Устройство интенсивной энергосберегающей сушки и термообработки
DEVICE FOR INTENSIVE ENERGY SAVING DRYING AND THERMAL PROCESSING

Область техники
Объект изобретения относится к устройствам интенсивной сушки и термической обработки влажных материалов перегретым паром под давлением. В первую очередь, устройство предназначено для сушки биотоплив, лигнита, различных органических отходов, продукции сельскохозяйственного производства и животноводства, при их использовании в энергетике как топлива, с целью повышения его качества, а также при подготовке биотоплив к дальнейшей переработке - пеллетизации (изготовление топливных пеллет), торрефикации (torrеfaction - термообработка до 250°С с приданием топливу гидрофобности), пиролизу и газификации. Интенсивная сушка и термообработка, которые проводятся в газоплотной камере перегретым паром под давлением, существенно выше атмосферного, не создают неконтролируемых атмосферных выбросов, в сравнении с традиционными методами сушки и обработки горючих органических масс, поэтому устройство может быть эффективно использовано также при подготовке к термическому уничтожению антропогенных и других видов отходов.
Уровень техники
Аналогов указанному устройству достаточно много в патентной литературе. Например, патентная заявка [ЕР 1466131 A1 (WO 03/052336 Al), Inventor Christensen, Apparatus for Drying a Particulate Product with Superheated Steam, 2003]. Здесь камера сушки находится под давлением 0,2-0,5 МПа, для ввода материала на сушку (то есть сырья) используются устройства подачи с затвором, например шнек, или шлюз, для вывода осушенного материала - выгружное устройство также с затвором (шнек или шлюз). Пар сушки циркулирует в камере за счет механического побудителя расхода при ворошении влажной массы также механическим приводом. Циркулирующий пар проходит через теплообменник обогрева. Тепло, полученное паром, расходуется на испарение влаги сырья. Осушенная масса выводится. Полученный пар невысоких параметров может быть утилизирован.
2
Основной недостаток такого рода интенсивных методов сушки - энергетические потери тепла фазового перехода при испарении удаляемой влаги. Обратимся к решениям, в которых энергия пара, испаряемого под давлением существенно выше атмосферного, используется для привода тепловой машины - паровой турбины, или газотурбинной установки, работающей по схеме со впрыском пара (общепринятая аббревиатура этой схемы - STIG), и где дополнительная работа пара в значительной степени компенсирует затраты тепла на сушку. Соответствующие технические решения описаны в [US Patent No.3946495, A. Osdor, 1976], [Батенин В.М. и Ковбасюк В.И. О технологии эффективного использования влажных топлив, Теплофизика высоких температур, т. 53, №3, 2015, с. 475-477] и [Ковбасюк В.И. Энергосберегающая сушка и ее применение, Теплоэнергетика том 62, №9, 2015, с. 673-677]. В последней из указанных работ описано применение разделительного теплообменника для получения чистого пара для турбины за счет энергии пара, генерируемого в камере сушки. Эта работа может рассматриваться в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Проблемой указанных решений является выбор подходящих способов организации наиболее интенсивного процесса сушки в камере, не требующего слишком сложного оборудования и значительных затрат механической энергии. Исходя из опыта традиционной сушки биотоплив для их эффективного использования в связи с тенденцией в мире на снижение выбросов СO, где в течение последнего десятилетия наивысшую эффективность продемонстрировала технология кипящего слоя, следует обеспечить такого рода режимы и в устройствах сушки с выводом энергии пара на привод турбины (следовало бы считать такой режим энергосберегающим). Однако указанная технология базируется на использовании интенсивной продувки осушаемого материала горячим теплоносителем, что, во-первых, сложно организовать в камере высокого давления на перегретом паре, и во-вторых, такая продувка требует дополнительных затрат энергии.
Раскрытие изобретения
Тем не менее, в конструкцию устройства интенсивной энергосберегающей сушки предлагается внести изменения, позволяющие весьма эффективно реализовать режимы с продувкой влажной массы перегретым паром, такие как барботаж, обработку в кипящем слое или в фонтанирующем режиме в струе пара. При этом принципиально возможно даже уменьшить затраты механической энергии на указанную обработку влажного материала.
Для реализации поставленных целей предлагается:
1. Устройство интенсивной энергосберегающей сушки и термообработки, содержащее газоплотную камеру для перегретого пара под давлением, с запорным устройством ввода влажных масс, с устройством перемещения осушаемого материала в камере, с циркуляцией перегретого пара в устройстве сушки, его подогрева в теплообменнике внешнего обогрева и испарением влаги при непосредственном контакте перегретого пара с влажной массой, с устройством вывода осушенной массы через выгружное устройство с затвором и отводом части пара, соответствующей испаренной влаге, на греющую сторону разделительного теплообменника, откуда, после отбора тепла на нагрев и испарение чистой воды по нагреваемой стороне для получения рабочего пара на привод турбины, сконденсированный пар влаги выводится на слив, с тем отличием устройства сушки, что из тракта сконденсированной влаги материала часть конденсата по дополнительному трубопроводу подводится к насосу, повышающему давление в линии за компрессором существенно выше среднего давления в камере, и эта влага подводится к дополнительному теплообменнику на испарение и перегрев, откуда пар повышенного давления поступает в устройство через систему его распределения в камере на барботаж, или/и создание кипящего или фонтанирующего слоя.
2. Устройство по п. 1, в котором в качестве побудителя циркуляция пара использован паровой эжектор, и в качестве эжектирующего газа к нему подведен указанный в п. 1 пар повышенного давления.
Предложенная схема устройства представлена на фиг. 1. Позиции на фигуре: 1 - ввод материала на сушку; 2 - входной шлюз; 3 - камера сушки; 4 - трубопровод греющего пара сушки; 5 - эжектор циркуляции пара сушки с приводом от пара повышенного давлении. Тепло на подогрев пара сушки и генерирование пара для эжектора поступает из теплообменника внешнего обогрева, с вводом - выводом греющих газов и двумя паровыми секциями. Соответственно, 9 - ввод греющих газов в теплообменник внешнего обогрева, 6 - вывод греющих газов из теплообменника внешнего обогрева; 7 - секция нагрева пара сушки греющими газами; 8 - секция испарения и перегрева пара повышенного давления. Пар повышенного давления - новый признак по отношению к известным системам сушки, включая прототип, поэтому секция 8 характеризуется в качестве дополнительного теплообменника. 10 - линия распределителя пара повышенного давления с соплами ввода в камере сушки; 11 - шнек вывода осушенного материала; 12 - шлюз вывода осушенного материала; 13 - вывод материала после сушки; 14 - насос повышенного давления подачи части конденсата пара на испарение и перегрев; 15 - греющая секция разделительного теплообменника, где происходит охлаждение и конденсация пара влаги из камеры сушки; 16 - устройство слива охлажденного конденсата; 17 - нагреваемая секция разделительного теплообменника - генератор пара тепловой машины; 18 - устройство тепловой машины, использующей пар сушки для получения механической энергии (паровая турбина или смеситель на входе газотурбинной установки при использовании схемы с эжекцией пара в турбину).
Принцип работы устройства
Устройство работает следующим образом. Влажный материал вводится под напором шнеком, либо с помощью шлюза во входную часть камеры сушки. Далее возможны варианты. Если материал на сушку или обработку представлен крупными фрагментами, через слой такого материала осуществляется продувка перегретым паром для первоначальной сушки, после чего облегчается его измельчение, например, щековой дробилкой, непосредственно в этой камере. Если материал, напротив, переувлажнен, перед вводом в камеру его можно смешать с частью ранее осушенной массы, и уже через слой такого комкующегося материала осуществляют барботирование перегретого пара. Достаточно осушенную массу легче измельчать разными методами, в частности до высокой степени дисперсности. Соответствующее устройство также можно разместить в камере. Измельчение делается для того, чтобы малый размер раздробленных частиц способствовал их эффективному прогреву, а высокая удельная поверхность способствовала бы лучшему испарению влаги частиц. Этот «геометрический» фактор удобно использовать как раз при использовании при продувке струй пара высокой температуры, учитывая, что при этом практически не расходуется механическая энергия. Использование струй пара высокого давления позволяет для циркуляции пара сушки в элементах устройства использовать эжекторы вместо механических побудителей расхода. На этом основано создание режима кипящего слоя при сушке или термообработке в данном устройстве. Это основной технический эффект интенсификации от использования такого рода устройства сушки.
Альтернативное использование для создания пара повышенного давления чистой воды, дополнительно вводимой в устройство сушки, снижает риск отложения солей при генерации такого пара, но это дополнительно нагружает систему влагой, которую придется выводить, и ставит проблему получения такой воды.
Возможность осуществления
Рассмотрим несколько характерных инженерных решений реализации такого рода устройств интенсивной энергосберегающей сушки и термообработки.
1. Геометрия камеры сушки и термообработки. Высоким термомеханическим нагрузкам на корпус принципиально лучше противостоит цилиндрическая конструкция, причем для горизонтального ее размещения система ввода пара на барботаж должна располагаться вдоль нижней внутренней ее образующей, при общем потоке пара над влажным материалом в полости цилиндра. Для вертикального расположения ввод барботирующего пара располагают снизу, а также, чтобы сохранить интенсивный теплообмен, через боковые вводы. В линии ввода пара на барботаж может оказаться полезным установить пульсирующий(е) прерыватель(ли) потока, что должно подавлять образование «свищей» и «пузырей», ухудшающих теплоотдачу и, вероятно, уменьшающих необходимость перемешивания материала. Наклон камеры может обеспечить продвижение материала от входа к выходу.
2. Конструкция указанного типа камеры сушки может состоять из нескольких цилиндрических элементов, собранных в последовательные или параллельные звенья, объединенные между собой транспортными участками для перегрузки материала и пара от входа до выхода, притом участки нагрева пара сушки могут быть автономными или объединены, а для транспорта материала могут использоваться шнековые транспортеры.
3. По мере сушки обычно сильно изменяются характеристики материала, и для оптимизации процесса может оказаться полезным включить какой-либо из известных аппаратов дробления/измельчения материала непосредственно в состав одной из секций сушки, имея в виду размещение соответствующего механического привода снаружи.
Промышленная применимость
Реализация изобретения основана на использовании широко известных в технике средств, элементов оборудования и конструкций, при их доступной модернизации. Единственно не затронутый вопрос эксплуатации представленного устройства заключается в процедуре запуска и вывода его на расчетный режим. Очевидно, для этого достаточно обеспечить производство пара при пуске всей системы.