RU2380395C1

RU2380395C1 - Method of pyrolysis processing of bio-mass producing high calorie gaseous and liquid fuel and hydrocarbon materials

Info

Publication number: RU2380395C1
Application number: RU2008131755/15A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Бессмертных (RU); Анатолий Васильевич Бессмертных; Виктор Михайлович Зайченко (RU); Виктор Михайлович Зайченко; Владимир Фролович Косов (RU); Владимир Фролович Косов; Владимир Александрович Синельщиков (RU); Владимир Александрович Синельщиков
Original assignee: Учреждение Российской Академии Наук Объединенный Институт Высоких Температур Ран (Оивт Ран)
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-01-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: source bio-mass is supplied into one or several continuously operating vertical vessels enclosed into common heat insulating shell. Heat required for pyrolysis process is transferred to bio-mass through walls of the vessels form combustible products of pyrolysis fuel moving upward via heating channels of vessels. Heating channels are formed with neighbour walls of the vessels and walls of the vessels and the heat insulating shell. Pyrolysis gases moving inside the vessels upward are filtered through a layer of hot coal residue in lower sections of the vessels; further the gases are withdrawn and directed to condensation and cooling of not-condensed pyrolysis gases. Cooled not-condensed pyrolysis gases are directed to cooling coal residue.

EFFECT: production of fuel of high calories at continuous operation of pyrolysis installation and simplification of maintenance.

1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и производству углеродных материалов и может быть использовано для получения высококалорийных газообразного и жидкого топлив и углеродных материалов из биомассы.The invention relates to energy and the production of carbon materials and can be used to produce high-calorie gaseous and liquid fuels and carbon materials from biomass.

Известен способ пиролизной переработки биомассы, в частности древесных опилок, путем нагрева их до температуры 600°С, при этом переработку выполняют в две стадии, на первой из которых выделяют летучие вещества, содержащие неконденсирующиеся газы (метан, моно- и диоксид углерода, водород и др.), пары смолистых веществ и подсмольную воду с уксусной кислотой, метанолом и другими высокомолекулярными соединениями, а на второй стадии осуществляют разложение смолистых веществ и веществ подсмольной воды с получением неконденсирующихся газов в слое огнеупорной крошки, древесного угля или полукокса при температуре слоя 950°С с последующей подачей газов в устройство конденсации, где получают топливный газ и небольшое количество жидкого топлива, причем нагрев слоя огнеупорной крошки, древесного угля или полукокса осуществляют продуктами сгорания пиролизных газов в воздухе (S.K.Chembukulam, S.D.Arunkumar et al. - Smokeless Fuel from Carbonized sawdust. - Industrial and Engineering Product Research and Development. - V.20, №4, 1981, p.714-719). Недостатком этого способа является низкая калорийность газообразного топлива вследствие большого содержания в нем балластных газов - азота и диоксида углерода.A known method for the pyrolysis processing of biomass, in particular wood chips, by heating them to a temperature of 600 ° C, the processing is carried out in two stages, the first of which emit volatile substances containing non-condensable gases (methane, carbon monoxide and carbon dioxide, hydrogen and etc.), vapors of resinous substances and resinous water with acetic acid, methanol and other high molecular weight compounds, and in the second stage, the resinous substances and substances of resinous water are decomposed to produce non-condensable gases in the layer f refractory chips, charcoal or semi-coke at a layer temperature of 950 ° C, followed by the supply of gases to a condensation device, where fuel gas and a small amount of liquid fuel are obtained; moreover, a layer of refractory crumb, charcoal or semi-coke is heated by the combustion products of pyrolysis gases in air ( SKChembukulam, SDArunkumar et al. - Smokeless Fuel from Carbonized sawdust. - Industrial and Engineering Product Research and Development. - V.20, No. 4, 1981, p. 714-719). The disadvantage of this method is the low calorific value of gaseous fuel due to the high content of ballast gases in it - nitrogen and carbon dioxide.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для пиролиза древесины и ее отходов, в котором пиролиз происходит в цилиндрических ретортах с уплотняющими верхними крышками, реторты установлены в пиролизной камере с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, а теплота пиролизируемой древесине передается через стенки реторт от продуктов сгорания, движущихся по каналам, образованным цилиндрическими стенками реторт и специальными направляющими элементами. Режим работы - непрерывный в целом и периодический по протеканию процесса в каждой реторте (патент РФ №2237699, МПК С10В 53/02, прототип).The closest to the proposed technical solution is a device for the pyrolysis of wood and its waste, in which pyrolysis occurs in cylindrical retorts with sealing top covers, the retorts are installed in the pyrolysis chamber with the possibility of pyrolysis gases exit at the bottom of the retorts, and the heat of the pyrolyzed wood is transmitted through the walls of the retorts from combustion products moving along the channels formed by the cylindrical walls of the retorts and special guiding elements. The operating mode is continuous in general and periodic in the course of the process in each retort (RF patent No. 2237699, IPC СВВ 53/02, prototype).

Недостатками этого способа является то, что в нем не предусматривается получение высококалорийного газового и/или жидкого топлив, отпускаемых внешним потребителям, а все парогазы сжигаются в топке для получения энергии на внутренние нужды.The disadvantages of this method is that it does not provide for the production of high-calorie gas and / or liquid fuels sold to external consumers, and all the combined-cycle gases are burned in the furnace to obtain energy for domestic needs.

Кроме того, периодичность работы каждой реторты предусматривает их выемку, что усложняет обслуживание системы и требует дополнительных затрат энергии. Предусматриваются также дополнительные элементы для образования каналов обогрева реторт. Необходимость этих элементов обусловлена цилиндрической формой реторт.In addition, the frequency of operation of each retort provides for their extraction, which complicates the maintenance of the system and requires additional energy costs. Additional elements are also provided for the formation of retort heating channels. The need for these elements is due to the cylindrical shape of the retorts.

Предлагаемое изобретение лишено этих недостатков и решает техническую задачу получения конечных целевых продуктов - регулируемых количеств высококалорийных газообразного и жидкого топлив, отпускаемых сторонним потребителям, а также углеродных материалов из биомассы.The present invention is devoid of these disadvantages and solves the technical problem of obtaining the final target products - controlled quantities of high-calorie gaseous and liquid fuels sold to third-party consumers, as well as carbon materials from biomass.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе пиролизной переработки биомассы с получением топливных газов, жидкого топлива и угольных материалов 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, при этом 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 через каналы, по которым пиролизные газы направляют на конденсацию неразложившихся в процессе фильтрации конденсирующихся веществ пиролиза и охлаждение неконденсирующихся пиролизных газов, а охлажденные неконденсирующиеся пиролизные газы направляют на охлаждение угольного остатка, при этом поперечное сечение реторт выполняют прямоугольным с соотношением ширины к длине 1:5÷15, причем ширину выполняют размером не менее 8÷12 эквивалентных диаметров гранул биомассы, а управление соотношением газообразного и жидкого топлив осуществляют изменением температуры продуктов сгорания на входе в каналы обогрева.The stated technical problem is solved due to the fact that in the method of pyrolysis processing of biomass to produce fuel gases, liquid fuels and coal materials, the initial biomass is granulated, granular biomass is fed into gas tight lock gates with controlled biomass feed into one or several continuously operating vertical metal retorts enclosed in a common heat-insulating shell, in which the biomass gravitationally moves from top to bottom, with the possibility of the release of pyrolysis gases in the lower part and retort, the heat necessary for the pyrolysis process is transferred to the biomass through the retort walls from the products of pyrolysis fuel combustion, moving from bottom to top along the retort heating channels, while the retort heating channels are formed by adjacent retort walls and retort walls and a heat-insulating shell, and the pyrolysis gases moving inside the retort, from top to bottom, filtered through a layer of hot coal residue in the lower parts of the retorts and then removed from the retorts through channels through which the pyrolysis gases are sent for condensation without decomposition which are condensed during the filtration of pyrolysis substances and the cooling of non-condensing pyrolysis gases, and the cooled non-condensing pyrolysis gases are sent to cool the coal residue, while the cross-section of the retorts is rectangular with a width to length ratio of 1: 5 ÷ 15, and the width is at least 8 ÷ 12 equivalent diameters of biomass granules, and the ratio of gaseous and liquid fuels is controlled by changing the temperature of the combustion products at the entrance to the heating channels.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется чертежом на примере системы из двух пиролизных реторт.The essence of the proposed method is illustrated by the drawing on the example of a system of two pyrolysis retorts.

Из устройства грануляции гранулированную биомассу подают до определенного уровня в расходный бункер 1, снабженный верхней газоплотной крышкой 2 и нижним дозатором-разгружателем 3. После достижения определенного уровня заполнения верхняя газоплотная крышка 2 закрывается, а дозатор-разгружатель 3 подает биомассу во второй расходный бункер 4, также снабженный верхней газоплотной крышкой 5, которая во время заполнения бункера 4 открыта, и дозатором-разгружателем 6. После заполнения бункера 4 до определенного уровня крышка 5 закрывается, а гранулированная биомассы дозатором-разгружателем 6 подается в реторты 7. Циклограмма заполнения бункеров 1 и 4, открытия-закрытия газоплотных крышек 2 и 5, включения-выключения дозаторов-разгружателей 3 и 6 разрабатывается в соответствии с заданной производительностью пиролизной переработки биомассы. Система газоплотных бункеров и заполнения реторт может быть общей для всех реторт или отдельной для каждой реторты или их групп. По мере движения биомассы в ретортах 7 сверху вниз происходит ее сушка, карбонизация за счет нагрева биомассы через высокотеплопроводные металлические стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, которые движутся снизу вверх по каналам 8, образованными соседними стенками реторт и стенками двух крайних реторт и теплоизоляционной оболочкой 9.From the granulation device, granular biomass is fed to a certain level in a feed hopper 1, equipped with an upper gas tight cover 2 and a lower dispenser-unloader 3. After reaching a certain level of filling, the upper gas-tight cover 2 is closed, and the dispenser-unloader 3 feeds the biomass into the second consumable hopper 4, also equipped with a top gas tight lid 5, which is open during filling of the hopper 4, and a dispenser-unloader 6. After filling the hopper 4 to a certain level, the lid 5 closes, and an isolated biomass dispenser-unloader 6 is fed into the retort 7. Cyclogram filling hoppers 1 and 4, the opening and closing of gas-tight caps 2 and 5, on-off metering-unloader 3 and 6 is designed in accordance with a predetermined performance pyrolysis processing of biomass. The system of gas-tight bunkers and retort filling can be common for all retorts or separate for each retort or their groups. As the biomass moves in the retorts 7 from top to bottom, it is dried, carbonization due to heating of the biomass through the highly heat-conducting metal walls of the retorts from the products of pyrolysis fuel combustion, which move from bottom to top through the channels 8 formed by the adjacent retort walls and the walls of the two extreme retorts and the heat-insulating shell 9 .

Для турбулизации потока греющих газов и интенсификации теплопередачи слою биомассы каналы 8 могут заполняться частицами высокотеплопроводного огнеупорного материала. В целях равномерного прогрева твердого материала по сечению реторт 7 их поперечное сечение выполнено прямоугольным с отношением ширины к длине 1:5÷15 (см. сечение А-А). Равномерности прогрева способствует также выделение продуктов сушки и пиролиза, которые распределяются равномерно по всему сечению. Для предотвращения образования сводов в ретортах их ширина составляет не менее 8-12 эквивалентных диаметров частиц гранулированной биомассы. При движении по каналам 8 продукты сгорания охлаждаются и выводятся из установки. В нижней части реторт образуется движущийся слой 10 горячих частиц углеродного остатка с температурой 750-1000°С, при фильтрации через который пары смолистых веществ, метанола, кислот и других конденсирующихся продуктов пиролиза разлагаются на неконденсирующиеся топливные газы со степенью разложения 75-99% и выводятся из реторт по каналам 11 в устройство 12 конденсации неразложившихся конденсирующихся соединений и охлаждения неконденсирующихся продуктов.To turbulize the flow of heating gases and intensify heat transfer to the biomass layer, the channels 8 can be filled with particles of a highly heat-conducting refractory material. In order to uniformly warm the solid material along the retort 7 section, their cross section is made rectangular with a ratio of width to length 1: 5–15 (see section AA). The uniformity of heating also contributes to the selection of products of drying and pyrolysis, which are distributed evenly throughout the cross section. To prevent the formation of arches in retorts, their width is at least 8-12 equivalent particle diameters of granular biomass. When moving through channels 8, the combustion products are cooled and removed from the installation. In the lower part of the retorts, a moving layer of 10 hot carbon residue particles with a temperature of 750-1000 ° C is formed, during filtration through which vapors of resinous substances, methanol, acids and other condensing pyrolysis products decompose into non-condensable fuel gases with a degree of decomposition of 75-99% and are removed from retorts through channels 11 to a device 12 for condensation of non-decomposable condensable compounds and cooling of non-condensable products.

Повышению калорийности газов и жидкого топлива способствует значительное или полное сокращение балластных газов (водяных паров и диоксида углерода), реагирующих с горячими частицами углеродного остатка с образованием горючих газов по реакциям H₂O+С →СО+H₂ и СО₂+С→2СО. Количество угольного остатка после прохождения указанных реакций составляет 7÷20% от абсолютно сухой биомассы, зависящее от влажности исходной биомассы и скорости ее движения в ретортах. Количество угольного остатка регулируют температурой греющих газов на входе в каналы обогрева реторт. Охлаждающим агентом в устройстве 12 могут служить атмосферный воздух или вода. В первом случае нагретый воздух подается в топку 13, а во втором - вода подается в систему теплоснабжения или горячего водоснабжения. Регулирование количеств неконденсирующихся и конденсирующихся топлив производится регулированием температуры греющих газов на входе в каналы 8 обогрева реторт и тем самым температуры частиц углеродного остатка, через которые фильтруются продукты пиролиза. Жидкое топливо из устройства конденсации подается сторонним потребителям и/или на сгорание в топке 13, из которой продукты сгорания поступают в каналы обогрева реторт. Охлажденные неконденсирующиеся газы направляются в устройство 14 охлаждения угольного остатка, а из него - внешним потребителям. Охлажденный угольный остаток выгружается дозатором-разгружателем 15 из установки. Для минимизации или полного сокращения перетечек газов из охлаждающего устройства в реторты и обратно устанавливают одинаковое давление (разрежение) газов в нижней части реторт и охлаждающем устройстве при помощи регулирования шиберов тягодутьевых устройств 16 и 17. Для этой цели служит и слой 19 угольного остатка между выходом пиролизных газов из реторт и устройством охлаждения угольного остатка.A significant or complete reduction in ballast gases (water vapor and carbon dioxide) that react with hot particles of a carbon residue with the formation of combustible gases by the reactions H ₂ O + C → CO + H ₂ and CO ₂ + C → 2CO contributes to an increase in the calorific value of gases and liquid fuels. . The amount of coal residue after the passage of these reactions is 7 ÷ 20% of absolutely dry biomass, depending on the moisture content of the initial biomass and its speed in retorts. The amount of coal residue is controlled by the temperature of the heating gases at the entrance to the retort heating channels. The cooling agent in device 12 may be atmospheric air or water. In the first case, heated air is supplied to the furnace 13, and in the second case, water is supplied to the heating or hot water supply system. The regulation of the quantities of non-condensing and condensing fuels is carried out by controlling the temperature of the heating gases at the inlet to the retort heating channels 8 and thereby the temperature of the carbon residue particles through which the pyrolysis products are filtered. Liquid fuel from the condensing device is supplied to third-party consumers and / or for combustion in the furnace 13, from which the combustion products enter the retort heating channels. Cooled non-condensable gases are sent to the coal residue cooling device 14, and from it to external consumers. The cooled coal residue is discharged by the dispenser-unloader 15 from the installation. To minimize or completely reduce the flow of gases from the cooling device to the retorts and vice versa, the same pressure (rarefaction) of the gases is established in the lower part of the retorts and the cooling device by adjusting the gate valves of the blowing devices 16 and 17. For this purpose, the coal residue layer 19 between the pyrolysis outlet also serves gases from retorts and a coal residue cooling device.

Достоинством предлагаемого способа являются высокая калорийность топлива из биомассы, непрерывность технологического процесса.The advantage of the proposed method is the high calorific value of fuel from biomass, the continuity of the process.

Claims

A method of pyrolysis processing of biomass to produce high-calorie gaseous and liquid fuels and carbon materials, in which the initial biomass is granulated, granular biomass is fed into gas tight lock gates with controlled biomass supply from them into one or several continuously operating vertical metal retorts enclosed in a common heat-insulating shell, in which the biomass gravitationally moves from top to bottom, with the possibility of the release of pyrolysis gases in the lower part of the retort, the heat necessary for the pyrolysis process, the biomass is transferred through the walls of the retorts from the products of combustion of pyrolysis fuel, moving from bottom to top through the heating channels of the retorts, characterized in that the heating channels of the retorts are formed by adjacent retort walls and retort walls and a heat-insulating shell, and the pyrolysis gases moving from top to bottom inside the retorts, filtered through a layer of hot coal residue in the lower parts of the retorts and then removed from the retorts through channels through which the pyrolysis gases are sent to condense non-decomposed The fractionation of condensable pyrolysis substances and the cooling of non-condensable pyrolysis gases, and the cooled non-condensable pyrolysis gases are sent to cool the coal residue, while the cross-section of the retorts is rectangular with a width to length ratio of 1: 5 ÷ 15, and the width is at least 8 ÷ 12 equivalent diameters granules of biomass, and the ratio of gaseous and liquid fuels is controlled by changing the temperature of the combustion products at the entrance to the heating channels.