УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО АКТИВНОГО УГЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области производства древесного активного угля и может быть использована для переработки измельченной свежей древесины.
Известна сушилка для термической обработки жидких суспензий, содержащая прямоугольный корпус, разделенный наклонной газонепроницаемой перегородкой на последовательно расположенные по ходу материала камеры, первая из которых выполнена с фонтанирующим слоем и тормозящими элементами, вихревой вертикальный сепаратор, снабженный в верхней и средней частях завихрителями, и устройство для ввода высушиваемого материала, причем сепаратор содержит дополнительный завихритель и трубопровод с питателем, а устройство для ввода высушиваемого материала расположено в нижней части сепаратора и выполнено в виде форсуночного распылителя, вокруг которого расположен дополнительный завихритель, стенка сепаратора в зоне размещения завихрителя в средней части выполнена перфорированной, а бункер сепаратора подключен к корпусу посредством трубопровода с питателем. (SU 1695089 А1, 30.11.91.).
Недостатком вышеуказанного технического решения является невозможность использования сушилки для изготовления древесного активного угля.
Известна установка для производства древесного угля, снабженная каналом для подачи пара в полость реторты, установленной по ее оси. Отверстия для выхода парогазов выполнены
в нижней части реторты и сообщены с печной камерой. (RU 2105032 С1, 20.02.1998.)
Недостатком известного технического решения являются необходимость периодической остановки и охлаждения печи для выгрузки реторты, отбора готовой продукции и загрузки очередной партии древесины, в результате чего имеются значительные потери тепла, а также значительные потери тепла за счет выброса горячих газов в атмосферу.
Известна также установка для производства древесного угля, состоящая из печной камеры с топочным устройством, над которым установлена реторта с отверстиями для выхода парогазов, расположенными в нижней части реторты и сообщенными с печной камерой, и канала для подачи пара в полость реторты. При этом она снабжена теплогенератором, 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, соединенную с теплогенератором, причем в камере дожигания установлено устройство для подачи воздуха. (RU 2180345 С2, 10.03.2002.).
Недостатком известного технического решения является низкий тепломассообмен, что повышает затраты топлива на получение топочных газов и снижает производительность аппарата.
В основе настоящей полезной модели лежит задача по созданию установки непрерывного действия для производства древесного активного угля из древесного сырья с возможностью
оптимизации процесса в целом и каждой стадии отдельно (сушки, карбонизации (пиролиза), активации и охлаждения). Задачей является также снижение энергозатрат, обеспечение быстрого пиролиза, повышение качества конечного продукта, обеспечение повышения производительности, снижение затрат топлива на получение топочных газов, улучшение экологии окружающей среды.
Технический результат заключается в интенсификации тепломассообмена между теплоносителем (парогазовой смесью) и частицами сначала древесины, затем древесного угля и, наконец древесного активного угля (ДАУ), а так же между хладоносителем и ДАУ, что обеспечивает значительное ускорение процессов подсушки, пиролиза и активирования, сжигание газообразных продуктов пиролиза, улучшающее экологию, а также использование тепла пиролиза, что снижает затраты топлива на получение топочных газов.
Технический результат достигается тем, что предложенная установка для получения древесного активного угля, согласно настоящей полезной модели, по первому варианту, содержит корпус прямоугольного сечения, с установленными в нем по ходу движения материала камерами сушки, карбонизации (пиролиза), активации и охлаждения, соединенными переходными трубопроводами и разделенными между собой теплоизоляционными газонепроницаемыми перегородками, при этом днища и крышки камер выполнены под углом 55-65° для равномерной раздачи теплоносителя в камеры, в нижней части каждой камеры размещены газораспределительные решетки и шнеки для перемещения крупных частиц и дробления газовых пузырей для создания организованного псевдоожиженного слоя крупных частиц, а в камерах сушки, карбонизации (пиролиза) и активации установлены для авторегулирования - увеличения времени пребывания в камере
мелких и средних частиц, находящихся в режиме организованного пневмотранспорта, вставки-активаторы в виде металлических пластин, размещенных между внутренними боковыми стенками камер, при этом переходные трубопроводы выполнены в виде U-образных труб с внутренней спиралью для равномерного передвижения крупного материала из камеры в камеру.
Технический результат достигается также тем, что предложенная установка для получения древесного активного угля, согласно настоящей полезной модели, по второму варианту, содержит корпус прямоугольного сечения, с установленными в нем по ходу движения материала камерами сушки, карбонизации (пиролиза), активации и охлаждения, соединенными переходными трубопроводами и разделенными между собой теплоизоляционными газонепроницаемыми перегородками, при этом днища и крышки камер выполнены под углом 55-65° для равномерной раздачи теплоносителя, в нижней части каждой камеры размещены газораспределительные решетки и шнеки для перемещения крупных частиц и дробления газовых пузырей для создания организованного псевдоожиженного слоя крупных частиц, причем в камере сушки установлены для авторегулирования - увеличения времени пребывания в камере мелких и средних частиц, находящихся в режиме организованного пневмотранспорта, вставки-активаторы в виде металлических пластин, размещенных между внутренними боковыми стенками камер, а в камерах карбонизации и активации размещены вставки-активаторы в виде установленных одна над другой перфорированных металлических труб с встроенной внутри спиралью и отверстиями, расположенными на концах каждой трубы, при этом отверстия выхода из нижней трубы совмещены с отверстиями входа в верхнюю трубу.
При этом переходные трубопроводы выполнены в виде U-образных труб с внутренней спиралью для равномерного передвижения крупного материала из камеры в камеру.
Выполнение установки в виде взаимосвязанных между собой и установленных по ходу движения материала камер сушки, карбонизации (пиролиза), активации и охлаждения в одном прямоугольном корпусе обеспечивает непрерывность работы, оптимизацию каждой стадии и процесса в целом, экономию энергии и материалов, повышение производительности.
Выполнение днищ и крышек камер под углом 55°-65° позволяет равномерно по сечению камеры распределять реакционный газ - сжижающий агент, что обеспечивает равномерное псевдоожижение твердых частиц и на этой основе равномерную обработку частиц.
Нецелесообразно выполнение днищ и крышек под углом меньше 55° и больше 65°, так как это ведет к неравномерности обработки частиц.
Выполнение (по первому варианту) в камерах сушки, карбонизации (пиролиза) и активации вставок-активаторов в виде металлических пластин, установленных между внутренними боковыми стенками камер позволяет увеличить время пребывания мелких и средних частиц в камере (чем крупнее частица, тем дольше она пребывает в камере, т.е. мелкая частица пребывает мало, а средняя - чуть больше, за счет чего повышается качество конечного продукта).
Выполнение переходных трубопроводов в виде U-образных труб позволяет обеспечить переток крупных частиц последовательно из камеры сушки в камеру карбонизации (пиролиза) и далее из камеры карбонизации (пиролиза) в камеру активации и далее в камеру охлаждения. При этом материал внутри трубопровода образует затвор -
не пропускает газ из камеры в камеру.
Выполнение (по второму варианту) в камерах карбонизации и активации вставок-активаторов в виде установленных одна над другой перфорированных металлических труб с встроенной внутри спиралью и отверстиями, расположенными на концах каждой трубы, обеспечивает достаточно длительное время пребывания частиц в камере в условиях активного взаимодействия твердых и газообразных фаз, значительно большее, чем по первому варианту.
Необходимо, чтобы отверстия выхода из нижней трубы были совмещены с отверстиями входа в верхнюю трубу, так как должен быть беспрепятственный вход двухфазного потока, (твердая фаза - газ).
Количество установленных перфорированных металлических труб и длина трубы определяются из условий обеспечения необходимого времени обработки-активации и времени пребывания частиц в трубе.
Размер перфорации составляет не более 0,05 мм с тем, чтобы сквозь отверстия не могли проникнуть мелкие частицы.
Отверстия для входа и выхода запыленного газа выполнены равными и имеют площадь, равную поперечному разрезу трубы с целью снижения гидравлического сопротивления.
Угол наклона спирали составляет 30-75°. Если меньше 30°, то недопустимо снижается время пребывания частиц в трубе, если больше 75°, то появляются застойные зоны.
Вся заявленная совокупность существенных признаков влияет на достижение технического результата и, в конечном итоге, на решение поставленной задачи.
Полезная модель поясняется чертежом, где:
на фиг.1 - общий вид установки с камерами;
на фиг.2 - общий вид камеры со вставками-активаторами (по первому варианту)
на фиг.3 - общий вид камеры со вставками-активаторами (по второму варианту)
на фиг.4 - общий вид вставки-активатора в виде металлической пластины;
на фиг.5 общий вид вставки-активатора в виде перфорированной металлической трубы;
на фиг.6 - общий вид U-образных переходных трубопроводов;
на фиг.7 - принципиальная схема установки (для первого варианта);
на фиг.8 - принципиальная схема установки (для второго варианта)
Предложенная установка для получения древесного активного угля по первому варианту содержит корпус 1 прямоугольного сечения, с установленными в нем по ходу движения материала камерами сушки 2, карбонизации (пиролиза) 3, активации 4 и охлаждения 5, соединенными переходными трубопроводами 6 и разделенными между собой теплоизоляционными газонепроницаемыми перегородками 7, при этом днища 8 и крышки 9 камер 2-5 выполнены под углом 55-65° для равномерной раздачи теплоносителя, в нижней части каждой из камер 2-5 размещены газораспределительные решетки 10 и шнеки 11 для перемещения крупных частиц и дробления газовых пузырей для создания режима организованного псевдоожиженного слоя крупных частиц, а в камерах сушки, карбонизации (пиролиза) и активации 2-4 установлены для увеличения времени пребывания в камерах мелких и средних частиц, находящихся
в режиме организованного пневмотранспорта, вставки-активаторы в виде металлических пластин, 12, расположенных между внутренними боковыми стенками камер 2-4.
Переходные трубопроводы 6 выполнены в виде U-образных труб с внутренней спиралью для равномерного передвижения крупного материала из камеры в камеру.
Предложенная установка для получения древесного активного угля по второму варианту содержит корпус 1 прямоугольного сечения, с установленными в нем по ходу движения материала камерами сушки 2, карбонизации (пиролиза) 3, активации 4 и охлаждения 5, соединенными переходными трубопроводами 6 и разделенными между собой теплоизоляционными газонепроницаемыми перегородками 7, при этом днища 8 и крышки 9 камер 2-5 выполнены под углом 55-65° для равномерной раздачи теплоносителя, в нижней части каждой из камер 2-5 размещены газораспределительные решетки 10 и шнеки 11 для перемещения крупных частиц и дробления газовых пузырей для создания режима организованного псевдоожиженного слоя крупных частиц, а в камерах сушки 2, карбонизации (пиролиза) 3 и активации 4 установлены для увеличения времени пребывания в камерах мелких и средних частиц, находящихся в организованном пневмотранспорте, вставки-активаторы, причем в камере сушки 2 - в виде металлических пластин 12, расположенных между внутренними боковыми стенками камер, а в камерах карбонизации 3, и активации 4 - в виде установленных одна над другой перфорированных металлических труб 13 с встроенной внутри спиралью 14 и отверстиями 15 для входа запыленного газа и отверстиями 16 для выхода запыленного газа. Отверстия 15, 16 расположены на концах труб 13, при этом отверстия 16 для выхода из
нижней трубы совмещены с отверстиями 15 для входа в верхнюю трубу.
Нижняя часть камер карбонизации (пиролиза) и активации может быть выполнена в виде цилиндрических емкостей с вращающимся шнеком внутри для повышения производительности камер карбонизации (пиролиза) и активации крупных частиц.
Установка работает следующим образом.
Измельченная свежая древесина влажностью до 50-60% подается в камеру сушки 2, одновременно, в эту камеру подается воздух из атмосферы, подогретый до 105°-150°C дымовыми газами в теплообменнике 17. (см. фиг.7). Поступающая на сушку древесина состоит из крупных частиц, диаметром 25-40 мм, средних частиц, диаметром 1-5 мм и мелких частиц, диаметром 0,3-1 мм.
Крупные и средние частицы, обдуваемые потоками горячего воздуха, образуют пузырьковый псевдоожиженный слой над газораспределительной решеткой 10 в зоне шнека 11, где происходит их сушка практически в изотермических условиях. Непрерывно движущийся шнек 11 обеспечивает неразрушающую транспортировку частиц к переходному трубопроводу 6, по которому они поступают в камеру карбонизации 3, позволяя при этом обеспечивать пузырьковое псевдоожижение.
За счет внутренней спирали, размещенной в переходном трубопроводе 6, материал равномерно передвигается из камеры в камеру.
Мелкие и частично средние частицы также высушиваются поступающим в камеру 2 горячим воздухом в режиме пневмотранспорта. Из камеры сушки 2 они поступают в фильтр 18, где происходит разделение воздуха и частиц. Мелкие и средние частицы из фильтра 18 подаются в камеру карбонизации 3. В камеру карбонизации 3
одновременно с высушенной до влажности 13-20% измельченной древесиной подаются топочные газы с температурой 450°-650°С. Топочные газы нагнетаются вентилятором 19 из котлоагрегата 20 через теплообменник 17. В камере карбонизации 3, над и под непрерывнодвигающимся шнеком 11 образуется пузырьковый псевдоожиженный слой из крупных и средних частиц древесины, в котором происходит пиролиз и прокаливание, т.е. древесина превращается в уголь. Пройдя через камеру карбонизации 3 топочные газы уносят из нее мелкие и средние частицы, карбонизирующиеся в режиме пневмотранспорта. Мелкие и средние частицы из фильтра 18 подаются в камеру активации 4. Часть потока топочных газов, пройдя очистку в фильтре 18, направляется в камеру активации 4. Крупные частицы угля в камере карбонизации 3 транспортируются шнеком 11 к переходному трубопроводу 6, по которому они поступают в камеру активации 4.
В камере активации 4, поступившие после карбонизации крупные и частично средние частицы древесного угля, образуют псевдоожиженный слой за счет подачи водяного пара, топочных газов и газов после карбонизации. Водяной пар и топочные газы нагнетаются вентилятором 19 из котлоагрегата 20 с пароперегревателем низкого давления и экономайзером. Активация проходит при температуре 850°С в псевдоожиженном слое для крупных и части средних частиц, для остальных - в режиме пневмотранспорта.
Поток газов с мелкими частицами из камеры активации 4 подается воздуходувкой в аппарат со встречными закрученными потоками 21 (АВЗП), где отделяются и охлаждаются мелкие частицы, которые поступают в бункер. Для охлаждения частиц в аппарате 21 воздуходувкой подается азот. Очищенный от твердого
вещества газ и азот частично подаются в камеру охлаждения 5. После активации крупные и частично средние частицы горячего активированного древесного угля также подаются по переходному трубопроводу 6 в камеру охлаждения 5, где охлаждаются в псевдоожиженном режиме до температуры 45°-60°С потоком газовой смеси азота, нагнетаемого воздуходувкой, и газа после аппарата 21 (АВЗП).
Таким образом, предлагаемая установка имеет следующие преимущества:
1. резко интенсифицируются процессы внешнего тепло- и массообмена на стадиях подвода окислителя и отвода газообразных продуктов реакции, что резко сокращает время проведения процесса;
2. увеличивается поверхность тепло- и массообмена, при устранении пузырей она становится близкой к сумме поверхностей отдельных частиц (для нижней части аппарата);
3. появляется возможность обеспечения практически одинакового времени пребывания частиц равных размеров в аппарате при условии сохранения высоких значений коэффициентов тепло- и массообмена и возможность авторегулирования (для верхней части аппарата) времени пребывания и использования их для материалов широкого фракционного состава;
4. позволяет легко оптимизировать каждую из стадий процесса и процесс в целом;
5. экономится энергия, т.к. сырье из камеры в камеру поступает не с температурой окружающего воздуха, а с температурой предыдущей стадии;
6. улучшается экологическая обстановка, так как сырьем для нее могут служить отходы деревообработки, пораженные болезнями
деревья, и др. отходы;
7. предложенная установка является установкой непрерывного действия.
Установка успешно прошла опытно промышленные испытания и подтвердила целесообразность ее использования.