УГЛЕВЫЖИГАТЕЛЬНЫЙ АГРЕГАТ
COAL-BURNING UNIT

Изобретение относится к области устройств для получения из древесины древесного угля и пиролизного газа для использования их в качестве топлива и сырья для последующей глубокой химической переработки. Изобретение также может быть использовано подразделениями МЧС, геологами, лесоразработчиками при производстве работ в удаленных лесистых районах в условиях нестабильного снабжения топливом.
Известно устройство, содержащее топку, неподвижную реторту, рубашку охлаждения, газоход для удаления продуктов горения, дымовую трубу (см. описание к патенту РФ 2085569 freepatent.ru>patents/2085569). Конструктивно устройство выполнено в виде двух блоков, в одном из которых проходит стадия процесса пиролиза, совмещенная с последующей стадией охлаждения древесного угля, а в другом блоке проходит стадия сушки древесного сырья.
Недостатки известного устройства:
1. Теплота охлаждаемой реторты с углем в процессе работы устройства никак непосредственно в пиролизе не используется и топливо не экономится.
2. Для работы устройства необходим перегретый водяной пар, для получения которого необходима дополнительная затрата топлива.
3. Получаемый пиролизный газ, являющийся ценным продуктом для последующей химической переработки в синтетическое топливо, сжигается в режиме стехиометрически неконтролируемого горения в смеси с дымовыми газами и водяным перегретым паром, что приводит к перерасходу топлива.
Указанные недостатки устранены в предлагаемой конструкции, которая направлена на решение задачи экономии топлива при получении древесного угля.
Положительный технический результат при решении поставленной задачи конструктивно достигается путем выделения трех самостоятельных стадий процесса пиролиза с получением угля: 1) сушки древесного топлива и сырья; 2) непосредственно термохимического разложения древесины; 3) охлаждения древесного угля. Эти стадии проходят в технологически связанных между собой отдельных конструктивных блоках, в которых достигается максимальное использование теплоты сжигаемого топлива. В каждом из блоков все три стадии процесса пиролиза проходят поочередно последовательно и блоки являются взаимозаменяемыми.
Схема конструкции заявляемого агрегата приведена на фиг.1, где обозначены следующие элементы и узлы:
1 - топка,
2 - реторта,
3 - перфорированный цилиндрический пенал,
4 - топливо на стадии горения,
5 - загрузка топлива,
6 - горелка,
7 - дутьевой вентилятор,
8 - рубашка охлаждения топки,
9 - дымовая труба,
10 - дымосос,
11 - топливо на стадии сушки,
12 - загрузка древесины для пиролиза,
13 - древесина на стадии пиролиза,
14 - герметичный люк для загрузки топлива,
15 - герметичный люк для загрузки цилиндрического пенала с древесным сырьем и выгрузки его с углем,
16 - газоход для движения продуктов сгорания топлива,
17 - шибера для открытия и закрытия прямого отсоса дымососом газообразных продуктов сгорания,
18 - древесное сырье на стадии сушки,
19 - древесный уголь на стадии охлаждения,
20 - воздуховод для движения нагреваемого воздуха,
21 - трубопроводы для отсоса пиролизного газа из реторты,
22 - компрессор для сжатия пиролизного газа,
23 - ресивер для хранения пиролизного газа,
24 - труба подачи пиролизного газа к внешним потребителям,
25 - запорный вентиль на трубе подачи пиролизного газа потребителям,
26 - трубопроводы подачи пиролизного газа в горелки,
27 - удаление золы,
28 - шибера для подачи воздуха на горение,
29 - запорные вентили на трубопроводах подачи пиролизного газа в горелки,
30 - запорные вентили на трубопроводах отсоса пиролизного газа из реторт,
31 - газоанализатор для анализа состава пиролизного газа,
32 - газоанализатор для анализа состава продуктов сгорания топлива,
33 - шибера для открытия и закрытия подачи продуктов сгорания для сушки древесины,
34 - шибера для подачи воздуха в охлаждающую рубашку.
Конструктивно все три блока является одинаковыми. Каждый блок состоит из топки 1, неподвижной реторты 2 с внутренним съемным перфорированным цилиндрическим пеналом 3, горелки 6, рубашки 8 для воздушного охлаждения топки.
Сплошными утолщенными линиями обозначены технологические связи между блоками, дымососом 10 и дымовой трубой 9 по газоходу 16 для движения продуктов сгорания топлива. Штриховыми утолщенными пунктирными линиями обозначены технологические связи между блоками по воздуховоду 20 для движения нагреваемого воздуха с горелками бис дутьевым вентилятором 7. Штриховыми пунктирными тонкими линиями обозначены технологические связи между блоками с ретортами 2, с компрессором 22, с ресивером 23 для хранения пиролизного газа и с горелками 6.
Шибера 17 на газоходе 16 для движения продуктов сгорания топлива, шибера 28 и 34 на воздуховоде 20 для движения нагреваемого воздуха, запорные вентили 29 трубопроводах подачи 26 пиролизного газа к горелкам 6, запорные вентили 30 на трубопроводах 21 для отсоса компрессором 22 пиролизного газа из реторт 2 служат для технологических последовательных переключений всех трех блоков в три их режима работы: 1) сжигание древесного топлива и термохимического разложения древесины; 2) сушка древесного сырья; 3) охлаждение древесного угля.
В отличие от известного устройства, в заявляемой конструкции выделение трех блоков, в которых последовательно проходят все три технологические стадии процесса пиролиза позволяет проводить пиролиз в оптимальном режиме с экономией топлива при производстве древесного угля и дополнительно получать пиролизный газ.
Оптимальная по времени продолжительность работы каждого из блоков определяется на основе начала и конца выделения пиролизного газа с помощью газоанализаторов 31, по значениям показаний которых осуществляется закрытие шибера 28 на подачу воздуха на горение топлива и открытие шибера 34 для подачи воздуха в охлаждающую рубашку для нагрева воздуха.
Поддержание стехиометрического соотношения количества горящего древесного топлива 4 и воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором 7, регулируется степенью открытия шиберов непосредственно перед горелками (на фиг. 1 позицией не обозначены) по составу продуктов сгорания, определяемого газоанализаторами 32 со встроенными датчиками температуры и разрежения (на фиг. датчики не показаны).
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Цилиндрическая стальная топка 1 предназначена для сжигания древесного топлива 4 и получения теплоты, подводимой к реторте 2 для термохимического разложения находящейся в ней древесины 13. Топка 1 имеет вверху герметичный люк 14 для загрузки древесного топлива и внизу герметичный затвор (на фиг. 1 позицией не показан) для удаления золы 27. Для интенсификации процесса пиролиза за счет быстрого набора температуры ретортой в нижней части топки 1 расположена горелка 6 с электрическим запальником, имеющая туннель (на фиг. электрический запальник и туннель не обозначены). Туннель предназначен для обеспечения устойчивого горения топливного газа.
В качестве топливного газа при первоначальном пуске используется баллонный сжиженный газ, а при последующих пусках используется пиролизный газ, подаваемый из ресивера 23 путем открытия вентиля 29. Линия подачи баллонного сжиженного газа к горелкам 6 на фиг. условно не показана. По сравнению с известным устройством, сжигание с помощью горелки 6 топливного газа, а в основном режиме сжигание пиролизного газа, позволяет получать теплоту непосредственно в контакте с ретортой 2.
При таком способе повода теплоты, по сравнению с использованием в известном устройстве перегретого водяного пара, реализуется принцип быстрого пиролиза древесного сырья и экономится топливо.
В известном устройстве перегретый водяной пар производится во вне пиролизной установки и это сопряжено с дополнительным расходом топлива на производство перегретого пара и его транспортировку в реторту. Количество подаваемого топливного газа в горелки 6 регулируется по температуре и составу продуктов сгорания с помощью газоанализатора 32 с помощью вентилей 29 и шиберов подачи воздуха непосредственно перед горелками 6.
Снаружи топки 1 концентрично расположена рубашка 8 для воздушного охлаждения топки в режиме охлаждения реторты 4 с перфорированным цилиндрическим пеналом 3, в котором находится полученный при пиролизе уголь 19.
При установившемся режиме работы блока в стадии пиролиза древесины воздух, подаваемый в горелку 4 в процессе сжигания древесного топлива 4, подогревается за счет теплоты, отбираемой при охлаждении реторты 2 с находящимся в ней пеналом 3 с углем 19.
При этом на стадию термохимического разложения древесины 13, по сравнению с известным устройством, расходуется меньше теплоты и достигается экономия топлива. В известном устройстве воздух, используемый на горение топлива не подогревается и для получения угля расходуется больше топлива.
В заявляемой конструкции дополнительная теплота вносится с подогретым воздухом. В известной конструкции охлаждение реторты производится водой, теплота которой в технологическом процессе пиролиза никак не используется.
В верхней части топки присоединено ответвление газохода 16 с газоанализатором 32, отдельным для каждого блока (на фиг. 1 ответвление позицией не обозначено). После ответвления продукты сгорания топлива при открытии соответствующих шиберов могут двигаться за счет тяги создаваемой дымососом 10 по одному из двух направлений: непосредственно в дымовую трубу 9 или же в следующую топку для сушки древесного топлива 11 и древесного сырья 18. Для осуществления процесса сушки в нижней части топки присоединено ответвление газохода, через которое путем открытия шибера 33, производится подача продуктов сгорания.
Цилиндрическая стальная реторта 2, в отличие от известного устройства, является несъемной и служит для размещения в ней съемного перфорированного цилиндрического пенала 3 с древесным исходным сырьем 13, превращаемым в процессе пиролиза в древесный уголь.
Реторта 2 в верхней части имеет герметичный люк 15, через который происходит загрузка 12 древесины для пиролиза с помощью пенала 3. В нижней части реторта имеет трубопровод 21 для отсоса пиролизного газа компрессором 22 в ресивер 23. В трубопроводе 21 для отсоса пиролизного газа располагается газоанализатор 31 со встроенными датчиками для измерения температуры, расхода и давления пиролизного газа (на фиг. 1 датчики условно не показаны).
Показания газоанализатора позволяют с высокой точностью определить время начала и конца термохимического разложения древесины и подводить теплоту в соответствии с продолжительность стадии выделения пиролизного газа в строго необходимом количестве. В известном устройстве отсутствие контроля за началом и концом выделения пиролизного газа вызывает необходимость преднамеренно увеличивать длительность стадии пиролиза, что приводит к неизбежному перерасходу топлива.
Компрессор 22 служит для сжатия пиролизного газа и нагнетания его под давлением в ресивер промежуточного хранения 23. Компрессор 22 имеет на входе и на выходе охладители пиролизного газа и соответствующую запорную арматуру (на фиг. эти элементы не показаны). При не работающем компрессоре 22 и установившемся режиме пиролиза в реторте 2 имеется незначительное давление.
Приводы компрессора 22, дутьевого вентилятора 7 и дымососа 10 осуществляется электродвигателями (на фиг. 1 не обозначены). Ресивер 23 предназначен для промежуточного хранения пиролизного газа и подачи пиролизного газа по трубопроводам 26 через вентили 29 в горелки 6 для сжигания в топке и для подачи пиролизного газа внешним потребителям через трубу 24 и вентиль 25. Управление шиберами, запорными вентилями дымососом, дутьевым вентилятором, компрессором, горелками, задвижками удалении золы, загрузкой древесного топлива и древесного сырья и датчиками давления и температуры пиролизного газа в ресивере 23 дистанционное по электрической связи с пульта управления по сигналам с газоанализаторов 31 и 32 (на фиг. 1 линии электрической связи, датчики температуры, расхода и давления газа в ресивере, пульт управления условно не показаны)
Дымосос 10 имеет в своем составе очистное устройство для улавливания вредных выбросов (на фиг. очистное устройство не показано) и предназначен для отсоса продуктов сгорания топлива из топки 1 и создания уравновешенной тяги с работающим вентилятором 7. При работающем дымососе 10 и дутьевом вентиляторе 7 при установившемся режиме стадии пиролиза в топке создается незначительное разрежение.
Заявляемый агрегат работает следующим образом.
Первоначально при первом пуске в топки 1 и реторты 2 всех трех блоков загружается соответственно древесное топливо 5 и древесина для пиролиза в пеналах 3. Включается дымосос 10 и дутьевой вентилятор 7 в режиме уравновешенной тяги для первого блока и подается топливный газ от внешнего источника в горелку 6, с помощью которой производится его воспламенение в топке 1 (на фиг. 1 внешний источник топливного газа не показан).
За счет подаваемого воздуха от дутьевого вентилятора 7 при открытых для первого блока шиберах 28 и теплоты, выделяемой при горении топливного газа и происходит воспламенение древесного топлива 4. При розжиге топки первого блока шибера 17 прямого отсоса на двух других блоках закрыты, так как горения в них не происходит. В эти два блока в этот период на начальном этапе также не подается воздух.
Продукты сгорания древесного топлива на начальном этапе розжига топки первого блока отсасываются через очистное устройство дымососом 10 и выбрасываются через дымовую трубу 9 в атмосферу. После начала активного горения древесного топлива 4 и прогрева газохода 16, дымососа 10 и дымовой трубы 9 прямой выброс продуктов сгорания от первого блока в атмосферу прекращается путем открытия шибера 33 и шибера 17 на втором блоке. При этом происходит сушка древесного топлива 11 и древесного сырья 18.
За счет высокой интенсивности повода теплоты, обусловленной сжиганием топливного газа в первом блоке осуществляется процесс быстрого низкотемпературного термохимического разложения древесного сырья 13. По сравнению с известным устройством, в котором используется перегретый водяной пар с температурой около 300°C, время нагрева древесного сырья 13 до начала термохимического разложения древесины в заявляемом устройстве сокращается за счет явления термического удара, при котором продукты горения топливного газа с температурой 700°C разогревают металлическую стенку реторты 2 до температуры около 600°С. При этом экономится древесное топливо. Топливный газ подается в количестве необходимом лишь для обеспечения повышенного уровня температуры в топке по величине электрического сигнала от газоанализатора 32, который наряду с составом продуктов сгорания измеряет их температуру на выходе из топки 1.
С наступление непосредственно стадии пиролиза с выделением пиролизного газа давление в реторте 2 первого блока повышается и по сигналу с газоанализатора по линии электрической связи открывается вентиль 30 и включается компрессор 22 для нагнетания пиролизного газа в ресивер 23. При достижении необходимого давления пиролизного газа в ресивере 23 подача топливного газа в горелку 6 прекращается и открывается вентиль 29 подачи в горелку пиролизного газа из ресивера 23.
Процесс превращения древесного сырья 13 в уголь в первом блоке считается законченным при сигнале с газоанализатора 31 о снижении давления в реторте 2 и данных о количестве выходящего пиролизного газа. При этом прекращается подача пиролизного газа и воздуха в горелку 6 путем закрытия для первого блока шибера 28 и вентиля 29. Первый блок переводится в стадию охлаждения путем открытия на первом блоке шиберов 34 для подачи воздуха в охлаждающую рубашку 8. Шибера 17 на газоходе 16 при режиме стадии охлаждения используются для регулирования скорости охлаждения реторты 2.
Второй блок из стадии сушки древесного топлива 11 и сырья 18 переводится в стадию непосредственного пиролиза путем открытия на втором блоке шибера 33 для удаления продуктов сгорания и шибера 28 подачи воздуха в горелку. Производится розжиг топки 1 второго блока путем подачи пиролизного газа из ресивера 23 для воспламенения древесного топлива. Подаваемый во второй блок нагретый воздух поступает с высокой температурой до 100…120°C из охлаждающей рубашки первого блока и при этом, по сравнению с известным устройством, в заявляемой конструкции значительно экономится топливо, так как в среднем на 1 кг топлива необходимо 10 кг воздуха.
Третий блок одновременно переводится в режим сушки путем подачи продуктов сгорания из второго блока в топку третьего блока.
Из первого блока после охлаждения до температуры корпуса около 40…50°C удаляется зола 27, извлекается пенал 3 с древесным углем 19 и через люки 14 и 15 производится загрузка новой порции древесного топлива 5 и древесины для пиролиза 12.
По окончанию стадии пиролиза во втором блоке он переводится в режим охлаждения, третий блок переводится в стадию непосредственно пиролиза, а первый блок переводится в стадию сушки.
Экономия топлива на стадии в заявляемой конструкции, по сравнению с известным устройством, достигается путем замены водяного охлаждения на воздушное охлаждение за счет снижения расхода сжигаемого топлива на испарение воды в рубашке охлаждения. Остаточная тепловая инерционность водяного охлаждения достаточно велика по сравнению с воздушным охлаждением и требует дополнительных затрат сжигаемого топлива на прогрев топки и реторты до начала температуры сушки древесного топлива и древесного сырья для пиролиза.
В заявляемой конструкции все три стадии в трех блоках являются, в отличие от известного устройства, циклически регулируемыми по температурному уровню и длительности процесса получения древесного угля за счет использования пиролизного газа в качестве вспомогательного топлива при термохимическом разложении древесины, В заявляемой конструкции процесс термохимического разложения древесины, по сравнению с известным устройством, является управляемым как по составу пиролизного газа, образующегося на выходе из реторты, так и по составу продуктов сгорания, образующихся на выходе из топки, что позволяет получать более качественный древесный уголь без пережога или недожога при оптимальном расходе количества древесного топлива.
За счет оптимизации процесса горения топлива, термохимического разложения древесины и экономии топлива образуется избыточное количество пиролизного газа, которое может отпускаться из ресивера 23 внешним потребителям для глубокой химической переработки.