Menetelmä, järjestelmä ja käyttö lämmönsiirtoa varten
Keksinnön ala
Keksintö koskee menetelmää lämmönsiirtoa varten biomassan ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumisproses-5 sissa, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa: kuumennetaan biomassaa ensimmäisessä lämmönsiirtimessä lämmönsiirtoväliaineen lämpöenergialla, saatetaan biomassa reagoimaan mainitussa ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumisprosessissa ja aikaansaadaan reaktiotuotteita, jäähdytetään biomassan reaktiotuotteita toisessa lämmönsiirtimessä ab-10 sorboimalla reaktiotuotteiden lämpöenergiaa mainittuun lämmönsiirtovällaineeseen, ja kierrättämällä mainittua lämmönsiirtoväliainetta ensimmäisen läm-mönsiirtimen ja toisen lämmönsiirtimen välillä.
Keksintö koskee lisäksi järjestelmää lämmönsiirtoa varten biomassan ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumis-15 prosessissa, joka järjestelmä käsittää ensimmäisen lämmönsiirtimen mainitun biomassan kuumentamiseksi, toisen lämmönsiirtimen mainitun ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvan kaasuuntumisprosessin reaktiotuotteiden jäähdyttämiseksi, ja kiertojärjestelmän lämmönsiirtoväliaineen kierrättämiseksi ensimmäisen lämmönsiirtimen ja toisen lämmönsiirtimen välillä.
20 Keksintö koskee myös käyttöä.
Keksinnön menetelmää ja laitteistoa voidaan käyttää prosesseissa ja järjestelmissä, joissa käsitellään biomassaa ja muunnetaan sitä kaasumaiseksi tai nestemäiseksi polttoaineeksi tai peruskomponenteiksi jatkojalostusta varten.
^ 25 Keksinnön tausta δ ^ Suuressa paineessa ja suuressa lämpötilassa suoritettavaa hydro- o termistä kaasuuntumis-/nesteytymisprosessia on tutkittu jo vuodesta 1978 läheni tien, jolloin J. Model havaitsi, että ylikriittistä vettä, eli vettä olosuhteissa, joissa g lämpötila on yli 374 °C ja paine on ainakin 221 baaria, voidaan käyttää or-
CL
30 gaanisen materiaalin muuttamiseksi kaasuksi, kun ylikriittistä vettä käytettiin ^ väliaineena. Muutamat tutkijaryhmät ovat edelleen kehittäneet tätä menetel-
CD
g mää sisältämään erilaisten märän biomassan syötteiden nesteytymisen ja ° myös muuttamisen kaasuksi sekä lähes kriittisessä vedessä, eli veden paineen ollessa ainakin 150 baaria ja lämpötilan ollessa yli 300 °C, että ylikriittisessä 35 vedessä.
2
Prosessia voidaan mahdollisesti käyttää muuttamaan kaasuksi esimerkiksi jätelietettä selluloosa-ja paperiteollisuudessa ja erottamaan orgaanista ainesta epäorgaanisesta aineksesta. Orgaaninen aines muutetaan kaasuksi pääasiassa vedyksi, metaaniksi, hiilidioksidiksi ja hiilimonoksidiksi, kun taas 5 epäorgaaninen aines voidaan erottaa mekaanisesti nestefaasista. Kaasuksi muuttuminen tapahtuu noin 450-700 celsiusasteessa riippuen kaasuksi muutettavana olevasta materiaalista, vallitsevista prosessiolosuhteista ja siitä, käytetäänkö katalyytteja vai ei.
Suuresta lämpötilasta, suuresta paineesta ja suuresta vesipitoisuu-10 desta johtuen prosessi kuluttaa erittäin paljon energiaa. Tämän vuoksi on olemassa tarve sisäiselle lämmöntalteenotto- tai lämmönsiirtojärjestelmälle, jolla lämmitetään sisään tulevia reaktantti-, lisäaine- ja katalyyttivirtoja lämpöenergialla, jota on absorboitunut reagoineen materiaalin poistuneesta kuumavirras-ta.
15 Hydrotermisen kaasuuntumis- ja/tai nesteytymisprosessin laitteis tossa on tunnettua käyttää lämmönsiirtimiä energiankäytön tehokkuuden parantamiseksi. Tunnetut lämmönsiirtimet eivät valitettavasti toimi hyvin hydro-termisissä kaasuuntumis- ja/tai nesteytymisprosesseissa, mikä johtuu erittäin vaativista prosessiolosuhteista ja biomassan epähomogeenisesta luonteesta.
20 Perinteisiin putkilämmönsiirtimiin liittyvä yksi vakava ongelma on se, että putkien molemmilla puolilla on suuri paine, eli materiaalivirta putkien sisällä ja lämmönsiirtoväliaine putkien ulkopuolella täytyy paineistaa suureen paineeseen, esimerkiksi 221 baariin, jotta lämpötila saadaan riittävän suureksi. Tämä tarkoittaa sitä, että lämmönsiirtimen vaipasta täytyy tehdä paineenkestä-25 vä, eli erittäin paksu, jolloin siitä tulee erittäin kallis.
Eräs toinen lämmönsiirtimiin liittyvä ongelma aiheutuu pienistä kuu- 5 mentamisnopeuksista. Tämä aiheuttaa tervan, hiilen ja muiden kiinteiden ai-
(M
^ neiden tai suuriviskoosisten vihaavien aineiden kertymistä lämmönsiirtimien ^ virtauskanavien pinnoille, jolloin mainittuihin kanaviin muodostuu enemmän vir- ^ 30 tausvastusta ja tukkeutumia. Esimerkiksi kokeet, joissa yleisesti tunnettuja | kaksoisseinätyyppisiä lämmönsiirtimiä tai kaksoisputkityyppisiä lämmönsiirti- oo miä on järjestetty prosessilaitteistoon, ovat epäonnistuneet tukkeutumisen ta- kia (Biljana Potic, D.Sc. dissertation 2006, Universiteit Twente, ISBN 90-365-o 2367-2).
CM
3
Keksinnön lyhyt selostus
Esillä olevan keksinnön tavoitteena on siten aikaansaada menetelmä ja järjestelmä edellä mainittujen haittojen lieventämiseksi. Keksinnön tavoitteet saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, jotka ovat tunnettuja siitä, mitä 5 itsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.
Keksinnön menetelmän ajatus on, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa: kuumennetaan biomassaa ensimmäisessä lämmönsiirtimessä lämmön-siirtoväliaineen lämpöenergialla, saatetaan biomassa reagoimaan mainitussa 10 ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumisproses-sissa ja aikaansaadaan reaktiotuotteita, jäähdytetään biomassan reaktiotuotteita toisessa lämmönsiirtimessä absorboimalla reaktiotuotteiden lämpöenergiaa mainittuun lämmönsiirtoväliaineeseen, ja kierrätetään mainittua lämmönsiirto-väliainetta ensimmäisen lämmönsiirtimen ja toisen lämmönsiirtimen välillä, 15 missä lämmönsiirtoväliaineena käytetään sulasuolaa.
Keksinnön järjestelmän ajatuksena on se, että se käsittää ensimmäisen lämmönsiirtimen mainitun biomassan kuumentamiseksi, toisen lämmönsiirtimen mainitun ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvan kaasuuntumisprosessin reaktiotuotteiden jäähdyttämiseksi, ja kiertojärjestel-20 män lämmönsiirtoväliaineen kierrättämiseksi ensimmäisen lämmönsiirtimen ja toisen lämmönsiirtimen välillä, missä lämmönsiirtoväliaine on sulasuola.
Keksinnön käytön ajatuksena on se, että sulasuolaa käytetään lämmönsiirtoväliaineena biomassan ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumisprosessissa.
25 Keksinnön toisen käytön ajatuksena on, että sulasuolaa käytetään lämmönsiirtoväliaineena biomassan ylikriittisessä tai lähes kriittisessä vedessä δ tapahtuvassa kaasuuntumisprosessissa, joka käsittää vaiheet, joissa: kuu- ob mennetaan biomassaa ensimmäisessä lämmönsiirtimessä lämmönsiirtoväliai- o ^ neen lämpöenergialla, saatetaan biomassa reagoimaan mainitussa ylikriitti- ^ 30 sessä tai lähes kriittisessä vedessä tapahtuvassa kaasuuntumisprosessissa ja £ aikaansaadaan reaktiotuotteita, jäähdytetään biomassan reaktiotuotteita toi- oo sessa lämmönsiirtimessä absorboimalla reaktiotuotteiden lämpöenergiaa maito nittuun lämmönsiirtoväliaineeseen, ja kierrätetään mainittua lämmönsiirtovä- 00 § Naineita ensimmäisen lämmönsiirtimen ja toisen lämmönsiirtimen välillä.
CM
35 Keksinnön menetelmän ja järjestelmän eräänä etuna on, että bio massan kuumentamisnopeus voidaan pitää suurena, kun sulasuolaa käyte- 4 tään lämmönsiirtoväliaineena, ja tämän vuoksi tervan, hiilen ja muiden vastaavien kiinteiden aineiden tai suuriviskoosisten virtaavien aineiden kerääntymistä lämmönsiirtimien virtauskanavien pinnoille voidaan välttää tai ainakin oleellisesti vähentää. On havaittu, että kiinteiden aineiden tai suuriviskoosisten vir-5 taavien aineiden kerääntymistä tapahtuu, jos biomassan lämpötila on vaihteluvälillä noin 200-400 °C. Lisäksi mainitun lämpötilan vaihteluvälin sisällä esiintyy usein syövyttäviä reaktioita, jolloin laitteiston käyttöikä lyhenee. Nämä haitat, jotka esiintyvät, kun biomassan kuumentamisnopeus on liian pieni, voidaan välttää käyttämällä sulasuolaa lämmönsiirtoväliaineena. Koska sulasuolalla on 10 hyvät lämmönsiirto-ominaisuudet, kuumentamisnopeutta voidaan suurentaa ja kriittinen lämpötilan vaihtelualue voidaan ohittaa nopeasti.
Keksinnön menetelmän ja järjestelmän eräs toinen etu on se, että biomassan hydrotermistä kaasuuntumista ja/tai nesteytymistä varten tarvittavat suuret lämpötilat voidaan saavuttaa nopeasti, jolloin tuloksena on tehokkaampi 15 prosessi ja prosessointilaitteiston suurempi kapasiteetti.
Keksinnön menetelmän ja järjestelmän vielä eräs etu on se, että su-lasuolan paine voidaan pitää pienenä ilman, että menetetään lämmönsiirtimien lämmönsiirtokapasiteettia.
Vielä eräs etu on se, että ainoastaan niiden putkien, jotka kuljettavat 20 biomassaa, täytyy olla paineenkestäviä. Putkien ympärillä oleva lämmönsiirto-väliaine voi olla pienessä paineessa, esimerkiksi ilmanpaineessa. Lämmönsiir-toväliaineen sisältävä ja putkia suojaava rakenne voidaan siis valmistaa materiaaleista, jotka ovat hinnaltaan edullisempia kuin tunnetuissa lämmönsiirtimis-sä. Myös suojaavan rakenteen konstruktio on helppo.
25 Keksinnön erään suoritusmuodon ajatus on, että menetelmä ja jär jestelmä integroidaan tai liitetään kraftmassatehtaan ja/tai paperitehtaan pro-5 sesseihin. Näin aikaansaadaan se etu, että kraftmassatehdas ja/tai paperiteh-
(M
^ das tarjoaa jatkuvasti käyttöön hydrotermisessä käsittelyssä käytettävää bio- ° massaa, jolloin kallista kuljetusta voidaan välttää.
(M
g 30 Piirustusten lyhyt selostus
CL
Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin edullisten suoritus-c\j muotojen avulla ja viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joista o Kuvio 1 on periaatteellinen esitys keksinnön järjestelmästä ja mene- o ^ telmästä prosessin kulkukaaviona esitettynä.
5
Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Kuvio 1 on periaatteellinen esitys keksinnön järjestelmästä ja menetelmästä prosessin kulkukaaviona esitettynä.
Ensin biomassa, johon on valinnaisesti sekoitettu lisäaineita ja/tai 5 katalyytteja, paineistetaan paineistusvälineellä 1 haluttuun paineeseen, esimerkiksi vaihteluvälille 150-400 baaria, ja syötetään reaktorijärjestelmään 2. Kuviossa 1 esitetty paineistusväline 1 käsittää pumpun. Paineistus haluttuun paineeseen voi tapahtua yhdessä vaiheessa, esimerkiksi yhdellä pumpulla, tai asteittain, esimerkiksi usealla sarjaan kytketyllä pumpulla.
10 Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa biomassa-, lisäaine- ja/tai katalyyttivirtoja on kaksi tai jopa useampi, ja niitä syötetään erikseen reaktorijärjestelmään 2. Mainitut virrat sekoittuvat ja muodostavat reaktioseoksen reaktiojärjestelmässä 2.
Biomassa sisältää tyypillisesti ainakin 70 painoprosenttia vettä. Mai-15 nittu vesi on edullisesti pääosin biomassassa jo valmiiksi olevaa kosteutta eli vettä. Tarvittaessa joukkoon voidaan sekoittaa lisävettä.
Termillä "biomassa" tarkoitetaan kasvi-, eläin-ja/tai kalaperäisiä en-siö- ja jätemateriaaleja, kuten yhdyskuntajätettä, tuotantojätettä tai teollisuuden sivutuotteita, maatalousjätettä tai maatalouden sivutuotteita (myös lanta mu-20 kaan lukien), puunjalostusteollisuuden jätettä tai sivutuotteita, elintarviketeollisuuden jätettä tai sivutuotteita, merikasveja (kuten leviä) ja niiden yhdistelmiä. Biomassamateriaali valitaan edullisesti ei-syötävistä lähteistä, kuten ei-syötävistä jätteistä ja ei-syötävistä kasvimateriaaleista öljyt, rasvat ja vahat mukaan lukien. Esillä olevan keksinnön mukainen edullinen biomassamateri-25 aali käsittää puunjalostusteollisuuden jätettä ja sivutuotetta, kuten tähteitä, yh-^ dyskuntapuujätettä, sahatavarajätettä, haketta, sahanpurua, olkea, polttopuu- o ta, puumateriaalia, paperilietettä, primaarilietettä ja/tai sekundaarilietettä, siis- ob tausjätelietettä, paperia, mustalipeää, paperinvalmistus- tai sahatavaraproses- o ^ sien sivutuotteita, lyhytkiertoviljeltyjä kasveja jne. Myös turvetta voidaan käyt- ^ 30 tää biomassana prosessissa. Biomassa voi olla sekoitus, joka käsittää vettä ja £ orgaanista materiaalia, joka on tarkoituksellisesti sekoitettu keksinnön mene- oo telmässä ja järjestelmässä käyttöä varten.
S Keksinnön menetelmä ja järjestelmä voidaan integroida tai liittää § kraftmassatehtaan ja/tai paperitehtaan prosesseihin. Näin aikaansaadaan se
CVJ
35 etu, että kraftmassatehdas ja/tai paperitehdas tarjoavat jatkuvasti käyttöön hydrotermisessä käsittelyssä käytettävää biomassaa, lisäaineita ja/tai katalyyt- 6 teja, jolloin kallista kuljetusta voidaan välttää. Mustalipeää voidaan käyttää sekä biomassana että lisäaineena muiden biomassojen hydrotermisen käsittelyn parantamiseksi.
Reaktiojärjestelmä 2 käsittää kuumennusosan 3, reaktio-osan 4 ja 5 jäähdytysosan 5.
Biomassa kuumennetaan ensin kuumennusosassa 3. Kun biomassa on kuumennettu haluttuun lämpötilaan, se syötetään reaktio-osaan 4.
Kun vaaditut reaktiot ovat tapahtuneet reaktio-osassa 4, tuloksena saadut reaktiotuotteet syötetään jäähdytysosaan 5, jossa niitä jäähdytetään ja 10 valinnaisesti niiden painetta alennetaan.
Kuumennusosa 3 on sovitettu kuumentamaan biomassa reak-tiolämpötilaan tai lähelle sitä. Kuumennusosan 3 pääkomponentti on ensimmäinen lämmönsiirrin 6. Ensimmäinen lämmönsiirrin 6 on niin sanottu vaippa-ja putkilämmönsiirrin, joka tunnetaan myös nimellä putkilämmönsiirrin ja joka 15 käsittää vaipan 7 ja sarjan putkia, jotka on järjestetty vaipan 7 sisään. Putket on yhdistetty joko suoraan tai epäsuorasti ensimmäisestä päästään paineis-tusvälineeseen 1 ja toisesta päästään ensimmäiseen ulosvirtauskanavaan 8. Reaktioseos kulkee mainittujen putkien läpi ja tulee ulos ensimmäisestä läm-mönsiirtimestä 6 ensimmäisen ulosvirtauskanavan 8 kautta.
20 Ensimmäinen lämmönsiirrin 6 käsittää myös ensimmäisen syöttöau- kon 9 ja ensimmäisen poistoaukon 10 lämmönsiirtoväliaineen syöttämiseksi ensimmäiseen lämmönsiirtimeen 6 ja lämmönsiirtoväliaineen poistamiseksi siitä. Lämmönsiirtoväliaine on järjestetty virtaamaan vaipan 7 ja putkien ulkopintojen välisessä tilassa. Lämmönsiirtoväliaine täten ympäröi lämmönsiirtimen 25 putkia ja virtaa niiden ulkopinnoilla. Kuviossa 1 esitetyssä suoritusmuodossa ensimmäinen lämmönsiirrin 6 on järjestetty toimimaan vastavirtaan, mutta rin-5 nakkaisvirtaus- ja poikittaisvirtauskonstruktiot ovat myös mahdollisia.
(M
^ Keksinnön ajatus on, että lämmönsiirtoväliaine on sulasuola. Sula- ° suola voi olla esimerkiksi kauppanimellä Hitec® myytävänä oleva sulasuola.
^ 30 Hitec®-suolan sulamispiste on noin 150 °C, ja sen enimmäiskäyttölämpötila on | noin 550 °C. Hitec® on kaliumnitraatin, natriumnitriitin ja natriumnitraatin vesi- oo liukoisten, epäorgaanisten suolojen eutektinen seos. Muita suoloja, eli puhdas- ta suolaa, suolaseoksia tai suolakoostumuksia, voidaan luonnollisesti käyttää o lämmönsiirtoväliaineena. Sulasuolan viskositeetti on edullisesti noin 1-10 cp
O
^ 35 lämpötiloissa, joita esiintyy lämmönsiirtoväliaineen kiertojärjestelmässä. Suo lan lämpötila pidetään sen sulamispisteen yläpuolella koko prosessin ajan.
7
Putki yhdistää ensimmäisen syöttöaukon 9 ensimmäiseen suolasäi-liöön 13, missä sulasuolaa pidetään suuressa lämpötilassa, edullisesti sula-suolan enimmäiskäyttölämpötilan lähellä. Ensimmäinen suolasäiliö 13 sisältää toisen kuumentimen 16, joka on edullisesti sähkökuumennin. Luonnollisesti 5 voidaan käyttää myös muun tyyppisiä kuumentimia. Toista kuumenninta tyypillisesti käytetään prosessin käynnistysvaiheessa. Kun ensimmäisen suolasäili-ön 13 lämpötila on saavuttanut vakaan tilan, voidaan toinen kuumennin 16 kytkeä pois päältä. Toista kuumenninta 16 voidaan myös käyttää prosessin säätelyyn, eli sulasuolan lämpötilan ylläpitämiseen tietyllä tasolla.
10 Biomassan uudelleenrakentumiseksi tarvittavat hydrotermiset reak tiot tapahtuvat reaktio-osassa 4. Tärkeitä reaktioita, joissa muodostuu välituotteita, voi kuitenkin tapahtua jo kuumennusosassa 3.
Mainitut hydrotermiset reaktiot, jotka tapahtuvat reaktio-osassa 4, ovat kaasuuntumis- ja/tai nesteytymisreaktiot, jotka tapahtuvat suuressa läm-15 pötilassa ja suuressa paineessa, joko ylikriittisessä vedessä, eli yli 374 celsiusasteen lämpötilassa ja ainakin 221 baarin paineessa, tai lähes kriittisessä vedessä, eli yli 300 celsiusasteen lämpötilassa ja yli 150 baarin paineessa. Ylikriittisessä vedessä orgaanisista yhdisteistä ja kaasuista tulee täysin veteen liukenevia, jolloin reaktiot voivat tapahtua yhdessä faasissa ja reaktioajat ly-20 henevät.
Mainittujen hydrotermisten reaktioiden seurauksena biomassassa olevat orgaaniset materiaalit tai yhdisteet hajoavat ja uudelleenrakentuvat kuuman kompressoidun veden vaikutuksesta. Tyypillisesti kaasuuntumisreak-tiot vaativat noin 500-700 celsiusasteen lämpötiloja, kun taas nesteytymisreak-25 tiot vaativat noin 350-500 celsiusasteen lämpötiloja.
Reaktio-osa 4 voidaan kuumentaa haluttuun reaktiolämpötilaan o usealla tavalla. Kuviossa 1 esitetyssä reaktio-osassa 4 esimerkiksi biomassa
<M
^ on järjestetty kulkemaan putkissa 20, jotka on upotettu suolapetiin tai suolaliu- ° okseen, joka käsittää toista suolaa. Toinen suola toimii lämmönsiirtoväliainee-
OO
^ 30 na mainittujen putkien ja ensimmäisen kuumenninlaitteen 11 välillä. Ensim- | mäinen kuumenninlaite 11 on järjestetty reaktio-osaan 4 toisen suolan lämpöti- oo lan sekä biomassan lämpötilan ylläpitämiseksi halutulla tasolla reaktio-osassa 4. Ensimmäinen kuumenninlaite 11 kykenee pitämään vakaan lämpötilan koko oo o reaktio-osassa 4. Ensimmäinen kuumenninlaite 11 on esimerkiksi sähkö- tai ^ 35 kaasukuumennin.
8
Toinen suola voi olla esimerkiksi natriumkloridi, johon on sekoitettu pieni määrä kalsiumkloridia. Toinen suola voi olla sulassa tilassa tai kiinteässä tilassa.
Kun vaadittava reaktioaika on kulunut, reaktiotuotteet johdetaan 5 jäähdytysosaan 5, missä niitä jäähdytetään. Jäähdytysosasta 5 reaktiotuotteet voidaan johtaa erotinyksikköön (ei esitetty kuviossa), missä tapahtuu reaktiotuotteiden paineen alennus ja erotus. Paineen alennus voi tapahtua myös jäähdytysosassa 5.
Jäähdytysosa 5 käsittää toisen lämmönsiirtimen 12, jonka rakenne 10 vastaa ensimmäisen lämmönsiirtimen 6 rakennetta. Näin ollen toinen lämmön-siirrin 12 käsittää ulomman vaipan 7, putkia, jotka on järjestetty olemaan yhteydessä toiseen ulosvirtauskanavaan 19, toisen syöttöaukon 17 lämmönsiir-toväliaineen vastaanottamiseksi ja toisen poistoaukon 18 toisen lämmönsiirtimen 12 läpi kulkeneen lämmönsiirtoväliaineen poistamiseksi.
15 Lämmönsiirtimet 6, 12 on yhdistetty lämmönsiirtoväliaineen kierto- järjestelmään niin, että lämmönsiirtoväliaine kiertää jatkuvasti ensimmäisen ja toisen lämmönsiirtimen 6, 12 läpi. Ensimmäinen suolasäiliö 13 sekä toinen suolasäiliö 14 on järjestetty lämmönsiirtoväliaineen kiertojärjestelmässä olevien lämmönsiirtimien 6, 12 väliin.
20 Lämmönsiirtoväliaineen kiertojärjestelmän pääkomponentit ovat vaipan 7 ja putkien ulkopintojen väliset tilat ensimmäisessä ja toisessa läm-mönsiirtimessä 6, 12, ensimmäinen ja toinen suolasäiliö 13, 14 ja pumppu 15. Nämä komponentit on yhdistetty toisiinsa letkuilla tai putkilla. Lämmönsiirtoväliaineen kiertojärjestelmä on termisesti eristetty ympäristöstä.
25 Kiertosyklissä sulasuolaa syötetään ensimmäiseen lämmönsiirti- meen 6 ensimmäisestä suolasäiliöstä 13 ja poistetaan ensimmäisestä läm-o mönsiirtimestä 6 toiseen suolasäiliöön 14. Toisesta suolasäiliöstä 14 sulasuo-
CSJ
^ laa syötetään toiseen lämmönsiirtimeen 12 ja poistetaan siitä ensimmäiseen ° suolasäiliöön 13.
CO
^ 30 Ensimmäisessä suolasäiliössä 13 olevalla sulasuolalla on suuri £ lämpötila, esimerkiksi 400-600 °C. Hitec®:n tapauksessa lämpötila on edulli- oo sesti noin 550 °C. Ensimmäinen suolasäiliö 13 on järjestetty kommunikoimaan ensimmäisessä lämmönsiirtimessä 6 olevan ensimmäisen syöttöaukon 9 00 § kanssa siten, että sulasuolaa, jolla on mainittu suuri lämpötila, syötetään vai- ^ 35 pan 7 ja sen putkien ulkopintojen väliseen tilaan. Vaipan 7 rakenne voi olla ke vyt ja hinnaltaan edullinen, koska sulasuolan paine on pieni.
9
Suurilämpötilainen sulasuola luovuttaa lämpöä ensimmäisen läm-mönsiirtimen 6 putkien läpi kulkevaan biomassaan, jolloin biomassan lämpötila nousee. Tämän seurauksena sulasuola jäähtyy. Lämmön siirtyminen sulasuo-lan ja reaktioseoksen välillä tapahtuu nopeasti ja homogeenisesti ensimmäi-5 sessä lämmönsiirtimessä 6. Täten reaktioseos kuumenee nopeasti, ja ionireak-tiot, jotka tuottavat tervaa, hiiltä ja muita kiinteitä aineita tai suuriviskoosisia vir-taavia aineita, voidaan välttää tai niitä voidaan rajoittaa. Vastaavasti suuret lämpötilat, joita tarvitaan hydrotermisen kaasuuntumisen ja/tai nesteytymisen radikaalireaktioita varten, saavutetaan nopeasti.
10 Sulasuola, joka on jäähtynyt ensimmäisessä siirtimessä 6, poiste taan siitä ensimmäisen poistoaukon 10 kautta ja syötetään toiseen suolasäili-öön 14. Toisen suolasäiliön 14 vastaanottaman sulasuolan lämpötila on edullisesti lähellä sulasuolan sulamislämpötilaa.
Toisessa suolasäiliössä 14 sulasuolan lämpötila on oleellisesti pie-15 nempi kuin ensimmäisessä suolasäiliössä 13, jolloin lämpötila on edullisesti oleellisesti saman suuruinen kuin ensimmäisestä lämmönsiirtimestä 6 vastaanotetun sulasuolan lämpötila. Mainittu lämpötila on kuitenkin suurempi kuin suolan sulamislämpötila. Hitec®:n tapauksessa lämpötila on edullisesti noin 160 °C. Toinen suolasäiliö 14 sisältää myös toisen kuumentimen 16, jota käy-20 tetään samalla tavalla kuin ensimmäisen suolasäiliön 13 toista kuumenninta.
Sulasuolaa syötetään toisesta suolasäiliöstä 14 toiseen lämmönsiir-timeen 12. Kuviossa 1 esitetyssä keksinnön suoritusmuodossa pumppu 15 on järjestetty toisen suolasäiliön 14 ja toisen lämmönsiirtimen 12 väliin ja järjestetty kierrättämään sulasuolaa lämmönsiirtoväliaineen kiertojärjestelmän läpi. 25 Pumppu 15 voidaan myös järjestää muualle järjestelmään, esimerkiksi ensimmäisen lämmönsiirtimen 6 ja toisen suolasäiliön 14 väliin. Pumpun 15 tehoa 5 voidaan säätää niin, että saavutetaan sulasuolan optimaalinen virtausnopeus.
(M
^ Reaktio-osassa 4 muodostuneet ja edelleen suurilämpötilaiset, läm- ° potilaitaan esimerkiksi noin 650 celsiusasteessa olevat, reaktiotuotteet syöte- ^ 30 tään toiseen lämmönsiirtimeen 12 jäähdytystä varten. Sulasuolan lämpötila pi- | detään reaktiotuotteiden lämpötilaa pienempänä. Sulasuolan lämpötila toises- oo sa lämmönsiirtimessä on esimerkiksi 160 °C. Tämän vuoksi lämpöenergiaa siirtyy reaktiotuotteista sulasuolaan, jolloin sulasuola kuumenee ja reaktiotuot-o teet jäähtyvät. Edullisesti sulasuola absorboi lämpöä reaktiotuotteista siinä ^ 35 määrin, että se saavuttaa ensimmäisessä suolasäiliössä 13 vallitsevan suuren lämpötilan. Suurilämpötilainen sulasuola syötetään toisesta lämmönsiirtimestä 10 12 poistoaukon 18 kautta ensimmäiseen suolasäiliöön 13, ja jälleen ensimmäiseen lämmönsiirtimeen 6. Jäähtyneet reaktiotuotteet poistetaan toisesta läm-mönsiirtimestä 12 toisen ulosvirtauskanavan 19 kautta. Tämän jälkeen jäähtyneille reaktiotuotteille voidaan suorittaa paineen alennus ja erotus kaasufaasiin 5 ja nestefaasiin.
On huomautettava ja korostettava, että kuviossa 1 esitetty laitteisto on ainoastaan eräs vaihtoehto keksinnön laitteiston toteuttamiseksi. Laitteisto voidaan järjestää eri tavalla. Esimerkiksi toinen tai molemmat lämmönsiirtimis-tä 6 ja 12 voivat olla kaksoisputki- tai putki putkessa -lämmönsiirtimiä, joissa 10 käytetään kahta tai useampaa, yleensä samankeskistä, putkea lämmönsiirtoa varten ja kanavia lämmönsiirtoväliainetta varten.
Alan ammattilaiselle on selvää, että tekniikan kehittyessä keksinnöllinen ajatus voidaan toteuttaa useilla tavoilla. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät rajaudu edellä selostettuihin suoritusmuotoihin, vaan ne voivat vaihdella 15 patenttivaatimusten puitteissa.
20 δ
(M
oo o oo
(M
X
en
CL
00 δ
CD
00 o o
(M