УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Область техники
Полезная модель относится к области получения угля из древесины и ее отходов методом пиролиза и может быть использована в лесном хозяйстве и промышленности по переработке древесины.
Уровень техники
Известны шахтная печь ретортного типа и циркуляционная шахтная печь шведской газовой компании ([1] - Козлов В.В., Нимвицкий А.А. Технология пирогенетической переработки древесины. М.Л.: Гослесбумиздат, 1954, с.619), которые состоят из трех камер. Первая из них включает камеры сушки, обугливания и пиролиза. Все три камеры расположены вертикально со смещением относительно друг друга на величину диаметра, в результате чего установка имеет лестничнообразный вид. Соединения между камерами выполнены в виде течек, по которым из предыдущей камеры выгружается материал, а в последующую - загружается. Камера обугливания обогревается через стенки реторты, время процесса обугливания (без сушки и пиролиза) составляет 47 часов. Шахтная печь этого, типа имеет малую производительность, громоздкую конструкцию и дает повышенный выход угольной мелочи, образующейся при разгрузке реторты. Вторая, циркуляционная шахтная печь, имеет камеры сушки, обугливания и охлаждения угля. Перегрузка материала осуществляется через люки. Время сушки составляет 5-9 ч, столько же времени уголь остывает, в результате чего установка имеет невысокую производительность. Древесный уголь в значительной мере разрушается при перегрузках из камеры в камеру
Известна вертикальная непрерывно действующая реторта, которая представляет собой вертикальный стальной цилиндр с внутренним
диаметром 2,7 м и высотой 15 м. Реторта выполнена из отдельных царг, соединенных между собой на фланцевых болтовых соединениях. Внизу и вверху репорта снабжена шлюзовыми камерами, через которые соответственно осуществляется выгрузка древесного угля и загрузка древесины. Нижний шлюз оборудован тремя затворами. Ввод теплоносителя в средней части реторты осуществляется в кольцеобразное и пространство, образуемое стенкой реторты и стальным усеченным конусом, прикрепленным к стенкам реторты узким отверстием вниз. Предназначение конуса: равномерное распределение теплоносителя по сечению печи, улучшение теплообмена между теплоносителем и древесиной, принятие на себя частичной вертикальной нагрузки вышележащего столба материала с целью снижения измельчения.
Известно также устройство для получения древесного угля (патент РФ №2045568, МПК 6 С10G 9/02, С10G 9/04, С10G 9/30, 1995 - [2]), в котором снижение измельчения нижерасположенного древесного угля осуществляют иначе. Это устройство является наиболее близким к предлагаемому и выбрано в качестве прототипа. Устройство выполнено в виде стальной вертикальной реторты, снабженной, несколькими связанными между собой камерами, и установлено под углом 40°-50° к горизонтальной поверхности земли, имеет 3-5 камер-секций, отделяемых друг от друга дырчатыми шиберами, обеспечивающими при последовательном поднятии перемещение древесины в каждую последующую камеру-секцию, нагрев в которых производят последовательно в разных температурных интервалах, а выгрузку осуществляют периодически. Однако это устройство имеет следующие недостатки. Наклонная реторта требует дополнительной площади под фундамент, поддерживающих конструкций, что увеличивает ее материалоемкость. Наличие шиберов дополнительно усложняет конструкцию: требуются механизмы и операции для их закрытия и открытия, принудительная подача сырья путем открывания шиберов
последовательности камер также усложняет процесс получения древесного угля.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача создания устройства для получения древесного угля, конструкция которого позволяет обеспечить достижение технического результата - снижение измельчения древесного угля, повышение производительности, при соблюдении условий экологичности и экономичности и при одновременном упрощении конструкции и снижении металлоемкости.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для получения древесного угля, содержащем топку с дымовой трубой и дымовой заслонкой, стальную вертикальную реторту, снабженную колосником, шлюзовой и загрузочной камерами, загрузочным устройством, выполненную с возможностью отвода пиролизных газов в топку, согласно полезной модели вертикальная реторта внутри снабжена пятью - восемью диаметральными перегородками, установленными и закрепленными внутри реторты но высоте с интервалом 30-40 см и с угловым сдвигом в интервале 40°-60° между соседними по высоте диаметральными перегородками, а также наклонным поясом по периметру внутри реторты, расположенным над отверстиями пиролизного коллектора, снаружи вертикальная реторта снабжена двумя отводами, установленными наклонно, колосник реторты выполнен ломаным двухсекционным, причем каждая секция закреплена наклонно с обеспечением возможности ссыпания готового древесного угля в соответствующий отвод, устройство оборудовано второй дымовой трубой, установленной выше топки под секциями колосника реторты, пиролизный коллектор установлен над зоной карбонизации и соединен через пиролизный газоотвод, снабженный шибером, с топкой, вторая дымовая труба снабжена шибером.
Кроме того, предусмотрено следующее.
Колосники закреплены наклонно под углом примерно 30° к оси вертикальной реторты.
Пиролизный коллектор установлен на уровне 1,5-2 м над верхними точками секций колосника реторты.
Диаметральные перегородки выполнены, например, из уголка №5-6.
Реторта выполнена диаметром в интервале 1000-1450 мм, высотой в интервале 4,5-10 м и установлена на топке, смонтированной на раме, закрепленной на фундаменте.
Реторта, в ее нижней части, соответственно расположению зоны карбонизации, снабжена утеплителем.
Введение отличительных признаков позволяет получать древесный уголь из крупнофракционных древесных отходов и щепы, обеспечивая снижение измельчения древесного угля, повышение производительности, при соблюдении условий экологичности и экономичности и при одновременном упрощении конструкции и снижении металлоемкости.
Созданное устройство не требует внешних источников энергии, отвечает требованиям экологии, является удобным в использовании.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленной полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг.1, 2 представлены виды предлагаемого устройства. Позициями на чертеже обозначены:
1 - топка
2 - стальная вертикальная реторта
3 - колосники реторты
4 - отводы древесного угля из реторты
5 - пиролизный коллектор
6 - дымовой коллектор
7 - дымовая труба для розжига с клапаном
8 - дымовая груба для рабочего цикла
9 - шибер дымовой трубы
10 - газоотвод пиролизный
11 - шибер пиролизный
12 - загрузочная горловина
13 - подъемный загрузочный механизм
14 - задвижки
15 - фундамент
16 - трос
17 - клапан
18 - диаметральные перегородки
19 - утеплитель
20 - кольцевой наклонный пояс
21 - крышка-клапан
Осуществление полезной модели
Предлагаемое устройство для получения древесного угля является устройством вертикального типа непрерывного действия и содержит топку 1, на которой установлена и закреплена карбонизационная колонна - вертикальная стальная реторта 2. Топка смонтирована на раме, закрепленной на фундаменте 15. Дополнительно реторта поддерживается растяжками - тросами 16 (для повышения устойчивости при ветровых нагрузках). Высота карбонизационной колонны выбирается, в зависимости от назначения, условий эксплуатации и требуемой производительности, в интервале от 4.5 до 10 метров, диаметр - в интервале 1000-1450 мм. Внутри вертикальной реторта (колонна) установлены и закреплены ярусы диаметральных перегородок 18, количество которых выбрано в интервале пять-восемь. Перегородки 18 распределены внутри реторты по высоте с интервалом 30-40 см и с угловым сдвигом между соседними по высоте диаметральными перегородками в интервале 40°-60°. Внутри реторты
установлен также наклонный пояс 20, расположенный по периметру внутри реторты над отверстиями пиролизного коллектора 5. Наклонный пояс представляет собой кольцо в виде поверхности усеченного конуса, которое состоит из отдельных элементов - сегментов (для компенсации возможных температурных расширений, деформаций) и жестко закреплено, например, припарено к внутренней поверхности реторты 2. Реторта 2 снабжена колосником, выполненным ломаным в виде двух секций 3, которые установлены внутри реторты под углом примерно 30 к вертикальной оси репорты 2. Снаружи реторта 2 имеет два отвода 4, установленных наклонно. Отводы 4 древесного угля встроены в реторту 2 на уровне колосников 3 реторты 2 с обеспечением возможности ссыпания готового древесного угля с колосников 3 в отводы 4 и через них далее - наружу из колонны. Отводы 4 снабжены задвижками 14 - две задвижки на каждом отводе 4. В пространстве между двумя задвижками - шлюзовая камера. Колонна 2 со встроенной топкой 1 оборудована двумя дымовыми трубами 7 и 8. Дымовая труба 7 снабжена клапаном 17 и предназначена для функционирования во время розжига. Дымовая труба 8 предназначена для функционирования во время рабочего цикла. Дымовая труба для рабочего цикла 8 установлена в нижней части зоны карбонизации, и оборудована шибером 9 дымовой трубы 8. В начале зоны карбонизации, непосредственно над колосниками, в колонне имеется выход в дымовую трубу 8. Колонна условно (по сути происходящих в ней процессов) делится на зону подготовки сырья (сушка древесины и начало пиролиза) - верхняя часть колонны (выше 2,5 м от уровня колосников реторты) и зону карбонизации - нижняя часть колонны до 1,2-2,5 м по высоте. На этой высоте, над зоной карбонизации, на уровне 1,5-2,0 м от верхней точки колосников реторты 3 в колонне выполнены отверстия-выходы и установлен пиролизный коллектор 5, а над этими отверстиями закреплен наклонный пояс 20. Пиролизный коллектор 5 соединен через газоотвод пиролизный 10 с топкой 1. Газоотвод пиролизный 10 снабжен шибером пиролизным 11. В верхней части, над зоной сушки колонна 2 оборудована дымовым коллектором 6.
Соответственно колонна имеет выходы в этой части для сообщения с дымовым коллектором. Для загрузки сырья предназначена загрузочная горловина 12 и подъемный загрузочный механизм 13, выполненный, например, как скиповый подъемник. Загрузочная горловина имеет крышку-клапан 21, которая в начале загрузки открывает горловину, а после загрузки закрывает ее.
Наличие двух дымовых труб, пиролизного коллектора, отводов и колосников предлагаемой конструкции позволяют обеспечить проведение процесса карбонизации непрерывно с минимальным доступом кислорода, с соблюдением требований экологичности и экономичности. Наличие диаметральных перегородок, распределенных по высоте колонны и установленных описанным выше образом, а также наличие наклонного пояса обеспечивает снижение измельчения нижерасположенного древесного угля (в прототипе эту задачу решают при помощи последовательности камер с шиберами, что и сложнее и более материалоемко).
Предлагаемое устройство, кроме того, имеет меньшие, по сравнению с прототипом, габариты и меньшую металлоемкость.
Устройство работает следующим образом. Крупнофракционные древесные отходы загружают в карбонизационную колонну 2 подъемным механизмом 13 через загрузочную горловину 12. Загрузка колонны осуществляется целиком от колосников 3 до нижней части загрузочной горловины. Перед загрузкой колонны и ее запуском отводы 4 находятся в закрытом состоянии, что обеспечивается двумя задвижками 14 в каждом отводе. Шибер пиролизный 11 находится в закрытом состоянии. Шибер дымовой трубы 9 также закрыт. Клапан на дымовой трубе 7, связанной с дымовым коллектором 6, открыт. У этого клапана только два рабочих положения: открыто-закрыто. Шибер пиролизный 11 и шибер дымовой трубы 9, кроме положений открыто-закрыто, фиксируются также и в промежуточных положениях для осуществления регулирования соответственно подачи пиролизных газов и тяги.
Розжиг топки 1 и вывод установки в рабочий режим осуществляется на начальном этапе (режим растопки) за счет использования в качестве топлива дров или крупнофракционных древесных отходов. На начальном этапе сырье (крупнофракционные древесные отходы) загруженное в колонну, сохнет под воздействием тепла, выделяемого при сгорании дров в топке до начала процесса карбонизации. Данный этап составляет: для сухого сырья - 4-6 часов, для сырья с высокой влажностью (более 35%) - 6-8 часов. В это время функционирует дымовая труба 7.
После начала процесса пиролиза (отслеживание производят по дыму и по датчикам температуры - вначале идет пар, затем бурый дым - это признак процесса пиролиза) дымовую трубу 7 закрывают клапаном 17, перекрывая этот дымовой тракт и исключая тягу через всю колонну. Тем самым прекращают выход пиролизных газов в дымовую трубу 7 и далее в атмосферу.
Одновременно открывают шибер 9 на дымовой трубе 8, включая тем самым в работу второй дымовой тракт (через дымовую трубу 8), и шибер 11 на пиролизном газоотводе, регулирующий поступление пиролизных газов в топку. Пиролизные газы подаются из колонны 2 в топку 1, где они сгорают, выделяя тепло, необходимое для процесса карбонизации сырья. Подачу дров в топку прекращают, и установка переходит в непрерывный процесс работы с периодической выгрузкой древесного угля через отводы 4 и загрузкой сырья в колонну 2. Процесс обработки сырья по высоте колонны происходит неравномерно, и условно колонна делится на зону подготовки сырья (сушка древесины и начало пиролиза) и зону карбонизации. Процесс карбонизации сырья и пиролиза происходит в нижней части колонны над ее колосниками в зоне до 1,2-2,5 м по высоте. При достижении температуры в верхней части зоны карбонизации ~350°С начинается процесс пиролиза, что контролируется прибором (логометром и/или милливольтметром), связанным с термопарой, расположенной в верхней части зоны. При достижении в нижней части зоны, над колосниками реторты, температуры 600-800°С древесные отходы превращаются в древесный уголь, что контролируется
второй термопарой с логометром. При достижении и выдерживании заданной температуры в течение 20-30 минут уголь выгружают через отводы. Поднимают сначала первые задвижки 14, освобождая путь для ссыпания. готового древесного угля самотеком в отводы 4 и их шлюзовые камеры - в пространство между двумя задвижками 14 каждого отвода 4). Затем далее из шлюзовых камер - наружу из колонны, в специальные герметичные сборники готового угля.
На освободившееся место на колосники 3 в зону активной карбонизации опускается самотеком следующая партия сырья, находящаяся в стадии карбонизации. При этом через загрузочную горловину 12 в колонну 2 при помощи устройства 13 догружают новое сырье. Наличие диаметральных перегородок и наклонного пояса в виде кольцевой конусной поверхности уменьшает давление на нижележащие слои угля, сырье ссыпается не обвалом, а как бы квазидискретно от вышележащей перегородки до нижележащей перегородки и далее к следующей. Благодаря угловому смешению перегородок между собой, они как бы разделяют массу поступающего сырья и уменьшают давление этой массы на уголь в зоне карбонизации. Фактически они выполняют роль камер и шиберов прототипа.
Сырье в колонне 2 отсечено от внешней среды (от воздуха, от кислорода), благодаря предложенному конструктивному исполнению (две трубы, установленные на разных уровнях, соединение колонны с пиролизным. коллектором и снабжение герметично закрывающейся крышкой горловины, а также шиберами 9 и 11). Выполнение колосника реторты ломаным в виде двух секций приближает сырье на стадии карбонизации к топке и делает более равномерным его нагрев, а наличие утеплителя экономит расход тепла, что в целом служит увеличению производительности (50-80 кг угля в час).
Как видно из изложенного, установка представляет собой углежог ретортного типа непрерывного действия для получения древесного кускового угля. В топке в качестве топлива используются преимущественно пиролизные газы, выделяемые в процессе карбонизации древесных отходов в реторте.
Предложенное устройство получения древесного угля не требует внешних источников энергии (только дрова и пиролизные газы, причем дрова - только на этапе растопки). Реализация отличительных признаков полезной модели обусловливает получение важного технического результата. Благодаря их введению и соответствующим конструктивным особенностям выполнения предлагаемое устройство обеспечивает снижение измельчения древесного угля, повышение производительности, при соблюдении условий экологичности и экономичности и при одновременном упрощении конструкции и снижении металлоемкости.
Созданное устройство не требует внешних источников энергии, отвечает требованиям экологии, удобно в использовании
Таким образом поставленная задача решена.
Промышленная применимость
Изготовлены опытные образцы устройства и проведены их успешные испытания. Устройство может быть изготовлено на малых технологических линиях без применения специальных приспособлений и оборудования, из известных материалов. Все это обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Козлов В.Н., Нимвицкий А.А. Технология пирогенетической переработки древесины. М.Л.: Гослесбумиздат, 1954, с.619
2. Патент РФ №2045568, МПК 6 С10G 9/02, С10G 9/04, С10G 9/30, 1995, прототип.