METHOD FOR CONTINUOUS PYROLYSIS OF SMALL-SIZED ORGANIC MATERIALS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF
СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПИРОЛИЗА МЕЛКОКУСКОВЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится преимущественно к лесной промышленности и может быть использовано в процессе утилизации мелкокусковых отходов лесопиления и деревообработки для производства древесного угля.
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция экологизации требований приобретателей к качеству продукции, услуг, среды обитания. Все большую актуальность приобретает понятие «экологическая конкурентоспособность», все больше внимания уделяется разработке, внедрению и распространению зеленых технологий, положительно воздействующих на среду обитания [Смирнова Г.А. Зеленые технологии - направление инновационной деятельности в легкой промышленности / Г.А. Смирнова, М.Н. Титова // Инновации. - 2010. - №1 (135). - С. 58-63.]. Указанное заставляет производителей во многих отраслях промышленности проектировать новые виды материалов, изделий, технологии их получения, преимущественно из натуральных видов сырья или с их преобладанием в общем составе, исключающие по возможности большое количество химических, сильных термических воздействий и не наносящие урон в процессе их потребления и утилизации. Особо актуальной становится внедрение экологичных, малозатратных технологий и мобильного оборудования для утилизации производственных отходов с целью получения в местах их массового скопления дополнительных видов товарной продукции при использовании минимального количества дополнительных ресурсов. К числу таких технологий следует отнести технологии переработки отходов лесозаготовки и деревообработки, растительных отходов сельского хозяйства и пр. с производством древесного угля и других углеродных материалов, а также тепловой энергии. Применяемые в настоящее время подобные технологии в большинстве своем отличаются высокой ресурсоемкостью, высокими издержками производства, малой мобильностью. Их высокая ресурсоемкость во многом вызвана необходимостью подсушки перерабатываемого сырья до влажности 5-15%, привлечением дополнительных источников энергии: электричество, горючие газы, жидкое топливо и т.п. В результате реализации технологических процессов образуются побочные продукты, например, пиролизные газы, жижка, требующие привлечения дополнительных средств для приведения их в товарный вид или утилизацию. Кроме того, конструктивно такие технологии реализуются, как правило, в стационарных условиях с необходимостью возведения зданий, сооружений и организацией системы коммуникаций.
Известен способ производства древесного угля [Пат.№2463331. Российская Федерация. Способ производства древесного угля / Тимербаев Н.Ф. и др.; патентообладатель ООО "НТЦ АЭ". Опубл. 10.10.2012. - Режим доступа: http://www1.fips.ru]. Древесину перед сушкой кондуктивно прогревают при температуре стенки 95-105°С за счет конденсации водяных паров, поступающих из зоны охлаждения, и высушивают конвекцией топочными газами температурой 240-250°С с прогревом древесины до 180°С. Часть влажных топочных газов температурой 150°С из зоны сушки выбрасывают через абсорбер в атмосферу, другую часть смешивают с топочными газами температурой 600°С из зоны пиролиза и направляют в зону сушки. Высушенную древесину пиролизуют за счет кондуктивного подвода теплоты от поступающих из топки топочных газов температурой 600-700°С в режиме противотока. Образующиеся в зоне пиролиза пирогазы эжектируют сконденсированными в конденсаторе пирогазами, несконденсированные пирогазы отводят в топку, куда подают воздух, а хладагент пирогазов в топке переводят в пар. Угольный остаток с температурой 500°С кондуктивно охлаждают до 120°С конденсатом воды, поступающим из зоны прогрева, затем дополнительно кондуктивно охлаждают в режиме противотока до 50°С рециркулирующим абсорбентом. Способ позволяет повысить эффективность процесса пиролиза. К числу недостатков способа следует отнести сложную схему циркуляции пирогазов, их конденсирования, фильтрации, а также невозможность конструктивно реализовать данный способ в мобильном исполнении.
Известен способ сухой перегонки древесины, реализованный в установке непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов [Пат. №2408654. Российская Федерация. Установка непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов / Скурыдин Ю.Г.; патентообладатель Скурыдин Юрий Геннадьевич. Опубл. 10.01.2011. - Режим доступа: http://www1.fips.ru]. В установке посредством шнекового питателя-уплотнителя реализуется непрерывная подача измельченных углеродсодержащих отходов внутрь реторты при одновременном достижении ее герметичности, где непрерывно, при постепенном перемещении материала шнеком к узлу разгрузки, осуществляются подсушка и пиролиз переугливаемого материала и отвод образующихся газообразных продуктов через систему газоотведения. Между ретортой и зоной разгрузки формируется пробка из получаемого угольного материала для гарантированного обеспечения герметичности реторты и термостабильности процесса. Изобретение позволяет непрерывно, без прекращения работы установки и процесса углежжения загружать сырье в зону пиролиза, а также производить выгрузку готового угля. Нагрев реторты осуществляется извне электронагревателем, расположенным по всей длине трубы реторты. Постоянное использование электронагревателя для реализации процесса пиролиза является существенным недостатком, поскольку увеличивает себестоимость получаемого угля и снижает мобильность установки, для работы которой необходимо наличие стабильного источника электрического тока. Также к числу недостатков следует отнести сложную систему отвода пиролизных газов за пределы помещения, увеличивающую материалоемкость и стоимость установки, а также образование дополнительного продукта (жижки), требующего дальнейшей переработки. Указанный способ по своей сути наиболее близок к заявленному, поэтому принят в качестве прототипа.
Технической задачей изобретения является разработка способа непрерывного пиролиза мелкокусковых органических материалов, обеспечивающего эффективное использование перерабатываемого сырья, снижение энергоемкости и себестоимости готового продукта, повышение его качества.
Техническим результатом изобретения является уменьшение затрат на получение углеродсодержащего продукта путем полного использования тепловой энергии, непрерывно образующейся в процессе пиролиза, без использования дополнительных источников тепла, а также организации технологического процесса, исключающее коксование пиролизных газов и образование отходов производства.
На фиг. 1 приведена схема технологического процесса, реализующего способ непрерывного пиролиза мелкокусковых органических материалов.
Способ реализуется следующим образом.
На входе в установку формируется зона постоянной плотности загружаемого сырья, обеспечивающая равномерное поступление его в зону сушки. Зона сушки представляет собой замкнутый объем цилиндрической формы с расположенным внутри него винтовым спиральным транспортером, который обеспечивает постоянное интенсивное перемешивание сырья, его сушку и продвижение ко входу в зону пиролиза. При этом происходит равномерный прогрев слоя сырья, а в верхней части зоны сушки формируется свободное пространство для сбора и перемещения испаренной влаги. Движение материала в этой зоне организовано таким образом, что на входе в зону пиролиза постоянно образуется саморазрушающаяся пробка, обеспечивающая герметичность и непопадание воздуха из зоны сушки в зону пиролиза и пиролизных газов из зоны пиролиза в зону сушки. Испаренная из сырья свободная (несвязанная) влага полностью выводится из зоны сушки посредством вентилятора, установленного в верхней ее части. В зоне пиролиза постоянное перемешивание и движение обрабатываемого материала осуществляется винтовым спиральным транспортером. Могут использоваться винтовой ленточный или винтовой лопастной транспортер. Это обеспечивает равномерное попадание частиц материала в зону осуществления термохимического процесса и стабильное его протекание, в том числе за счет газопроницаемой формы транспортера. Сухая перегонка древесины (при отсутствии воздуха в зоне протекания процесса) обеспечивает эффективное разложение органических веществ и получение углеродного материала высокой степени очистки и пиролизных газов. Обрабатываемый материал в зоне пиролиза интенсивно перемешивается, обеспечивая свободный выход пиролизных газов и попадание их в верхнюю часть зоны, откуда они по прогретому до 800°С газоходу выводятся в зону горения. Посредством винтового спирального транспортера материал перемещается от входа в зону пиролиза к выходу из нее, постепенно и полно разлагаясь и преобразовываясь в углеродный продукт (древесный уголь). По ходу движения плотность материала и занимаемый им объем постепенно уменьшается, освобождая пространство для циркулирования пиролизных газов и водяных паров (испаренной связанной влаги, внутренней влаги материала). Поскольку плотность пиролизных газов и водяных паров по величине существенно отличается, происходит их расслоение в свободном пространстве зоны пиролиза. Водяные пары движутся в сторону раскаленного углеродного материала, где при постоянном перемешивании винтовым спиральным транспортером вступают в реакцию восстановления с образованием горючих газов, которые, как и пиролизные газы, по прогретому до 800°С газоходу выводятся в зону горения. Скорость выхода углеродного материала из зоны пиролиза и скорость попадания его в зону охлаждения соотносятся таким образом, что на их границе также постоянно образовывается саморазрушающаяся угольная пробка, препятствующая попаданию воздуха в зону пиролиза и неконтролируемому выбросу пиролизных газов из нее. Далее углеродный продукт попадает в зону охлаждения, где его температура постепенно снижается, например, посредством системы воздушного, водяного или воздушно-водяного охлаждения.
Для запуска стабильного процесса пиролиза необходим однократный нагрев материала внешним источником тепла, например, горелкой. Далее процесс поддерживается за счет теплоты, образующейся при сгорании пиролизных газов. Концентрация газовоздушной смеси подобрана таким образом, что происходит полное ее сгорание и содержание вредных веществ в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, не превышает допустимых значений, регламентированных действующими нормативными документами. При необходимости возможна подача части дымовых газов в зону сушки для интенсификации процесса сушки поступающего сырья. Все зоны реализации технологического процесса размещены в замкнутом теплоизолированном объеме таким образом, что происходит конвективный теплообмен внутри этого объема - от зоны горения к зоне пиролиза равномерно передается основное количество тепла, обеспечивающее температуру среды в зоне пиролиза 500-750°С, конструктивно зона сушки сырья располагается над зоной пиролиза, тепловая энергия от которой обеспечивает температуру среды в зоне сушки 200-300°С и равномерный нагрев слоя материала. Концентрация газовоздушной смеси подобрана таким образом, чтобы температура в зоне ее сгорания составляла 900-1000°С. На выходе из зоны пиролиза углеродный материал имеет температуру 200-210°С, которая снижается в зоне охлаждения до 40°С. Полученный углеродный продукт далее поступает на стабилизацию и готов к дальнейшему применению по назначению.
Принципиальной особенностью заявленного способа является возможность переработки сырья влажностью до 85%. Под мелкокусковыми органическими материалами понимаются преимущественно отходы лесопиления и деревообработки крупностью до 70 мм, включая древесные опилки и пыль.
Удаление части влаги из материала до поступления его в зону пиролиза, постоянное интенсивное перемешивание материала по ходу движения, реализация термохимического процесса без доступа воздуха обеспечивают термостабильность последнего, полное использование сырья без образования отходов, получение однородного качественного углеродного продукта. Использование внешнего источника тепла лишь для запуска процесса снижает ресурсоемкость заявленного способа и снижают себестоимость получаемого готового продукта.
Существенным преимуществом заявленного способа является получение дополнительной тепловой энергии для протекания процесса пиролиза за счет восстановительных реакций при прохождении водяных паров над раскаленным углеродным продуктом, в результате которого часть водяных паров преобразуется в горючие газы. Вывод пиролизных газов по газоходу, нагретому до 800°С, исключает возможность их агрегатного состояния, коксования и обеспечивает их полное сгорание в зоне горения газовоздушной смеси без образования каких-либо побочных продуктов (отходов).
Указанный способ может применяться при переработке отходов лесопиления и деревообработки (щепа, опилки, куски древесины и пр.), отходов сельскохозяйственного производства (костра лубяных растений, камыш, солома, полова, отходы, полученные при очистке семян, скорлупа и прочие части растений, отходы животноводства и прочие твердофазные органические материалы).
Известна установка непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов [Пат. №2408654. Российская Федерация. Установка непрерывного действия для пиролиза углеродсодержащих материалов / Скурыдин Ю.Г.; патентообладатель Скурыдин Юрий Геннадьевич. Опубл. 10.01.2011. - Режим доступа: http://www1.fips.ru]. В ее состав входят бункер-накопитель, соединенный со шнековым питателем, который осуществляет формирование герметичной пробки на границе питатель - реторта и непрерывную подачу обрабатываемого материала в реторту, при этом реторта выполнена в виде стальной трубы с продольным шнеком для плавного перемещения частиц обрабатываемого материала через зоны подсушки и пиролиза, расположенные в реторте от места загрузки материала в реторту к зоне разгрузки, причем между ретортой и зоной разгрузки установлена муфта переменного сечения для последующего формирования пробки из получаемого угольного материала для гарантированного обеспечения герметичности реторты и термостабильности процесса, зона разгрузки включает отвод-накопитель и приемный бункер угля, герметично присоединенные к отводу посредством разъема, нагрев реторты производится электрическим нагревателем, расположенным вне трубы реторты по всей ее длине, также к реторте подсоединена система газоотведения и газоконденсации. Основными недостатками указанного технического решения являются существенное электропотребление, низкая мобильность установки, сложная система утилизации пирогазов. Указанное устройство по сути наиболее близко к заявленному, поэтому принято в качестве прототипа.
Технической задачей изобретения является разработка устройства для непрерывного пиролиза мелкокусковых органических материалов, преимущественно растительного происхождения.
Техническим результатом изобретения является снижение энергоемкости устройства за счет использования тепловыделений реализуемых в устройстве термохимических процессов, рационального размещения отдельных узлов внутри конструкции, упрощение конструкции устройства в целом.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема заявленного устройства.
В нижней части бункера установлена металлическая пластина, совпадающая с его продольной осью симметрии, для разделения потока сырья пополам. Модуль сушки представляет собой две горизонтально расположенные стальные трубы, внутри которых установлено по винтовому спиральному транспортеру, оснащенному мотор-редуктором. Переходная зона от модуля сушки к реактору конструктивно оформлена в виде диффузора. При этом пара последних витков спирального винтового транспортера направлена противоположно основным виткам, линия соединения противоположных витков совпадает с вертикальной осью диффузора. В верхней части каждой трубы установлен вентилятор, соединенный с ней отводом.
Реактор выполнен в виде двух труб из нержавеющей жаропрочной стали, внутри каждой из которых расположено по винтовому спиральному транспортеру, оснащенному мотор-редуктором. Реакторы расположены под углом к горизонту по ходу движения материала. В верхней части каждого реактора организована система вывода пиролизных газов из активной зоны посредством системы газоходов. На выходе из реактора также расположен диффузор - переходная зона реактор-модуль охлаждения. При этом пара последних витков винтового спирального транспортера реактора направлена противоположно основным виткам, линия соединения противоположных витков совпадает с вертикальной осью диффузора.
Вокруг реакторов расположена топочная камера, ее продольная ось расположена ровно посередине между трубами реактора. Внутри нижней части топочной камеры встроена горелка. Из торца топочной камеры выходит вертикальный газоход, который на уровне сушильного модуля переходит в горизонтальное положение, строго посередине между трубами модуля. Топочная камера оснащена системой воздуховодов и вентиляторов, обеспечивающей подачу пиролизных газов из реактора и свежего воздуха для их смешивания с получением газовоздушной смеси рационально подобранной концентрации.
Модуль охлаждения расположен в самой нижней части установки (ниже топочной камеры) и представляет собой, по крайне мере, две стальные трубы, внутри которых находится по винтовому спиральному транспортеру, оснащенному мотор-редуктором. В модуле установлено, по крайней мере, два вентилятора, создающих воздушные потоки на каждую из труб для обеспечения эффективного охлаждения выходящего из реактора углеродного продукта. На выходе из каждой трубы организованы отверстия для вывода охлажденного углеродного продукта из установки, например, в накопительный бункер.
Все вышеперечисленные элементы установки, от модуля сушки до модуля охлаждения, расположены в замкнутом теплоизолированном корпусе, таким образом, что тепловые потоки, образующиеся в топке, поднимаясь вверх, омывают поочередно реактор, сушильный модуль, обеспечивая поддержание необходимой для каждой зоны температуры среды.
Разделение потока материала, по крайней мере, пополам обусловлено конструктивно. Это позволяет рационально подбирать типоразмеры конструктивных элементов, наиболее полно и эффективно использовать их внутренний объем и всю образующуюся тепловую энергию, обеспечивать качественное протекание всех этапов процесса непрерывного пиролиза органических материалов высокой влажности.
Все винтовые спиральные транспортеры выполнены с жесткой спиралью, что существенной повышает их ресурс наработки до отказа и обеспечивает эффективное перемещение всех фракций перерабатываемого сырья и газопроницаемость потока материала. Для перемещения потоков материалов в установке могут использоваться винтовые ленточные, винтовые лопастные транспортеры и другие транспортирующие механизмы с газопроницаемой конструкцией.
Устройство функционирует следующим образом.
С помощью внешней горелки часть перерабатываемого материала в топочной камере прогревается и запускается процесс горения, обеспечивая прогрев топки, отдельных узлов и установки в целом.
Перерабатываемое сырье загружают в питающий бункер, выходя из которого оно разделяется на два одинаковых потока и попадает в модуль сушки. Трубы омываются тепловыми потоками, исходящими от топочной камеры и реактора. При необходимости может быть задействован горизонтальный воздуховод, размещенный между трубами сушильного модуля, в который подаются дымовые газы из топочной камеры. Вращающиеся винтовые спиральные транспортеры обеспечивают постоянное перемешивание и равномерный нагрев сырья внутри труб, а также его продвижение к входу в реактор. Под действием температуры водяные пары (несвязанная влага) выходят из потока сырья, поднимаясь в верхнюю зону труб, и выводятся из нее через отвод вентилятором в атмосферу. При попадании материала в зону противоположно направленных витков винтового спирального транспортера непрерывно образуется зона повышенной плотности - саморазрушающаяся пробка, которая исключает попадание воздуха в реактор и неконтролируемое попадание пиролизных газов в зону сушки. При прохождении через диффузор пробка разрушается, и материал поступает в начало реактора. Винтовым спиральным транспортером материал постоянно перемешивается и постепенно попадает в зону термохимического процесса. В результате воздействия высоких температур и протекания химических реакций происходит частичное разложение материала, уменьшение толщины слоя материала, из него выходят в верхнюю часть реактора пиролизные газы и водяные пары, которые продолжают участвовать в химических реакциях. Свободное пространство внутри реактора из-за уменьшения слоя материала увеличивается, здесь происходит разделение веществ в газообразном состоянии по плотности, изменение скорости их циркуляции. Самые легкие пиролизные газы перемещаются в верхнюю зону трубы и выводятся по системе газоходов из реактора, чтобы затем попасть в топку. Расположение реактора под углом к горизонту гарантирует направление водяного пара в активную зону реактора (в зону раскаленного углеродного продукта) и участие его в реакции восстановления с образованием горючих газов, которые также, поднимаясь вверх, выводятся из реактора по системе газоходов. Раскаленный углеродный продукт перемещается винтовым спиральным транспортером к выходу из реактора. При попадании материала в зону противоположно направленных витков транспортера непрерывно образуется зона повышенной плотности - саморазрушающаяся пробка, которая исключает попадание воздуха в реактор и неконтролируемое попадание пиролизных газов в модуль охлаждения. При похождении через диффузор пробка разрушается, и углеродосодержащий материал поступает в начало модуля охлаждения. Перемещаясь винтовыми спиральными транспортерами в трубах модуля охлаждения, углеродный продукт постепенно и равномерно остывает и выводится в накопитель, расположенный под выходным отверстием. Полученный углеродный продукт далее поступает на стабилизацию и готов к дальнейшему применению по назначению.
После того, как процесс пиролиза установился, и поступление пиролизных газов в топку стало постоянным, процесс непрерывно поддерживается за счет сгорания газовоздушной смеси - смеси свежего воздуха и горючих газов, поступающих их реактора. Концентрация газовоздушной смеси такова, что происходит полное ее сгорание и концентрация вредных веществ в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, не превышает допустимых значений, регламентированных действующими нормативными документами. При необходимости возможна подача части дымовых газов в зону сушки для интенсификации процесса сушки поступающего сырья.
Все элементы устройства размещены внутри единого металлического корпуса, который может быть закреплен на транспортной платформе, шасси и других конструкциях с движителями, и может перемещаться к местам складирования сырья. Внешняя горелка используется лишь для запуска процесса горения в топочной камере, а затем установка работает в автономном режиме за счет пиролизных газов, образующихся в реакторе. Конструктивное решение установки позволяет эксплуатировать ее на открытом пространстве (не требуется зданий, сооружений, коммуникаций) практически в любых климатических условиях. Также существенным преимуществом заявленного изобретения является возможность полной переработки органического сырья практически любой влажности без образования каких-либо отходов производства, например, жижки. Образующиеся в процессе пиролиза горючие газы полностью используются для организации непрерывной работы установки.
С целью повышения экономической эффективности заявленного технического решения возможна утилизация излишков тепла путем установки дополнительного элемента на дымоходе.