa (O2) klātbūtni reaktorā.

Karstās gāzes cirkulācija karsēšanas kamerā 17 tiek nodrošināta ar virknes modulāru ventiļu 11-12 palīdzību, kas ierīkoti cilindriskajā virsmā un ir sadalīti gar garenisko asi tā, lai radītu temperatūras gradientu dažādās pirolīzes procesa fāzēs.

Viss reaktors var griezties vai svārstīties vertikālajā plaknē ar svārstīšanas mehānisma 13 un 14 palīdzību abos virzienos (+/-) attiecībā pret horizontāli tā, lai vadītu biomasas virzīšanu un gāzes (sintētiskās gāzes) un derivātu - pārogļotās substances (cietā frakcija) un darvas (šķidrā frakcija) - ražošanu.

Atkarībā no pārstrādājamās biomasas daudzuma un īpašībām tiek regulēti šādi reaktora darbības un pirolīzes procesa vadības parametri:

- reaktora kameras 18 griešanas ātrums ar iespēju mainīt šīs kustības virzienu;

-temperatūras gradients pa karsēšanas kameras 17 garumu;

- reaktora sagāzums vai slīpums (+/-) vertikālajā plaknē;

- sadedzinātās gāzes daudzums un šķērscirkulācija.

Pirolīze (organisko materiālu sadalīšana karsējot) var tikt veikta temperatūru diapazonā no 400 līdz 1000 °C, lai vajadzīgajā laikā saražotu paredzēto gāzes daudzumu.

Reaktora pēdējā daļā ir ierīkota speciāla kamera 22, lai savāktu sintētisko gāzi un pirolīzes sekundāros produktus (pārogļoto substanci un darvu) izmantošanai galvenajā agregātā, lai ražotu vairāk enerģijas.

Materiāli, kas izmantojami reaktora prototipa izgatavošanai, ir speciāls augstām temperatūrām paredzēts tērauds, nerūsošais tērauds, ugunsdroši materiāli, komponenti ar lielu izturību pret karstumu un nodilumu biomasas abrazīvas iedarbības rezultātā.

Reaktora shēma, kas attēlota 1. zīm., ir indikatīva. Reaktora izmēri mainās atkarībā no biomasas daudzuma un īpašībām.

Pirolīzes procesu pārbauda sensori, mērīdami temperatūru karstās kameras 3 zonās ražotajai pārogļotajai substancei un sintētiskajai gāzei.

Elektronisks kontrolieris (dators), izvēlētajā realizācijas variantā PLC (programmējams loģisks kontrolieris), ar atbilstošu programmatūru vada visu procesu un izdod signālus par darbības anomālijām. Ielādētā programma vada visu procesa darbību atbilstoši izmantojamam biomasas veidam.

Automātiski tiek regulēts:

- sadedzinātās gāzes daudzums,

- reaktora griešanās ātrums un sagāzums,

- biomasas daudzums,

- temperatūra, spiediens, utt.

Nepārtraukti analizējot saražotās gāzes (sintētiskās gāzes) maisījumu, elektroniskais kontrolieris kontrolē un koriģē procesa raksturīgos parametrus (temperatūras gradientu un biomasas karsēšanas laiku).

Pirolīzes procesā biomasa tiek sadalīta tādā veidā, ka rodas cieta un gāzveida fāze, kur gāzveida fāze tiek sadedzināta, ģenerējot izplūdes gāzes tādos daudzumos, kas ir daudz mazāki nekā citos procesos, piemēram, atkritumu sadedzināšanas procesā.

Cietā fāze tiek padarīta inerta, izlietojot daļu ģenerēto gāzu pasivizēšanas procesā, tajā pašā laikā atgūstot lielāko daļu enerģijas, ko satur ogles, kas ir cietās fāzes galvenā sastāvdaļa.

Process ir variējams un var tikt viegli vadīts visās stadijās. Lietderības koeficients var pārsniegt 70%.

Claims (10)

1. PRETENZIJAS

   1. Biomasas pirolīzes reaktors, kas satur:

   - reaktora kameru biomasas pirolītiskai pārvēršanai, kurai ir ieejas gals un pretējais izvadīšanas gals, un gareniska ass, ap kuru reaktora kamera griežas;

   - karsēšanas kameru, kas novietota apkārt reaktora kamerai, biomasas karsēšanai reaktora kamerā;

   - hermētisku iekraušanas piltuvi, saistītu ar reaktora kameras ieejas galu biomasas ievadīšanai reaktora kamerā;

   - hermētisku piegādes kameru, saistītu ar reaktora kameras izkraušanas galu biomasas pirolīzes produktu izvadīšanai;

   - piedziņas mezglu reaktora kameras griešanai ap tās garenisko asi, kas raksturīgs ar to, ka reaktors ir uzstādīts' uz pamata tādā veidā, ka tie var svārstīties viens attiecībā pret otru un reaktora slīpuma leņķis attiecībā pret pamatu var tikt brīvi mainīts, tādējādi mainot reaktora kameras gareniskās ass orientāciju vertikālā plaknē.
2. 2. Reaktors atbilstoši 1. pretenzijai, kurš satur svārstīšanas mehānismu slīpuma leņķa mainīšanai.
3. 3. Reaktors atbilstoši 1. pretenzijai, kurā reaktora kameras būtiskai daļai ir šķērsgriezums, kas pakāpeniski samazinās.
4. 4. Reaktors atbilstoši 1. pretenzijai, kurs satur grozu, kurš novietots piegādes kamerā un ir saistīts ar reaktora kameras izkraušanas galu.
5. 5. Reaktors atbilstoši jebkurai no 1. līdz 4. pretenzijai, kurš satur daudzas radzes, kas izvietotas uz reaktora kameras iekšējās virsmas, lai veicinātu biomasas virzīšanu un maisīšanu.
6. 6. Reaktors atbilstoši 2. pretenzijai, kurā svārstīšanas mehānisms satur asi un bīdītāju.
7. 7. Reaktors atbilstoši 2. pretenzijai, kurā svārstīšanas mehānisms tiek vadīts elektroniski.
8. 8. Reaktors atbilstoši i. vai 7. pretenzijai, kurā piedziņas mezgls reaktora griešanai ir piemērots pakāpeniskai griešanas ātruma un virziena mainīšanai.
9. 9. Reaktors atbilstoši 8. pretenzijai, kurā piedziņas mezgls tiek vadīts elektroniski.
10. 10. Reaktors atbilstoši 9. pretenzijai, kurš satur elektronisku kontrolieri griešanas ātruma, virziena un gareniskās ass orientācijas mainīšanai, lai vadītu biomasas virzīšanu, tādējādi regulējot pirolītiskās reakcijas parametrus.