Spôsob prípravy biomasovej zmesi, biomasová zmes a jej použitie

Číslo patentu: U 7176

Dátum: 01.07.2015

Autor: Toroczkay József

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka spôsobu prípravy zmesovej suroviny z jednotlivých druhov biomasy, ktorá je z technologického hľadiska vhodná pre pyrolýzne a splyňovacie procesy. Riešenie sa takisto týka tejto zmesovej suroviny a jej použitia.Pri súčasnom stúpajúcom význame obnoviteľných zdrojov, pri ich využití v mixe prístupných energetických zdrojov, sa začal dramatický vývoj technológií transformujúcich pôvodnú dendromasu a fytomasu do energeticky hustejších a komfortnejších energonosičov, ktoré vznikajú a stabilizujú sa ako v plynnej, tak aj v kvapalnej a pevnej fáze. Technologické procesy pyrolýzy a splyňovania v posledných dvadsiatich rokoch prešli búrlivým vývojom a dnes sa vývoj pri týchto procesoch začal upierať na optimalizáciu vlastností vstupnej suroviny, ktorá má takisto vplyv na konečnú účinnosť a využiteľnosť transformačnej technológie. Z tohto hľadiska zohráva význanmú rolu v transformačnom procese nielen veľkosť častíc a vlhkosť suroviny,ale aj vzájomný pomer celulózy, hemicelulózy a lignínu v lignocelulózovej biomase.Lignocelulóza je označenie trojrozmerného polymérneho kompozitu ako štruktúrneho materiálu tvoreného rastlinou, ktorý pozostáva z celulózy, hemicelulózy a lignínu. Chemické zloženie lignocelulózových surovín je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim účinnosť a distribúciu produkcie biopalív počas transformačného procesu. Štruktúrne a chemické zloženie lignocelulózovej suroviny je veľmi variabilné v dôsledku genetických a environmentálnych vplyvov a ich interakcií. Zloženie sušiny získanej z rôznych druhov biomasy je uvedené v tabuľke 1 (Sun, Y. Cehn, J. Hydrolysis of lignocellulosic material for methanol production, Biosource Technology, 83 (1), 1 - 11 p., (2002.Tab. 1 Zloženie sušin z rôzn ch druhov biomasLignín () 18 - 25 Orechové šlqu in 25 - 30 25 - 30 30 - 40 1518 - 22 Lístie zo stromov 15 - 20 80 - 85 0 n 0 - 15 18 - 30 5 - 10 Od ad z oší an ch 6 28 nedeñnované 3 - 6Hlavné zložky lignocelulózových surovín je možné charakterizovať nasledovne- Celulóza (30 - 50 z celkovej sušiny suroviny) je polymér glukózy, spojený 3-1,4 celubiozovými väzbami. Základným stavebným kameňom tohto lineárneho polyméru je celubióza, t. j. dimér glukózy.- Hemicelulóza (20 - 40 z celkovej sušiny suroviny) je krátky, vysokorozvetvený polymér, tvorený päťa šesťuhlíkovými cukrami. Hemicelulóza obsahuje xylózu, arabinózu (C 5 Cukry) a galaktózu, glukózu a manózu (C 6 Cukry).- Lignín (15 - 25 z celkovej sušiny suroviny) je polyfenolickou štrukturálnou zložkou rastlín a tvorí najväčší podiel z neuhľohydrátovej frakcie lignocelulózovej suroviny. Lignín je najväčším zdrojom dechtov v produktoch pyrolýzy biomasy.- Popol (0,5 - 10 z celkovej sušiny suroviny) je zvyšok zostávajúci po spálení biomasy, ktorý sa skladá z minerálov, ako sú kremík, hliník, Vápnik, horčík, draslík a sodík.- Ostatné zlúčeniny prítomné v lignocelulózových surovinách sú známe ako extrahovateľné látky. Medzi ne patria živice, tuky a mastné kyseliny, fenolické látky, fytosteroly, soli, minerály a ďalšie zlúčeniny.Termochemická konverzia biomasy bola intenzívne študovaná v poslednom období. V termochemickýchprocesoch s pevným lôžkom, ako je pyrolýza, prvým predpokladom na navrhovanie, optimalizáciu a modelovanie premeny biomasy, je dôkladné pochopenie mechanizmu tohto procesu. Ale rozkladný mechanizmus väčšiny typov biomasy na plynné, kvapalné a pevné frakcie zatiaľ stále nie je dostatočne známy - nielen z dôvodu zložitosti pyrolýzy, ale aj V dôsledku rozdielov v konečnom zložení danej biomasy. Z tohto dôvodu sa výskumné práce zameriavajú na stanovenie charakteristických rozdielov V priebehu pyrolýzy pri aplikácii najpoužívanejších zdrojov biomasy s tým, že sú orientované na optimalizáciu výkonu a účinnosti priemyselného pyrolyzéra s pevným lôžkom. Tento zámer bol dosiahnutý s metodikou, ktorá spočíva v kontinuálnom stanovení úbytku hmotnosti vzorky biomasy v závislosti od teploty pri danom teplotnom programe, pričom kinetika pyrolýzy biomasy sa skúmala pomocou termogravimetrického analyzátora (TGA). Vyhodnotenie výsledkov pyrolýzy biomasy pomocou TGA využíva matematické modely na minimalizáciu šumu pri stanovení trakčného zloženia neznámej lignín-celulózovej zmesi. Na základné modelovanie boli vybrané tri druhy biomasy, a to pšeničná a repková slama a smrekové drevo s kôrou, ktoré predstavujú druhy biomasy s vysokým obsahom všetkých troch zložiek. Merania ukázali, že pyrolýzne charakteristiky troch hlavných zložiek biomasy, ktorých vzájomné pomery boli umelo pripravené, vykazujú zanedbateľné vzájomné interakcie medzi sebou a lineámu závislosť medzi stratou hmotnosti a podielom celulózy, resp. hemicelulózy k ich zvyškom V danom rozsahu teplôt. Z týchto meraní je možné odvodiť dva súbory lineárnych regresných rovníc,ktoré predpovedajú podiely zložiek V biomase a stratu hmotnosti z biomasy počas pyrolýzy V TGA. Výsledky výpočtov pre umelé vzorky sú v dobrom súlade s experimentálnymi výsledkami.Štúdium vplyvu zložiek biomasy (celulózy, hemicelulózy a lignínu) na jej tepelný rozklad počas pyrolýzy a tvorby pyroplynu preukázal, že neexistuje žiadny rozdiel v stratových profiloch hmotnosti pri jednotlivých druhoch biomasy z rozdielnym obsahom hlavných komponentov. Kinetické parametre tiež nevykazovali veľké rozdiely okrem aktivačnej energie. Ale zloženie biomasy malo značný vplyv na profil a množstvo produkovaného pyroplynu. Vyššie koncentrácie celulózy a hemicelulózy spôsobujú vyššie koncentrácie CO a C 02 V pyroplyne, kým vyšší obsah lignínu V biomase značne zvyšuje obsah CH 4. Výskum zloženia pyroplynu pri pyrolýze biomasy preukázal, že dominantnými zložkami pyroplynu sú vodík (45 - 50 ), oxid uhličitý (20 - 25 ), oxid uhoľnatý (15 - 25 ) a metán (7 - 10 ). Bolo preukázané, že fytomasy s vysokým obsahom lignínu a nízkym obsahom celulózy produkujú pyroplyn s najväčším percentuálnym obsahom vodíka, čo výrazne ovplyvňuje jeho výhrevnosť. Všeobecne sa dá povedať, že celulóza je hlavným zdrojom uhľohydrátov, lignín pyroooleja obsahujúceho hlavne fenoly, kým pyroolej z hemicelulózy obsahuje hlavne kyseliny, ketóny a aldehydy. Obsah dechtu v produktoch pyrolýzy sa znižuje so zvyšovaním teploty, pričom výťažky pyroplynu a pyrooleja sa tiež zvyšujú so zvyšovaním teploty pyrolýzy, ale len do určitej teploty, po prekročení ktorej dochádza k poklesu výťažkov pyrooleja. Maximálne výťažky pyrooleja pre celulózu, hemicelulózu a lignín sú v danom poradí 65, 53 a 40 , pri optimálnych teplotách v danom poradí 400 °C, 450 °C a 500 °C. Na získanie zovšeobecneného vzťahu pre výťažky pyrooleja od zloženia jednotlivých zložiek v biomase sa vykonalo mnoho experimentov, z výsledkov ktorých sa odvodil a následne potvrdil zákon aditivity pre predpoveď tvorby produktov, ktorý s uspokojivou presnosťou (do 10 relatívnych) predpovedá trend výťažkov.Poznanie závislosti charakteristiky suroviny a podmienok termochemického procesu je najpodstatnejším krokom na pochopenie mechanizmu pyrolýzy pri použití reálnych surovín z biomasy a optimalizácie prevádzkových premenných procesu. Jeden z najdôležitejších cieľov pyrolýzy biomasy V prevádzkových podmienkach je výroba takých produktov, ktorých ďalšie použitie je ekonomicky zdôvodnené. Táto podmienka si nutne vyžaduje optimalizáciu podmienok pyrolýzy, čo pri charakteristikách jednotlivých druhov biomasy je extrémne komplikované, ba až neúnosné. Z takéhoto hodnotenia sa ukazuje vhodnejším riešením pripraviť umelé zloženie suroviny (v prírode sa nevyskytujúce) zmiešaním dvoch alebo viacerých typov biomasy, ktoré by podľa teoretického výpočtu malo s čo najväčšou pravdepodobnosťou zabezpečiť vhodnú kvalitu a požadovanú výťažnosť pyrolýznych produktov na plánované použitia.Doterajšie spôsoby spočívali v jednoduchej úprave veľkosti častíc pre danú surovinu, čiže spracovávali len jeden druh biomasy, ktorý má charakteristické prírodné zloženie z hľadiska obsahu celulózy, hemicelulózy a lignínu. Pre využiteľnosť jednotlivých transformačných produktov je zrejmé, že pre každý druh spracovanej dendromasy, resp. fytomasy je Veľmi ťažko nájsť alebo sa vôbec nenašli optimálne prevádzkové podmienky pyrolýzy na dosiahnutie zámeru. Na druhej strane prevádzkové skúsenosti získané z pyrolýzy s jedným druhom biomasy pravdepodobne nemusia byť platné pre ten istý druh biomasy z iných pestovateľských a klimatických podmienok.Podstata technického riešenia Podľa tohto riešenia sa spôsob cielenej výroby zmesi z rôznych druhov biomasy s daným zložením hlav ných zložiek (celulózy, hemicelulózy alignínu) a danou fragmentáciou veľkosti častíc uskutočňuje tak, že sa upravujú, spracovávajú a zmiešavajú jednotlivé vybrané druhy biomasy. Vzniká tak zmesová surovina, po 10zostávajúca z jedného druhu dendromasy a prinajmenšom jedného druhu fytomasy V rôznych hmotnostných pomeroch s danými rozdielnymi charakteristickými zloženiami hlavných komponentov, zmes s umelým,V prírode sa nevyskytujúcim optimálnym zložením biomasy, ktorá je Vhodná pre daný zámer pyrolýzneho procesu.Spracovávanou dendromasou môžu byť drevné štiepky a drevný odpad, fytomasa môže byť tvorená predovšetkým slamou, ale môže byť tvorená aj širokou škálou odpadovej biomasy, akou je napríklad sypaný poľnohospodársky odpad vznikajúci pri zbere a Čistení obilnín, odpad vznikajúci v mlynoch, ako plevy, zrno atď. alebo odpad vznikajúci v drevospracujúcich podnikoch ako hobliny, či piliny.Predtým, ako dochádza k vzájonmému zmiešaniu dendro- a fytomasy, každá z týchto zložiek prechádza procesom predúpravy. K následnému vzájomnému premiešaniu potom dochádza vo viacerých stupňoch.Proces predúpravy slamy spočíva v tom, že je potrebné upraviť slamu ako vstupnú surovinu, ktorá je bud dodávaná ako voľná, teda nebalíkovaná (sypaná), alebo vo forme balíkov (hranatých alebo valcových). Hranaté baliky sú napríklad s bežnými rozmermi 1200 (ale aj 800 mm, v závislosti od nastavenia baliaceho stroja) X 1500 X 250 mm, kým valcovité balíky môžu mať rozmery (Ď 1200 X 1200, 1300, 1500 mm resp. 0 1500 X X 1230 mm. V prípade bahkov je tieto potrebné najskôr za pomoci vhodného zariadenia (napr. rozdružovača bahkov slamy) rozrušiť a z takto rozrušených balíkov uvoľnenú slamu následne podrviť. Častým javom, ktorý sa pozoruje na balíkoch sú vlhké škvrny, ktoré vznikajú pri uskladnení balíkov. Je preto výhodným zaradiť do procesu predúpravy slamy aj krok egalizácie, kedy sa eliminujú tieto vlhké škvrny a vo výpočtoch je potom možné pracovať s tzv. prirodzenou vlhkosťou slamy.Proces predúpravy dreveného odpadu spočíva v drvení a sekaní drevného odpadu za pomoci vhodného zariadenia, akým je napríklad štiepkovač, pričom následne dochádza k fragmentácii takto získaného drevného materiálu tak, aby sa získala frakcia 25 - 60 mm s prirodzenou vlhkosťou.V prípade, že sa použije ako vstupná surovina okrem slamy ešte jeden druh fytomasy, či už zrno, plevy,piliny, hobliny alebo iný drobnozrnný materiál, charakteristickými vlastnosťami je obsah vlhkosti do 25 a veľkosť v rozmedzí 0,1 - 5 mm pre piliny a hobliny a 1 - 15 mm pre zrná obilnín a plevy.Takto predupravený materiál sa vo vhodných hmotnostných pomeroch vzájonme dávkuje a premiešava v dvoch stupňoch. Prvý stupeň premíešavania sa dosiahne na vhodnom dopravníku, pričom následne dochádza k premiešavaniu v druhom stupni vo vhodnom zariadení typu drviča. V druhom stupni premiešania dochádza k takému vzájomnému premiešaniu jednotlivých zložiek, že dochádza k vytvoreniu homo génnej zmesi, pričom táto zmes prechádza v tomto procese fragmentáciou, sitovaním, premiešavaním a homo genizáciou. Súčasne dochádza k úbytku vlhkosti suroviny 5 až 10 hmotnostných. Uvedeným postupom sa získa zmesová surovina obsahujúca 5 až 95 hmotn. jednotlivých zložiek biomasovej zmesi, pričom z hľadiska obsahu celulózy, hemicelulózy a lignínu obsahuje každú z uvedených troch zložiek v rozsahu od 5 do 50 hmotn., výhodne 20 až 35 hmotn.Do násypky zariadenia sa navážilo 100 kg štiepky z bukového dreva, v sušine ktorého sa stanovila koncentrácia chlóru s hodnotou 80 mg/ 1 kg štiepky, čo znamená, že v 100 kg štiepky sa nachádza 8 g chlóru. Takisto do násypky zariadenia sa navážilo 100 kg jačmennej slamy, v sušine ktorej sa stanovila koncentrácia chlóru s hodnotou 4,5 g/1 kg slamy, čo znamená, že v 100 kg slamy sa nachádzalo 450 g chlóru. Po spracovaní obidvoch surovín a po ich zmiešaní vzniklo 200 kg zmesi, v ktorej je spolu 458 g chlóru, čo znamená priemernú koncentráciu 2,29 g chlóru na 1 kg zmesi, čiže 0,229 chlóru v zmesi.V tomto príklade bol hmotnostný pomer zmiešaných surovín 1 l, pričom stupeň homogenity pripravenej zmesi sme stanovili pomocou koncentrácie chlóru v sušine v desiatich vzorkách pripravenej zmesi s hmotnosťou cca 0,1 kg, ktoré boli náhodne odobrané z rôznych miest objemu zmesi. Analýza chlóru v jednotlivých surovinách a v ich zmesi bola zvolená preto, lebo koncentrácia chlóru v dendromase a fytomase je diametrálne rozdielna, v tomto prípade je to až 56-krát viac v prípade jačmennej slamy ako štiepky z bukového dreva, čo dovoľuje rozlišovať hmotnostné stavy jednotlivých zložiek v zmesi a porovnať ich s pomerom hmotností, ktoré sa nadávkovali. Odobraté vzorky boli pomocou laboratórneho kladivkového mlyna pomleté a homogenizované na veľkosť častíc 1 - 2 mm. Následne sa 1 g takto pripravenej vzorky stlačilo do pelety a vložilo do zariadenia na stanovenie chlóru podľa CEN/TS 15289. Spracovanie výsledkov analýz z odobraných vzoriek, stanovenie priemernej koncentrácie chlóru v zmesi, určenie strednej kvadratickej odchýlky a relatívnej chyby merania sú uvedené v tabuľke 2.Tab. 2 Stanovenie relatívnej chyby pri meraní koncentrácie chlóru V zmesi pri hmotnostnom pomere zložiek zmesi 1 1Stredná ikvadratická odchýlka 6Stanovené množstvo ClAko je možné z tabuľky 2 vidieť, priemerná hodnota koncentrácie chlóru z desiatich vzoriek zmesi je X 9 0,240 , čo je odchýlka 0,011 od vypočítanej priemernej hodnoty na základe vstupných podmienok, čo V týchto koncentračných rozmedziach stanovovaného chlóru je prípustná odchýlka. Relatívna chyba stanovenia koncentrácie chlóru medzi jednotlivými odobranými vzorkami je i 7,41 , čo je V medziach reprodukovateľnosti a opakovateľností metódy CEN/T S 15289, ktorá V koncentračnej oblasti chlóru nad 500 mg/kg má presnosť 10 z priemernej hodnoty. Na základe tejto analýzy je možné potvrdiť, že pripravená zmes štiepky z bukového dreva a jačmennej slamy vo váhovom pomere 1 1 je homogénna a spĺňa požadovanú kvalitu pre pyrolýzu.Do násypky sa navážilo 900 kg štiepky z bukového dreva, v sušine ktorého sa stanovila koncentrácia chlóru s hodnotou 80 mg/ 1 kg štiepky, čo znamená, že V 900 kg štiepky sa nachádza 72 g chlóru. Takisto do násypky sa navážilo 100 kg jačmennej slamy, V sušine ktorej sa stanovila koncentrácia chlóru s hodnotou 4,5 g/1 kg slamy, čo znamená, že V 100 kg slamy sa nachádzalo 450 g chlóru. Po spracovaní obidvoch surovín a po ich zmiešaní vzniklo 1000 kg zmesi, v ktorej je spolu 522 g chlóru, čo znamená koncentráciu 0,522 g chlóru na 1 kg zmesi, čiže 00522 chlóru V zmesi. V tomto príklade bol hmotnostný pomer zmiešaných surovín 9 z 1 V prospech štiepky, pričom stupeň homogenity pripravenej zmesi sme stanovili pomocou koncentrácie chlóru v sušine V desiatich vzorkách pripravenej zmesi s hmotnosťou cca 0,1 kg, ktoré boli náhodne odobrané z rôznych miest objemu zmesi. V príklade 2 bol zvolený taký prípad hmotnostných pomerov, V ktorom podiel jačmennej slamy pre koncentráciu chlóru v zmesi je len 6,25 -krát väčší ako podiel štiepky z bukového dreva,čo takisto dovoľuje určovať hmotnostné pomery jednotlivých zložiek V zmesi a porovnať ich s pomerom dávkovaných hmotností, ale s nižšou presnosťou ako V príklade 1. Spracovanie výsledkov analýz z odobraných vzoriek, stanovenie priemernej koncentrácie chlóru V zmesi, určenie strednej kvadratickej odchýlky a relatívnej chyby merania je uvedené V tabuľke 3.Tabuľka 3 Stanovenie relatívnej chyby pri meraní koncentrácie chlóru V zmesi pri hmotnostnom pomere zložiek 9 1 V prospech štiepkyOznačenie HĚŠKŽĚŠĚDĚI Ě Stĺtâĺinâdłšlł/IĚŤĚŽ- Relatívna chyba vzorky Xn c (GDŠJIOO) X 1 0,0474 0,0011 0,00000123 X 1 0,0496 -0,011 0,00000119 X 3 0,0456 0,0029 000000847 X 4 00472 00013 000000172 X 5 0,05 25 -0,0040 000001592 X 6 00469 09016 0,000002590,00006265 0,00791517 0,00791517 i 16,32 X 7 00531 -0,0046 0,00002107 Xg 00459 0,0026 000000681 X 9 00417 00014 000000199 Xm 00498 -00013 000000166 Xú 00485 000006265

MPK / Značky

MPK: C10L 5/40, C10L 5/48, C10L 5/44

Značky: zmesí, použitie, spôsob, přípravy, biomasovej, biomasová

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/7-u7176-sposob-pripravy-biomasovej-zmesi-biomasova-zmes-a-jej-pouzitie.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob prípravy biomasovej zmesi, biomasová zmes a jej použitie</a>

Podobne patenty