ПИРОЛИЗНАЯ УСТАНОВКА
PYROLYSIS UNIT

Изобретение относится к устройствам для пиролизной деструкции древесных отходов, может быть использовано для переработки влажного опила в мелкодисперсный уголь, содержащий 95% углерода.
Изобретение относится к области альтернативной энергетики и может быть использовано:
- для получения мелкодисперсного углерода из опила, который, в свою очередь, превращается посредством газогенератора в генераторный газ для питания двигателя внутреннего сгорания мобильной электрической станции;
- для отопления жилых и производственных помещений.
Известно устройство (1), представляющее собой пиролизную установку для деструкции древесных отходов. Пиролизная установка содержит корпус печи, сваренный из стальных листов. В верхней части корпуса в специально выполненном проеме расположен загрузочный люк. Загрузочный люк оснащен дверью, которая вращается на шарнирах и ложится в пазы проема. Внутри корпуса расположены три колеса, приводимые в движение вращением несущего вала. Несущий вал выполнен полым для облегчения конструкции. Через загрузочный люк внутрь печи устанавливаются, например, четыре съемных контейнера, предварительно загруженных древесиной. Съемный контейнер подвешивается на вращающихся колесах с помощью разъемного шарнирного соединения на штоках, выполненных с торцов съемного контейнера и посередине, для обеспечения сохранения ориентации съемного контейнера в пространстве при вращении колес. Пространственное расположение контейнеров регулируется посредством поворота колес вращением несущего вала, приводимого в движение электродвигателем. Передача вращения от электродвигателя к несущему валу осуществляется с помощью шестеренчатой передачи. В случае больших размеров печи возможна установка электродвигателей и шестеренчатых передач с обоих концов несущего вала для обеспечения равномерности передачи вращающего момента. Сверху корпуса располагаются дымовые трубы, закрывающиеся заслонками. Корпус, кроме загрузочного люка, имеет ряд технологических отверстий для установки газоанализатора, предохранительного клапана и установки термопар. В нерабочем состоянии отверстия закрываются резьбовыми пробками. В дне съемного контейнера имеются прорези, обеспечивающие свободный доступ топочных газов и слив конденсата. В дне корпуса также имеются прорези для слива жижки из корпуса. Под корпус установлен накопительный резервуар (сборник) для сбора конденсата (жижки). В боковой стенке сборника выполнено отверстие, в которое вварена дымовая труба от топки. В нижней части сборника имеется сливное отверстие для слива жижки. Недостатками устройства являются:
- невозможность в данном устройстве подвергать пиролизу влажный опил мелкой фракции;
- длительный период удаления влаги из влажных древесных отходов и большие затраты энергии для этой цели без использования вакуума;
- отсутствие замкнутого цикла движения пиролизных газов;
- недостаточная экологическая чистота устройства.
Указанные недостатки ограничивают применение устройства, особенно в городских условиях и в населенных пунктах, из-за загрязнения окружающей среды пиролизными газами, с одной стороны, и, с другой стороны, из-за невозможности подвергать пиролизной деструкции влажный опил мелкой фракции.
Предлагается устройство - пиролизная установка с пиролизной камерой в виде вращающегося барабана.
Установка предназначена, главным образом, для переработки порубочных древесных отходов непосредственно на делянках в местах заготовки леса, где всегда в избытке имеется большое количество дровяных отходов. На отвалочных полигонах деревообрабатывающих предприятий данная пиролизная установка также с успехом может быть использована для переработки таких древесных отходов, как опил с повышенным содержанием влаги, обрезь, кора, горбыль с повышенным содержанием смолистых веществ. Установка перерабатывает порубочные отходы в древесный уголь, содержащий 90-95% углерода и 10-5% мельчайших зольных частиц размером до 5 мкм. Пиролиз - процесс переработки твердого вещества в газообразное без доступа кислорода. Получаемый в пиролизной установке уголь в дальнейшем используется для выработки генераторного газа в газогенераторе, который является топливом для двигателя внутреннего сгорания мобильной электрической станции. Мобильная электрическая станция и газогенератор при этом также могут быть расположены в лесу непосредственно на делянке. Генераторный газ для мобильной электростанции можно получить непосредственно из сырых древесных отходов в одном устройстве - генераторе обращенного типа, но в полевых условиях полное разложение смолистых веществ в одном устройстве реализовать практически невозможно. Смолистые вещества в смеси генераторного газа закоксовывают двигатель внутреннего сгорания электростанции, что приводит к выходу его из строя. В связи с этим процесс получения генераторного газа осуществляется в двух технических устройствах: пиролизной установке, где происходит глубокий пиролиз и полное разложение смолистых веществ, которые удаляются вместе с пиролизными газами и в замкнутом цикле сгорают в топке, и газогенераторе прямоточного типа, который перерабатывает уже практически чистый углерод в генераторный газ высокой калорийности для питания двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, при заготовке леса большое количество древесных отходов - дровяные остатки, сучья, вершинник, ситовая древесина, особенно в последние 20 лет, оставались прямо на делянках. Вывоз на дрова в связи с высокой стоимостью дизельного топлива экономически для лесозаготовителей является нецелесообразным. В свою очередь древесный уголь, получаемый в пиролизной установке, является компактным и высококалорийным топливом, которое уже экономически выгодно вывозить потенциальному потребителю. Таким образом, утилизация древесных отходов в местах заготовки леса помимо экологического эффекта имеет и положительный экономический фактор.
Технологический процесс работы пиролизной установки условно можно разделить на 3 этапа.
1. Сушка древесных отходов в пиролизной камере, когда из камеры в атмосферу выделяется только водяной пар.
2. Пиролиз древесных отходов, когда из пиролизной камеры в топку выделяются пиролизные газы.
3. Охлаждение готового угля.
2
Пиролизная камера 1 (см. чертеж) вместе со всеми устройствами опирается двумя полуосями 10 и 28 на опоры 20 через подшипники 12 и 29. Для придания прочности полуоси связаны с кожухом косынками 11 и 27, а к пиролизной камере полуоси прикреплены с помощью сварочных швов 9 и 26. При помощи редуктора 16, 17 ручным приводом через цепную передачу 13, 14,15 пиролизную камеру вместе с кожухом 2 можно поворачивать вокруг своей оси, при этом съемная труба 34 убирается. Загрузка древесных отходов производится либо вручную, либо механически, когда загрузочные люки находятся в нижнем положении, удобном для начала загрузки. По мере заполнения пиролизной камеры она поворачивается, и загрузочные люки поднимаются. Загрузка до полного объема производится, когда загрузочные люки подняты максимально вверх. После этого загрузочные люки задраиваются крышками 4 при помощи клиновидных захватов 5. Для обеспечения герметичности пиролизной камеры между крышкой и люком проложены асбестовые шнуры в уплотнительных канавках. После загрузки пиролизной камеры в топку 22 закладываются дрова и поджигаются. Поступление воздуха регулируется устройством 23, которое расположено в крышке топочного люка 24. При этом в качестве дров можно использовать и вершинник длиной до 5 метров. Топочный газ обогревает пиролизную камеру равномерно как в нижней, так и в верхней части. Загруженная в пиролизную камеру свежесрубленная древесина имеет влажность 60-80%, а опил из отвалов может иметь относительную влажность более 100%. Для ускорения пиролиза в установке применен вакуумный насос 32, который на этапе сушки создает в пиролизной камере вакуум 0,8 МПа. Такой уровень вакуума обеспечивает закипание воды в древесных отходах при температуре 62°С. Вакуумный насос прикреплен к кожуху через графитовую прокладку 31. Это позволяет значительно сократить (в 3-5 раз) время прогрева большого объема пиролизной камеры до начала кипения воды со 100°С до 62°С при работе вакуумного насоса. Электроснабжение вакуумного насоса на делянке производится от мобильной электростанции. Кроме сокращения времени процесса сушки, применение вакуумного насоса сокращает количество дров, необходимых для цикла пиролиза. Когда вода в древесных отходах закипает, через поры древесины она выходит наружу и превращается в пар, который постоянно откачивается вакуумным насосом и выбрасывается в атмосферу, поддерживая постоянный вакуум 0,8 МПа. Процесс пиролиза может производиться и без применения вакуумного насоса, но в этом случае уменьшится градиент давления между внутренними порами древесных отходов и объемом камеры, увеличится температура кипения воды до 100°С, что увеличит время сушки в 3-5 раз. В процессе сушки запорное устройство 33 открыто, а запорное устройство 30 закрыто. Момент окончания этапа сушки определяется визуально по окончанию выделения пара из выводной трубы 34. После этого запорное устройство 33 закрывается, вакуумный насос 32 отключается, и открывается запорное устройство 30. Начинается 2-я стадия пиролиза - непосредственно деструкция древесины, которая сопровождается выделением пиролизных газов. Пиролизные газы через запорное устройство 30 и трубу 25 поступают в топочную камеру 22, где сгорают факелом, поддерживая высокую температуру в пиролизной камере. Пиролизная установка переходит на замкнутый режим работы, когда выделяемые пиролизные газы нагревают пиролизную камеру для дальнейшего выделения новых объемов пиролизного газа. Такой замкнутый цикл делает установку экологически безопасной для окружающей среды, так как пиролизные газы имеют в своем составе много ядовитых составляющих, и, с другой стороны, позволяет значительно экономить энергию для поддержания температуры в пиролизной камере. В атмосферу при этом выбрасывается только водяной пар в процессе сушки, и топочный газ через трубу 34, который состоит из СO, азота и мельчайших зольных частиц. Жидкая фракция (т.н. жижка) в процессе пиролиза удаляется через трубу 19 путем открытия запорного устройства. Во время пиролиза в пиролизной камере создается избыточное давление в результате выделения большого количества пиролизного газа. Пиролизный газ в своем составе содержит такие горючие газы, как СО, водород, метан. Для обеспечения безопасности работы в конструкции предусмотрен предохранительный люк 6 для быстрого сбрасывания избыточного давления при воспламенении пиролизного газа в камере пиролиза. Внизу люка 6 расположена крышка 7, поверх которой люк заполняется уплотнителем 8. В качестве уплотнителя может быть использована зола, земля, песок и другие подручные материалы. При воспламенении создается избыточное давление, которое выбрасывает крышку 7, и через люк 6, который имеет диаметр 300 мм, происходит мгновенный сброс давления. Крышка 7 прикреплена к пиролизной камере тросиком для избежания травм персонала. После сброса давления крышка устанавливается на место, и люк 6 засыпается уплотнителем, который утрамбовывается. Процесс пиролиза происходит при постепенном подъеме температуры. Начинается пиролиз при 400°С и заканчивается при 700-800°С (т.н. «дожиг» для полного разложения и удаления смолистых веществ). Процесс дожига составляет не более 10% времени пиролиза. Основной процесс происходит при 400-450°С. Готовность угля проверяется щупом через специальное отверстие. После окончания пиролиза перекрывается запорное устройство 30, перекрывается подача воздуха к устройству 23, горение в топке прекращается. Пиролизная установка переходит в процесс охлаждения. При охлаждении угля до 200°С открываются крышки люков 4, снимается труба 34. Вручную при помощи рукоятки 18 пиролизная камера поворачивается на 180° вокруг своей оси до того момента, когда люки 3 направлены вертикально вниз. Уголь под действием силы тяжести высыпается на специально подготовленную площадку из листового железа, расположенную на салазках 21, и в таком виде остывает до температуры атмосферного воздуха. Процесс охлаждения происходит еще в течение суток. Параллельно с процессом охлаждения освобожденная пиролизная камера загружается вновь, и начинается новый цикл пиролиза. После того как высыпанный уголь остынет, его расфасовывают в мешки и помещают на склад. Пиролизная установка легко перемещается с одной делянки на другую при помощи трактора на салазках 21.
Таким образом, можно производить большое количество угля высокого качества, который применим не только в газогенераторах, но и в химических производствах, в качестве топлива для обогрева жилых помещений, в бытовых нуждах и т.д. На делянке пиролизная установка позволяет всегда иметь большое количество практически чистого углерода для производства генераторного газа и питания двигателя внутреннего сгорания мобильной электрической станции. Такой комплекс позволяет прямо на делянке установить одну или несколько мобильных пилорам для распиловки леса на обрезной пиломатериал непосредственно в местах его заготовки.
Основными техническими задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:
- возможность пиролизной деструкции древесных отходов, в том числе и опила с относительной влажностью до 120%;
- мобильность устройства;
- повышенный КПД устройства за счет применения вакуума в пиролизной камере;
- улучшение экологических характеристик в результате замкнутого цикла,
направленного на полное сгорание пиролизных газов.
Указанная совокупность признаков обеспечивает решение перечисленных технических задач во всех случаях использования изобретения.
Указанные отличия описанного устройства в сравнении с (1) позволяют говорить о расширенных полезных функциях устройства и сфере его применения, в частности улучшение экологических характеристик в результате замкнутого цикла, направленного на полное сгорание пиролизных газов. Описанное устройство отличается логичностью и простотой изготовления. Изложенное свидетельствует о том, что между отличительными признаками и техническим результатом имеется причинно-следственна связь. Достигаемый указанный технический результат при использовании данного устройства обеспечивает общественно полезный эффект:
- возможность пиролизной деструкции древесных отходов, в том числе и опила с относительной влажностью до 120%;
- мобильность устройства;
- повышенный КПД устройства за счет применения вакуума в пиролизной камере;
- улучшение экологических характеристик в результате замкнутого цикла, направленного на полное сгорание пиролизных газов.
По имеющимся у заявителя сведениям предлагаемая совокупность существенных признаков, позволяющих получить технический результат, заключающийся в улучшении экологических характеристик в результате замкнутого цикла, напрвленного на полное сгорание пиролизных газов, неизвестна из уровня техники. Следовательно, изобретение обладает новизной. Сущность заявляемого изобретения не вытекает явным образом из известного уровня техники. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение может быть использовано в лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности для производства мелкодисперсного углерода высокого качества, который, в свою очередь, может быть использован в качестве топлива для газогенератора мобильной электрической станции и для отопления жилых и производственны помещений. Кроме того, предлагаемое устройство решает задачу утилизации древесных отходов, в частности опила, находящегося на территории деревообрабатывающих производств, не ухудшая при этом экологию окружающей среды. Данное устройство легко тиражируемо и может многократно обеспечить получение указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости предлагаемого изобретения.
Использованная литература
1. Прототип. Патент RU 2190658 С2.
2. Аналог. Патент RU 2228348 C1.
3. Аналог. Патент RU 2151785 С1.