Установка для производства пиролизного топлива
PYROLYSIS FUEL PRODUCTION UNIT

Изобретение относится к области низкотемпературного быстрого пиролиза, а именно к устройствам для производства пиролизного топлива из биомассы мелкораздробленной древесины и может быть использовано в удаленных районах лесного и сельского хозяйства имеющих ограниченный доступ к нефтяным ресурсам и продуктам их переработки.
Прототипом является установка для производства пиролизного топлива содержащая: накопительный бункер дисперсного исходного сырья, реактор быстрого пиролиза, камеру горения, циклон очистки первой ступени для очистки пиролизного газа от твердых инертных веществ, циклон очистки второй ступени, конденсатор первой ступени, водяной теплообменник, конденсатор второй ступени, топливный насос, газодувку рециркуляции газа, блок первичной очистки синтетического топлива, блок стабилизации синтетического топлива, канал подачи исходного сырья, канал перетока твердого дисперсного инертного вещества (патент RU 2604845 C1, МПК C10B 49/10 (2006.01), C10G 9/32 (2006.01); опубл. 10.12.2016 бюл. № 34).
Недостатки прототипа:
1) Пиролизные газы, образующиеся в процессе пиролиза, уносят с собой угольную пыль и твердые инертные вещества, из-за чего требуется сепаратор для очистки газов от примесей, на это затрачивается дополнительная энергия и ресурсы.
2) Конденсация пиролизным топливом, вследствие высокой вязкости, более энергозатратна, а смолы, содержащиеся в ней, осаждаются на теплообменных поверхностях, выводя их из строя.
3) Количество подведенной энергии на удаление влаги значительно превышает норму расхода на сушку.
4) При пиролизе в кипящем слое происходят большие потери энергии вследствие: малого времени контакта между теплоносителем и теплообменной поверхностью и необходимостью повторного нагрева твердого инертного вещества, возвращающегося после сепараторов.
5) Большая энергозатратность установки, в целом, подтверждается тем, что на процесс получения пиролизного топлива сжигается весь углеродистый остаток - древесный уголь.
Задачей изобретения является разработка энергосберегающей установки более надёжной в эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что: установка для производства пиролизного топлива, содержащая технологически связанные между собой: накопительный бункер исходного дисперсного сырья с каналом подачи частиц и камерой удаления остаточной влаги, пиролизный реактор с каналом отвода смеси пиролизных газов и каналом отвода твердых продуктов пиролиза, конденсатор первой ступени с линией отвода не сконденсировавшихся газов пиролизного газа и каналом отвода первичного конденсата пиролизного газа, конденсатор второй ступени с всасывающей линией и каналом отвода вторичного конденсата пиролизного газа, насос пиролизного топлива с каналом подачи конденсата пиролизного газа на очистку, водяной теплообменник с каналом подачи переохлажденного конденсата пиролизного газа в конденсатор второй ступени с циркуляционным контуром охлаждающей воды, блок очистки пиролизного топлива с каналом отвода загрязняющих веществ, соединенный с насосом пиролизного топлива и блоком стабилизации пиролизного топлива с каналом отвода пиролизного топлива, камеру горения с каналом отвода газообразных продуктов сгорания и каналом подачи воздуха, согласно изобретению установка дополнительно содержит: камеру удаления остаточной влаги, выполненную в виде шахтного аппарата конвективной сушки с каналами для подвода и отвода теплоносителя; пиролизную камеру, выполненную в виде шнекового транспортёра, снабженного рубашкой с каналами для подвода и отвода теплоносителя и каналом отвода твердых продуктов пиролиза и каналом отвода пиролизных газов, встроенным в рубашку и примыкающим к конденсатору первой ступени; линия отвода не сконденсированных паров из конденсатора первой ступени снабжена рубашкой с каналами для подвода и отвода теплоносителя; канал отвода твердых продуктов пиролиза сообщен с камерой охлаждения, снабженной в нижней части коллектором для подачи воды; конденсатор первой ступени выполнен в виде полого скруббера с коллектором подачи хладагента; конденсатор второй ступени выполнен в виде эжекторного насоса со сборником жидкой фракции пиролиза и сообщён каналом подвода жидкой фракции из конденсатора первой ступени и линией отвода вторичных не сконденсированных газов; между конденсатором второй ступени и насосом пиролизного топлива установлен центробежный сепаратор с каналами отвода воды и пиролизного топлива; канал отвода пиролизного топлива центробежного сепаратора сообщен с насосом пиролизного топлива; канал отвода сепарированной воды центробежного сепаратора сообщен с коллектором подачи хладагента конденсатора первой ступени, водяным теплообменником, коллектором подачи воды камеры охлаждения; канал отвода вторичного неконденсируемого газа сообщен с камерой горения; канал отвода газообразных продуктов сгорания последовательно сообщен с каналами подвода и отвода теплоносителя пиролизной камеры, линии отвода неконденсирующихся паров из конденсатора первой ступени и сушильной камеры.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображена схема принципиальной установки для производства пиролизного топлива.
На чертежах цифрами обозначены следующие элементы и узлы:
1 Бункер сырья
2. Канал подачи частиц
3. Сушильный аппарат шахтного типа
4. Канал подачи топочного газа
5. Канал отвода топочного газа из сушильного аппарата
6. Пиролизная камера
7. Рубашка пиролизной камеры.
8. Канал подвода топочного в рубашку пиролизной камеры
9. Канал отвода топочного газа из рубашки пиролизной камеры
10. Камера охлаждения угля
11. Канал отвода газообразных продуктов пиролиза из пиролизной камеры
12. Ленточный транспортёр
13. Накопитель угля
14. Конденсатор первой ступени
15. Коллектор подачи хладагента конденсатора первой ступени
16. Канал отвода первичного конденсата
17. Конденсатор второй ступени
18. Всасывающая линия конденсатора второй ступени
19. Канал отвода вторичного конденсата
20. Канал отвода не сконденсировавшихся газов
21. Камера горения
22. Канал подачи воздуха
23. Центробежный сепаратор
24. Канал отвода воды из центробежного сепаратора
25. Насос пиролизного топлива
26. Блок очистки
27. Блок стабилизации
28. Канал отвода загрязняющих веществ
29. Канал отвода пиролизного топлива
30. Канал отвода готового пиролизного топлива
31. Водяной теплообменник
32. Буферная ёмкость для воды
33. Циркуляционный контур охлаждающей воды
34. Канал отвода воды в очистное сооружение
35. Канал отвода воды в коллектор камеры охлаждения угля
36. Коллектор подачи хладагента, камеры охлаждения угля
37. Газодувка
38. Датчик температуры (хромель-копелевая термопара)
39. Регулируемая задвижка.
Установка по получению пиролизного топлива содержит технологически связанные между собой: накопительный бункер 1, сообщенный с каналом подачи частиц 2; сушильную камеру 3, включающую канал подачи 4 и канал отвода топочного газа 5; камеру пиролиза 6, выполненную в виде шнекового транспортера, которая снабжена рубашкой 7 с каналами подвода 8 и отвода топочного газа 9. Пиролизная камера 6 сообщается с камерой охлаждения угля 10 и имеет внутри рубашки канал отвода газообразных продуктов пиролиза 11. Камера охлаждения угля 7 последовательно сообщена с ленточным транспортером 12 и накопителем угля 13. Канал отвода газообразных продуктов пиролиза 11 присоединен непосредственно к конденсатору первой ступени 14. Конденсатор первой ступени 14 выполнен в виде скруббера, содержит коллектор подачи хладагента 15, канал отвода первичного конденсата 16 в конденсатор второй ступени 17. Конденсатор второй ступени 17 выполнен в виде эжекторного насоса и включает в себя: всасывающую линию 18, канал отвода вторичного конденсата 19 и канал отвода не сконденсировавщихся газов 20, сообщенный с камерой горения 21. Камера горения 21 снабжена каналом подачи воздуха 22 и каналом подвода 8 топочных газов в рубашку пиролизного аппарата. Канал отвода вторичного конденсата 19 сообщен с центробежным сепаратором 23. Центробежный сепаратор 23 снабжен каналом отвода воды 24 и последовательно сообщён с насосом пиролизного топлива 25, блоком очистки 26 и блоком стабилизации 27. Блок очистки 26 включает в себя канал отвода загрязняющих веществ 28 и канал отвода пиролизного топлива 29. Блок стабилизации включает в себя канал отвода готового пиролизного топлива 30. Канал отвода воды из центробежного сепаратора 23 сообщается с коллектором подачи хладагента 15 конденсатора первой ступени 14, водяным теплообменником 31 и буферной емкостью 32. Водяной теплообменник снабжен циркуляционным контуром охлаждающей воды 33. Буферная ёмкость 32 снабжена каналом отвода воды в очистное сооружение 34 и каналом отвода воды 35 в коллектор подачи хладагента 36 камеры охлаждения угля 10.
2
Принцип действия установки заключается в следующем (см. фиг. 1): исходное дисперсное сырьё (ИДС) предварительно измельченное до размера 5-10 мм поступает в накопительный бункер 1. Из накопительного бункера 1 ИДС поступает в канал подачи частиц 2, откуда оно поступает в сушильную камеру 3 шахтного типа, где происходит конвективная сушка топочными газами (конвективная сушка дисперсного материала намного эффективнее кондуктивной, применяемой в установке прототипа). Высушенное ИДС поступает в пиролизный аппарат 6. Внутри пиролизного аппарата под воздействием температуры (500°С) происходит быстрый абляционный пиролиз и ИДС распадается на твёрдые продукты пиролиза (уголь) и газообразные продукты пиролиза (пиролизный газ). Горячий уголь подаётся в камеру охлаждения угля 10, и охлаждается орошением сепарированной водой из коллектора 36. Охлажденный уголь поступает на ленточный транспортёр 12, откуда он направляется в накопитель угля 13. Пиролизные газы сразу поступают через канал отвода газообразных продуктов пиролиза 11 в конденсатор первой ступени 14. Это позволяет избежать конденсации смолистых веществ в канале подвода пиролизного газа в конденсатор первой ступени. В конденсаторе первой ступени 14, под действием хладагента, подаваемого из коллектора 15, пиролизные газы сепарируются на первичный конденсат и не сконденсировавшиеся газы. Первичный конденсат отводится через каналы отвода 16 в конденсатор второй ступени 17. Не сконденсировавшиеся газы, образовавшиеся в конденсаторе первой ступени, отводятся через всасывающую линию 18 в конденсатор второй ступени 17 эжекцией переохлажденной водой. Последовательная конденсация пиролизного газа, сначала охлажденной водой в конденсаторе первой ступени, а затем переохлажденной водой в конденсаторе второй ступени, позволяет сократить энергозатраты на создание переохладленного хладагента в водяном теплообменнике. (В результате смешения вторичных пиролизных газов с переохлажденной водой из водяного теплообменника образуется охлажденный вторичный пиролизный конденсат, поэтому сепарированная вода, поступающая в конденсатор первой ступени, будет достаточно охлажденной для улавливания основного количества смолистых веществ, имеющих высокую температуру кипения.) Всасывающая линия 18 для предотвращения конденсации пиролизных газов снабжена рубашкой с каналами для подвода и отвода теплоносителя. В конденсаторе второй ступени 17 пиролизный газ разделяется на конденсат и не сконденсировавшиеся газы. Не сконденсировавшиеся газы отводятся в камеру горения 21 через канал отвода 20. В камере горения не сконденсировавшиеся газы смешиваются с подогретым воздухом, поступающим из канала 22, и сгорают, образуя топочный газ, который последовательно проводят, через канал подвода топочного газа 8, в рубашки: пиролизного аппарата 6, и всасывающей линии 18. Затем топочные газы отводят через канал 4 в сушильный аппарат 3 в качестве теплоносителя. Из сушильной камеры топочные газы отводятся через канал 5 в газодувку 37. Часть отработанного топочного газа из газодувки 37 подают обратно в сушильный аппарат на рециркуляцию для поддержания заданной температуры, а другую часть отработанного топочного газа выбрасывают в атмосферу. Температура сушильного агента измеряется хромель-копелевой термопарой 38 и регулируется задвижкой 39, установленными в рециркуляционном контуре отработанного топочного газа. Из конденсатора второй ступени вторичный конденсат отводится через канал отвода 19 в центробежный сепаратор 23. В нем происходит сепарирование вторичного конденсата на пиролизное топливо и воду. Пиролизное топливо отводится насосом 25 в блок очистки 26, где происходит удаление через канал 28 загрязняющих веществ из пиролизного топлива. В блоке очистки 26 происходит выделение углеводородной смеси, содержащей бензиновую и дизельную фракции. Очистка происходит под избыточным давлением 10 атмосфер, нагнетаемым насосом 25, с применением катализатора, например кобальтового, с цеолитсодержащим носителем ЦВМ (Со=32%, MgO=3%, ЦВМ - носитель) и кизельгуровым носителем (Со=32%, MgO=3%, ZrO - носитель). Соотношение количества исходного дисперсного сырья к количеству получаемого пиролизного топлива по массе составляет 10:1. Из блока очистки 26 пиролизное топливо отводятся, через канал 29 в блок стабилизации 27. В блоке стабилизации 27 производится ввод присадок для доведения характеристик до стандартных требований, предъявляемых к фракционному составу пиролизного топлива, до требуемого октанового числа.
Исследование пиролизного топлива, полученного по заявленной установке, осуществляли в Центре коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров «Нанотехнологии и наноматериалы».
Из блока стабилизации пиролизное топливо отводится через канал 30 в ёмкость для сбора готового пиролизного топлива. Сепарированная вода из центрифуги 23 параллельно отводится, через канал 24: в коллектор подачи хладагента 15 конденсатора первой ступени 14, в водяной теплообменник 31 и в буферную ёмкость 32. Охлажденная сепарированная вода из теплообменника 31 эжектирует вторичные пиролизные газы в конденсатор второй ступени. Из буферной ёмкости 32 сепарированная вода отводится через канал 35 в коллектор подачи хладагента 36 камеры для охлаждения угля 11, а избыток воды отводится через канал отвода 34 в очистные сооружения.
В заявляемой установке по сравнению с известным прототипом значительно сокращены потери энергии с уходящими газообразными продуктами сгорания (топочными газами). Это подтверждается тем, что для производства пиролизного топлива не используется углеродистое вещество.
Кроме того, заявляемая установка более надёжна в эксплуатации, так как конденсация пиролизных газов осуществляется не пиролизным топливом, как в установке прототипа, а эжекцией сепарированной воды, выделенной центробежным аппаратом.
Технический результат достигается тем, что:
- низкотемпературный быстрый пиролиз протекает в абляционном режиме при работе транспортера;
- сушка проводится конвективно топочными газами;
- пиролизные газы до контакта с хладагентом находятся в обогреваемых рубашками зонах;
При этом все эндотермические процессы в установке поддерживаются топочными газами при противоточном движении с продуктами пиролиза, а хладагент - сепарированная вода имеет, по сравнению с прототипом, значительно более низкую вязкость.
Данная установка позволяет получать не только пиролизное топливо, но и древесный уголь, для использования в удаленных районах лесного и сельского хозяйства, которые имеют ограниченный доступ к нефтяным ресурсам и продуктам их переработки.