Устройство для получения древесного угля
WOOD COAL PRODUCTION DEVICE

Изобретение относится к области получения угля из древесины и ее отходов методом пиролиза и касается конструкции углевыжигательного устройства.
Предлагаемое изобретение может быть использовано, предпочтительно, для переугливания древесных топливных брикетов (например, «Евродрова»), сформованных из предварительно измельченной и высушенной древесины, в том числе из всех видов отходов лесозаготовки и промышленной переработки древесины.
В существующей практике углежжения, как правило, древесина помещается в нагревательную печь в загрузочных емкостях, например ретортного типа. Тепло от стенок реторты через прослойку газов передается древесине лучистым тепловым потоком и конвекцией.
Наибольшее практическое распространение получили циркуляционные печи. Принципиальное конструктивное решение циркуляционной печи описано, например, в авторском свидетельстве №779782 «Циркуляционная печь» (F27B 9/32, 26.07.78 г.): в корпусе печи рабочая камера отделена от циркуляционного газового канала, в котором установлены калориферы и один или несколько вентиляторов.
Современные промышленные печи комплексной лесопереработки сложны конструктивно и ориентированы на выделение всех видов продуктов терморазложения: древесного угля, уксусной кислоты, березового дегтя, растворимых и нерастворимых кислот, жидких горючих веществ более высокой калорийности и т.д. Подобная печь описана в патенте RU №2582696 «Установка для производства древесного угля» (С10В 1/04, приоритет: 29.12.2014 г.).
В настоящее время жидкие продукты пиролиза, получаемые при производстве древесного угля, не пользуются спросом, поэтому более эффективно сжигать их, уменьшая расход теплоносителя на проведение процесса пиролиза.
В связи с этим установки комплексной переработки древесины такие, как в вышеуказанном патенте RU №2582696, имеют ограниченное применение и не представляют интереса для производств, направленных на получение единственного целевого продукта - древесного угля.
В процессе патентного поиска выявлено широкое разнообразие углевыжигательных устройств, предназначенных, предпочтительно, для работы в непосредственной близости к источнику сырья, то есть в леспромхозе, лесопункте или на деревообрабатывающем предприятии. На таких предприятиях экономически нецелесообразно улавливать и перерабатывать жидкие продукты пиролиза, поэтому применяются печи, ориентированные на получение одного товарного продукта - древесного угля. Желательно, чтобы подобные устройства не нуждались в дополнительных источниках топлива после выхода на заданный технологический режим.
К таким устройствам относится известное «Устройство для получения древесного угля» по патенту RU №2115689 (С10В 53/02, С10В 1/04; приоритет - 24.01.1997 г.), включающее печь с топкой, воздуховодами, дымоходами и обогреваемыми камерами с отверстиями, в которых установлены съемные реторты. Согласно изобретению нижняя часть реторты выполнена в виде колосниковой решетки, открытой в обогреваемую камеру. Обогреваемая камера имеет не менее трех отверстий для установки реторт. Воздуховоды и дымоходы снабжены шиберами. Топка печи установлена вне обогреваемой камеры и соединена с ней газоходами. Стенки смежных обогреваемых камер образуют стенки топки. В стенке между обогреваемой камерой и топкой выполнены основной газоход в верхней части топки и вспомогательный газоход в нижней части топки для зажигания в камере горючих парогазов, которые сгорают в камере в непосредственной близости к ретортам.
Известны конструкции пиролизеров для производства древесного угля, в которых предусмотрены сбор и эвакуация горючих парогазов к дополнительному горелочному устройству. Например, патент SU №1826983 «Пиролизер» (С10В 1/04, 53/02; приоритет - 27.05.91). Пиролизер содержит наружный корпус с крышкой, внутренний корпус с потолочным перекрытием, топку с колосниковой решеткой и горелочное устройство, причем в потолочном перекрытии выполнены окна, ниже которых во внутреннем корпусе размещены реторты с крышками, под которыми находятся горелочное устройство с топкой, а крышка наружного корпуса со стороны потолочного перекрытия имеет термостойкое уплотнение и размещена с зазором по отношению к перекрытию, при этом образованная между ними полость связана трубопроводом с горелочным устройством. В топку загружают дрова лишь для запуска пиролизера.
Наиболее близким аналогом по технической сущности, наличию сходных признаков и достигаемому результату является «Устройство для получения угля» по патенту RU №2237699 (С10В 53/02, приоритет - 08.07.2003 г.). Устройство включает топку, сообщающуюся с пиролизной камерой, содержащей цилиндрические реторты, установленные рядами, при этом в пиролизной камере между сводом и подом установлены направляющие поток газа элементы, представляющие собой вертикальные колонны, имеющие вогнутые цилиндрические поверхности, обращенные к наружным цилиндрическим поверхностям реторт и расположенные эквидистантно по отношению к ним, что позволяет повысить равномерность обогрева реторт и тем самым повысить эффективность работы устройства за счет интенсификации процесса пиролиза.
В целях дальнейшего анализа прототипа и предполагаемого изобретения выделим следующие признаки прототипа:
- запуск печи осуществляется сжиганием любого вида топлива в топке до получения топочных газов на входе в пиролизную камеру с температурой 600÷650°C;
- при выходе печи на стабильный рабочий режим дальнейший пиролиз осуществляется за счет тепла от сгорания продуктов терморазложения древесины, причем в последующих по времени загрузки ретортах пиролиз идет за счет тепла от сгорания пиролизных газов древесины предшествующих по загрузке реторт;
- теплопередача древесному материалу осуществляется через стенку реторты лучистым тепловым потоком и конвекцией;
- полный кинетический цикл газовых потоков в установке складывается из следующих последовательных этапов: образование парогазов в реторте в процессе пиролиза - продвижение по системе газоходов до топки - сгорание в топке - продвижение продуктов сгорания парогазов по пиролизной камере - вывод в атмосферу через систему вывода газов. Газовый поток совершает лишь один полный цикл описанный выше;
- совокупность реторт камеры, в которых процесс пиролиза протекает с временным лагом в зависимости от очередности загрузки, и направляющих вертикальных колонн, установленных в камере, является своеобразным рекуператором, обеспечивающим стабильность температурного режима внутри камеры пиролиза;
- загрузка-выгрузка отдельных реторт осуществляется вертикально с временным лагом в условиях работающей печи;
- для сбора, формирования и доставки потоков продуктов пиролиза в топку выполнена система газоходов;
- парогазы сгорают в топке;
- поддержание требуемой температуры обеспечивают за счет регулируемого подсоса наружного воздуха;
- после прохождения продуктов сжигания парогазов через камеру пиролиза они направляются в систему вывода газов.
К существенным недостаткам данной установки для получения угля следует отнести следующее:
- сложность устройства камеры пиролиза;
- сложность и небезопасность осуществления последовательной загрузки-выгрузки отдельных реторт;
- значительные теплопотери за счет загрузки-выгрузки каждой реторты отдельно;
- возможность изменения геометрии и пространственного расположения направляющих вертикальных колонн в процессе непрерывной работы печи в режиме загрузка-выгрузка;
- сложность контроля за окончанием пиролиза в каждой отдельной реторте в условиях их последовательной периодической загрузки с временным лагом;
- неравномерность переугливания древесины внутри каждой отдельной реторты;
- неэффективный газоотвод в условиях отсутствия искусственной тяги, с одной стороны, и значительной заполненности камеры пиролиза, с другой стороны;
- необходимость контроля за состоянием колосниковой системы реторт.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание эффективной промышленной установки с производительностью не менее 0.3 т/час. по древесному углю, работающей в непрерывном режиме на тепле экзотермической реакции терморазложения древесины и позволяющей получать высококачественный однородный древесный уголь.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой установки, заключается в следующем:
- повышение производительности;
- конструктивная простота печи;
- низкие капитальные затраты;
- снижение эксплуатационных расходов;
- высокая энергетическая эффективность;
- получение древесного угля высокого качества, как по теплотворности, так и по однородности и механической прочности;
- значительное сокращение времени пиролиза древесины с приближением его к термодинамическому оптимуму;
- улучшение условий труда и техники безопасности;
- снижение экологических рисков при работе печи.
Технический результат достигается тем, что в установке для получения древесного угля, включающей корпус печи, снабженный термоизоляцией, выносную топку, сообщающуюся с камерой пиролиза, содержащей выемные устройства для загрузки древесины, систему газоходов и систему вывода отработанных газов, рабочее пространство печи выполнено в виде закольцованного канала, снабженного жаростойким вентилятором, поворотным шибером и газопроницаемым рекуператором, установленными внутри закольцованного канала, при этом газопроницаемый рекуператор выполнен из термостойкого кирпича. Причем в установке масса термостойкого кирпича для выполнения газопроницаемого рекуператора не менее чем в десять раз превышает массу загружаемой для пиролиза древесины; корпус печи снабжен дверью для горизонтальной загрузки-выгрузки выемных устройств, перед которой установлен поворотный шибер, а каждое выемное устройство выполнено в виде вертикальной стойки, равномерно снабженной по всей высоте фиксирующими стержнями, направленными вверх и закрепленными под углом к вертикальной стойке. К тому же вентилятор, предпочтительно, установлен за зоной пиролиза по ходу газового потока.
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
1. Теплоемкость древесины складывается из теплоемкости собственно древесины и теплоемкости содержащейся в ней влаги, а также смолистых веществ. При этом теплоемкость смолистых веществ в 1, 5 раза, а воды в 2,5 раза больше, чем удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины, которая равна ≈1,55 кДж/(кг-К) при температуре 0°C.
Известно, что общая влажность свежесрубленной древесины хвойных пород равна 45÷50%, мягколиственных - 40÷50%, твердолиственных - 30÷45%. Отсюда значительное содержание паров воды в парогазах пиролиза древесины без ее предварительной подготовки. В случае переугливания древесных брикетов, сформованных из предварительно измельченного и высушенного до содержания влаги менее 5% древесного материала, содержание влаги в печи пиролиза в разы меньше и соответственно на пиролиз такого материала требуется значительно меньше тепла.
Если в прототипе процесс пиролиза реализуется при температуре газа в камере пиролиза 600÷650°C, то в предлагаемом устройстве достаточно поддерживать температуру газового теплоносителя в пределах 400÷450°C.
2. Переугливание древесных брикетов осуществляют в динамичном потоке газового теплоносителя, причем турбулентность газового потока в зоне пиролиза весьма значительна и оценивается числом Рейнольдса не ниже 5000.
Непосредственно каждый брикет в предлагаемом решении омывается газовым теплоносителем в условиях равнозначного контакта брикетов с мощным турбулентным газовым потоком. Именно высокая турбулентность газа обеспечивает равномерность распределения тепла в зоне пиролиза.
В прототипе движение газового потока ближе к ламинарному, что не способствует выравниванию температурного режима в отдельных зонах камеры пиролиза. К тому же наличие направляющих вертикальных колонн в камере пиролиза ухудшает динамику продвижения газового потока в целом.
3. Время нахождения древесных брикетов в предлагаемой печи снижается до 2÷3 часов: во-первых, как отмечалось выше, за счет низкого содержания влаги в исходном прессуемом измельченном материале, а, во-вторых, за счет непосредственного контакта каждого брикета с турбулентным газовым теплоносителем. В этих условиях процесс передачи тепла древесине значительно упрощается: единственным термическим сопротивлением в этом случае является газовая пленка около поверхности куска древесины. Также процесс пиролиза в предлагаемом решении значительно интенсифицируется за счет быстрого удаления с поверхности древесины продуктов терморазложения.
В прототипе, как отмечалось выше, теплопередача древесному материалу осуществляется через стенку реторты лучистым тепловым потоком и конвекцией, а продукты пиролиза удаляются менее интенсивно.
4. В предлагаемом решении, предпочтительно, направлять на пиролиз древесные брикеты, причем, желательно, со сквозным отверстием по центру. Такая форма брикетов снимает вопрос неравномерности переугливания в объеме, когда в центральной части пиролиз проходит менее интенсивно и когда требуется увеличивать время переугливания для обеспечения полного пиролиза центральной части. В результате снижается качество угля на поверхности древесного брикета за счет увеличения содержания более инертного углерода со структурой близкой к графитной.
Также наличие сквозного отверстия по центру брикета обеспечивает более интенсивное охлаждение брикетов после выгрузки из печи.
С конструктивной точки зрения рекомендуемая форма брикета обеспечивает надежную фиксацию каждого брикета на загрузочном выемном устройстве.
В прототипе проблема неоднородности получаемого древесного угля не решается.
5. В предлагаемом решении выход древесного угля составляет 320-380 кг из 1 тонны брикетов. Производительность печи может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от поставленной задачи.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения и решения по прототипу показывает, что новая совокупность известных и неизвестных признаков, заявленных в формуле изобретения, позволила реализовать поставленную выше техническую задачу: создана высокопроизводительная энергоэффективная промышленная установка, работающая в непрерывном режиме на тепле экзотермической реакции терморазложения древесины и позволяющая получать высококачественный однородный древесный уголь.
Принципиальным отличием предлагаемой установки от прототипа является конструктивное решение рабочего пространства печи, а именно: создание рабочего пространства в виде закольцованного канала с организацией мощного турбулентного потока газового теплоносителя, проходящего по каналу в режиме повторяющихся циклов.
Также необходимо отметить принципиально разный подход в предлагаемом решении и в прототипе в части организации кинетики газового потока: предлагается использование мощного вентилятора, установленного в канале для создания динамичного потока газового теплоносителя с турбулентностью не ниже 5000.
В предполагаемом изобретении важное значение в достижении цели имеет конструктивное решение рекуператора, обеспечивающего стабильный температурный режим внутри печного канала с максимальным использованием тепла экзотермической реакции терморазложения, а также наличие поворотного шибера в рабочем канале.
Приведенный сравнительный анализ заявляемого решения и решения по прототипу свидетельствует, что заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Тем не менее, отдельные отличительные признаки, характеризующие заявляемое решение, выявлены в известных в настоящее время информационных источниках.
1. Использование в рабочем пространстве пиролизера шиберной регулировочной заслонки известно в патенте RU №2120459 «Пиролизер для производства топливных углей» (С10В 1/04, приоритет - 22.04.1997 г.). В патенте процесс сушки древесного материала регулируется с помощью шиберной регулировочной заслонки, установленной на выходе из камеры, распределяющей количество горячих газов, идущих на обогрев реторты печной сушильной камеры и на утилизацию через шиберную заслонку системы вывода отработанного газа. Цель установки данной шиберной заслонки - обеспечить получение топливных углей различного качества.
2. Управление газовыми потоками теплоносителя с применением вентиляторов известно из патента RU №2433158 «Способ и устройство утилизации углеродсодержащих отходов пиролизом» (С10В 1/04, приоритет - 18.01.2010 г.). В секционной установке по патенту последняя секция снабжена вытяжным дымососом, а топка снабжена нагнетающим дымососом для подачи топливных газов в газоподводящий трубопровод.
Приведенная выше информация, касающаяся как прототипа, так и известных решений в аналогичной области, позволяет сделать вывод, что новая совокупность известных и неизвестных признаков, отличающаяся как технической сущностью признаков, так и их последовательностью и взаимосвязью, обеспечивает а предлагаемом решении достижение технического результата более высокого по сравнению с известными уровня.
В результате поиска по патентным и другим техническим источникам информации не выявлены технические решения, характеризующиеся аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, обеспечивающих достижение аналогичных результатов при их использовании. Отличительные признаки, указанные в формуле изобретения, явно не следующие из уровня техники, свидетельствуют о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого технического решения поясняется принципиальной схемой установки для получения древесного угля, изображенной на фиг. 1, а также фиг. 2, соответствующей виду «А» на фиг. 1 в разрезе. На фиг. 3, 4 представлен один из возможных вариантов выполнения выемного устройства.
Установка для получения древесного угля представляет собой горизонтально расположенный стационарный объект, выполненный таким образом, что внутренним рабочим пространством печи является закольцованный канал 1, позволяющий циркулировать газовому потоку теплоносителя в режиме повтора полного цикла. Пространственно термоизолированный корпус 2 разделен на две камеры, соединенные системой газоходов 3. В качестве внутренней термоизоляции 4 может быть использован любой термостойкий материал, обеспечивающий минимальные потери тепла через стенки корпуса. В передней части первой камеры, снабженной дверью 5 для горизонтальной загрузки-выгрузки выемных устройств 6, расположена зона пиролиза 7. Вторая камера корпуса печи и часть первой работают в режиме газопроницаемого рекуператора 8, выполненного из термостойкого кирпича. Рекуператор 8 на фиг. 1 изображен схематично в виде совокупности газовых каналов, выполненных из жаростойкого кирпича. Конкретная схема формирования (кладки) рекуператора 8 зависит от производительности печи, мощности жаростойкого вентилятора 9 и выполняется с учетом всех конструктивных и технологических требований процесса пиролиза в каждом конкретном случае. Для запуска печи с выходом на рабочий режим используют выносную топку 10, сообщающуюся с камерой пиролиза 7. Установка снабжена системой вывода отработанных газов 11. Жаростойкий вентилятор 9, поворотный шибер 12 (см. фиг. 2) и газопроницаемый рекуператор 8, установлены внутри закольцованного канала 1. На фиг. 2 схематично изображен поворотный шибер в двух крайних положениях: шибер полностью открыт и обеспечивает максимальный поток циркулирующего теплоносителя - 12'; шибер полностью закрыт на период загрузки-выгрузки выемных устройств - 12''. Один из вариантов выполнения выемного устройства 6 изображен на фиг. 3, 4. Выемное устройство 6 выполнено в виде вертикальной стойки 13, равномерно снабженной по всей высоте фиксирующими стержнями 14, направленными вверх и закрепленными под углом к вертикальной стойке 13. На стержнях 14 древесные брикеты 15.
Установка работает следующим образом.
Вначале осуществляют пуск печи и выводят печь на рабочий температурный режим, соответствующий 400÷450°C. Для этого в выносной топке 10 сжигают какое-либо топливо, например дрова. При этом рабочее пространство печи равномерно прогревают по всему закольцованному каналу 1 при работающем вентиляторе 9 и открытом шибере 12. При достижении рабочей температуры подачу горячих газов из топки 10 в закольцованный канал 1 прекращают. При закрытом шибере 12 и отключенном вентиляторе 9 через дверь 5 корпуса печи осуществляют горизонтальную загрузку выемных устройств 6 в зону пиролиза 7. После закрытия двери 5 шибер 12 открывают и включают вентилятор 9. В течение 2÷3 часов осуществляют процесс переугливания древесных брикетов 15 в непосредственном их контакте с циркулирующим потоком газового теплоносителя. Продукты терморазложения древесины выводятся из пиролизной печи на утилизацию сжиганием, при этом требуемую температуру пиролизной печи поддерживают за счет регулируемого подсоса наружного воздуха в пиролизную камеру, регулированием разряжения в пиролизной камере за счет поворотного шибера. Окончание пиролиза определяют визуально по характеру отходящих газов.
В настоящее время предлагаемое устройство для получения древесного угля прошло успешные полупромышленные испытания на одном из участков лесозаготовки в Сибири. Была достигнута производительность по древесному углю 0,3 т/час. при выходе - 350 кг древесного угля на тонну брикетов. Фактическая производительность полностью соответствовала расчетной производительности, предварительно заложенной в основу проектирования отдельных узлов устройства.
Испытания устройства в промышленных условиях доказали его работоспособность и энергоэффективность. Принимая во внимание простоту в изготовлении и эксплуатации, можно рекомендовать предлагаемое устройство для внедрения в производстве древесного угля с возможностью реализации в широком диапазоне производительности.