СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПОДСТИЛКИ ПТИЦЕФАБРИКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PROCESSING POULTRY FARM LITTER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к области переработки подстилки птицефабрик в облагороженное топливо, в частности к технологии пиролитической конверсии органических веществ в твердое и жидкое топливо и устройству для его осуществления.
Уровень техники
Известен способ термической переработки древесины (патент РФ №2083633, 24.11.1995, С10В 53/02). Способ включает предварительную сушку древесины и последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон досушивания, пиролиза с образованием древесного угля, его прокалки и охлаждения при противоточной подаче охлаждающего агента, в качестве которого используют дымовые газы от полного сгорания топлива с содержанием в них кислорода 1,5-7,0%, при этом указанные газы после прохождения ими зоны охлаждения используют в качестве теплоносителя в зонах прокалки, пиролиза и подсушки.
Описанные выше способы являются низко производительными, требуют дополнительного топлива и не позволяют перерабатывать древесину с влажностью выше 25%.
Известна установка для пиролиза древесины - вертикальная непрерывно действующая реторта (Выродов В.А., Кислицын А.Н. Технология лесохимических производств. М.: Лесная промышленность, 1987, с.216-218). Она представляет собой стальную цилиндрическую камеру с внутренним обогревом, устанавливаемую вертикально и содержащую распределительные конуса для ввода теплоносителя и отбора парогазов, устройство для загрузки древесины и отбора угля, конденсационную систему для обработки парогазов. Камера по высоте условно разделена на три зоны: досушки древесины, пиролиза и прокалки угля, охлаждения угля. Парогазы пиролиза подвергаются обработке в конденсационной системе с целью удаления жидких продуктов пиролиза. Оставшиеся неконденсируемые газы, разбавленные теплоносителем (дымовыми газами), подаются в смеси с дополнительным топливом на сжигание и формирование теплоносителя для пиролиза в специальное топочное устройство. Недостатками установки являются: необходимость обработки парогазов, что усложняет ее эксплуатацию, потребность в дополнительном топливе, отсутствие возможности переработки древесины с влажностью выше 25%.
Известна установка для пиролиза древесины - реторта фирмы Ламбиотт (Выродов В.А., Кислицын А.Н. Технология лесохимических производств. М.: Лесная промышленность, 1987, с.218-220). Она представляет собой цилиндрическую камеру, устанавливаемую вертикально, с переходом в нижней части в конус. Условно реторту по высоте можно разделить на 3 части: верхнюю, предназначенную для сушки древесины, среднюю (расширенную), где происходит пиролиз и прокалка угля, нижнюю - зону охлаждения угля. В промежутке между верхней и средней зонами располагается топочное устройство, куда при помощи газодувки через специальные штуцера подают горячие парогазы пиролиза, отбираемые с низа средней части реторты (зоны пиролиза), а также воздух для горения парогазов. В верхней части установка снабжена устройством для загрузки древесины, в нижней - устройством для выгрузки угля. Таким образом в реторте "Ламбиотт" исключается необходимость применения конденсационной системы для улавливания жидких продуктов. Тепло от сжигания необработанных парогазов достаточно для обеспечения теплового режима сушки и пиролиза древесины с влажностью до 35% и в этом случае дополнительного топлива не требуется.
Недостатком реторты "Ламбиотт" является расположение топочного устройства в промежутке между зоной пиролиза и зоной сушки древесины. Частично сгоревшие парогазы из топочного устройства подаются в реторту на слой древесины, прогретый лишь до 100°С, что исключает продолжение горения и приводит к погасанию факела. Температура в зоне пиролиза реторты поэтому не превышает 500°С, что снижает производительность установки, не позволяет получить качественный уголь из-за недостаточного его прокаливания и исключает возможность переработки древесины с влажностью выше 35%. Отходящий из зоны сушки теплоноситель содержит несгоревшую смолу и другие трудносгораемые ингредиенты, что приводит к безвозвратным потерям тепла и выбросу в атмосферу рабочей зоны. Распределение газовых потоков в реторте "Ламбиотт" не поддается регулированию.
Известен способ производства древесного угля и установка для производства древесного угля (патент РФ №2166527, 02.01.2000, С10В 53/02). Способ включает предварительную сушку сырья и последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон сушки, пиролиза с образованием древесного угля и его прокалки. Применение газового теплоносителя в зоне пиролиза резко снижает концентрацию древесно-смоляных продуктов в парогазах термического разложения сырья, повышает их температуру и усложняет конденсационную систему выделения биомасел.
Известен способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо (патент РФ №2395559, 27.07.2010, С10В 57/10), путем нагрева сначала в камере сушки, которая представляет собой бункер, сушильным агентом температурой 160-200°С, полученным смешением топочных газов, прошедших рубашку камеры пиролиза, с воздухом, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, причем часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°С подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 секунд и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па. Известный способ принят в качестве прототипа.
Известный способ является не достаточно эффективным с точки зрения получения на выходе полезного продукта, т.к. твердого остаток сжигается, что также делает способ недостаточно экологичным.
Известен способ переработки биомассы дерева в виде топливной щепы с получением биомасел и древесного угля и сушильно-ретортный модуль для его осуществления (патент РФ №2338770, С10В 53/02, С10В 1/04, 20.11.2008). Сушильно-ретортный модуль содержит вертикально установленный корпус, разделенный пережимами на камеру сушки, камеру пиролиза биомассы дерева, смонтированные в верхней и нижней частях корпуса устройства для загрузки сырья и выгрузки угля, топочную камеру, узел отбора биомасел и первый газовый контур в виде газохода с газодувкой для подачи парогазов из камеры пиролиза биомассы дерева и прокалки угля в топочную камеру, расположенную в зоне пиролиза биомассы дерева и прокалки угля, при этом модуль дополнительно снабжен камерой смешения для формирования теплоносителя сушки, связанной через газовый контур с топочной камерой, вторым газовым контуром в виде газохода с регулирующей заслонкой для подачи дымовых газов из топочной камеры в нижнюю часть зоны сушки биомассы дерева, и третьим газовым контуром в виде газохода с регулирующей заслонкой и газодувкой для рециркуляции дымовых газов, отходящих из верхней части зоны сушки в ее нижнюю часть для реверсивно-противоточного-поперечного процесса подготовки сырья с целью производства биомасел и угля из биомассы дерева. Недостатком известного устройства является не достаточный выход полезного продукта из перерабатываемого сырья.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является увеличение выхода полезного продукта при сохранении экологической безопасности способа.
Для решения данной задачи предложен способ переработки подстилки птицефабрики, в котором осуществляют сушку влагосодержащего перерабатываемого сырья, а затем нагревают в камере пиролиза без доступа воздуха с переводом продуктов пиролиза в твердый продукт и парогазов с их последующей частичной конденсацией в жидкое топливо. Отличием заявленного способа является то, что перед сушкой влажное сырье гранулируют, полученные гранулы сушат при температуре 150°С, а нагревание в камере пиролиза производят при температуре 550°С в присутствии газового теплоносителя.
Пиролиз предпочтительно производят при атмосферном давлении.
Влажное сырье предпочтительно предварительно гранулируют до размера гранулы от 5 до 6 мм в диаметре и от 20 до 35 мм длиной.
В предпочтительном варианте жидкое топливо в виде биомазута получают из парогазов пиролиза посредством дробной конденсации.
В другом предпочтительном варианте полученные в результате дробной конденсации обессмоленные парогазы подают на сжигание для формирования газового теплоносителя пиролиза и сушки перерабатываемого сырья.
Отработанный сушильный агент предпочтительно сбрасывают в атмосферу.
Прокаленный остаток гранул предпочтительно охлаждают до температуры 150-200°С и отбирают в виде твердого углеродно-минерального продукта.
В другом аспекте изобретения предложено устройство переработки подстилки птицефабрики, содержащее вертикально установленный корпус, включающий в себя камеру сушки и камеру пиролиза, узел загрузки сырья, узел выгрузки углеродно-минерального продукта, топочную камеру, по меньшей мере, один узел отбора жидкого биотоплива, камеру смешения для формирования теплоносителя сушки, связанную через первый газовый контур с топочной камерой, первый газовый контур, выполненный в виде газохода с газодувкой, второй газовый контур и третий газовый контур, выполненный в виде газохода с газодувкой. В отличие от прототипа устройство дополнительно снабжено гранулятором сырья, размещенным в узле загрузки сырья, при этом первый газовый контур выполнен с возможностью подачи отработанного сушильного агента и топочных газов в камеру смешения для формирования теплоносителя пиролиза для обеспечения внешнего нагрева камеры пиролиза с получением отработанного теплоносителя пиролиза, второй газовый контур газохода газодувкой с возможностью подачи отработанного сушильного агента и отработанного теплоносителя пиролиза в камеру смешения для формирования теплоносителя сушки и обеспечения сушки гранул с получением высушенных гранул и отработанного сушильного агента, а третий газовый контур выполнен с возможностью подачи отработанного сушильного агента и топочных газов, формируемых за счет сжигания обессмоленных парогазов, получаемых в результате дробной конденсации парогазов пиролиза, для формирования теплоносителя пиролиза и обеспечения внутреннего нагрева камеры пиролиза.
Предпочтительно узел отбора жидкого биотоплива включает в себя конденсатор-холодильник, центробежный смолоотделитель и каплеулавливатель жидкого биотоплива.
Изобретение позволяет увеличить выход жидкого топлива из органического вещества до 31,6%, снизить содержание в нем воды до 5%, повысить теплоту сгорания на 15-20% и снизить энергозатраты на 1 кг получаемого твердого и жидкого топлива, а также позовляет получать на выходе твердый углеродно-минеральный продукт, который может использоваться и как топливо, и как удобрение. При этом обеспечивается экологическая безопасность процесса ввиду сжигания токсичных летучих веществ в топочной камере и отсутствия сжигания получаемого твердого топлива (углеродного минерального продукта).
Краткое описание чертежей
Сущность изобретений поясняется чертежами.
На Фиг.1 представлена принципиальная схема способа переработки подстилки птицефабрики.
На Фиг.2 представлена принципиальная схема устройства, вид спереди.
На Фиг.3 представлена принципиальная схема устройства, вид сверху.
На Фиг.4 представлена принципиальная схема устройства, вид сбоку.
На Фиг.5 представлена схема первого газового контура.
На Фиг.6 представлена схема второго газового контура.
На Фиг.7 представлена схема третьего газового контура.
Осуществление изобретения
Согласно схеме на Фиг.1, влажное сырье предварительно гранулируют предпочтительно до размера гранулы от 5 до 6 мм в диаметре и от 20 до 35 мм длиной, затем осуществляют сушку гранул при температуре 150°С, а затем нагревают в камере пиролиза без доступа воздуха при температуре 550°С при атмосферном давлении в присутствии газового теплоносителя. Продукты пиролиза переводят в твердый продукт и парогазы. Парогазы пиролиза подвергают дробной конденсации, в результате которой получают жидкое топливо в виде биомазута. Полученные в результате дробной конденсации обессмоленные парогазы пиролиза подают на сжигание для формирования газового теплоносителя пиролиза и сушки перерабатываемого сырья. Отработанный сушильный агент сбрасывают в атмосферу. Прокаленный остаток гранул охлаждают до температуры 150-200°С и отбирают в виде твердого углеродно-минерального продукта.
Устройство переработки подстилки птицефабрики (Фиг.2-4) содержит две дымовые трубы 1, бункер 2 сырья, узел 3 загрузки/гранулятор сырья, газоходы 4, газодувки 5, газовые каналы 6 для рециркуляции отработанного сушильного агента, жалюзи 7, камеру 8 сушки, центробежные смолоотделители 9, каплеулавливатели 10 биомазута, конденсаторы-холодильники 11, камеру 12 пиролиза, топочную камеру 13, воздуходувки 14, узел 15 выгрузки углеродно-минерального продукта, пережимы 16, камеру 17 смешения, патрубок 18 отбора парогазов, площадки 19 обслуживания, регулирующие заслонки 20, горелки 21, газовый канал 22 ввода теплоносителя.
Корпус устройства включает в себя две вертикально расположенные камеры, которые условно делят его на зону реверсивно-поперечно-противоточной сушки сырья - камера 8, зону пиролиза сырья - камера 12, узел отбора жидкого биотоплива, состоящий из конденсаторов-холодильников 11, центробежных смолоотделителей 9, каплеулавливателей 10 биомазута. Камеры разделены пережимами 16, которые представляют собой усеченный конус. В нижней части устройства в средней зоне пиролиза сырья установлена топочная камера 13, снабженная дымоходами с регулирующими заслонками 20 для подачи теплоносителя пиролиза для обогрева внешних стенок и внутреннего нагрева.
Внутри установки используются три контура (Фиг.5-7) циркуляции парогазовых потоков, массные расходы которых регулируются заданными режимными факторами по давлениям и температурам:
- первый контур (Фиг.5) предназначен для подачи отработанного сушильного агента и топочных газов в камеру смешения для формирования теплоносителя пиролиза для обеспечения внешнего нагрева камеры пиролиза с получением отработанного теплоносителя пиролиза;
- второй контур (Фиг.6) предназначен для подачи отработанного сушильного агента и отработанного теплоносителя пиролиза в камеру смешения для формирования теплоносителя сушки для обеспечения сушки гранул с получением высушенных гранул и отработанного сушильного агента;
- третий контур (Фиг.7) для подачи отработанного сушильного агента и топочных газов, формируемых за счет сжигания обессмоленных парогазов, получаемых при дробной конденсации парогазов пиролиза, для формирования теплоносителя пиролиза для обеспечения внутреннего нагрева камеры пиролиза.
Это позволяет регулировать объемы газовых потоков, установленным режимом давлений в зонах установки, и поддерживать тем самым необходимый температурный режим.
Устройство работает следующим образом. Из бункера 2 сырья через узел 3 загрузки/гранулятор сырья сырье поступает в устройство, где последовательно проходит камеру 8 сушки и камеру 12 пиролиза. Получаемый углеродно-минеральный продукт частично охлаждается и через узел 15 выгрузки угля выводится из устройства.
Узел 15 выгрузки углеродно-минерального продукта выполнен в виде шнекового привода с внешним охлаждением.
При работе устройства образующиеся парогазы пиролиза и отработанный газовый теплоноситель пиролиза отводят из зоны активного термического разложения сырья, отработанный газовый теплоноситель пиролиза через пережимы 16 подают на формирование сушильного агента, а парогазы пиролиза через патрубок 18, конденсаторы-холодильники 11 воздушного охлаждения, центробежные смолоотделители 9, каплеулавливатели 10 жидкого биотоплива и горелки 21 подают в топочную камеру 13. Туда же при помощи воздуходувок 14 нагнетают атмосферный воздух для сжигания обессмоленных парогазов. Образовавшиеся при горении топочные газы вначале обогревают стенки камеры 12 пиролиза, затем частично направляются вовнутрь камеры пиролиза, а в основном после обогрева камеры 12 в камеру 17 смешения для формирования теплоносителя сушки, и через жалюзи 7 теплоноситель сушки в поперечном направлении контактирует с сырьем. Жидкое биотопливо отбирается из конденсаторов-холодильников 11 и каплеулавливателей 10 узла отбора жидкого биотоплива.
Отделение жидких биотоплив из парогазов пиролиза с комбинированным внешним и внутренним нагревом необходимо с целью снижения их жаропроизводительности, т.е. температура топочных газов должна составлять не выше 900-950°С, так как температура горения необессмоленных парогазов может достигать 1300-1450°С, а это резко усложнило бы эксплуатацию установки и потребовало бы применения дорогостоящих материалов в топочном узле и камеры пиролиза.
После разогрева установки и выхода на рабочий режим количество тепла, получаемого от сжигания обессмоленных парогазов, достаточно для обеспечения замкнутого теплового баланса сушки и пиролиза при влажности исходного сырья до 55 отн. %.
Высокая температура дымовых газов, поступающих на сушку и пиролиз, резко (в 4-6 раз) ускоряет процесс термопереработки сырья в виде гранул и увеличивает удельную производительность установки, что позволяет разработать транспортабельную мобильную установку до 2 т/ч по абсолютно сухому сырью (а.с.с.).
Так как обессмоленные парогазы пиролиза полностью сгорают, выброс их в атмосферу исключается, что не нарушает экологию местности.
Примеры
Для подтверждения эффективности заявленного способа были проведены экспериментальные исследования процесса и общие анализы твердых и жидких продуктов ультраоксипиролиза, получаемых в результате переработки подстилки птицефабрики согласно предлагаемому способу.
В Таблице 1 приведены усредненные данные по выходу продуктов ультраоксипиролиза из подстилки птицефабрики. Влажность отходов сырья 54%. Содержание минеральных веществ в сырье 22,38% от а.с.с. Эксперимент производился при температуре сушки 150°С и температуре пиролиза 550°С.
Таблица 1
Выход углеродно-минерального продукта, % от сырья
Выход н/к газов+потери (по разности), % от сырья
Выход жидкого пиролиэата, % от сырья
18,9
66,9
14,2
18,3
66,3
15,4
17,7
67,4
14,9
Среднее
18,3
66,9
14,8
В Таблице 2 приведены данные по характеристике углеродно-минерального продукта, получаемого в результате ультраоксипиролиза.
Таблица 2
Характеристика углеродно-минерального продукта
№
Масса пустого бюкса
Масса бюкса с навеской, г
Масса золы
Зольность, %
Зольность а.с.у., %
До озоления
После озоления
1
14,102
15,337
14,604
0,502
40,648
43,242
2
15,426
16,718
15,896
0,470
36,378
38,700
3
14,927
16,500
15,574
0,647
41,132
43,757
4
14,577
16,094
15,200
0,623
41,068
43,689
среднее
39,81
42,35
В Таблице 3 приведены усредненные данные по выходу биомазута из пиролизатов и усредненные данные по обезвоживанию жидкого пиролизата, полученного при балансовых опытах ультраоксипиролиза.
Таблица 3
% биомазута от исходного сырья
% биомазута от жидкого пиролизата
Масса исх. сырья, г
Масса а.с.с., г
Масса орг. части, г (от а.с.с.)
Масса жидкого пиролизата, г
Масса биомазута, г
% биомазута от а.с.с.
% биомазута от орг. части
2239,8
1030,3
800,5
1485,9
253,0
11,3
17,0
24,6
31,6
зола, г
229,8
В Таблице 4 приведены данные по теплотворной способности получаемого жидкого и твердого топлив (биомазута и биоугля).
Таблица 4
Определяемая физическая величина
Биомазут
Биоуголь
Высшая удельная энергия сгорания, Qs, кДж/кг
27991,45
15674,34
27983,60
15673,94
Среднее арифметическое значение, Qs, кДж/кг
27988
15674
124,5
-
124,5
-
Температура вспышки в открытом тигле, °С
Средняя арифметическая температура вспышки в открытом тигле, °С
124,5
-
В Таблице 5 приведены данные по химическому составу получаемого углеродно-минерального продукта (биоугля).
Таблица 5
Ингредиент
Количество, %
Углерод органический
40,1
Углерод неорганический
<0,1
Бериллий
<0,0001
Бор
0,021
Марганец
0,018
Хром
<0,01
Никель
<0,0005
Кобальт
<0,0003
Свинец
<0,001
Галлий
<0,0005
Ванадий
<0,001
Медь
0,15
Цинк
0,15
Молибден
<0,0005
Иттрий
<0,001
Лантан
<0,001
Железо
0,26
Титан
0,048
Кальций
6,2
Натрий
1,3
Калий
0,3
Магний
1,7
Фосфор
6,2
Сера
<0,001
Как видно из вышеприведенных таблиц, предлагаемые изобретения могут найти применение при производстве жидких биотоплив с энергоемкостью до ~28 МДж/кг и твердого биотоплива с энергоемкостью до ~15,7 МДж/кг. Кроме того, получаемый углеродно-минеральный продукт при должной сертификации может использоваться в качестве удобрения с необходимым содержанием макро- и микроэлементов из подстилки птицефабрик в виду наличия в нем таких минеральных элементов, как натрий, калий, кальций, фосфор и других.
Заявленные способ и устройство позволяют увеличить выход жидкого топлива из органического вещества почти до 31,6% при снижении в нем содержания воды до 5%, повысить теплоту сгорания на 15-20% и снизить энергозатраты на 1 кг получаемого твердого и жидкого топлива. Способ также позволяет получать твердый углеродно-минеральный продукт с выходом до 15%, который может быть использован как топливо, а также как удобрение. При этом обеспечивается экологическая безопасность способа ввиду отсутствия сжигания твердого топлива.