УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПИРОЛИЗА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
CONTINUOUS PLANT FOR PYROLYSIS OF CARBON-BEARING MATERIALS

Установка непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов Использование: непрерывный пиролиз твердых мелкодисперсных углеродсодержащих материалов, выбранных из группы: древесина, солома, скорлупа орехов, гречневая, просяная, рисовая шелуха, лигнин и т.п.с целью их переработки с получением угля, жидких и газообразных продуктов пиролиза. Изобретение позволяет повысить производительность и улучшить качество получаемого угля. Установка проста в эксплуатации, обеспечивает стабильный температурный режим в зоне пиролиза, минимизацию потерь тепла из реторты наружу, что позволяет получать качественный уголь-сырец с высокой углеродностью и прочностью при отсутствии загрязнения окружающей среды.
Сущность изобретения: установка для получения угля, где использован бункер-накопитель, загрузочное устройство, оснащенное шнековым питателем-уплотнителем, посредством которого реализуется непрерывная подача измельченных углеродсодержащих отходов внутрь реторты при одновременном достижении ее герметичности, где непрерывно, при постепенном перемещении материала шнеком к узлу разгрузки, осуществляются подсушка и пиролиз переугливаемого материала и отвод образующихся газообразных продуктов через систему газоотведения. Между ретортой и зоной разгрузки установлена муфта переменного сечения для формирования пробки из получаемого угольного материала для гарантированного обеспечения герметичности реторты и термостабильности процесса. Разгрузочный узел оснащен блокируемым отводом-накопителем и разъемом для герметичного подсоединения сменных контейнеров-сборников угля. Таким образом, изобретение позволяет непрерывно, без прекращения работы установки и процесса углежжения загружать сырье в зону пиролиза, а также производить выгрузку готового угля. Нагрев реторты осуществляется извне электронагревателем, расположенным по всей длине трубы реторты.
Описание изобретения
Изобретение относится к оборудованию лесохимической промышленности и может быть использовано для сухой перегонки древесины при производстве древесного угля и получении жидких и газообразных продуктов пиролиза древесины, а также любых прочих твердых отходов растительного происхождения.
Известна установка для производства древесного угля, содержащая печную камеру с топочным устройством, над которой установлена реторта с отверстиями для выхода парогазов и дымоход (В.А.Выродов, А.Н.Кислицин. Технология лесохимических производств, М.: Лесная промышленность, 1987, с.214).
Недостатком известной установки является ее низкая производительность, обусловленная невозможностью организации непрерывного производства и длительным технологическим циклом при получении в качестве конечного продукта древесного угля-сырца, а также возможность пережога древесины. Кроме того, процесс получения угля на подобном устройстве не является экологически чистым.
Известна также установка для производства древесного угля, состоящая из печной камеры с топочным устройством, над которым установлена реторта с отверстиями для выхода парогазов, и канала для подачи пара в полость реторты. При этом реторта выполнена в виде трубы, проходящей через печную камеру, с загрузочным люком, устройством для подачи древесины, первой заслонкой перед входом в печную камеру, второй заслонкой и разгрузочным люком после выхода из печной камеры, в печной камере установлены направляющие переборки, разделяющие ее собственно на топочное пространство, камеру пиролиза и камеру дожигания. Использование данного изобретения обеспечивает непрерывный процесс получения древесного угля (Патент RU 2180345, С10В 1/04, «Установка для производства древесного угля»).
Недостатком установки является необходимость использования управляемой заслонки перед печной камерой и наличие направляющих переборок, что усложняет конструкцию установки и увеличивает стоимость ее обслуживания. Другим недостатком является невозможность обеспечения равномерной и по настоящему непрерывной подачи сырья в зону пиролиза, а также сложность точного регулирования длительности нахождения обрабатываемого материала в печной камере и температуры пиролитического процесса.
Наиболее близкой к предлагаемой установке непрерывного действия для получения древесного угля является установка для пиролиза промышленных и бытовых отходов, описанная в авторском свидетельстве SU 1038721 А (кл. F23G 5/00, 30.08.1983). Установка для пиролиза содержит загрузочный бункер, подающий механизм, печь и устройство для выгрузки, снабжена камерой пиролиза, размещенной в печи под углом 15-30° к горизонтали, переходной насадкой, установленной за подающим механизмом соосно камере пиролиза. Основная функция, выполняемая переходной насадкой, состоит в том, что непрерывно продвигаемые по ней отходы создают пробку и тем самым герметизируют вход в пиролизную камеру. Данная установка наиболее близка по своему функциональному назначению к заявляемому изобретению и была выбрана в качестве прототипа.
Недостатком установки является необходимость использования наклонной пиролизной камеры, выполненной в виде усеченного конуса, что увеличивает вертикальный габарит устройства в целом и усложняет процесс его изготовления. Кроме того, предложенная установка оказывается работоспособной лишь при весьма жестком соблюдении соотношения размеров входного и выходного сечений пиролизной камеры, диаметра шнека к его длине, и т.п., что также усложняет процесс изготовления устройства и увеличивает стоимость. Предлагаемое размещение пиролизной камеры целиком в камере циклонной печи не позволяет осуществлять точный контроль и регулирование температуры пиролитического процесса в различных зонах камеры пиролиза.
Суть заявляемого технического решения заключается в том, что обрабатываемый материал (измельченная лигноцеллюлоза в виде древесных опилок, стружки, щепы, крошки, шелухи и т.п.) подается в загрузочный узел, оснащенный шнековым питателем, перемещающим подаваемый материал непосредственно к реторте. При этом переходная зона между питателем и ретортой реализована в виде муфты переменного сечения, что обеспечивает формирование плотной пробки, образованной загружаемым материалом, автоматически обеспечивая тем самым наличие заслона, препятствующего обратному выходу пиролизных газов из реторты в загрузочную зону и попаданию наружного воздуха внутрь реторты. Реторта реализована в виде горизонтальной толстостенной стальной трубы с расположенным внутри продольным шнеком, осуществляющим плавное перемещение материала от зоны загрузки к зоне выгрузки через зону подсушки и пиролизную зону. Скорость перемещения и соответственно продолжительность нахождения перерабатываемого материала в высокотемпературной зоне легко и точно регулируется оператором извне, изменением скорости вращения главного шнека. Нагрев реторты осуществляется электронагревательным устройством, расположенным вне трубы реторты по ее длине. Газосборник для отвода пиролизных газов выполнен в виде системы труб, расположенных в верхней части камеры пиролиза (реторты). Для минимизации теплопотерь система реторта - нагреватель - газосборник надежно изолирована теплозащитным экраном-оболочкой. Тем самым достигается снижение производственных затрат и обеспечивается термостабильность процесса для достижения максимально возможной однородности и стабильности качественных показателей получаемого продукта. Использование электрических нагревателей обусловлено необходимостью обеспечения точной автоматической регулировки температурных параметров процесса. Поддержание температуры пиролитического процесса производится посредством автоматического программируемого задатчика температуры и электронных датчиков, расположенных в непосредственной близости к рабочей зоне. Узел разгрузки реализован в виде вертикального стального отвода-накопителя в нижней части камеры пиролиза в противоположном от загрузчика конце реторты, системы двух заслонок и разъема. На входе в разгрузочную зону перед отводом-накопителем установлена муфта переменного сечения, функциональное назначение которой аналогично подобному устройству, размещенному в переходной зоне между питателем и ретортой. Образующийся при пиролизе уголь, непрерывно подаваемый главным шнеком, формирует в муфте пробку, плотная структура которой препятствует выходу пиролизных газов в приемное устройство и обратному току наружного воздуха в реторту. После прохода муфты имеет место саморазрушение угольной пробки и самопроизвольное ссыпание угольных частиц через отвод в приемный бункер. После наполнения бункера производится ручное перекрывание заслонок, отсекающих разъем между отводом-накопителем и бункером, и смена бункера на порожний новый. Периодичность смены бункера обусловлена его внутренним объемом и производительностью установки, и предполагается не чаще одного раза в течение часа. Наличие заслонок способствует непопаданию наружного воздуха в накопитель после отсоединения бункера от установки. Наполненный бункер с закрытой заслонкой перемещается на открытую площадку до охлаждения угля до приемлемой температуры и его стабилизации, после чего продукция разгружается и идет на склад. В процессе смены бункера процесс пиролиза не прекращается. Образующийся уголь временно сохраняется в отводе-накопителе, объема которого достаточно для накопления продукта, образующегося в период смены оборудования (3÷5 минут). Отвод пиролизных газов осуществляется за пределы помещения через комплекс газоудаления и конденсации, реализованный в виде системы газосборных труб, концентратора, отводящей магистрали, конденсатора и сборной емкости. Наличие постоянного гидрозатвора обеспечивает непопадание наружного воздуха в реторту. Сбор жижки для последующей ее переработки производится в стационарную сборную емкость, отвод неконденсируемых газов для сжигания осуществляется через верхнюю часть емкости.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что заявляемое техническое решение обладает рядом признаков, не совпадающих с прототипом, а именно: реторта реализована в виде трубы, представляющей собой нагреваемую извне камеру с соосным шнеком, при вращении которого осуществляется плавное и непрерывное перемещение обрабатываемого материала от зоны загрузки к зоне выгрузки с обеспечением возможности точного регулирования продолжительности нахождения сырья в зоне пиролиза и температуры процесса. В заявляемом решении предлагается отвод образующихся газообразных продуктов через систему газоотведения, а также газоконденсация. При этом исключено попадание наружного воздуха в реторту и неконтролируемый выход пиролизных газов во внешнюю среду. Кроме того, наличие муфты переменного сечения на границе между ретортой и зоной разгрузки способствует формированию пробки из получаемого угольного материала, что обеспечивает герметичность реторты и термостабильность пиролитического процесса. Разгрузочный узел оснащен блокируемым отводом-накопителем и разъемом для герметичного подсоединения сменных контейнеров-сборников угля.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «новизна» и критерию «изобретательский уровень».
Сравнительный анализ заявляемого изобретения с другими техническими решениями показал, что подобная конструкция установки для получения древесного угля является новой, и ранее в технике не применялись.
Принцип работы установки для получения древесного угля согласно заявляемому изобретению поясняется схемой, на которой представлен общий вид комплекса установки.
Установка состоит из загрузочного модуля 2, включающего бункер-накопитель с обрабатываемым материалом 1 и шнековый питатель 3, приводимый во вращение узлом 18, а также реторты 4, главного шнека 5, приводимого во вращение узлом 19, электронагревательных элементов 6. Узел разгрузки 8 содержит в своем составе отвод-накопитель 9, приемный бункер 10, заслонки 11 и разъем 12. Система газоотведения и конденсации реализована в виде газосборных труб 7, концентратора 13, магистрали 14, конденсатора 15, емкости 16 и отводчика неконденсируемых газов 17.
Установка работает следующим образом.
Через загрузочный бункер в питатель 3 самоссыпанием подается исходное сырье (измельченная древесина и т.п.), где оно шнеком перемещается в переходную зону по направлению к камере подсушки и пиролиза 4. Наличие переходной зоны в виде муфты переменного сечения (уменьшающегося по направлению к реторте), обусловливает формирование плотной пробки из среды подаваемого материала, что обусловливает невозможность проникновения вместе с подаваемой древесиной наружного воздуха в камеру пиролиза и обратный выход пиролизных газов в помещение. Вращающимся шнеком 5, находящимся в реторте, осуществляется разрушение древесной пробки, оказавшейся внутри после прохождения переходной муфты, и последующее непрерывное перемещение обрабатываемого материала вдоль трубы реторты, чем достигается поочередный плавный перенос обрабатываемых частиц через зоны, нагретые до разных температур (зона подсушки, зона пиролиза). Продолжительность нахождения обрабатываемого материала внутри реторты 4 регулируется скоростью вращения шнека 5 и обусловливается исходными показателями использованного сырья и необходимостью получения готового продукта с тем или иным набором качественных характеристик. Во время прохождения зоны термической обработки происходит постепенное превращение исходного материала в древесный уголь, который, продолжая перемещаться шнеком к противоположному концу реторты, попадает в узел разгрузки 8. Дополнительной функцией главного шнека, помимо транспортировки материала внутри реторты, является формирование посредством муфты переменного сечения, расположенной между жаровой зоной и зоной разгрузки, плотной пробки, препятствующей проникновению наружного воздуха в камеру пиролиза и неконтролируемому обратному току пиролизных газов во внешнюю среду. Реализация конструкции средней части главного шнека 5 в виде разорванной спирали («с лопатками») позволяет помимо основной функции (транспортировка материала вдоль реторты) осуществлять интенсивное перемешивание переугливаемых частиц в процессе обработки, что способствует интенсификации процесса в целом и улучшению качественных показателей получаемых продуктов.
В процессе термического разложения лигноцеллюлозных частиц происходит образование большого количества газообразных продуктов, система отведения и конденсации которых реализована следующим образом. Пиролизные газы, поднимаясь через систему газосборных трубок 7, расположенных в верхней части реторты по всей ее длине, через концентратор 13 попадают в газоотводящую магистраль 14. После прохождения конденсатора 15, находящегося за пределами помещения, образующиеся жидкие продукты оказываются в стационарной сборной емкости 16, откуда производится их забор для дальнейшей переработки с целью разделения на полезные продукты (метанол, уксусная кислота, смолы и т.п.). Наличие гидрозатвора обеспечивает непопадание наружного воздуха через газоотводную магистраль в пиролизную зону. Неконденсируемые газы, попадая в сборную емкость 16 вместе с жижкой, поднимаясь, самопроизвольно истекают через магистраль 17, после чего производится их сжигание с целью получения тепла для нагрева воды или обогрева помещения.
Нагрев реторты производится электрическим нагревателем 6, расположенным вне трубы реторты по всей ее длине. С целью минимизации теплопотерь система реторта - нагреватель - газосборник надежно изолирована теплозащитным экраном-оболочкой, препятствующей интенсивному отводу тепла за пределы жаровой среды. Тем самым достигается снижение производственных затрат и обеспечивается термостабильность процесса для достижения максимально возможной однородности и стабильности качественных показателей получаемого продукта. Использование электрических нагревателей позволяет обеспечить точную автоматическую регулировку температурных параметров процесса. Поддержание температуры производится посредством автоматического программируемого задатчика температуры и набора электронных датчиков, расположенных в непосредственной близости к той или иной рабочей зоне, что позволяет выполнять отдельное, независимое термостатирование разных зон реторты, обеспечивая оптимальные условия обработки древесины.
Образующийся при пиролизе уголь, после прохода переходной муфты переменного сечения, оказавшись в зоне разгрузки 8, самопроизвольно ссыпается через отвод-накопитель 9 в приемный бункер 10, герметично подсоединенный к отводу посредством разъема 12. По заполнению приемного устройства 10 вручную перекрываются заслонки 11, отделяющие приемный бункер 10, разъем 12 и накопитель 14, после чего осуществляется разъединение бункера и накопителя и замена бункера на порожний новый. Затем заслонки открываются и уголь, собранный в накопителе за время смены бункера, ссыпается в приемник. Таким образом, обеспечивается непрерывный процесс пиролиза, без остановки системы на разгрузку. Наполненный углем бункер с закрытой заслонкой перемещается на открытую площадку для охлаждения угля до приемлемой температуры и его стабилизации, после чего продукция разгружается и идет на склад.
Заявляемая установка проста в изготовлении и эксплуатации, мобильна, позволяет автоматизировать все режимы работы и минимизировать затраты на эксплуатацию. Обслуживание работающей установки сводится к контролю над показанием приборов, исправностью оборудования и в штатном режиме осуществляется одним человеком.