УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Полезная модель относится к области пиролиза древесины, а именно к получению угля, и может быть использована в лесной и деревообрабатывающей промышленности для переработки технологической древесины и ее отходов.
Из уровня техники известна установка для производства древесного угля (патент на изобретение RU 2027735, опубл. 27.01.1995), содержащая по меньшей мере одну печную камеру с выемным контейнером для обрабатываемой древесины, топку с жаровой трубой и систему газоходов, контейнер выполнен в виде емкости с крышкой и днищем, в центральной части которой вертикально установлена выполненная перфорированной жаровая труба, открытая со стороны крышки и днища емкости, а система газоходов включает последовательно расположенные жаровую трубу, пространство между стенками камеры и контейнера и отводящий газоход. При использовании двух и более печных камер система газоходов установки содержит для каждой пары соседних печных камер газоход, расположенный на уровне нижней части конвейеров и соединяющий эти камеры. Недостатком данной печи является ее небольшая производительность.
Наиболее близким по технической сущности является установка для получения древесного угля (патент на изобретение RU 2717796, опубл.: 25.03.2020 Бюл. № 9), содержащая по меньшей мере два пиролизных отсека с располагаемыми в них ретортами, печь, включающую топочную камеру, сообщающуюся газоходом с пиролизными отсеками, зольники и дымоход. При этом газоход топочной камеры выполнен в виде устройства-смесителя для равномерного смешивания газовых потоков, вырабатываемых в разных зонах топочного пространства с поступающими атмосферными потоками в один поток перед подачей и распределением теплоносителя по пиролизным отсекам, а устройство-смеситель выполнено с возможностью передачи тепла в зону центра верхней части реторты и включает трубу аварийного сброса теплоносителя. Также установка включает комплекс предварительного высушивания древесного сырья, выполненный в виде основания с отверстиями, где над каждым из отверстий устанавливается по меньшей мере одна реторта. Отвод отработанного теплоносителя из каждого пиролизного отсека осуществляется через отверстия, расположенные равномерно по всему периметру низа окружности реторты. Недостатком данной печи является ее небольшая производительность, сложность конструкции.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка печи, обеспечивающей непрерывное производство древесного угля, простой в конструкции и легкой в использовании.
Данная задача решается тем, что устройство для получения древесного угля содержит корпус с выполненными в нем четырьмя пиролизными отсеками с располагаемыми в них ретортами для размещения исходного сырья, топочную камеру, дымовые трубы, топочная камера расположена в центральной части корпуса, по обе стороны от которой расположены по два пиролизных отсека, каждый пиролизный отсек содержит стакан, выполненный в форме полого горизонтально ориентированного цилиндра, передней частью приваренного к лицевой части каркаса, а нижней частью лежит на опорах, обеспечивающих приподнятое расположение стакана, при этом стакан установлен под углом к линии горизонта с уклоном в сторону загрузки реторты, внутри печи через пиролизный отсек проходит растопочная труба, которая входит в топочную камеру, внутри печи из задней части каждого стакана отходит труба, соединяющая стакан и топочную камеру, по которому поступают пиролизные газы в топочную камеру, в верхней части печи из топочного отсека отходят две трубы аварийного сброса теплоносителя с крышками, открывающимися и закрывающимися при помощи линейного привода, с обоих торцов корпуса из каждого пиролизного отсека выходят трубы для сброса излишков пиролизных газов, для доступа в пиролизные отсеки на противоположных сторонах корпуса печи расположены по две круглые крышки, между которыми расположена дверь для загрузки топочной камеры, при этом в нижней части каждой круглой крышки имеется отверстие, необходимое для отвода жидкостей. На боковых стенках печи расположены окна для принудительного охлаждения стаканов.
Техническим результатом является стабилизация длины цикла производства угля, тем самым повышая производительность печи. Дополнительным эффектом можно считать снижение затрат на производство угля, а благодаря объединению четырёх пиролизных отсеков и общей топочной камеры в одном корпусе обеспечивается оптимальное распределение тепла (движение потока воздуха и газов), экономя таким образом топливо.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 – вид печи спереди (или сзади),
- на фиг.2 – вид печи сверху,
- на фиг.3 – вид печи сверху в разрезе,
- на фиг.4 - вид печи сбоку,
- на фиг.5 –пиролизные отсеки печи в разрезе.
Устройство для получения древесного угля представляет собой углевыжигательную печь, которая содержит корпус с выполненными в нем четырьмя пиролизными отсеками (камеры пиролиза) с располагаемыми в них ретортами для размещения исходного сырья и топочной камерой, дымовые трубы. Устройство может быть снабжено контрольно-измерительными приборами, включая термопары, которые измеряют температуру в ретортах и в топке, и контроллер, который отслеживает рабочую температуру и управляет линейным приводом сброса температуры, при этом передавая звуковые и световые сигналы оператору. Также устройство может быть оборудовано средствами передачи данных посредством беспроводной передачи данных.
Корпус состоит из рамного каркаса 1 с крышей 2 и фермами 3. Каркас представляет собой пространственную конструкцию в форме прямоугольного параллелепипеда, сваренную из прямоугольных стальных труб, усиленных в местах большей нагрузки продольными и поперечными трубами. На каркас приварены стальные листы. Используют в основном сталь 09Г2С толщиной 3-5 мм. Размер каркаса преимущественно 6,7×6,6×3,18 м, толщина труб 3-5 мм. Корпус с внутренней стороны обшит огнеупорным материалом.
Крыша 2 представляет собой прямоугольную конструкцию, выполненную в размер верхней стороны каркаса. Крыша выполнена из сварной рамы с приваренными стальными листами. На крыше имеются фермы 3 для её укрепления и предотвращения провисания.
Передняя и задняя (противоположные) части корпуса являются идентичными. На передней и задней частях корпуса печи расположены по две круглые крышки 4 для установки реторт (кассет) (фиг.1). Крышки также выполнены из сварной рамы с приваренными к ней стальными листами. Крышки 4 закреплены на усиленной раме, закрепленной на каркасе устройства. Крышки 4 имеют уплотнители, благодаря которым плотно (герметично) закрываются во время работы. На передней и задней частях корпуса печи также располагаются двери 5, расположенные одна над другой. Дверь 5 закреплена на усиленной раме и является дверью топочной камеры.
Топочная камера 6 располагается в центральной части печи (фиг.3). Топочная камера выполнена единой для всех четырех реторт. По обе стороны от топочной камеры расположены пиролизные отсеки с размещенными в них стаканами 7 с ретортами. Топочная камера футерована с внутренней стороны огнеупорным кирпичом, отделяя таким образом топочную камеру от пиролизных отсеков. Огнеупорный кирпич выложен толщиной в один кирпич и положен с периодическими проходами для равномерного перемещения тепловых потоков в область стакана, омывая его со всех сторон, но одновременно являясь пламегасителем, не давая пламени напрямую воздействовать на металл стакана. Данная кладка является одновременно энергоаккумулятором. Кирпич выложен на ¾ по высоте каркаса. Расположение топочной камеры в центральной части корпуса позволяет осуществлять одновременный нагрев и работу четырех пиролизных камер, что приводит к повышению производительности печи.
Каждая реторта (кассеты) выполнена в форме полого полуцилиндра и установлена в свой стакан (фиг.5). Стакан 7 выполнен цилиндрической формы. Стакан может быть обернут огнеупорным материалом по всей наружной окружности. Стакан приварен к внешней части каркаса печи. Реторта вставляется в стакан с помощью вилочного погрузчика и ложится на дно стакана. В нижней части крышки 4 имеется отверстие 8, необходимое для отвода (слива) жидкостей, выделяемых из древесины в момент её разогрева и приготовления угля. Для этого стакан 7 с ретортой установлен под наклоном к линии горизонта с уклоном в сторону загрузки реторты (в сторону расположения крышки 4), предпочтительный угол наклона 2° для естественного слива жидкой фракции. При достижении в пиролизной камере (ретортной камере) температуры выше 300℃ данные отверстия перекрываются для исключения попадания кислорода в зону приготовления угля. Своевременно удаленная жидкость из области реторты позволяет уменьшить потребление тепловой энергии на испарение данной жидкости. При использовании сухой древесины отверстие можно держать в закрытом состоянии. Каждый стакан установлен на перевернутые Ш-образные опоры 9 для крепления стакана в приподнятом состоянии, что обеспечивает лучшую циркуляцию теплоносителя вокруг стакана (здесь под теплоносителем понимается горячие газы, циркулирующие в печи). Опоры приварены ко дну каркаса.
На боковых (торцевых) стенках печи расположены окна (заслонки) 10 для принудительного охлаждения стаканов. Каждая пара заслонок имеет объединенную систему воздуховодов с принудительным вентилятором с шиберной задвижкой и автоматикой. При перегреве стакана (реторты) открывается окно 10 и в область стакана нагнетается атмосферный воздух. При этом дымовая заслонка данного стакана автоматически перекрывается, тем самым прекращается тяга в данную область. В этом случае дымовые потоки будут выходить через оставшиеся открытые дымовые трубы. В данном случае будет охлаждаться перегретый стакан, а тепловая энергия перераспределятся по всему объему печи. Таким образом не просто охлаждается стакан, а происходит перераспределение энергии в другие области печи, при этом трубы аварийного сброса теплоносителя 13 закрыты и вся тепловая энергия остается внутри печи. Если же наступает ситуация, когда перегреваются все четыре стакана (реторты) или топочное пространство, то в этом случае срабатывают трубы аварийного сброса теплоносителя.
Благодаря отсутствию перегородок между пиролизными отсеками и, соответственно, стаканами, в данной печи маловероятен общий перегрев, так как излишняя теплоэнергия одного из них будет отдаваться соседнему.
Внутри печи находятся пиролизные трубы 11, по которым из каждого стакана подходит газ в топку. Каждая труба выходит с задней верхней угловой части стакана, опускается вниз и идет вдоль стакана в переднюю часть топочной камеры. Труба идет вдоль топки, из нее отходят несколько форсунок (около 3-4 шт.), выпускающих пиролизный газ из реторты в топочное пространство равномерно. Таким образом обеспечивается равномерный прогрев топки и реторт.
Внутри печи через пиролизный отсек проходит растопочная труба (на чертежах не показана), которая входит в топочную камеру. Вход растопочный трубы расположен на одной из торцевых (боковых) стенок корпуса. Растопочная труба является трубопроводом для подачи воздуха в топку, который предварительно подогревается, проходя внутри печи вдоль пиролизного отсека. Растопочная труба находится всегда в нагретом состоянии ~300℃, а воздух, проходя через него, нагревается примерно до 60℃. Наличие растопочной трубы позволяет подавать в топочную камеру подогретый воздух, что приводит к повышению производительности печи, осуществлять регулировку интенсивности горения в топочной камере, что обеспечивает стабильность температур в заданных пределах, не допуская перегревов и, соответственно, уменьшает потери теплоэнергии.
На боковых стенках из каждого пиролизного отсека выходят трубы 12 для сброса излишков пиролизных газов в момент аварийной ситуации при повышенной температуре в стакане или в топке. Также трубы 12 позволяют выбросить первичный пар при процессе сушки древесины в момент ее нагрева в реторте.
В верхней части печи из топочного отсека отходят две трубы 13 (трубы аварийного сброса теплоносителя), каждая закрывающаяся крышкой 14, открывающаяся и закрывающаяся при помощи линейного привода 15. При повышении температуры выше рабочей автоматически открывается крышка 14, обеспечивая сброс температуры (охлаждение топочной камеры). Эти трубы используются крайне редка, используются для охлаждения всей печи, когда первый ряд охлаждения не справляется.
С обоих торцов корпуса располагаются дымоходы 16 с трубами, через которые удаляются дымовые газы из общего пространства печи. Дымоход содержит трубы, движение газов между которых управляются шиберами и при необходимости дымовые газы могут идти напрямую в атмосферу или через теплообменник. Каждый дымоход связан с непосредственным пиролизным отсеком, благодаря чему возможно регулирование процесса горения, в том числе при растопке печи.
Устройство работает следующим образом.
В основе работы печи лежит принцип сухой перегонки древесины без доступа воздуха. Процесс происходит в закрытой металлической реторте с внешним обогревом до конечной температуры 450-500°С. В результате нагрева из древесины выходят парообразные и газообразные продукты разложения (парогазовая смесь) и остаётся древесный уголь.
В реторту помещают древесину, двери закрывают и производят нагрев, регулируя распределение горячих газов внутри печи с помощью заслонок дымоходов и растопочной трубы. Первичный нагрев происходит за счет сжигания древесного топлива в топке. Запуск печи может осуществляться путем загрузки диагонально расположенных пиролизных камер, образуя временной разрыв для автономного режима, используя для этого шиберы на дымовых трубах. Когда подключаются к процессу все реторты, то открываются все дымовые шиберы. Далее печь работает автономно и управляется автоматической системой регулирования температуры для исключения перегрева печи.
При достижении перегрева всех четырёх реторт выше температуры 550°С происходит аварийная ситуация, при которой прекращается подача топлива в топку, перекрывается газоход подачи кислорода в топку, открываются аварийные клапаны, через которые выходит пиролизный газ в атмосферу. Газ поджигается и его сгорание происходит вне топки, при этом происходит остывание пиролизных камер, топки, печь входит в нормальный режим работы (около 520 °С). После чего топливо начинает вновь подаваться в топку, перекрывая аварийные клапаны и открывая газоход подачи кислорода в топку.
Таким образом помимо повышения производительности печи обеспечивается стабилизация длины цикла, т.к. всегда будет поддерживаться высокая температура в общем пространстве четырех одновременно газующих реторт (может быть последовательно, но всегда в газе находятся две или три реторты), что позволяет поддерживать высокую температуру. А так как газ поступает с четырех стаканов (реторт), то нет необходимости подкидывать топливо, что сокращает его расход.
Изготовлен образец заявляемого устройства, характеризующийся следующими параметрами:
Длина - 6705 мм
Ширина - 6620 мм
Высота - 3179 мм.
Преимуществами данной разработки являются:
- экологичность, за счет полного сгорания топочных (пиролизных) газов, получая на выходе СО;
- безопасность, за счет минимального присутствия человека рядом с производственным оборудованием;
- простота в управлении с минимальным привлечением человека;
- быстрота изготовления угля, обеспечиваемая благодаря конструкции печи, обеспечивающей оптимальное движение пиролизных газов;
- компактность конструкции при высокой производительности печи;
- отсутствие фундаментов и крановых установок;
- обеспечение непрерывности цикла приготовления угля за счет наличия нескольких реторт,
- топочная камера и пиролизные отсеки находятся в одном общем корпусе, что позволяет обойтись без применения каких-либо дополнительных магистралей для пиролизных газов, отводимого пара, воды и воздуха. Таким образом нет дополнительных теплопотерь, что напрямую влияет на производительность оборудования.