Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования 11
1.1. Обзор существующих технологий низкотемпературного пиролиза (торрефикации, отжига) биомассы. Их преимущества и недостатки 11
1.1.1. Обзор результатов исследований процесса отжига биомассы в среде с низким содержанием кислорода 11
1.1.1.1 Низкотемпературный пиролиз лигниноцеллюлозной биомассы 12
1.1.1.2 Низкотемпературный пиролиз нелигноцеллюлозной биомассы 14
1.1.1.3 Влияние продолжительности низкотемпературного пиролиза и температуры обработки на характеристики отожженной биомассы 15
1.1.2 Влажный отжиг биомассы (гидротермическая карбонизация (ГТК)) 23
1.2 Обзор существующих конструкций реакторов низкотемпературного пиролиза биомассы. Их преимущества и недостатки 25
1.2.1 Шнековый (винтовой) реактор 25
1.2.2 Реактор с вращающимся барабаном 26
1.2.3 Дисковый реактор 27
1.2.4 Реактор с шахтного типа с движущимся слоем 30
1.2.5 Сравнение основных типов реакторов низкотемпературного пиролиза биомассы
1.3 Моделирование процессов низкотемпературного пиролиза биомассы 33
1.4 Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследования
Глава 2. Разработка математической модели процесса тепломассопереноса в тарельчатом реакторе с плотным механически перемещаемым слоем 41
Глава 3. Экспериментальное исследование процесса низкотемпературного пиролиза отходов селького хозяйства (гранулированная солома и подстилочно-пометная масса) в тарельчатом реакторе 51
3.1 Определение теплоемкости биомассы 51
3.2 Определение теплопроводность биомассы 53
3.3 Определение дефекта массы при низкотемпературном пиролизе (ДСК-ТГ анализ) 55
Глава 4. Экспериментальная установка и методика экспериментов 59
Глава 5. Инженерная методика расчета тарельчатых реакторов низкотемпературного пиролиза гранулированной биомассы 65
Глава 6. Разработка и обоснование принципиальной технологической схемы отжига биомассы применительно к термической обработке отходов сельского хозяйства 71
6.1 Разработка принципиальной технологической схемы отжига биомассы 71
6.2 Проведение маркетинговых исследований по коммерциализации вновь разработанной технологии производства и отжига гранулированной биомассы 87
6.3 Разработка бизнес-плана коммерциализации вновь разработанной технологии производства и отжига гранулированной биомассы 93
Заключение 97
Список литературы
- Обзор результатов исследований процесса отжига биомассы в среде с низким содержанием кислорода
- Обзор существующих конструкций реакторов низкотемпературного пиролиза биомассы. Их преимущества и недостатки
- Определение теплопроводность биомассы
- Проведение маркетинговых исследований по коммерциализации вновь разработанной технологии производства и отжига гранулированной биомассы
Введение к работе
Актуальность работы. Для энергоснабжения химико-технологических процессов в большинстве случаев используется ископаемое топливо, что приводит к удорожанию продукции и сопровождается выбросами парниковых газов. Ископаемые виды топлива могут быть успешно заменены на экологически чистую энергетическую биомассу – невостребованные отходы сельского хозяйства (солому и подстилочно-пометную массу птицефабрик (ППМ)), биогенный отход – 4 класса опасности. Их годовые объемы в России достигают до 24 млн. т соломы и до 7 млн. т ППМ. Таким образом, использование соломы и ППМ в качестве топлива позволит не только снизить стоимость полученной тепловой энергии, но и решить проблему утилизации биогенных отходов.
В исходном виде эти отходы имеют низкую насыпную плотность, высокую влажность и, как следствие, дорогую логистику. Выходом из положения может стать гранулирование и термическая обработка биогенных отходов при температуре 200…300 С в газовой среде с низким содержанием кислорода. Такой процесс называется низкотемпературным пиролизом (НТП) или отжигом. При НТП биомассы происходит сушка, полимеризация и карбонизация всех ее составляющих, выделение летучих веществ, за счет чего теплота сгорания повышается на 20…30%. При НТП из биогранул выделяется смола, которая заполняет поры и придает гранулам гидрофобность.
Процесс НТП биомассы в промышленном масштабе не освоен, протекает на грани перехода эндотермической реакции в экзотермическую и сопровождается самовоспламенением. Отсутствуют данные о теплофизических характеристиках этих видов биомассы в процессе НТП.
Все перечисленное выше делает актуальным разработку технологии и аппаратурного оформления НТП гранулированной биомассы, его моделирование с алгоритмизацией расчета реактора.
Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития научно-технического комплекса РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», поддержана грантом РФФИ № 14-08-97504 «Физическое обоснование и разработка двухстадийной модели предпиролиза подстилочно-пометной массы птицефабрик в целях улучшения ее физико-технических характеристик для дальнейшего использования в качестве топлива». Часть работы выполнена в рамках государственного контракта № 16.526.11.6010 от 28 октября 2011 г. «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками», соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0116 «Разработка технических решений для создания политопливных теплогенерирующих систем на местных и возобновляемых топливных ресурсах» и задач ведущей научной школы Российской Федерации НШ-2411.2014.3.
Объектом исследования является процесс НТП гранулированных биогенных отходов в плотном слое в многотарельчатом реакторе.
Предметом исследования являются режимы процесса НТП гранулированных биогенных отходов в многотарельчатом реакторе, математическое моделирование процесса НТП, определение физико-механических свойств биомассы в процессе НТП.
Цель работы: разработка технологии низкотемпературного пиролиза биогенных отходов на основе изучения свойств исходных материалов, режимов процесса, аппаратурного оформления процесса и методики расчета.
Задачи исследования:
-
Выбрать тип реактора для НТП биогенных отходов и разработать его конструкцию.
-
Разработать математическую модель температурного поля слоя биомассы в многотарельчатом реакторе НТП.
-
Определить параметры математической модели процесса НТП и проверить адекватность разработанной математической модели на экспериментальной установке.
-
Разработать методику расчета реактора НТП на заданную производительность с учетом особенностей обрабатываемого материала и условий теплообмена.
-
Разработать принципиальную технологическую схему промышленного комплекса по производству гранулированного отожженного биотоплива.
Научная новизна работы. Предложен способ низкотемпературного пиролиза, включающий стадию удаления летучих веществ при температуре 260 C, и стадию разложения биомассы при температуре 240 C, реализуемый в многотарельчатом реакторе с перемещаемым слоем.
Разработана и экспериментально апробирована математическая модель нестационарного температурного поля слоя биогенных отходов в многотарельчатом реакторе НТП, в которой сложные химические превращения замещены учетом дефекта массы и изменений теплофизических характеристик биомассы, полученных в результате экспериментов. Модель позволяет определить необходимое время пребывания биомассы в реакторе.
Практическая значимость. Создана экспериментальная установка для исследования НТП, включающая однотарельчатый реактор с непрямым обогревом биомассы высокотемпературным теплоносителем.
Разработана конструкция многотарельчатого реактора для НТП с непрямым нагревом исходного сырья высокотемпературным теплоносителем, содержащая дополнительные нижние тарелки, снабженные «рубашкой» для подачи охлаждающей воды (Евразийские патенты № 023153 и 023185).
Разработана и оформлена в виде программного продукта методика расчета многотарельчатого реактора на заданную производительность.
Разработанные технические условия процесса НТП (ТУ 0260-003-6831006362–2013), конструкция, методика расчета реактора использованы при проектировании и реализации технологического комплекса производительностью 1100 кг/ч, введенного в эксплуатацию на ОАО «ПРОДМАШ», г. Ростов-на-Дону. Экономический эффект от внедрения за 2015 г. составил 1 792 500 р.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на 3 международных научных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены два Евразийских патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, шесть глав, основные выводы и результаты, список литературы (96 наименований) и приложения. Работа изложена на 170 страницах текста, содержит 58 рисунков и 6 таблиц.
Обзор результатов исследований процесса отжига биомассы в среде с низким содержанием кислорода
Влажный отжиг - это процесс предварительной обработки для преобразования биомассы в твердое топливо с относительно однородными характеристиками. Теплотворная способность полученного топлива после отжига может возрасти на 36% и выше. При влажном отжиге биомасса подвергается воздействию насыщенного пара (15 - 40 бар), при температуре 200 - 255 С, в результате чего получается три группы продуктов: твердое топливо, жидкостные и газовые соединения [9]. Содержание твердой фракции составляет около 55 - 90% от общей массы и 80 - 95% от общего объема исходного сырья. Жидкостные соединения, состоящие в основном из моносахаридов, фурфурола и органических кислот, составляют примерно 10% от массы исходного сырья. Влажный отжиг биомассы повышает содержание фиксированного углерода, преобразовывая исходную биомассу в топливо со свойствами низкокачественного угля. Пониженное содержание равновесной влажности указывает на то, что твердая фракция является гидрофильной и может подвергаться воздействию атмосферной влаги.
Как видно из рисунка 1.13, имеет место значительная убыль массы в интервале температур от 215 до 255 C, затем снижение массы прекращается.
Значения высшей теплоты сгорания отожженной биомассы показана кружками на рисунке 1.13. Красные кружки соответствуют 30 минутной обработке, желтые - обработке при другой продолжительности. С ростом температуры реакции явно возрастает теплота сгорания отожженой биомассы. Теплота сгорания исходного сырья составляет 20,3 МДж/кг. При температуре реакции 255 C (время обработки 30 мин) теплота сгорания отожженой биомассы увеличилась на 39% и составила 28,3 МДж/кг. При температуре реакции 295 C теплота сгорания отожженой биомассы выросла более чем на 45% в сравнении с исходным сырьем. – теплота сгорания, МДж/кг; – потеря массы, %. Рисунок 1.13 – Влияние температуры реакции и времени обработки на массовое восстановление и теплоту сгорания отожженого продукта из биомассы [10]
Значительный рост теплоты сгорания также наблюдался при увеличении времени обработки. При температуре реакции 255 C и времени обработки 5 и 10 минут теплота сгорания отожженой биомассы составила 25,1 и 26,0 МДж/кг соответственно, а при времени обработки в 60 минут теплота сгорания увеличилась до 29,2 МДж/кг.
Таким образом, анализ влияния продолжительности отжига и температуры обработки на характеристики отожженной биомассы в существующих технологиях позволяет сделать вывод об узком температурном диапазоне процесса торрефикации (250 – 280 оС) и преимуществе процесса в среде с низким содержанием кислорода, как более технологичном, не требующем использования пара высокого давления.
Производительность различных типов реакторов для НТП биомассы ограничивается низкой интенсивностью тепло и массообменных процессов, направленных от обогреваемой стенки или горячего пара к перерабатываемому сырью. Увеличение интенсивности тепло- и массообмена позволяет использовать реакторы меньших размеров с меньшей металлоемкостью при сохранении высокой продуктивности. С целью увеличения интенсивности тепло-и массообменных процессов предлагаются различные типы реакторов.
Шнековый (винтовой) тип реактора использовался на одном из первых заводов по отжигу биотоплива фирмы Pechiney (Франция), где конечным продуктом переработки являлся древесный уголь, используемый на сталеплавильных заводах при производстве стали. Подробное описание установки для торрефикации древесных отходов, где используется винтовой реактор, приводится в работе [12]. Схема винтового реактора, который использовался в [12], приведена на рисунке 1.15. Рисунок 1.15 – Схема винтового реактора для отжига биомассы [12] В реакторе такого типа прогрев и перемешивание биомассы осуществляются в процессе кругового движения с помощью винтового шнека (или шнеков), закрепленного внутри обогреваемого кожуха. При этом концентрация материала вблизи стенки значительно превышает среднее значение по поперечному сечению канала. Работа такого реактора характеризуется недостаточной интенсивностью теплопереноса, сложностью отвода газовой и жидкой фаз, образующихся при отжиге, переизмельчением биомассы. В качестве теплоносителя могут использоваться как топочные газы (фирма FOXCOAL, Нидерланды), так и высокотемпературный жидкий теплоноситель (фирма CENER, Испания). В обоих случаях данный тип реактора отличает громоздкость и металлоемкость.
Следует отметить, что реакторы подобного типа давно используются в различных производственных процессах. Схема движения обрабатываемого материала и горячего газа показана на рисунке 1.16. Рисунок 1.16 – Схема противоточного движения в реакторе -вращающемся барабане [12]
Процесс теплообмена во вращающейся печи, является довольно сложным. В высокотемпературной части печи преобладает теплообмен излучением, а в низкотемпературной – конвективный теплообмен. Тепло от продуктов сгорания топлива передается как материалу, так и футеровке печи. Благодаря вращению печи материал непрерывно перемещается (пересыпается) в поперечном и продольном направлениях. При этом тепло, аккумулированное футеровкой, передается материалу. Таким образом, футеровка работает как регенератор тепла. На внутренней футеровке печи образуется уплотненный слой материала, который прилипает к стенке. В результате вращения печи более нагретый уплотненный слой осыпается, а менее нагретый прикрепляется к футеровке, тем самым образуя слой материала, который непрерывно нагревается от футеровки.
Вращающиеся печи работают по принципу противотока. Сырьевая смесь подается в печь со стороны ее верхнего (холодного) конца, а топливо – воздушная смесь, сгорающая на протяжении длинны печи, вдувается со стороны нижнего (горячего) конца. Горячие газы движутся навстречу обрабатываемому материалу и нагревают последний.
Интенсификация теплообмена и массообмена в зоне подогрева осуществляется путем установки различных интенсификаторов-насадок: ячейковых, металлических и керамических. Интенсификаторы увеличивают поверхность теплообмена газов с материалами, разделяя поток материала на несколько более мелких потоков, воспринимают тепло газов и регенеративно передают его по материалу, интенсифицируют конвективный теплообмен, способствуют перемешиванию материала, защищают цепную завесу от перегрева за счет понижения температуры газов. Наличие подобных устройств существенно увеличивает объемный коэффициент теплообмена на 80 – 100 % и более при определенном сочетании режимных параметров.
Обзор существующих конструкций реакторов низкотемпературного пиролиза биомассы. Их преимущества и недостатки
Принимаем, что на свободной поверхности слоя биомассы на тарелке (рисунок 2.2) прогрев слоя осуществляется по законам свободой конвекции и излучения. Газовая среда над свободной поверхностью биомассы представлена летучими (СО, СО2, пары Н2О до 90 %), выделяющимися из биомассы при низкотемпературном пиролизе (глава 1), с содержанием кислорода не более 6%, что исключает самовоспламенение биомассы.
Расчет нестационарного нагрева механически перемещаемого с тарелки на тарелку слоя гранулированной биомассы с заданным расходом представлен как ступенчатый нагрев ограниченного цилиндра в граничных условиях 3–го рода. При известных физико-механических свойствах гранулированной биомассы и известных геометрических размерах тарелки реактора рассчитывается температурное поле внутри слоя биомассы на тарелке и время ее прогрева. Считаем, что на каждую последующую тарелку слой биомассы приходит изотермным за счет перемешивания его в момент перегрузки с тарелки на тарелку. Пройдя ступенчато весь путь от начальной температуры загрузки до температуры низкотемпературного пиролиза, биомасса выдерживается некоторое время при этой температуре, после чего охлаждается перед выгрузкой из реактора.
В границах одной тарелки нестационарный процесс нагрева слоя биомассы описывается дифференциальным уравнением Фурье (2.1) при заданной температуре поверхности, принятой равной Тсi=250 С. Эта температура соответствует и температуре газа над слоем биомассы. При расчетах по уравнениям (2.1 – 2.6) использовались следующие допущения: 1. Слой зернистого материала на каждой тарелке имеет постоянное поперечное сечение и поперечного перемешивания нет; 2. Температура по поперечному сечению слоя гранулированной биомассы не меняется; 3. Кондуктивный теплообмен гранулированной частицы биомассы идет быстрее ее конвективного теплообмена с газовой средой Bi 1; температура газа газообразными 4. Теплообмен частицы биомассы с газовой средой идет быстрее реакции НТП Py 1; 5. Потери в окружающую среду через слой тепловой изоляции реактора компенсируются мощностью теплогенератора; 6. Температура теплоносителя и стенки постоянна; 7. На свободной поверхности слоя гранул соответствует температуре внутренней стенки реактора; 8. Массообмен между частицами биомассы продуктами пиролиза учитывается по предварительно экспериментально определенным и аппроксимированным данным дефекта массы в процессе нагрева; 9. Доля жидкой фракции считается ничтожно малой; 10. В расчетах используется экспериментально полученная и аппроксимированная зависимость эффективной теплоемкости обрабатываемого материала от температуры.
Задачей расчета с использованием программного продукта Visual C++ является определение продолжительности нагрева биомассы с заданной производительностью G от исходной температуры до температуры отжига Тр, времени пребывания на каждой тарелке тг и числа тарелок N с диаметром D.
При этом весь процесс нагрева разбивается на /-ое число ступеней, соответствующее нахождению биомассы на z-ой тарелке, и для каждой ступени ведется расчет с учетом экспериментально определенного значения эффективной теплоемкости (глава 3), соответствующего температуре данной ступени. Последнее позволяет уйти от исследования химических превращений в биомассе в процессе низкотемпературного пиролиза и от дорогостоящей экспериментальной базы.
Температура каждой ступени определяется как среднеобъемная по значениям температур Tt на границах нагрева Lt и в центре слоя (рисунок 2.2). Так как процесс нагрева в нашем случае протекает ступенчатым образом, начальной температурой для последующей тарелки будет являться среднеобъемная температура предыдущей тарелки. Пороговым значением окончания процесса низкотемпературного пиролиза является достижение температуры низкотемпературного пиролиза обрабатываемой биомассы и время прохождения биомассы всех z-ых тарелок.
Программа для расчета температуры потока материала, движущегося вдоль нагретой поверхности, приведена в приложении 1.
Для ориентировочного расчета процесса нагрева может служить одномерная модель процесса нагрева слоя биомассы, движущейся непрерывно вдоль спиралевидной поверхности нагрева с заданным расходом. Запишем составляющие теплового баланса для выбранной области. Тепло, привносимое потоком за время d:
Определение теплопроводность биомассы
Для расчета реактора по предложенной в главе 2 математической модели необходимы данные о теплоемкости биомассы. Измерение теплоемкости биомассы в условиях постоянно увеличивающейся температуры (в процессе низкотемпературного пиролиза) осложнено выделением из биомассы влаги и летучих веществ, а также изменением пористости биомассы [79]. Поэтому была поставлена задача определения зависимости эффективной теплоемкости биомассы от температуры по известному методу определения теплофизических характеристик [76]. Способ определения удельной теплоемкости материалов, реализуется следующим образом.
На рисунке 3.1 представлена функциональная схема прибора ИТ-с-400, предназначенного для измерения удельной теплоемкости твердых, сыпучих материалов и жидкостей. Принцип измерения основан на применении метода монотонного разогрева образца в адиабатическом режиме. Тепловой поток от нагревателя 5 проходит через тепломер 2 в ампулу с образцом 1. Адиабатическая оболочка 3 с нагревателем 4 служит для предотвращения теплообмена образца 1 с окружающей средой. В процессе разогрева образца регистрируются температуры на нижней и верхней поверхностях тепломера 2 при помощи хромель-алюмелевых термоэлектрических преобразователей 7 и 9. В ходе эксперимента обеспечивается линейный рост температуры на нижней поверхности тепломера за счет регулирования электрической мощности, подаваемой на нагреватель 5. Температуры адиабатической оболочки и ампулы с образцом, измеряемые при помощи хромель-алюмелевых термопреобразователей 6 и 8 соответственно, поддерживаются одинаковыми за счет управления мощностью электрического нагревателя 4. Удельная теплоемкость образца определяется косвенно: по измеренному времени запаздывания температуры на верхней поверхности тепломера от температуры на его нижней поверхности, а также по известной массе образца и константам прибора [76].
По результатам экспериментов в соответствии с методикой (глава 4) на рисунке 3.2 представлены кривые изменения эффективной теплоемкости гранул из соломы и подстилочно-пометной массы (ППМ) - смесь куриного помета и соломы с увеличением температуры.
Полученные данные подтверждают сходимость с другими источниками и позволяют сделать вывод о том, что в процессе отжига биомассы теплоемкость с имеет фазовый переход, что подтверждают выводы работы [91].
Резкое увеличение эффективной теплоемкости биомассы в процессе ее нагрева в интервале температур 100 – 180 С требует увеличения расхода тепла на процесс, и должно быть учтено при расчете продолжительности этой стадии в реакторе низкотемпературного пиролиза аппроксимацией экспериментальных данных по теплоемкости в математической модели процесса.
Теплопроводность исследуемой биомассы измерялась по методике межгосударственного стандарта ГОСТ 21523.3.2-93 «Древесина модифицированная. Метод определения теплопроводности» c использованием прибора ИТП-МГ4 (рисунок 3.3).
По результатам экспериментов в соответствии с методикой (глава 4) образцы из соломенных гранул и ППМ до и после низкотемпературного пиролиза показали результаты, представленные на рисунке 3.4. подстилочно-пометной массы Рисунок 3.4 – Теплопроводность гранул из соломы и подстилочно-пометной массы до и после НТП Как видно из графиков, представленных на рисунке 3.4, после низкотемпературного пиролиза теплопроводность гранул снижается на 12 – 18%, очевидно, по причине удаления влаги из гранул. Эти значения были использованы в дальнейшем для расчета реактора низкотемпературного пиролиза на заданную производительность по предложенной математической модели.
Необходимый в математической модели и методике расчета дефект массы при низкотемпературном пиролизе определялся с использованием метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Совмещенный ДСК-ТГ анализ (т.е. регистрация тепловых эффектов с одновременным текущим изменением массы образца) позволяет контролировать процессы дегидратации, удаления летучих соединений, выгорания связующих. Полученные данные позволяют определить энтальпию фазовых переходов с точной привязкой к температурам реакций [80, 81]. ДСК образцов биомассы проводили, по стандартной методике на приборе NETSCH STA 409 PC/PG (рисунок 3.5) в интервале температур от 30 до 900 oС в атмосфере воздуха со скоростью подачи газа 30 мл/мин и подачи защитного газа (аргона) 10 мл/мин в платиновых тиглях при скорости нагревания 10 oС/мин.
Проведение маркетинговых исследований по коммерциализации вновь разработанной технологии производства и отжига гранулированной биомассы
Разработка и обоснование принципиальной технологической схемы отжига биомассы осуществлялась в рамках государственного контракта на опытно-конструкторские работы «Разработка технологии предварительной термической обработки древесных и растительных отходов для получения биотоплива, обладающего улучшенными технико-экономическими характеристиками» (государственный контракт № 16.526.11.6010 от 28 октября 2011 г., шифр «2011-2.6-526-033»).
Был разработан с участием автора, смонтирован на территории ОАО «ПРОДМАШ» г. Ростов-на-Дону и прошел приемочные испытания технологический комплекс (ТК) для производства и отжига гранулированного биотоплива (рисунок 6.1). В его состав входит реактор низкотемпературного пиролиза, рассчитанный по методике (глава 5).
ТК состоит из трех блоков: линия подготовки к гранулированию и гранулирования биомассы, блок отжига гранулированной биомассы, блок генерирования тепловой энергии, необходимой для отжига [92].
Линия для производства гранул (Б6-ДГВА.С) предназначена для предварительной подготовки и гранулирования биомассы, охлаждения полученных гранул, их просеивания и упаковки в «биг-беги». В линию для гранулирования входит следующее оборудование: загрузочная платформа, измельчитель тюков, дробилка тонкого измельчения, бункер с рукавным фильтром, пресс-грануляторы, колонка охлаждения готовых гранул, стол рассева, бункер для готовых (не отожжённых) гранул, пульт управления, коммуникационные шнеки и транспортеры. 1 – ленточный транспортёр; 2.1 – приёмный бункер измельчителя; 2.2 – измельчитель; 3 – шнек; 4 – дробилка; 5.1 – приёмный рукав бункера гранулятора; 5.2 – бункер гранулятора; 6 – гранулятор; 7 – циклон; 8 – секторный затвор; 9 – батарейный ЭКО-фильтр; 10 – нория; 11 – охладительная колонка; 12 – нория; 13.1 – реактор; 13.2 – дозатор; 13.3 – реактор; 13.4 – дозатор; 13.5 – реактор; 13.6 – дозатор; 14 – нория; 15 – охладительная колонка; 16 – бункер готового продукта; 17 – шнек; 18 – теплогенератор; 19.1 – топливный бункер; 19.2 – шнек топливоподачи гибкий; 20 – дымосос теплогенераторов; 21 – дымосос реактора; 22 – смеситель; 23 – дымовая труба. Рисунок 6.1 – Технологическая схема производства отожженных гранул Блок отжига биогранул состоит из трех колон (рисунок 6.2), схема каждой приведена на рисунке 6.3, и вспомогательного оборудования (шнековые транспортеры, конвейеры, площадки обслуживания). Каждая колона реактора содержит шесть горизонтальных неподвижных тарелок, на которых обрабатываемый материал с помощью мешалки перемещается от места загрузки к месту выгрузки с одной тарелки на другую. Мешалка имеет две лопасти, установленные под углом к горизонту с зазором между тарелкой до 5 мм. Реактор имеет рубашку, обогреваемую промежуточным теплоносителем (высокотемпературным телоносителем ТЛВ - 330). – загрузочная платформа, 2 – дробилка грубого измельчения, 3 – бункер – накопитель с фильтром, 4 – бункер для сырых (неотожженных) гранул, 5 – реактор для отжига гранул, 6 – бункер для готовых отожженных гранул
В нижней части реактора установлены тарелки, охлаждаемые водой, что позволяет на выходе из реактора получать продукт с температурой, исключающей его воспламенение на воздухе. Отжиг биомассы протекает при температуре до 250 С, продолжительность отжига - 30 мин. Выделяющиеся при сушке и отжиге газы вытесняют находящийся в реакторе воздух, создавая бескислородную среду, и удаляются из реактора.
Блок генерирования тепловой энергии, необходимой для отжига биомассы, состоит из теплогенератора, включающего в себя два модуля мощностью по 300 кВт каждый и одного общего бункера для биотоплива. В качестве промежуточного теплоносителя используется органический теплоноситель ТЛВ -330 или его аналог, который циркулирует между теплогенератором и реактором с помощью специальных насосов. Для компенсации расширения теплоносителя при нагреве в схему циркуляции включен расширительный бак объемом 2,5 м3.
На первом и втором этапах работ по контракту было приобретено стандартное оборудование, входящее в технологический комплекс для производства и отжига гранулированной биомассы (ТК), разработан технический проект на ТК.
На втором этапе работ стандартное оборудование было смонтировано. Кроме того на втором этапе работ была разработана рабочая конструкторская документация на дополнительное оборудование, необходимое для производства гранулированной биомассы.
На третьем этапе работ была разработана рабочая конструкторская документация на ТК, конструкторская документация на коммуникационные трубопроводы ТК, разработаны проекты технических условий на изготовление опытных образцов, а также эксплуатационная документация на оборудование, входящее в ТК. Были разработаны программы и методики предварительных испытаний опытного образца ТК, проведена подготовка опытного производства для изготовления, изготовлены и смонтированы опытные образцы реактора для отжига биомассы и теплогенератора. Также были подготовлены складские помещения для сырья и готовой продукции, произведенной на ТК.
На четвертом этапе работ были проведены предварительные испытания опытного образца ТК, которые подтвердили соответствие этого образца требованиям технического задания по государственному контракту (производительность по отожженным гранулам 1,1 т/ч, продолжительность отжига 30 мин., температура отжига 250 С, содержание кислорода в зоне отжига 3%, производительность теплогенератора 600 кВт, производительность линии для гранулирования 2,7 т/час и др.). По результатам испытаний была проведена корректировка рабочей конструкторской документации в части изменения документации на коммуникационные трубопроводы и монтажные чертежи на ТК. Рабочей конструкторской документации на ТК была присвоена литера «О». По результатам предварительных испытаний был разработан технологический регламент процесса производства и отжига гранулированной биомассы. Были разработаны программа и методика приемочных испытаний опытного образца ТК. Было разработано и изготовлено дополнительное оборудование, необходимое для проведения испытаний ТК, а также приобретено сырье для проведения этих испытаний.
На пятом этапе работ была проведена опытная эксплуатация ТК, которая подтвердила надежность работы оборудования, входящего в комплекс, и соответствие этого оборудования требованиям ТЗ. Это соответствие было также подтверждено в ходе приемочных испытаний ТК. По результатам опытной эксплуатации была проведена корректировка рабочей конструкторской документации на ТК, которой после приемочных испытаний была присвоена литера «О1». Были проведены маркетинговые исследования и разработан бизнес-план коммерциализации вновь разработанной технологии производства и отжига гранулированной биомассы.