Устройство для быстрого пиролиза биомассы

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА БИОМАССЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Куликов Иван Семенович Каменев Анатолий Яковлевич Климова Людмила Александровна Соколовская Юлия Георгиевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для пиролиза биомассы, содержащее вертикальную неподвижную реакционную камеру с входной зоной загрузки биомассы, зоной пиролиза и патрубком для отвода получаемого газа, а также вращающуюся печь, установленную внутри камеры соосно с 16876 1 2013.02.28 ней, двигатель для вращения печи, емкость для сбора кокса, отличающееся тем, что реакционная камера выполнена в виде конуса с сужением в нижней части для плотного контакта биомассы с вращающейся печью, которая выполнена в виде полого цилиндра для загрузки и сжигания внутри нее органических горючих материалов, а внешняя поверхность вращающейся печи снабжена винтовой навивкой для перемешивания и движения биомассы вверх и в сторону. Изобретение относится к области получения газообразного и жидкого топлива,например, для двигателей внутреннего сгорания и производства электроэнергии путем быстрого пиролиза биомассы. Известны многочисленные устройства для получения из биомассы газа, в основном окиси углерода (угарного газа) в смеси с азотом, путем сжигания в условиях недостатка кислорода. Однако они дают малокалорийный газ и недостаточно эффективны. Известны также различные устройства, используемые для пиролиза и быстрого пиролиза биомассы для получения высококалорийного жидкого и газообразного топлива. Но оптимальная,эффективная и достаточно простая конструкция таких устройств в настоящее время не предложена. Наиболее сложной проблемой при осуществлении быстрого пиролиза является быстрый нагрев массы, подлежащей пиролизу, так как время нагрева должно исчисляться секундами, для того чтобы пиролиз проходил с максимальным выходом полезных продуктов. Известна установка для пиролиза углеводородного сырья, содержащая вертикальную неподвижную цилиндрическую печь, зону пиролиза в виде стационарной пиролизной камеры, выполненной в виде змеевика и установленной внутри печи соосно с ней, зону для отвода продуктов пиролиза и зону загрузки в виде бункера и загрузочного устройства 1. В состав установки входит ряд сложных аппаратов, выполняющих вспомогательные функции циклон, вентилятор, распределительное устройство, баллоны с инертным газом,что аппаратурно усложняет установку. Недостатками устройства являются также сложность формирования газового потока, многоступенчатость и ограниченная скорость тепло- и массообмена между нагретым горелками воздухом и углеводородным сырьем. В установке на собственные нужды расходуется много генераторного газа, который получается в результате пиролиза. А поскольку пиролиз сопровождается образованием сажи,нагара, смолы, которые откладываются на внутренней поверхности змеевика, его чистка также представляет определенные трудности. Известно устройство для переработки органических материалов и получения синтезгазов для использования в качестве сырья для различных химических процессов или топлива, содержащее горизонтальный вращающийся центробежный реактор в виде цилиндра с зоной загрузки органических материалов, зоной для отвода газов и двумя реакционными зонами зоной испарения и крекинга, диссоциации и риформинга, нагрев в которых осуществляется с помощью двух горелок, расположенных с двух концов реактора 2. Недостатками устройства являются его функционирование в конечном продукте (синтез-газе),при этом горелки установлены внутри реактора в горючей среде, а также использование в самих газовых горелках синтез-газа, который загрязняется продуктами неполного сгорания и сажистыми отложениями. Состав синтез-газа по указанным причинам близок к газогенераторному, который имеет низкую теплотворную способность. Известен газогенератор для твердого топлива, содержащий неподвижный корпус с футеровкой, обогреваемый снаружи и снабженный подвижными лопастями, расположенными внутри корпуса, зону загрузки через бункер, зону нагрева и пиролиза, образованную стенками корпуса реактора и наружной поверхностью лопастей, зону для отвода газов с отверстием, в которое вставлена жаровая труба, зону вывода золы в зольник 3. При этом нагрев биомассы осуществляется при ее трении о стенки реактора только в зоне контакта 2 16876 1 2013.02.28 биомассы с внутренней стороной горячей трубы, что замедляет процесс пиролиза, приводит к увеличению толщины стенки реактора, снижает производительность. Нагрев удлиненного корпуса осуществляется электронагревателем, что снижает энергоэффективность устройства из-за многоступенчатой трансформации одного вида энергии в другой. Замедленный процесс пиролиза проводит к образованию жидких и газообразных углеводородных фракций сложного состава, в том числе и высокомолекулярных, вязких,смолоподобных веществ и нагара, которые являются вредными, ядовитыми и канцерогенными. Наиболее близким по технической сущности является устройство для крекинга молекулярной структуры органических веществ, содержащее вертикальную неподвижную реакционную камеру, имеющую входную зону, зону выведения твердых продуктов, зону выпуска жидких и/или газообразных продуктов, зону смешения и крекинга, внутри которой вращается вал с лопастями, выполненными из магнитного материала, которые в процессе вращения нагреваются и вызывают процесс крекинга 4. При этом реализуется механическое, термическое и магнитное воздействие на массу. Главным недостатком этого устройства является неэффективность и сложность процесса нагрева лопастей. Нагрев лопастей может быть осуществлен только за счет расхода электроэнергии, превращением ее в механическую, а затем с помощью внешних катушек трансформируемой в тепловую,что весьма нерационально. Для реализации процесса внутри реакционной камеры должно осуществляться очень быстрое вращение, что требует точного изготовления и центровки ротора, которое постоянно нарушается биомассой, падающей сверху, и вызывает вибрацию. Задачей настоящего изобретения является создание устройства для быстрого пиролиза биомассы, использующего триботермический нагрев и позволяющего получать газ с высоким выходом летучих, высококалорийных компонентов, пригодных для применения в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания и для производства электроэнергии. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для пиролиза биомассы, содержащем вертикальную неподвижную реакционную камеру с входной зоной загрузки биомассы, зоной пиролиза и патрубком для отвода получаемого газа, а также вращающуюся печь, установленную внутри камеры соосно с ней, двигатель для вращения печи, емкость для сбора кокса, реакционная камера выполнена в виде конуса с сужением в нижней части для плотного контакта биомассы с вращающейся печью, которая выполнена в виде полого цилиндра для загрузки и сжигания внутри нее органических горючих материалов, а внешняя поверхность вращающейся печи снабжена винтовой навивкой для перемешивания и движения биомассы вверх и в сторону. На фигуре представлена схема заявляемого устройства. Устройство для быстрого пиролиза биомассы состоит из вертикальной неподвижной реакционной камеры 1, вращающейся печи 2, установленной внутри камеры 1 соосно с ней на шаровых опорах 3, зоны пиролиза 4, которая является пространством, образованным внутренней поверхностью реакционной камеры 1 и внешней поверхностью печи 2,винтовой навивки 5, выполненной на внешней поверхности печи 2, уплотнения 6 реакционной камеры 1, отверстия 7 в печи 2 для загрузки органических горючих материалов 8,входной зоны загрузки через бункер 9 биомассы 10 в реакционную камеру 1, расположенного в верхней части реакционной камеры 1 патрубка 11 для отвода получаемого газа, горелки 12 для поджигания органических горючих материалов 8 в печи 2, колосниковой решетки 13 для очистки нижней части печи 2 от золы, емкости для сбора золы 14, расположенной в нижней части реакционной камеры 1 заслонки 15 для выведения кокса, остающегося после пиролиза биомассы 10, емкости для сбора кокса 16, двигателя 17 для вращения печи 2, шкива 18. Реакционная камера 1 выполнена в виде конуса с сужением в нижней части для плотного контакта биомассы 10 с печью 2. Печь 2 выполнена в виде полого цилиндра для за 3 16876 1 2013.02.28 грузки и сжигания внутри нее органических горючих материалов 8. Внешняя поверхность печи 2 снабжена винтовой навивкой 5 для перемешивания и движения биомассы 10 вверх и в сторону. Устройство работает следующим образом. Через отверстие 7 в печи 2 засыпаются органические горючие материалы 8 (древесные чурки, брикеты, сухая биомасса, сланцы и т.д.), которые падают на колосниковую решетку 13 и поджигаются горелкой 12. После разогрева печи 2 до необходимой температуры (400-700 С) включается двигатель 17, который через шкив 18 начинает вращать горячую печь 2 внутри реакционной камеры 1 со скоростью 1 оборот в секунду. Биомасса 10 (стружка, опилки, сеченая солома и т.п.) подается через входную зону загрузки бункера 9 и попадает в зону пиролиза 4, двигаясь вниз под собственным весом, контактирует с образующимся горячим газом, двигающимся вверх, предварительно прогревается и прижимается к горячей поверхности печи. Для повышения эффективного воздействия горячей поверхности печи 2 на биомассу 10 винтовая навивка 5 перемешивает, разрыхляет биомассу 10 и заставляет ее двигаться вверх и в сторону, что предотвращает ее заклинивание и способствует ускорению процесса пиролиза и высвобождению образующегося газа, а новая порция биомассы 10 прижимается к горячей поверхности печи 2. Процесс пиролиза осуществляется трением биомассы по всей длине печи 2, таким образом, эффективность термического воздействия на биомассу 10 резко возрастает, а время ее контакта с горячей поверхностью печи 2 сокращается, что повышает выход ценных продуктов. Получаемый газ выводится через патрубок 11, а остаточный после пиролиза материал, содержащий кокс, высыпается через заслонку 15 и ссыпается в емкость для сбора кокса 16. Зола, остающаяся после сжигания органических горючих материалов 8, через колосниковую решетку 13 попадает в емкость для сбора золы 14. Вертикальная реакционная камера 1 выполнена в виде конуса, сужающегося в нижней части,для того чтобы контакт биомассы 10 с горячей цилиндрической печью 2 по мере убыли биомассы 10 вследствие пиролиза не ослабевал. Предлагаемое устройство для быстрого пиролиза биомассы использует триботермическое воздействие и позволяет получать высокий выход летучих, высококалорийных компонентов, пригодных для использования в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания и производства электроэнергии именно вследствие того, что процесс пиролиза осуществляется очень быстро. Источники информации 1. Патент РФ 2240339 1, МПК 10 9/14, 9/20,10 1/04, 2004. 2. Патент США 6005149 , МПК 10 1/00,10 1/04,10 3/06, 1999. 3. Патент РБ 4132 1, МПК 10 3/20,23 1/38, 2001. 4. Международная публикация 2008023246 2, МПК 10 1/00,10 3/00, 2008 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4