СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЯ ИЗ МЯГКОЙ ДРЕВЕСИНЫ
METHOD FOR OBTAINING COAL FROM SOFT WOOD

Изобретение относится к области переработки отходов деревообработки, а именно к способам получения твердого древесного угля из опилки [C10L 5/02, C10L 5/04, C10L 5/06, C10L 5/08, C10L 5/26, C10L 5/28, C10L 5/30, C10L 5/44, C10L5/442].
На предприятиях лесопромышленного комплекса, даже на современных, образуется огромное количество древесных отходов, оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду [Тимербаев Н.Ф., Сафина А.В., Хабибуллина А.Р., Мазаров И.Ю. Современное состояние производства древесного угля. УДК 662.754. Проблемы энергетики, 2017, том 19, №7]. Одним из перспективных направлений является пирогенетическая переработка таких отходов в древесный уголь.
Древесный уголь является высокоуглеродистым материалом, имеющих широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту [Бронзов Ю.В., Уткин Г.К., Кислицын А.Н. и др. Древесный уголь. Получение, основные свойства и области применения древесного угля. М.: Лесная промышленность, 1979. 137 с.].
Главные преимущества древесного угля заключаются в следующем:
- готовое топливо высокого качества, экологически чистое и безопасное;
- при горении не образует дыма и пламени, давая при этом требуемую температуру;
- высокая теплопроводная способность - 31000 кДж/кг;
- отсутствие каких-либо вредных веществ;
- неспособность к самовозгоранию;
- возможность использования для гриля, барбекю, каминов и открытых костров;
- изготовление сорбентов, адсорбентов.
При производстве древесного угля используется древесина трех групп:
1 группа - лиственные породы деревьев с твердой древесиной (береза, дуб, граб, бук, вяз);
2 группа - хвойные породы деревьев (ель, сосна, пихта);
3 группа - лиственные породы деревьев с мягкой древесиной (осина, липа, ива, ольха, тополь).
Древесный уголь из пород древесины по ГОСТ 24260-80 подразделяют на три марки в зависимости от сырья, используемого при производстве древесного угля:
А - уголь, получаемый при пиролизе древесины пород 1 группы;
Б - уголь, получаемый при пиролизе древесины смеси древесины 1 и 2 группы;
В - уголь, получаемый посредством углежжения смеси древесины пород 1, 2, 3 группы.
При изготовлении древесного угля предпочтение отдается сырью из твердолиственных пород деревьев, так как уголь из них получается плотный и прочный, а уголь из мягких пород древесины 3 группы производят реже, что обусловлено сложностью технологии и необходимостью соблюдения ее тонкости, пренебрегая которой уголь получится мелким, трещиноватым, недожженным, на выходе его будет меньше.
Из уровня техники известен СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ПИРОЛИЗА ИЗ БРИКЕТИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ [RU2678089 C1, опубл.: 23.01.2019], с помощью которого исходное сырье измельчают с помощью дробильно-размольного оборудования, сушат в сушильном устройстве, выполненным в виде закольцованного канала, предпочтительно с круглым поперечным сечением, одинаковым по всей длине канала, при этом тепло для сушки древесных частиц получают за счет утилизации технологических газов, образующиеся в процессе производства брикетов, из сушильного устройства смешанный поток, состоящий из высушенных древесных частиц и парогазовой фазы, во взвешенном состоянии направляют в транспортную линию, оснащенную устройством для регулирования конечной влажности древесных частиц, после чего упомянутый смешанный поток разделяют с помощью циклона на два потока парогазовой фазы, один из которых направляют через дымовую трубу в атмосферу, а второй возвращают на участок подготовки газообразного теплоносителя, а твердую фазу направляют в бункер-накопитель, а затем на участок брикетирования, выполненным в виде экструзионного пресса. Полученные брикеты подвергают низкотемпературному пиролизу в печи термостабилизированного низкотемпературного пиролиза со временем пребывания одной партии брикетов не более шести часов, как правило, 4÷5 часов.
Недостатком аналога является отсутствие в описании технологических параметров проведения операций, таких как, температуры сушки, пиролиза и т.д., что ставит под сомнение промышленную применимость комплекса, реализующего способ. Кроме того, охлаждение естественным путем и отсутствие стабилизации брикетов повышает опасность их самовозгорания.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ В ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ [Тимербаев Н.Ф., Сафина А.В., Хабибуллина А.Р., Мазаров И.Ю. Современное состояние производства древесного угля. УДК 662.754. Проблемы энергетики, 2017, том 19, №7], характеризующийся тем, что измельченную древесную щепу подают в зону сушки, где ее сушат и прогревают до 250°С, после чего содержимое зоны сушки переводят в зону пиролиза, где щепа в нижней части пиролизной зоны сначала прогревают до 350°С (до начала экзотермической реакции), затем до 500°С за счет тепла, выделяющегося в процессе экзотермических реакций, а затем образовавшийся в зоне пиролиза уголь подают в зону активирования перегретым паром, при котором начинается газификация угля, по окончании процесса активирования древесный уголь подают в зону охлаждения, где его охлаждают до 150°С, а после охлаждения уголь подают в зону накопления, где его дополнительно охлаждают естественным путем.
Основной технической проблемой прототипа является то, что предлагаемый в прототипе способ не определяет величину фракции измельчения сырья, а использует для изготовления угля цельные куски щепы растительной (древесной биомассы), что является существенным для изготовления угля из мягкой древесины и напрямую влияет на прочностные и эксплуатационные характеристики угля. Кроме того, предложенный в прототипе способ не предполагает снижения его реакционной способности, влияющей на его самовозгорание.
Задача изобретения состоит в устранении недостатков прототипа.
Техническим результат изобретения заключается в обеспечении возможности получения угля из мягкой древесины с высокими потребительскими свойствами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения угля из мягкой древесины, характеризующийся измельчением исходного сырья, сушкой и пиролизом опилки после сушки и охлаждением полученного угля, отличающийся тем, что измельчение исходного сырья осуществляют до разнородного размера фракции от 2 до 12 мм, сушку полученной опилки осуществляют зонально при температуре от 400°С с ее экспоненциальным подъемом до 600°С в аэродинамической трубе, выполненной в виде спирали, снабженной влагомером с возможностью измерения влажности опилки и регулирования температур зон исходя из влажности опилки, полученную после сушки опилку подают на пресс-брикетер где одновременно с прессованием воздействуют на опилки ультразвуковыми колебаниями с помощью ультразвукового резонатора, способствующими формованию гомогенной структуры древесного брикета, спрессованный брикет распиливают на куски и подают в термореакционный конвейер для дифференцированного пиролиза, основанного на поэтапном термическом разложении биомассы, при этом в первой зоне пиролизного конвейера брикет нагревают до 200°С для исключения температурных перепадов и растрескивания древесного брикета, во второй зоне брикет нагревают до 280°С для подготовки к экзотермическому процессу древесного угля, в третьей зоне брикет нагревают до 500°С для поддержания экзотермического процесса, в четвертой зоне брикет охлаждают в естественной печи до 300°С после чего продолжают охлаждать с одновременной стабилизацией в среде азота с возможностью нейтрализации свободных радикалов и снижения реакционной способности древесноугольного брикета.
В частности, зональную сушку опилки осуществляют до значений ее влажности на выходе от 6 до 10%.
В частности, аэродинамические силы в аэродинамической трубе создают с помощью вихревого обратного вентилятора и разницы динамического теплообмена.
2
В частности, давление пресс-брикетера устанавливают от 100 до 130 кН/см.
В частности, температуру формования в пресс-брикетере угля поддерживают от 250 до 280°С.
В частности, частоту колебания резонатора устанавливают от 30 до 100 кГц.
В частности, время дифференцированного пиролиза устанавливают два часа.
В частности, в среде азота уголь охлаждают в течение двух часов.
Осуществление изобретения.
Потребительские свойства товара - это свойства, которые проявляются в процессе потребления или использования (эксплуатации) товара потребителем для удовлетворения материальных потребностей. Как правило, потребительские свойства непродовольственных товаров являются сложными свойствами (удобство использования, надежность, безопасность товара), образованными совокупностью простых свойств.
Способ получения угля из мягкой древесины основан на дифференцированном пиролизе древесноугольного брикета, произведенного из опилок мягких пород деревьев посредством полиструктурного прессования и их формования под заданный форм-фактор.
Опилка, полученная в ходе лесопильного производства из мягких древесных пород, предварительно подготавливается к последующему формованию и пиролизу.
Предварительная подготовка состоит из механического измельчения до фракции от 2 до 12 мм, при этом при измельчении не добиваются однородности фракций и при контроле обеспечивают только чтобы максимальный размер не превышал 12 мм. Это обусловлено тем, что такая разнородная фракция опилки позволяет сформировать брикет с устойчивой формой. При увеличении размера фракции более 12 мм брикет теряет устойчивость своей формы, сопротивление его к механическим нагрузкам снижается и соответственно снижаются эксплуатационные свойства брикета. При уменьшении размера фракции менее 2 мм брикет получается плотным, он хуже разгорается, а процессы пиролиза и охлаждения такого брикета затягиваются по времени.
Далее измельченная фракция проходит экспоненциальную сушку при температуре от 400 до 600°С.
Опилка, под действием аэродинамических сил, создаваемых посредством вентиляторов, движется в вертикальной трубе, выполненной в виде спирали, преимущественно содержащей три витка. Длина трубы составляет 28 м. Примерное нахождение отдельной частицы в трубе составляет от 5 до 30 секунд и обусловлено коэффициентом отставания материалы, массы частицы, физики процесса.
При прохождении опилки через трубу обеспечивают непрерывное измерение влажности опилки с помощью, например, выходного поточного влагомера. Измеренный показатель влияет на объем и температуру тепловой энергии, необходимой для подачи в термические зоны для понижения влажности опилки. Выходной поточный влагомер передает значение выходной влажности опилки в блок управления, при этом выходное значение влажности опилки должно соответствовать значению, необходимому для ее следующего технологического передела и зависит от породного состава древесины, из которой получена опилка. Этот этап позволяет подготовить мелкодисперсную фракцию опилки по показателю влажности, а также активизировать полисахариды, которые являются основой при формовании опилки в брикет. Оптимальная выходная влажность опилки составляет от 6 до 10% при входной влажности опилки до 80%.
В трубе опилка проходит через термические зоны, с установленными с помощью блока управления температурами исходя из данных, полученных на первом этапе при измерении влажности опилки, температурными режимами и затем через выходной поточный влагомер на этап брикетирования.
Аэродинамические силы формируются посредством вихревого обратного вентилятора и разницы динамического теплообмена. При этом опилка проходит в трубе со скоростью 5-10 м/с, в зависимости от начальной влажности, за 10 секунд. При увеличении влажности опилки на входе скорость потока уменьшают, а при уменьшении - увеличивают.
В последующем, полученную после сушки опилку подают на экструдерный пресс-брикетер, фильера которого оснащена ультразвуковым резонатором, способствующим формованию гомогенной структуры древесного брикета.
С помощью резонатора создают ультразвуковые колебания с резонансной частотой для фильеры, при этом происходит следующее. Резонансные колебания создают интенсивные механические микроудары по поверхности формирующегося из опилки брикета, тем самым уплотняя сам брикет. Кроме того, между фильерой и брикетом на микроуровне создается воздушное пространство, что значимым образом снижает трение на основных механических элементах формования брикета - шнеке и фильеры. Также, при воздействии ультразвуковых колебаний, брикет становится гомогенным вследствие снижения воздушного пространства между частицами опилки. Формирующийся древесный брикет производится непрерывным способом единой структурой, которая, поступая на автоматический отпил, отпиливается по заранее заданному размеру.
2
Давление пресс-брикетера преимущественно устанавливают 100-130 кН/см. Температура формования в пресс-брикетере угля равна 250-280°С.
Резонансная частота колебания фильеры может варьироваться от 30 кГц до 100 кГц, в зависимости от материала фильеры, ее механической обработки и других физических параметров.
Спрессованный брикет распиливают на куски нужной длины и подают в термореакционный конвейер для дифференцированного пиролиза, основанного на поэтапном, структурном и управляемом термическом разложении биомассы. Это позволяет на выходе получить устойчивую структуру древесноугольного брикета с высокими теплоэнергетическими показателями для последующих упаковки, транспортировки и использования.
Этапность и дифференцированность пиролиза обеспечивается конструктивными особенностями непрерывного пиролиза древесного брикета, и осуществляется следующим образом. Брикет после отпила, попадая в пиролизную камеру, проходит весь цикл термического разложения по термическим зонам, управляемого с помощью блока управления.
Характеристики зональности закладываются в блок управления, а выработку тепловой энергии для пиролиза обеспечивают трубчатыми электрическими нагревателями, управляемыми также с блока управления. Режим пиролиза позволяет брикету более плавно осуществить термическое разложение древесного брикета и исключить его разрушения при пиролизе.
Зоны пиролизного конвейера разделены на:
зону входного температурного режима с нагревом от 120 до 200°С для исключения резких температурных перепадов и растрескивания древесного брикета;
зону подготовки к экзотермическому процессу древесного угля с температурным режимом от 200°С на входе до 280°С на выходе;
зону поддержания экзотермического процесса с температурным режимом от 280°С до 500°С на выходе
зону отпуска с температурным режимом от 500°С на входе до 300°С на выходе.
Время пиролиза в предлагаемом способе составляет 2 часа. В отличие от имеющихся способов пиролиза, предлагаемый способ значительно сокращает время производства и снижает себестоимость готовой продукции - древесноугольного брикета.
Далее древесноугольный брикет подвергают охлаждению в среде инертного газа, преимущественно в азоте, позволяющего в том числе нейтрализовать свободные радикалы и снизить реакционную способность древесноугольного брикета на выходе, влияющего на его самовозгорание. Уголь проходит охлаждение в среде инертного газа за 2 часа, при этом процесс охлаждения совмещен с процессом стабилизации, при этом азот способствует полному исключению свободных радикалов, которые являются источниками самовозгорания древесного угля.
В 2021 году автором изобретения был проведен ряд экспериментов по изучению процессов, протекающих при реализации заявленного способа.
Основной целью этих экспериментов было определение оптимальной температуры пиролиза брикетов из опилки пород древесины, относящихся к третьей группе (осина, липа, ива, ольха, тополь).
2
Исследовались процессы формирования брикетов путем ударного прессования экструдерным пресс-брикетером, фильера которого оснащена ультразвуковым резонатором, способствующим формованию гомогенной структуры древесного брикета. Давление пресс-брикетера выбрано 130 кН/см, температура формования в пресс-брикетере угля была выбрана 265°С.Резонансная частота колебаний фильеры выбрана средней в 65 кГц.
Также исследовались процессы пиролиза древесных брикетов со стадиями предварительного нагрева до 200°С, подготовки к экзотермическому процессу нагревом до 280°С и поддержания экзотермического процесса тремя температурными режимами подвода горячей среды - 350, 450 и 550°С с последующим охлаждением части полученного угля в воздушной среде, а части с охлаждением в среде азота.
В результате установлено, что:
- сформированный из опилки разнородной фракцией от 2 до 12 мм вышеописанным способом брикет путем воздействия на него при прессовании ультразвуковых колебаний, имеет плотность 1420 кг/м³. Для сравнения: самое плотное дерево «железное дерево-бакаут» имеет плотность 1450 кг/м³. Такая плотность исходного брикета перед пиролизом позволяет иметь более стабильную форму при транспортировке и эксплуатации конечного продукта в виде древесноугольного брикета;
- с повышением температуры в третьей зоне пиролиза от 350 до 500°С из-за интенсификации высвобождения летучих соединений и повышения степени конверсии процесса пиролиза, сократился выход углеродного остатка с 31 до 25,7 масс.% и выход летучих веществ с 44,8 до 8,0 масс.%, при этом значение зольного остатка остался практически неизменным в пределах 2,3-2,8 масс.%;
- полученные температурно-временные зависимости показали, что начальная температура пиролиза древесного брикета начинается в температурном диапазоне 290-300°С, при этом характерная температура завершения процесса пиролиза была зафиксирована при температуре 500°С;
- значение теплоты сгорания полученных образцов углерода с увеличением температуры греющей среды в третьей зоне пиролиза составило 28,5-33,5 МДж/кг, при этом разница значений теплоты сгорания углерода между температурными режимами проведения процесса пиролиза при подводе горячей среды 450 и 550°С составил около 1 МДж/кг (при 450°С - 32,5 МДж/кг), что говорит о том, что оптимальная температура для получения биотоплива для энергетического использования составляет 500°С;
x
y
- полученные значения элементного состава показали, что с ростом температуры греющей среды возрастает уровень карбонизации получаемого углеродного остатка (от 73,4 до 87,2 масс.%) из-за удаления кислородосодержащих функциональных групп и групп CH. Среднее значение содержания углерода промежуточного режима проведения пиролиза при температуре греющей среды 450°С составило 80,5 масс.%;
- с ростом температуры греющей среды зафиксировано изменение морфологического строения частиц получаемого углеродного остатка, проявляющегося в развитии более аморфной поверхностной структуры с большим количеством открытых пор и каналов;
- охлаждение в среде инертного газа (азота) позволяет нейтрализовать свободные макрорадикалы, способствующие повышению реакционной способности древесного угля, максимальное количество которых возникает при пиролизе древесины соответственно при температурах 325 и 550°С, при этом охлаждение инертным газом позволило сократить охлаждение и стабилизацию брикетов с 1 месяца до 2 часов, что значительно снижает временные затраты на производство древесного угля и его себестоимость.
Таким образом, на получение угля из мягкой древесины с высокими потребительскими свойствами, к которым относят прочностные характеристики, напрямую влияющие на форму брикета и его способность сохранять эту форму при механическом воздействии, оказывают влияние как последовательность предложенных в способе технологических операций над исходных сырьем, так и параметры воздействия при технологических операциях:
степень измельчения исходного сырья, при величине от 2 до 12 мм позволяющая сформировать брикет с устойчивой формой;
зональная сушка опилки при температуре от 400°С с ее экспоненциальным подъемом до 600°С в аэродинамической трубе, выполненной в виде спирали, снабженной влагомером с возможностью измерения влажности опилки и регулирования температур зон исходя из влажности опилки, позволяющая подготовить опилки по показателю влажности, а также активизировать полисахариды, которые являются основой при формовании опилки в брикет;
прессование опилки с одновременным воздействием на нее ультразвуковыми колебаниями с помощью ультразвукового резонатора, создающего интенсивные механические микроудары по поверхности формирующегося из опилки брикета, тем самым уплотняя сам брикет и делая его гомогенным вследствие снижения воздушного пространства между частицами опилки;
поэтапное разложение биомассы с помощью дифференцированного пиролиза, при котором на первом этапе брикет нагревают до 200°С для исключения температурных перепадов и растрескивания древесного брикета, на втором этапе продолжают нагревать до 280°С для подготовки к экзотермическому процессу древесного угля, на третьем этапе продолжают нагревать до 500°С для поддержания экзотермического процесса, на четвертом этапе охлаждают сначала до 300°С в естественной печи, а затем стабилизируя в среде инертного газа для нейтрализации свободных радикалов и снижения реакционной способности древесноугольного брикета.