УСТАНОВКА ПИРОЛИТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
INSTALLATION OF PYROLYTIC PROCESSING OF SOLID CARBON-CONTAINING MATERIALS

Изобретение относится к оборудованию химической промышленности, конкретно - к установкам термической переработки твердых углеродсодержащих материалов для получения газа, кокса, дегтя и подобных продуктов.
Известны установки непрерывно-периодического действия для пиролиза углеродсодержащих материалов, содержащие питатель (который осуществляет формирование герметичной пробки на границе питатель - реторта и подачу обрабатываемого материала в реторту) и реторту, выполненную в виде трубы для плавного перемещения частиц перерабатываемого материала через зоны уплотнения, сушки и пиролиза, с перфорацией в зоне подвода тепла и газоотводящими коллекторами вне реторты для сбора и отвода летучих продуктов пиролиза. За счет сил трения, возникающих между загружаемым перерабатываемым материалом (например, биомассой) и внутренней поверхностью реторты, происходит формирование газоплотной пробки из исходного материала, которая обеспечивает заданный уровень герметичности реторты. Герметичность выражается в невозможности самопроизвольного проникновения существенного для процесса пиролиза или нарушения условий безопасности количества продуктов термического разложения материала за пределы устройства в окружающую среду. За счет хорошего примыкания уплотненного материала к стенкам реторты в зоне сушки обеспечивается интенсивный теплообмен. Нагрев реторты производится любым доступным способом: электрическим нагревателем, горячими продуктами сгорания или иным. Примером технической реализации устройства для применения в установках термической переработки, включающего в том числе брикетный пресс, является, например, устройство по патенту СССР №57761 «Загрузочное устройство для газогенераторов высокого давления», приоритет от 28.12.1936.
Недостатком загрузочных устройств подобных установок является громоздкость и сложность конструкции (в т.ч. контуров уплотнения), что представляется избыточным для работы с относительно небольшими давлениями.
Известна также установка для непрерывного пиролиза, приведенная в патенте RU №2408654 «Установка непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов», приоритет от 16.03.2009. Основными элементами установки являются бункер-накопитель, загрузочное устройство, оснащенное шнековым питателем-уплотнителем, посредством которого реализуется непрерывная подача измельченных углеродсодержащих отходов внутрь реторты при одновременном достижении ее герметичности, реторта, где непрерывно, при постепенном перемещении материала шнеком к узлу разгрузки, осуществляются сушка и пиролиз перерабатываемого материала, а также отвод образующихся газообразных продуктов через систему газоотведения. Между питателем и ретортой установлена муфта переменного сечения для формирования пробки из перерабатываемого материала для гарантированного обеспечения заданного уровня герметичности реторты.
Недостатком установки является громоздкость конструкции, относительная технологическая сложность изготовления и сборки, обусловленная наличием шнека подачи и шнека, находящегося в реторте, требующих организации выносных подшипниковых узлов и герметичных уплотнений вала в условиях высокой температуры, кислой среды и присутствия абразивных частиц. Площадь непосредственного контакта перерабатываемого материала с внутренней поверхностью реторты при использовании шнека невелико. Кроме того, при равных диаметрах загрузочного устройства шнек обеспечивает меньшую производительность, чем поршень. Невозможно использовать реторту с сечением, отличным от круглого.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения выбрана установка термической переработки углеродсодержащих материалов, описанная в патенте RU 2613044, приоритет от 10.07.2015. Основными элементами ближайшего аналога являются силовой возвратно-поступательный механизм с приводом, поршень, направляющая, вырез с приемным лотком, реторта, в которой выделены зоны уплотнения, сушки и пиролиза, перфорация и газовые коллекторы.
К недостатку ближайшего аналога следует отнести необходимость обязательного поддержания заданной температуры стенки реторты в зонах уплотнения, сушки и пиролиза. При слишком низкой температуре стенки в зонах сушки и пиролиза происходит значительное увеличение силы трения брикета из уплотненного материала о стенки реторты за счет недостаточного выделения продуктов термического разложения, выполняющих роль смазки. Это может приводить к потере работоспособности системы из-за невозможности проталкивания новых порций материала. Устраняется данный негативный эффект только после нагревания стенок реторты до необходимой температуры. В свою очередь, при превышении рабочей температуры стенки реторты в зоне уплотнения интенсифицируется процесс сушки и термического разложения, что приводит к снижению уровня герметизации уплотненного слоя материала и нерасчетному повышенному выходу продуктов термического разложения. Следует отметить в этой связи, что процесс регулировки температуры стенки реторты зависит от нескольких параметров, в том числе расхода перерабатываемого материала, и это является проблемным с точки зрения надежной автоматизации и обеспечения безопасности работы установки. Кроме того, обязательное наличие перфорации и газовых коллекторов устройства - ближайшего аналога приводит к уменьшению площади наружной теплообменной поверхности реторты, создает затруднения технологического характера (например, при нанесении оребрения на внешнюю поверхность реторты с целью увеличения площади теплообменной поверхности), усложняет процесс изготовления установки, увеличивает ее массогабаритные показатели и стоимость.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является переход к конструктивно-технологическому облику устройства, позволяющему избежать строгого поддержания заданной температуры в зонах уплотнения, сушки и пиролиза, а также отказаться от использования перфорации и газовых коллекторов, что позволит снизить массу и габариты, трудоемкость изготовления, сборки и регулировки устройства, расширить диапазон рабочих режимов, обеспечить возможность изменения давления уплотнения перерабатываемого материала в широком диапазоне, увеличить площадь наружной теплообменной поверхности реторты и обеспечить возможность нанесения высокотехнологичного оребрения (например, спирального), дополнительно увеличивающего площадь наружной теплообменной поверхности реторты.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для пиролиза твердых углеродсодержащих материалов на входе в реторту, выполненную в виде трубы, предназначенную для термического разложения материала без доступа воздуха, соосно установлено устройство загрузочное герметичное (УЗГ), которое выполнено в виде трубы переменного сечения и включает зону уплотнения, газоплотную зону и зону транзита, при этом в газоплотной зоне УЗГ в один ряд равномерно по периметру размещено не менее двух снабженных газовыми уплотнениями регулируемых упоров с возможностью перекрытия ими до 30% проходного сечения УЗГ, зона уплотнения и газоплотная зона УЗГ выполнены с одинаковой формой проходного поперечного сечения миделем D=20…100 мм, длина зоны уплотнения УЗГ составляет (0,5…7,5)D, длина газоплотной зоны УЗГ составляет (0,5…2,0)D, зона транзита УЗГ и реторта выполнены с одинаковым проходным сечением (1,02…1,08)D, длина зоны транзита УЗГ составляет (0,5…2,0)D, при этом длина входящего в состав зоны транзита переходного участка увеличения миделя составляет от 0 до 0,15D, упоры размещены на расстоянии до 0,2D от границы газоплотной зоны и зоны транзита УЗГ, между силовым приводом и УЗГ выполнено загрузочное окно длиной (1,0…5,0)D, а поршень силового привода выполнен с миделем (0,95…0,99)D и длиной рабочего хода от нулевой точки направляющей, имеющей длину (0,1…3,0)D, до границы зоны уплотнения и газоплотной зоны УЗГ, при этом реторта выполнена без перфорации и газовых коллекторов. Кроме того, линия движения упора при регулировке может быть размещена в плоскости продольной оси УЗГ под углом ±60° к нормали к продольной оси УЗГ. Между УЗГ и ретортой также может быть введена теплоизолирующая вставка шириной (0,1…3,0)D с миделем, равным миделю зоны транзита УЗГ и миделю реторты. Реторта может быть выполнена с наружным оребрением. Зона уплотнения, газоплотная зона, зона транзита УЗГ и реторта могут быть выполнены с одинаковым проходным сечением.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства по предлагаемому техническому решению. На фиг. 2, 3 показаны соотношения размеров элементов устройства. На фиг. 4 представлено поперечное сечение УЗГ в плоскости упоров.
Приняты обозначения:
1 - силовой привод (например, гидроцилиндр),
2 - поршень,
3 - направляющая,
4 - загрузочное окно,
5 - устройство загрузочное герметичное,
6 - упор,
7 - теплоизоляционная вставка (вариант),
8 - реторта,
9 - оребрение (вариант),
10 - зона уплотнения,
11 - газоплотная зона,
12 - зона транзита.
Устройство по предлагаемому техническому решению имеет следующие характерные особенности (см. фиг. 1). Установка, включая силовой привод поз. 1 с поршнем поз. 2 и направляющей поз. 3, монтируется на жестком основании (опоре, станине, фундаменте - на фиг. 1 не показано) соосно реторте поз. 8. На входе в реторту дополнительно установлено УЗГ поз. 5 Зона уплотнения поз. 10, газоплотная зона поз. 11 и зона транзита поз. 12 являются функциональными участками УЗГ поз. 5. Между направляющей поз. 3 и УЗГ поз. 5 размещено загрузочное окно поз. 4, заполняемое перерабатываемым материалом. Упоры поз. 6 в количестве не менее двух устанавливаются в УЗГ поз. 5 и снабжаются газовыми уплотнениями (на фиг. 1 не показано). Между УЗГ поз. 5 и ретортой поз. 8 для уменьшения интенсивности теплопередачи может быть установлена теплоизоляционная вставка поз. 7 (вариант). Реторта поз. 8 изготавливается из материала с хорошей теплопроводностью (например, нержавеющей стали) и может иметь оребрение поз. 9 (вариант) для дополнительного увеличения площади наружной теплообменной поверхности. Открытый торец реторты поз. 8 представляет собой выход для продуктов термического разложения углеродсодержащего материала (летучих и углистого остатка). Нагрев реторты поз. 8 может осуществляться любым доступным способом (например, посредством электронагрева или нагрева горячими дымовыми газами) обеспечивающим подвод тепловой энергии через стенку с последующей теплоотдачей перерабатываемому материалу и продуктам его разложения.
Устройство по предлагаемому техническому решению функционирует следующим образом. Поршень поз. 2 силовым приводом поз. 1 выдвигается до нулевой точки направляющей поз. 3 (см. фиг. 2), далее происходит заполнение перерабатываемым углеродсодержащим материалом объема загрузочного окна поз. 4, после чего поршень поз. 2 вдвигается силовым приводом поз. 1 в УЗГ поз. 5, проталкивая материал через зону уплотнения поз. 10 (в которой производится уплотнение перерабатываемого материала за счет силы давления поршня поз. 2 с одной стороны и сопротивления ранее уплотненного материала в газоплотной зоне поз. 11 с другой стороны). В газоплотной зоне поз. 11 образуется брикет из уплотненного материала, препятствующий выходу летучих продуктов термического разложения материала. Возле границы газоплотной зоны поз. 11 и зоны транзита поз. 12 брикет упирается в упоры поз. 6, положение которых определяет величину давления уплотнения: чем больше упоры поз. 6 перекрывают проходное сечение УЗГ поз. 5, тем больше величина давления уплотнения. Упоры могут располагаться под углом ±60° относительно нормали к оси УЗГ (см. фиг. 3). В брикете уплотненного материала, проходящем через упоры поз. 6, образуются продольные канавки (желоба), профиль которых соответствует проекции упоров поз. 6 на плоскость проходного сечения УЗГ поз. 5. Опыты показывают, что при давлении поршня 5 МПа и более происходит достаточное уплотнение материала для создания газоплотного брикета. В момент времени, когда сила давления со стороны поршня поз. 2 на уплотненный перерабатываемый материал оказывается больше силы трения между уплотненным перерабатываемым материалом и стенкой (включая сопротивление упоров поз. 6), перерабатываемый материал начинает перемещаться из газоплотной зоны поз. 11 в зону транзита поз. 12. Перемещение уплотненного перерабатываемого материала происходит до тех пор, пока поршень поз. 2 не займет своего крайнего положения (на расстоянии (0,5…7,5)D от загрузочного окна поз. 4 вглубь зоны уплотнения поз. 10), затем поршень поз. 2 возвращается в исходное положение (нулевая точка направляющей поз. 3), и цикл повторяется. Мидели зоны транзита поз. 12, теплоизоляционной вставки поз. 7 и реторты поз. 8 больше миделя газоплотной зоны поз. 11, поэтому сила трения между выходящим из газоплотной зоны поз. 11 уплотненным материалом и стенками зоны транзита поз. 12, теплоизоляционной вставки поз. 7 и реторты поз. 8 оказывается относительно малой по сравнению с силой сопротивления, возникающей при прохождении газоплотной зоны поз. 11. Теплоизоляционная вставка поз. 7 (вариант) препятствует теплопередаче от реторты поз. 8 к УЗГ поз. 5, благодаря чему величина давления уплотнения преимущественно определяется положением упоров и практически не зависит от температуры стенки реторты поз. 8. Переходный участок от газоплотной зоны поз. 11 к зоне транзита поз. 12 может быть как резким (как показано на фиг. 3), так и плавным.
Внутри реторты поз. 8 теплота передается от стенки реторты поз. 8 к перерабатываемому материалу, приводя сначала к испарению влаги, а затем термической деструкции (пиролизу), далее происходит выделение продуктов термического разложения материала в различном агрегатном состоянии. Жидкие продукты выполняют роль смазки, дополнительно снижающей силу трения брикета материала о стенки реторты поз. 8. Газообразные продукты преимущественно отводятся через канавки (желоба) в брикете, образующиеся при прохождении материала через упоры поз. 6, что препятствует скоплению газов под высоким давлением, стабилизирует работу установки и позволяет избежать опасности разрыва реторты поз. 8. Наличие газоплотной зоны поз. 11 и газовых уплотнений упоров поз. 6 гарантирует заданный уровень герметичности установки. Углистый остаток материала и летучие, перемещаясь вдоль реторты поз. 8, удаляются через ее открытый торец в определенное назначением установки место для непосредственного использования или дальнейшей переработки. Следует отметить, что в предложенном устройстве также обеспечивается предотвращение накопления твердого налета (нагара) на стенках реторты поз. 8 за счет его механического удаления движущимся уплотненным материалом и углистым остатком материала.
Равномерное расположение по окружности двух или более упоров поз. 6 позволяет избежать появления несимметричных нагрузок на УЗГ поз. 5 со стороны уплотняемого материала, а также позволяет равномерно распределять и выводить поток образующихся газообразных продуктов пиролиза. Благодаря наличию переменного сечения (увеличенный до (1,02…1,08)D мидель зоны транзита поз. 12 и реторты поз. 8) регулировка давления уплотнения перерабатываемого материала осуществляется преимущественно не за счет создания определенных температурных условий в зонах уплотнения, сушки и пиролиза, а за счет регулировки положения упоров поз. 6 в УЗГ поз. 5, что имеет ряд существенных преимуществ (увеличение диапазона регулирования давления уплотнения, снижение инертности регулировочного процесса, отсутствие необходимости подвода и отведения теплоты). В том случае, если мидели всех частей установки равны (вариант), наличие упоров поз. 6 дает возможность регулирования давления уплотнения в дополнение к регулированию температурой. На величину миделя зоны уплотнения поз. 10 и герметичной зоны поз. 11 УЗГ поз. 5 наложено ограничение 20…100 мм, поскольку термическая переработка брикетов размером менее 20 мм с практической точки зрения нецелесообразна, а брикеты с миделем более 100 мм не будут в достаточной мере прогреваться по сечению в установках приемлемой длины. Мидель поршня поз. 2 силового привода поз. 1 составляет (0,95…0,99)D, что одновременно позволяет исключить заклинивание поршня поз. 2 и обеспечить достаточное центрирование в направляющей поз. 3 длиной (0,1…3,0)D. Длина загрузочного окна поз. 4 составляет (1…5)D, что позволяет сыпучему материалу заполнять образующуюся после каждого цикла подачи полость, а поршню поз. 2 - осуществлять подачу материала в УЗГ поз. 5 с высокой эффективностью. Длины зоны уплотнения поз. 10 (0,5…7,5)D, газоплотной зоны поз. 11 (0,5…2,0)D и зоны транзита поз. 12 (0,5…2,0)D подбираются опытным путем с учетом вида перерабатываемого материала. Упоры поз. 6 могут быть установлены как на границе газоплотной зоны поз. 11 и зоны транзита поз. 12, так и в некотором отдалении от нее (до 0,2D). Исключение перфорации реторты поз. 8 и газовых коллекторов становится возможным за счет формирования в брикете уплотненного материала канавок (желобов), образующихся в брикете при его проталкивании через упоры поз. 6 и выполняющих роль газоотводов, что приводит к упрощению изготовления и сборки установки, уменьшению массогабаритных показателей, увеличению площади наружной теплообменной поверхности реторты, а также позволяет наносить на реторту высокотехнологичное оребрение поз. 9 (например, спиральное) для дополнительного увеличения площади наружной теплообменной поверхности. Установка упоров поз. 6 под углом к нормали к продольной оси УЗГ (см. фиг. 3) позволяет внести изменения в процесс формирования канавок (желобов) в брикете. При наклоне упоров поз. 6 по движению материала канавки (желоба) образуются за счет смятия материала и имеют четкие границы, при наклоне упоров поз. 6 против движения материала канавки (желоба) образуются за счет разрыва материала и не имеют четкой границы. Изменение угла наклона упоров поз. 6 также приводит к изменению величины регулировочного усилия.
Применение предложенного технического решения целесообразно для энергетически и экологически рациональной переработки углеродсодержащих материалов как в малых (лаборатория, опытное производство), так и в больших (например, при лесозаготовках, утилизации сельскохозяйственных отходов, др.) объемах. При этом относительная простота конструктивно-компоновочной схемы установки, возможность масштабирования ее габаритов, формирования «по месту» профиля поперечного сечения УЗГ и реторты, вариабельность силовых механизмов и источников (генераторов) тепла, позволяют прогнозировать востребованность предложенного технического решения в современных условиях и в обозримой перспективе.