Способ и устройство для обработки биомассы

Способ и устройство для обработки биомассы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к способу обработки биомассы с помощью системы торрефикации. В этом случае биомасса, которая содержит некоторое количество влаги, помещается в торрефикационную систему. Биомасса, содержащая влагу, нагревается до температуры торрефикации по меньшей мере 180°C в торрефикационной системе, в которой биомасса, содержащая влагу, практически полностью высушивается за счет выпаривания влаги, а высушенная биомасса торрефицируется по меньшей мере частично с образованием торрефицированной биомассы.

В данной патентной заявке термин «биомасса» понимают как обозначение какого-либо органического материала. Биомасса присутствует в биодеградирующих промышленных и бытовых отходах, таких как отходы древесины и бумажные отходы. Кроме того, биодеградирующие продукты, отходы и остатки сельского хозяйства и другой промышленности содержат биомассу, например скошенную траву и срезанные ветви деревьев.

Существует возможность получения экологичной энергии путем совместного сжигания биомассы на электростанциях. Однако энергетическая инфраструктура электростанций, сжигающих уголь, основана на угле как на топливе. Биомасса не может сжигаться на электростанциях, сжигающих уголь, без предварительной обработки, поскольку свойства биомассы существенно отличаются от таковых угля. Например, способность к распылению, распыление и низшая теплота сгорания топлива биомассы недостаточны для совместного сжигания биомассы на электростанциях, сжигающих уголь, без предобработки. В дополнение, удельная энергоемкость биомассы существенно ниже, чем удельная энергоемкость угля, что делает логистику и хранение биомассы относительно дорогим, и, кроме того, широкий диапазон типов биомассы исключает масштабную стандартизацию топлива из биомассы, что препятствует созданию глобального рынка топлива из биомассы.

Известно, что для того чтобы сделать биомассу более пригодной в качестве топлива для совместного сжигания на электростанциях, сжигающих уголь, биомассу предобрабатывают, например путем торрефикации (низкотемпературного пирролиза). Торрефикация представляет собой способ термической предобработки биомассы, который может быть применен ко всем видам биомассы. В ходе процесса торрефикации биомасса нагревается, обычно при атмосферном давлении, до температуры торрефикации 180-350°C при низком уровне кислорода до состояния бескислородной газовой среды. Субстехиометрическое количество кислорода предупреждает воспламенение биомассы. Вместо этого биомасса «поджаривается», что приводит к уменьшению массы благодаря дегазированию. Потеря массы обычно меньше, чем потеря энергии, что приводит к увеличению удельной энергоемкости. После того как биомасса была торрефицирована, количество энергии на единицу массы увеличивается. Торрефицированная биомасса образует топливо из биомассы с высокой теплотворной способностью. Например, когда потеря массы составляет приблизительно 30%, удельная энергоемкость уменьшается только на 10%.

Торрефикация приводит к химическим модификациям структуры биомассы. Биомасса утрачивает свою механическую прочность и упругость, вследствие чего значительно увеличивается способность к распылению. Благодаря распылению и последующему сжатию торрефицированной биомассы количество энергии на единицу объема увеличивается, так что удельная энергоемкость может стать схожей с таковой угля. В дополнение, торрефицированная биомасса гидрофобна, вследствие чего способна лучше выдерживать воздействия воды или атмосферной влажности. Риск разложения и перегрева при хранении топлива из биомассы, полученного путем торрефикации, минимален.

В целом, биомасса содержит несвязанную и связанную воду. Невысушенная биомасса почти всегда имеет содержание влаги по меньшей мере 8% по массе. Однако содержание влаги в природной биомассе может также составлять, например, более чем 50% по массе. Следовательно, перед процессом торрефикации биомасса содержит значительное количество влаги. Удаление влаги из биомассы до достижения температуры торрефикации по меньшей мере в 180°C является важной стадией и с технической, и с экономической точек зрения. Для биомассы, имеющей относительно высокое содержание влаги, например более чем 20%, известно предварительное высушивание, так чтобы содержание влаги снизилось до 10-20%.

После возможного предварительного высушивания биомасса загружается в торрефикационную систему, в которой биомасса нагревается известными способами до температуры торрефикации по меньшей мере 180°C. Перед торрефикацией биомассы в ней присутствуют частицы, причем упомянутые частицы биомассы, содержащие влагу, должны быть высушены практически полностью путем выпаривания влаги из частиц биомассы. Частицы биомассы, следовательно, проходят через диапазон нагревания, который начинается, например, между 0-150°C и который заканчивается в температурном диапазоне торрефикации. В ходе прохождения в диапазоне нагревания влага выпаривается из биомассы до того, что биомасса практически полностью высушивается: содержание влаги в этом случае падает до такого низкого уровня, как 0-5%.

Таким образом, биомасса сначала нагревается до температуры высушивания, которая составляет приблизительно между 50-150°C. В ходе выпаривания влаги биомасса остается при температуре высушивания (фаза высушивания). Когда влага выпарена из биомассы, температура биомассы может быть повышена до температуры торрефикации. Собственно торрефикация биомассы начинается, только когда температура биомассы превышает приблизительно 180°C (фаза торрефикации). Температура, при которой начинается торрефикация биомассы, зависит, например, от типа биомассы. Биомасса нагревается до более высокой температуры торрефикации, такой как по меньшей мере 260°C. Когда биомасса торрефицируется полностью, торрефицированная биомасса охлаждается.

Нагревание биомассы до температуры торрефикации требует сравнительно большого количества энергии вследствие того факта, что влага, которая еще присутствует в биомассе в начале процесса нагревания, должна быть выпарена. Когда желаемая температура торрефикации достигнута, собственно торрефикация частиц биомассы требует сравнительно небольшого количества энергии. Емкость технологии торрефикации (масса биомассы, которая торрефицируется за единицу времени), следовательно, определяется нагреванием биомассы и сопровождающимся выпариванием влаги из биомассы.

Известны различные способы того, как выпарить влагу из биомассы и торрефицировать высушенную биомассу, такие как способ, при котором несколько торрефикационных реакторов прямого нагрева типа идеального реактора с непрерывным механическим перемешиванием (Continuous Ideally Stirred-Tank Reactor, (CISTR)) соединены в каскад. В таком реакторе перенос тепла имеет место путем прямого контакта между частицами биомассы и нагревающим агентом, таким как горячий газ. В этом случае энергия, требующаяся для выпаривания влаги из биомассы и торрефикации высушенной биомассы, обеспечивается путем подачи горячего газа, который приходит в прямой контакт с частицами биомассы. Благодаря высокой проницаемости газа в биомассу через биомассу может быть пропущено относительно большое количество горячего газа.

В торрефикационном реакторе типа CISTR возможно достигнуть хорошего переноса тепла путем интенсивного перемешивания. В то же время имеет место разброс времени нахождения в торрефикационном реакторе типа CISTR в результате того, что не все частицы биомассы имеют одинаковую историю по времени/температуре. Это может приводить к различиям в качестве продукта между частицами торрефицированной биомассы и даже к неторрефицированным частицам биомассы. Для обеспечения того, чтобы все частицы биомассы оказались в значительной степени торрефицированы, несмотря на разброс времени пребывания в торрефикационном реакторе типа CISTR, несколько таких торрефикационных реакторов типа CISTR прямого нагрева объединяют в каскад. Если частица биомассы в первом торрефикационном реакторе типа CISTR не торрефицировалась или торрефицировалась недостаточно, существует лишь небольшой риск, что такая частица биомассы останется неторрефицированной или останется недостаточно торрефицированной после прохождения через последовательные торрефикационные реакторы типа CISTR.

Однако температурный контроль в торрефикационной системе, содержащей несколько соединенных в каскад торрефикационных реакторов типа CISTR, не является оптимальным. Кроме того, для установки торрефикационной системы требуется высота, например, приблизительно 30-40 метров. В дополнение, требуется система отводных труб или других транспортных средств для переноса частиц биомассы из одного торрефикационного реактора в следующий торрефикационный реактор.

Целью данного изобретения является предоставление улучшенного способа обработки биомассы.

По данному изобретению эта цель достигается способом обработки с помощью торрефикационной системы, где торрефикационная система содержит первое устройство обработки и второе устройство обработки, при этом способ содержит:

- подачу биомассы, которая содержит некоторое количество влаги, в первое устройство обработки торрефикационной системы,

- нагрев биомассы, содержащей влагу, в первом устройстве обработки торрефикационной системы до температуры торрефикации между 260-310°C в течение первого периода времени, в течение которого биомасса, содержащая влагу, практически полностью высушивается путем выпаривания влаги, и высушенная биомасса по меньшей мере частично торрефицируется с образованием торрефицированной биомассы,

- удаление указанной по меньшей мере частично торрефицированной биомассы из первого устройства обработки после первого периода времени,

- подачу биомассы, удаленной из первого устройства обработки, во второе устройство обработки,

- содержание биомассы, поданной во второе устройство обработки, во втором устройстве обработки при температуре между 230-280°C в течение второго периода времени, который длительнее, чем первый период времени.

Биомасса образована твердыми частицами биомассы. Биомасса, содержащая влагу, нагревается в торрефикационной системе, предпочтительно при субстехиометрическом количестве кислорода, в первом устройстве обработки до предустановленной температуры торрефикации, которая составляет между 260-310°C, предпочтительно между 270-310°C. По данному изобретению биомассу высушивают в первом устройстве обработки в течение первого периода времени, предпочтительно при субстехиометрическом количестве кислорода, и нагревают до температуры в заданном диапазоне температур торрефикации. Таким образом, частицы биомассы также по меньшей мере частично торрефицируются, то есть часть частиц биомассы торрефицирована, а часть частиц биомассы - еще нет или еще не полностью торрефицирована к моменту выхода из первого устройства обработки.

Биомасса остается в первом устройстве обработки только в ходе первого периода времени. Сразу после первого периода времени в первом устройстве обработки по меньшей мере частично торрефицированная биомасса переносится во второе устройство обработки. В этом случае возможно, что по меньшей мере частично торрефицированная биомасса проходит стадию временного охлаждения после первого периода времени в первом устройстве обработки перед перемещением во второе устройство обработки. Эта стадия временного охлаждения может иметь место, например, в промежуточном охлаждающем устройстве.

Во втором устройстве обработки биомасса содержится при заданной температуре торрефикации, которая составляет между 230-280°C при субстехиометрическом количестве кислорода в течение второго периода времени, который продолжительнее, чем первый период времени. Субстехиометрическое количество кислорода означает, что торрефикация биомассы во втором устройстве обработки проводится в среде с низким содержанием кислорода или вплоть до бескислородной. Содержание биомассы при желаемой температуре торрефикации в ходе второго периода времени во втором устройстве обработки обеспечивает то, что все частицы биомассы в значительной степени торрефицируются с образованием высококачественного топлива из биомассы.

По данному изобретению торрефикация биомассы завершается после торрефикации биомассы во втором устройстве обработки. Предпочтительно биомасса затем существенно охлаждается, например до температуры приблизительно 80°C или ниже. В одном из вариантов осуществления торрефицированная и охлажденная биомасса распыляется в распыляющем устройстве и, если требуется, спрессовывается с образованием сформированных частей биомассы, например гранул.

Данное изобретение делает возможным разделение, с одной стороны, стадий высушивания и нагревания и, с другой стороны, стадии торрефикации по условиям технологического процесса. В результате этого и первое устройство обработки, и второе устройство обработки могут быть оптимизированы для той стадии, которая должна быть выполнена в каждом из них. Следовательно, может быть использована комбинация одного или более реакторов первого типа в качестве первого устройства обработки и одного или более реакторов второго типа в качестве второго устройства обработки. Существует возможность обеспечить, чтобы такая комбинация оптимальным образом соответствовала потребностям стадии высушивания и нагрева и стадии торрефикации в процессе торрефикации. Реактор или реакторы первого типа могут удовлетворять требованиям по энергетике процесса, тогда как качество торрефицированного продукта может быть обеспечено реактором или реакторами второго типа. В результате этого способ по данному изобретению представляет собой процесс, который может быть сравнительно быстро и легко развернут и который может контролироваться особенно хорошо путем контроля температуры во втором устройстве обработки. В дополнение, затраты на энергию относительно низки.

Благодаря вышеупомянутым температурным диапазонам температуры торрефикации в первом устройстве обработки и во втором устройстве обработки и дополнительной промежуточной стадии охлаждения получаемое топливо из биомассы имеет особенно полезные свойства, что будет объяснено ниже.

Биомасса состоит главным образом из полимеров целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. В ходе торрефикации целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин проходят реакции разложения, приводящие к изменению свойств биомассы. Целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин проходят различные реакции разложения. В дополнение, целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин имеют различную степень реактивности в торрефикационном температурном режиме. Механизмы разложения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина как функции температуры могут быть подразделены на: А) высушивание, В) стеклование и (или) пластификацию, С) деполимеризацию и реконденсацию, D) ограниченное дегазирование и углефикацию и Е) интенсивное дегазирование и углефикацию.

В вышеупомянутых механизмах разложения А), В) и С) имеет место сравнительно малая потеря массы, главным образом желаемое дегазирование, при которой образуются CO₂ и H₂O. CO₂ и H₂O не имеют теплотворной способности, и, следовательно, это дегазирование влияет на потерю массы, но не или почти не - на потерю энергии. В вышеупомянутом механизме D) потеря массы увеличивается, а в Е) реакция разложения протекает сравнительно быстро. В ходе реализации механизмов разложения D) и Е) сравнительно большое количество энергии переходит в газовую фазу, и калорийность биомассы снижается.

Реактивности целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы значительно различаются. Гемицеллюлоза является наиболее термически нестабильной и претерпевает дегазирование и углефикацию между, например, приблизительно 200-280°C. Целлюлоза сравнительно более стабильна и претерпевает дегазирование и углефикацию в температурном диапазоне, например, приблизительно 250-360°C. Разложение обоих полимеров характеризуется ясно выраженным пиком в скорости разложения. Разложение лигнина начинается, например, приблизительно при 200°C, а затем протекает сравнительно медленно. Когда температура возрастает, скорость разложения увеличивается с умеренной скоростью. Только при температурах выше приблизительно 280°C имеет место значительный пик дегазирования, хотя скорость реакции в этом случае меньше, чем скорость реакции, наблюдающаяся для двух других полимеров. Упомянутые температуры могут некоторым образом различаться для каждого типа биомассы и также зависеть от, например, формы биомассы.

Чтобы получить из биомассы топливо, имеющее оптимальные свойства, желательно, чтобы уменьшение массы после процесса торрефикации было насколько возможно большим, а потеря энергии была насколько возможно ограничена при том, чтобы также достигались и другие желаемые свойства, такие как улучшенная распыляемость. Улучшенные свойства достигаются главным образом за счет существенного разложения гемицеллюлозы и деполимеризации целлюлозы. Это приводит к тому, что биомасса утрачивает свою целостность, что приводит к, например, улучшению распыляемости и более высокой низшей теплотворной способности торрефицированного продукта.

Известно использование сравнительно длительного времени прохождения процесса торрефикации. Время пребывания в известной торрефикационной системе - это сумма периода фазы высушивания, фазы нагревания и фазы торрефикации. Время торрефикации - это время периода, в ходе которого биомассу содержат при температуре по меньшей мере 180°C, то есть время периода фазы торрефикации. В предшествующем уровне техники время торрефикации обычно составляет более чем 15-30 минут, что означает, что в известной торрефикационной системе общее время пребывания (период времени на фазу высушивания, фазу нагревания и фазу торрефикации суммарно) заметно превышает 30 минут. Выход массы при таком времени пребывания и температуре приблизительно 280°C составляет порядка 80%-90% массы сухой неторрефицированной биомассы. Потеря массы в основном вызвана разложением гемицеллюлозы.

Неожиданно согласно данному изобретению было обнаружено, что разложение гемицеллюлозы может проходить намного быстрее, чем это известно из предшествующего уровня техники. С помощью высоких скоростей нагревания возможно достигнуть выхода массы в 80-90% при температуре торрефикации, например, 280°C и при времени торрефикации менее чем 300 секунд, предпочтительно менее чем 180 секунд. Так как реактивность гемицеллюлозы существенно выше, чем реактивность целлюлозы и лигнина, разложение целлюлозы и лигнина при таком коротком времени реакции может быть в значительной степени предотвращено.

По способу согласно данному изобретению делается различие между разложением гемицеллюлозы и разложением двух других полимеров. В первую очередь биомасса в первом устройстве обработки нагревается до температуры торрефикации, которая составляет между 260-310°C, предпочтительно между 270-310°C. В этом случае разложение целлюлозы и лигнина в основном предотвращается, и потеря энергии остается ограниченной. Вследствие переноса биомассы во второе устройство обработки при температуре торрефикации, которая составляет между 230-280°C, и поддержании ее в этом диапазоне дальнейшее разложение целлюлозы и лигнина остается в значительной степени ограниченным до деполимеризации и реконденсации. В этом случае образуется сравнительно большое количество CO₂ и H₂O, что приводит к уменьшению массы, тогда как энергия торрефицированного продукта сохраняется. В дополнение, при этом повышается концентрация лигнина, который неожиданным образом остается интактным до такой степени, что его пластические и связывающие свойства могут быть использованы для максимального эффекта при уплотнении биомассы. Биомасса, которая торрефицирована по данному изобретению, таким образом, приобретает улучшенную энергоемкость, улучшенную распыляемость и улучшенные гидрофобные свойства.

Предпочтительно по данному изобретению температура торрефикации в первом устройстве обработки установлена на температуры между 270-310°C, или между 260-290°C, или между 270-290°C.

Температура торрефикации во втором устройстве обработки предпочтительно составляет между 230-260°C.

По данному изобретению возможно, что первый период времени составляет максимум 10 минут, предпочтительно - максимум 3 минуты. В первом устройстве обработки частицы биомассы высушиваются за первый период времени и нагреваются до упомянутой предустановленной температуры торрефикации. Следовательно, фазы высушивания и нагревания сравнительно коротки. В результате этого разложение целлюлозы и лигнина в первом устройстве обработки в основном предотвращается, и потеря энергии остается ограниченной. После того как частицы биомассы достигают упомянутой температуры торрефикации в первом устройстве обработки, частицы биомассы тщательно нагреваются во втором устройстве обработки в течение сравнительно длительного второго периода времени, если требуется - после временного охлаждения. Второй период времени может составлять по меньшей мере 3 минуты, предпочтительно по меньшей мере 5 минут, например по меньшей мере 10 минут или по меньшей мере 20 минут.

По данному изобретению возможно, чтобы биомасса во втором устройстве обработки содержалась при температуре, которая ниже, чем высшая температура, которой биомасса достигла в первом устройстве обработки. Это дает особенно полезные свойства торрефицированного продукта.

В варианте осуществления данное изобретение включает в себя охлаждение в ходе переноса из первого устройства обработки во второе устройство обработки, в частности, если температура, которая достигается во втором устройстве обработки, ниже, чем наивысшая температура, которую биомасса имеет в первом устройстве обработки. Упомянутое охлаждение может быть предпочтительно выполнено таким образом, что охлажденная биомасса имеет температуру между 230-250°C, например 240°C. В результате этого, например, возможно привести биомассу в прямой контакт с особенно горячим газом в первом устройстве обработки в ходе короткого периода времени, который запускает быстрый прогресс в процессах упомянутой фазы. Последующая фаза охлаждения затем приводит к снижению температуры и, таким образом, влияет на процессы в биомассе, в частности на разложение целлюлозы и лигнина, что является предпочтительным для развития процесса торрефикации во втором устройстве обработки и для качества продукта из торрефицированной биомассы. Стадия охлаждения предпочтительно реализуется путем приведения частиц биомассы в прямой контакт с охлаждающим газом.

Охлаждение может происходить вблизи от выхода первого устройства обработки непосредственно после загрузки во второе устройство обработки и (или) в промежуточном положении. В варианте выполнения первого и (или) второго устройства обработки, в котором биомасса приведена в контакт с горячим газом на псевдоожиженном слое, охлаждающий газ может быть подан локально для дополнительного охлаждения, так что часть слоя охлаждает проходящие частицы биомассы. Также возможно предоставить отдельное охлаждающее устройство с псевдоожиженным слоем между первым и вторым устройствами обработки.

По данному изобретению первое устройство обработки может быть организовано различными путями. По данному изобретению, например, возможно нагревать биомассу до температуры торрефикации в первом устройстве обработки путем подачи горячего газа в первое устройство обработки, где он приходит в прямой контакт с биомассой. В этом случае горячий газ может быть подан в первое устройство обработки таким образом, что частицы биомассы в первом устройстве обработки псевдоожижены. В результате перенос тепла между биомассой и горячим газом является особенно хорошим.

Первое устройство обработки по данному изобретению может быть, например, устроено по принципу идеального реактора с непрерывным механическим перемешиванием (CISTR). Примером реактора CISTR является реактор с псевдооженным слоем, таким как «пузырьковый кипящий слой» или «тороидальный кипящий слой». Первое устройство обработки содержит, например, реактор прямого нагрева типа CISTR или два соединенных в каскад реактора прямого нагрева типа CISTR. Фазы высушивания и нагрева протекают относительно быстро, так что биомасса достигает температуры торрефикации по меньшей мере 180°C относительно быстро.

В конкретном варианте выполнения первое устройство обработки снабжено кольцеобразной камерой обработки, которая в значительной степени определяет вертикальную ось, причем камера обработки содержит ввод для частиц биомассы, выход для частиц биомассы и поддон, где поддон снабжен отверстиями для ввода, которые ведут вверх в камеру обработки, предпочтительно наклонно по отношению к вертикальной оси, и в камере обработки горячий газ подается во входные отверстия для образования псевдоожиженного слоя частиц биомассы в поддоне, которые смещаются в периферическом направлении кольцевой камеры обработки. Такой тороидальный реактор с кипящим слоем известен, например, из WO 99/16541. При использовании тороидального реактора с кипящим слоем перенос тепла между подаваемым горячим газом и биомассой особенно хорош.

По данному изобретению горячий газ, который подается в первое устройство обработки, может содержать по меньшей мере 2% кислорода по объему, предпочтительно по меньшей мере 5% кислорода по объему или по меньшей мере 6% по объему, и этот горячий газ предпочтительно содержит максимум 20% кислорода по объему, предпочтительно 16% кислорода по объему или максимум 12% по объему. Процент кислорода по объему, следовательно, лежит между 2-20%, 2-16%, 2-12%, 5-20%, 5-16%, 5-12%, 6-20%, 6-16% или 6-12%. В данном описании термин «кислород» понимают в значении молекулы или газа O₂.

Согласно известным способам торрефикации, торрефикация биомассы в целом имеет место в низкокислородной вплоть до бескислородной (инертной) атмосфере. Присутствие кислорода может вести к частичному окислению биомассы, что приводит к снижению выхода продукта и качества продукта. В дополнение, присутствие кислорода ведет к риску повышения температуры в ходе фазы торрефикации, так что температура может хуже контролироваться. В связи с желаемым низким содержанием кислорода из предшествующего уровня техники известно применение инертного газа или специфического для процесса торрефикации газа в торрефикационном реакторе прямого нагрева. Отработанные газы, которые образуются, например, в процессах сжигания, обычно являются доступными и недорогими. Однако по известным способам торрефикации в торрефикационном реакторе прямого нагрева отработанные газы не могут быть использованы как нагревающий агент без обработки, поскольку отработанные газы содержат слишком много кислорода, например 5-6% кислорода по объему, для известных способов торрефикации. Однако по данному изобретению и в отличие от предшествующего уровня техники эти доступные недорогие отработанные газы с относительно высоким содержанием кислорода могут быть использованы для нагревания биомассы в первом устройстве обработки.

По данному изобретению биомасса в первом устройстве обработки нагревается за сравнительно короткое время, например за менее чем 300 секунд, до температуры торрефикации, которая находится в диапазоне, связанном с первым устройством обработки. В первом устройстве обработки, в котором частицы биомассы находятся в прямом контакте с нагревающим агентом, предпочтительно горячим газом, было неожиданно обнаружено по данному изобретению, что нагревающий агент, предпочтительно горячий газ, может иметь относительно высокое содержание кислорода, например 2% кислорода по объему, или 5% кислорода по объему, или 6% по объему. Представляется, что присутствие такого количества кислорода на этой фазе не имеет или вряд ли имеет какие-либо неблагоприятные влияния на процесс торрефикации и торрефицированный продукт. Это возможно, поскольку биомасса претерпевает на этой фазе существенное дегазирование, в результате чего поток образующегося газа присутствует вокруг частиц биомассы. Соединения, которые образуются на первоначальной фазе процесса торрефикации, главным образом представляют собой H₂O и CO₂ и низкие концентрации соединений с низкой воспламеняемостью. Вследствие того факта, что горячий газ, который приходит в прямой контакт с частицами биомассы в первом устройстве обработки, может по данному изобретению иметь упомянутый относительно высокий процент кислорода, по данному изобретению возможно использовать недорогие доступные отработанные газы или другие газы с относительно высоким содержанием кислорода для нагревания биомассы в первом устройстве обработки.

По данному изобретению второе устройство обработки может быть организовано различными путями. Второе устройство обработки по данному изобретению может, например, быть устроено в соответствии с принципом реактора идеального вытеснения. В реакторе идеального вытеснения все частицы биомассы имеют практически одинаковую историю по времени/температуре. Примером реактора идеального вытеснения является реактор со скользящим стационарным слоем или винтовой реактор.

В варианте осуществления данного изобретения возможно, чтобы биомасса во втором устройстве обработки содержалась в упомянутом температурном диапазоне в ходе второго периода времени путем подачи горячего газа во второе устройство обработки, который приходит в непосредственный контакт с биомассой во втором устройстве обработки. Горячий газ, который подается во второе устройство обработки, предпочтительно содержит максимум 3% кислорода по объему, особенно предпочтительно - максимум 2% кислорода по объему. Горячий газ, который подается во второе устройство обработки, представляет собой, например, инертный газ.

После того как по меньшей мере частично торрефицированная биомасса перемещена во второе устройство обработки, биомасса содержится при температуре торрефикации в упомянутом диапазоне во втором устройстве обработки в ходе второго периода времени. В результате более длительного времени торрефикации по сравнению с первой фазой возможны реакции углефикации во втором устройстве обработки, которые запускают реакции окисления, в частности поскольку продукты газового разложения, которые выделяются после первичного дегазирования, являются более горючими. Этот феномен известен как самовоспламенение или саморазогрев и наблюдается, если тепло сохраняется в биомассе в течение продолжительного периода времени. Путем использования инертного или низкокислородного газа, имеющего содержание кислорода максимум 3% по объему, предпочтительно максимум 2% по объему в качестве горячего газа во втором устройстве обработки, по данному изобретению возможно поддерживать биомассу при желаемой температуре торрефикации в упомянутом диапазоне путем прямого нагревания, практически предупреждая углефикацию.

Вторая камера обработки может содержать единственную камеру обработки биомассы, но может, если желательно, также содержать несколько камер обработки, соединенных в каскад.

По данному изобретению возможно во втором устройстве обработки сформировать трубчатое пространство, имеющее длину и диаметр, причем длина трубчатого пространства больше или равна диаметру трубчатого пространства. В этом случае турбулентный поток горячего газа, который находится в прямом контакте с частицами биомассы во втором устройстве обработки, может распространяться по всей поверхности поперечного сечения второго устройства обработки, так что перенос тепла является благоприятным.

В качестве альтернативы прямому нагреванию по данному изобретению возможно, чтобы биомасса во втором устройстве обработки содержалась в упомянутом температурном диапазоне в ходе второго периода времени нагревающим агентом, например горячим газом, который отделен от биомассы во втором устройстве обработки с помощью разделительной стенки и находится с биомассой в теплообменном контакте во втором устройстве обработки через разделительную стенку. Второе устройство обработки в этом случае организовано для непрямой подачи тепла к биомассе во втором устройстве обработки. Поскольку нагревающий агент в этом случае не находится в контакте с биомассой, которая торрефицируется во втором устройстве обработки, присутствие кислорода в нагревающем агенте не является ограничением.

Например, второе устройство обработки снабжено вводом для подающихся частиц биомассы, выводом для выхода частиц биомассы и перемещающим устройством для движения частиц биомассы от ввода к выводу. Устройство перемещения представляет собой, например, винтовое или иное механическое перемещающее устройство, которое двигает частицы биомассы через второе устройство обработки. Предпочтительно, чтобы биомасса постоянно двигалась с помощью механического перемещающего устройства в ходе обработки во втором устройстве обработки. В качестве альтернативы механическое перемещающее устройство может быть исключено, и в этом случае биомасса во втором устройстве обработки транспортируется с помощью потока газа.

В варианте осуществления по данному изобретению первое устройство обработки содержит высушивающее устройство и торрефикационное устройство, в которых биомасса, содержащая влагу, высушивается практически полностью в высушивающем устройстве, предпочтительно максимум за 3 минуты, и в котором высушенная биомасса перемещается из высушивающего устройства в торрефицирующее устройство, и в котором высушенная биомасса по меньшей мере частично торрефицируется в торрефицирующем устройстве первого устройства обработки, предпочтительно в течение максимум 3 минут. В этом случае высушивание и нагревание биомассы до температуры торрефикации выполняется в две стадии. Сначала биомасса высушивается практически полностью в высушивающем устройстве, так что содержание влаги в биомассе в высушивающем устройстве падает до 0-5%. В высушивающем устройстве биомасса достигает температуры, например, которая составляет между 80-180°C, такая как температура максимум в 150°C. Однако биомасса может также быть нагрета до более высокой температуры в высушивающем устройстве, до такой как максимум 180°C или максимум 200°C. Процесс высушивания длится, например, менее чем 3 минуты или даже менее чем 1 минута. Затем биомасса нагревается в торрефикационном устройстве до упомянутой температуры торрефикации, которая составляет между 260-310°C. Время пребывания в этом торрефикационном устройстве предпочтительно составляет также менее чем 3 минуты или даже менее чем 1 минуту.

В этом случае возможно, чтобы и высушивающее устройство, и торрефицирующее устройство первого устройства обработки были снабжены кольцевой камерой обработки, которая определяет в основном вертикальную ось, причем камера обработки содержит ввод для частиц биомассы, вывод для частиц биомассы и поддон, где поддон снабжен вводными отверстиями, которые ведут вверх в камеру обработки, предпочтительно наклонно по отношению к вертикальной оси, по которым горячий газ подается во входные отверстия для образования псевдоожиженного слоя частиц биомассы в поддоне, который перемещается в поддоне в периферическом направлении кольцевой камеры, например, с помощью перемещающего устройства или потоком газа. В этом варианте осуществления и высушивающее устройство, и устройство торрефикации, например, устроены как тороидальный реактор с кипящим слоем, в котором поддон образован наклонно поставленными пластинами, между которыми образовано вводное отверстие, через которое горячий газ проходит снизу в псевдоожиженный слой частиц биомассы, который расположен выше пластин и, таким образом, также двигает частицы в направлении кольцевой камеры. В тороидальном реакторе с кипящим слоем частицы биомассы могут быть очень быстро высушены и (или) нагреты до желаемой температуры.

Вариант осуществления способа по данному изобретению содержит подачу биомассы, которая содержит исходное количество влаги в камеру предва