Уже более десяти лет многочисленные научно-исследовательские институты, правительственные учреждения и частные предприятия сосредоточили свои усилия на технологии обжига с целью доведения ее до жизнеспособного коммерческого статуса.

Об этом пишет Biomassmagazine.

После коммерциализации торрефикация сыграет решающую роль в переходе нашего общества к циркулярной экономике, где углеродсодержащие материалы будут рециркулироваться, снижая общие выбросы углерода и борясь с изменением климата.

Положительные моменты торрефикации

Обжигание долгое время считалось следующим логическим шагом в производстве инженерного топлива из биомассы, которое из-за своих передовых характеристик могло бы заменить белые древесные гранулы.

Уплотненная торрефицированная биомасса отличается:

• более низким содержанием влаги;
• более высокой плотностью энергии;
• большей объемной плотностью;
• гидрофобностью;
• устойчивостью к биологической активности;
• улучшенной измельчаемостью;
• относительно равномерным распределением частиц по размерам.

Эти характеристики приводят к более низким транспортным расходам, намного более высоким ставкам cofiring и более низкой стоимостью. Именно по этим причинам торрефикации уделяется так много внимания.

Но несмотря на предполагаемые успехи торрефикации, в действительности этого не произошло. Были потрачены миллионы долларов без единого примера крупномасштабного непрерывного коммерческого успеха. Инвесторы разочаровались, и многие потенциальные клиенты почти отказались от идеи, что торрефикация когда-либо будет коммерциализирована. Почему же так произошло?

Давайте вначале рассмотрим то, что не препятствует коммерциализации торрефикации. Это невысокие капитальные затраты, которые примерно равны капитальным затратам, связанным с белыми древесными гранулами. Это невысокие эксплуатационные расходы — они примерно такие же, как и у белых древесных гранул. Это также не имеет дополнительных затрат на сырье — процесс обжига может экономично использовать те же виды сырья, которые используются при производстве древесных гранул, а также дополнительное сырье, которое обычно не используется производителями белых древесных гранул.

Так что же помешало коммерциализации торрефикации, несмотря на то, что в течение такого времени было приложено столько усилий? Ответ на этот вопрос сосредоточен вокруг одной основной технологической проблемы. Неспособность надлежащим образом решить эту проблему приводит к проблемам со стабильностью процесса, надежностью и безопасностью системы.

Реальная проблема: концентрация летучих газов в системе

Torrefaction — это технология низкотемпературной термохимической конверсии, которая приводит к химическому разложению материалов на основе углерода за счет применения тепла, что приводит к удалению летучего, гидрофобного, легко измельчаемого, твердого, высокоуглеродистого продукта.

В результате удаления летучих компонентов образуются газы торрефикации, которые включают в себя как диоксид углерода, так и монооксид углерода, в дополнение к множеству конденсируемых компонентов, таких как уксусная кислота, муравьиная кислота, метанол, молочная кислота, фурфурол, гидроксиацетон и вода. Эти газы обжига содержат огромное количество энергии. Для экономически жизнеспособной системы торрефикации крайне важно, чтобы эта энергия эффективно использовалась в системе. Но эти газы также очень реактивны и могут быстро полимеризоваться в биомасла с тяжелым молекулярным весом. Современные системы обработки газа обжига основаны на традиционных технологиях термического окисления — сжигание концентрированных газов обжига для производства тепла в виде горячего дымового газа. Хотя этот традиционный подход кажется очевидным выбором, фактические операции выявили серьезные недостатки, преимущественно потому, что содержание кислорода в этом дымовом газе слишком высокое, чтобы использовать его в прямом контакте с биомассой. Усилия по проектированию процесса, предпринятые для преодоления этого недостатка, приводят к недопустимо высоким концентрациям летучих газов в системе, и это является основной причиной, вызывающей проблемы, препятствующие торрефикации в промышленном масштабе.

В общем, вот что происходит: из-за высокой реакционной способности и концентрации газов торрефикации трудно обращаться с ними безопасно и эффективно. Что еще хуже, давление газа может колебаться, что приводит к нестабильному потоку и последующим проблемам управления процессом. Это верно независимо от того, используется ли технология реактора торрефикации с прямым нагревом или технология реактора торрефикации с косвенным нагревом. Традиционные технологии термического окисления должны приспосабливаться к этим условиям, используя избыток воздуха для горения, и в результате образуется богатый кислородом дымовой газ, который нельзя использовать в прямом контакте с биомассой. Это серьезно ограничивает эффективное использование этого источника энергии внутри реактора обжига и в других системах, таких как охлаждение. Конструкции реакторов с прямым нагревом пытаются справиться с этой ситуацией путем непрерывной рециркуляции концентрированных газов обжига через теплообменник, как это было несколько лет назад разработано компанией ECN с технологией обжига. Реакторы с косвенным нагревом позволяют газам концентрироваться внутри реактора и, в основном, находятся там в течение длительного периода времени, прежде чем их выталкивают из реактора просто из-за повышения внутреннего давления газа. В результате в обоих случаях эти летучие газы присутствуют в высоких концентрациях. Такая ситуация приводит к проблемам стабильности процесса и может привести к конденсации газов в пиролизные масла и гудроны, которые затем сравнительно быстро накапливаются на оборудовании, в трубопроводах и контрольно-измерительных приборах. Образование этих пиролизных масел и гудронов не только создает опасную среду, но это также нарушает операции, требующие частых отключений для очистки. Даже незначительные утечки концентрированных газов торрефикации создают неприемлемую среду на рабочем месте и угрозу безопасности. Кроме того, газы торрефикации продолжают диффундировать из твердых веществ при выходе из реактора. Такая ситуация может создать как экологические проблемы, так и проблемы безопасности.

Наконец, торрефикация включает нагревание биомассы до температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения. Если торрефицированная биомасса будет подвергнута воздействию воздуха до перезарядки, она загорится, что может привести к катастрофическим потерям.

По этим причинам часто происходит прерывание процесса. Но коммерчески жизнеспособный процесс должен работать круглосуточно, без перерывов, в течение нескольких месяцев. Достижение бесперебойной работы без эффективного обращения с торрефикационными газами невозможно.

Обработка газов

Что необходимо для эффективной обработки газов торрефикации? Логичным решением является использование системы обжига, в которой используется очень большое и постоянно доступное количество инертного газа. Реактор обжига должен непрерывно продуваться потоком горячего инертного газа при температуре обжига, разбавляя газы обжига и быстро удаляя их из реактора, вдали от обожженных твердых частиц.

Инертный продувочный газ уменьшит концентрацию газов торрефикации до очень разбавленной, небольшой доли его первоначальной концентрации, стабилизирует потоки газа из реактора и значительно сократит срок службы компонентов газа торрефикации, тем самым значительно уменьшая возможность создания пиролизных масел и гудронов.

Вторым преимуществом этой стратегии продувки и разбавления является резкое снижение вероятности того, что летучие газы будут конденсироваться на поверхности торрефицированных твердых веществ в той точке процесса, где твердые вещества собираются покинуть реактор. Конденсация в торрефицированной биомассе наблюдалась многими разработчиками технологий. Она наносит ущерб качеству продукта и соблюдению экологических норм ниже по потоку от реактора.

Необходимость в большом и постоянно доступном количестве инертного газа вызывает вопрос: «Откуда он берется?» Покупка или производство (и нагрев) такого большого количества инертного газа, вероятно, будут чрезмерно затратными. Необходим альтернативный подход. Решение представляет собой систему обработки газа торрефикации, в которой вместо термического окислителя используется катализатор окисления. Катализаторы окисления имеют долгую и успешную историю применения в промышленности и окружающей среде. Они очень эффективно окисляют широкий спектр летучих органических соединений — таких, как те, которые содержатся в газах торрефикации и в процессе могут создавать большой объем горячего, по существу, инертного дымового газа в качестве бесплатного побочного продукта окисления. Использование этого свободного инертного газа во всей системе обжига поможет обеспечить стабильность процесса и надежность системы.