Барабан для торрефикации древесного сырья

Полезная модель относится к термообработке  древесного сырья  и может быть использована для производства торрефиката.
Известна реторта для непрерывной термопереработки измельченного древесного сырья которая  включает реактор, узел загрузки  измельченной древесины в реактор, участок  проведения пиролиза сырья, топочное устройство  и узел  отбора парогазов. Корпус реактора  установлен горизонтально, содержит горизонтальный канал  постоянного сечения, который снабжен смонтированным в его начале узлом  подпрессовки измельченного древесного сырья с образованием плотных, но газопроницаемых слоев в виде монолитов из древесных частиц, выполняющих одновременно роль фильтров для теплоносителя и парогазов, при этом узел  отбора парогазов пиролиза и отработанного теплоносителя расположен в средней части канала  и выполнен в виде коллектора с горизонтальными прорезями, а горизонтальный канал  заканчивается топочным устройством (патент на полезную модель РФ № 75657, опубл. 20.08.2008г.).
Известна реторта, изготовленная в виде вертикального цилиндра с верхней крышкой, в нижней части реторты дополнительно выполнена юбка, а также установлено кольцо, на котором через шарнир прикреплен люк, отличающаяся тем, что на внешней стороне люка прикреплена направляющая, в которую установлен ригель с рукоятью, причем по оси ригеля на юбке выполнено отверстие, а на люке за рукоятью выполнен упор (патент на полезную модель РФ № 172245, опубл. 03.07.2017г.)
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является реторта в виде вертикального цилиндра с верхней крышкой, в нижней части реторты дополнительно выполнена юбка, а по внутреннему периметру цилиндра установлено кольцо, на котором посредством шарнира прикреплен люк, имеющий  симметричные вырезы, образованные ломаной линией, которая представляет собой пересекающиеся хорды, точки пересечения которых, при открытом положении люка, выходят за проекцию нижнего торца юбки (патент на полезную модель РФ № 172687, опубл. 19.07.2017г.).
Недостатком данной конструкции является то, что при  её использовании в печах  выявлены   недостатки,  а именно, неравномерность прогревания сырья, и как следствие, пережег готового  продукта,  комкование, а также налипание готового продукта на стенки реторты, и как следствие необходимость регулярной очистки поверхности реторты.
Технической  задачей  заявляемой полезной модели является повышение  равномерности  прогрева  древесного сырья при получении торрефиката.
Техническая задача достигается тем, что барабан  для торрефикации древесного сырья выполнен в виде цилиндра с днищем и съемной крышкой, причем по оси барабана установлена перфорированная труба, жестко соединенная одним торцом с днищем, образуя кольцеобразную полость для загрузки исходного сырья, съемная крышка выполнена с возможностью герметичного соединения по периметру с открытой торцевой частью цилиндра, а открытый торец перфорированной трубы взаимодействует со съемной крышкой с возможностью удаления газообразных продуктов, образующихся в процессе торрефикации.
Цилиндр с днищем и съемной крышкой, перфорированная труба выполненны металлическими.
Диаметр сквозных отверстий в перфорированной трубе может  составлять 1-3 мм.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
по оси барабана установлена перфорированная труба;
перфорированная труба жестко соединена с днищем;
перфорированная труба образует кольцеобразную полость для загрузки исходного сырья;
съемная крышка выполнена с возможностью герметичного соединения по периметру с открытой торцевой частью цилиндра;
открытый торец перфорированной трубы взаимодействует со съемной крышкой с возможностью удаления газообразных продуктов, образующихся в процессе торрефикации.
Поэтому можно предположить, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «новизна».
Полезная модель может быть выполнена с использованием известного оборудования, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
На Фиг.1 схематично показан  реактор для работы с барабанами для торрефикации древесного сырья, где А – участок сушки, В – участок торрефикации, С – участок охлаждения, на Фиг. 2, Фиг.3 показан заявляемый барабан, на Фиг.4 и Фиг.5 показаны полученный торрефикат из сосновой стружки,  на Фиг.6 - показан полученный торрефикат из осинового опила.
Реактор смонтирован на опорах 1, 2, 3, на которых жестко смонтирована направляющая 4, установленная под острым углом к горизонту, например, под углом от 7є до 10є.
По направляющей 4 барабаны 5 перемещаются  под действием силы тяжести. Предварительно в кольцевую полость барабанов 5, образованную наружной поверхностью перфорированной трубы 18 и внутренней поверхностью стенки барабана 5, загружается исходное сырье, представляющие собой древесное сырье в виде отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки или в  виде мелкокусковой щепы и опила.
Для удержания  барабанов 5 от скатывания под действием силы тяжести по направляющей 4, в реакторе предусмотрены отсекатели 6, 7, 8 которые могут опускаться и подниматься, обеспечивая контролируемое  скатывание барабанов 5 вниз.
Реактор закрыт сверху и с боков металлическим ограждением с  утеплителем 9.
Для обеспечения требуемой температуры сушки используется топочный котел 14, а для торрефикации сырья топочный котел 15. Для удаления дымовых газов от топочных котлов 14, 15 реактор снабжен дымовой трубой 10.
Температура дымовых газов на участке торрефикации древесного сырья измеряется и регулируется датчиками температуры 11, а на участке сушки  - датчиками температуры 12.
Загрузка древесным сырьем барабанов 5 осуществляется на специальном  устройстве (на рисунках не показано) и далее  барабаны  5 подаются вилочным погрузчиком 13 с левой стороны  и этим же вилочным погрузчиком 13  с правой стороны (Фиг. 1) барабаны 5 с готовым сырьем извлекаются. Выгрузка сухой или торрефицированной продукции осуществляется на том же специальном устройстве (на рисунках не показано), на котором осуществлялась загрузка сырья.
Для  ограничения самопроизвольного скатывания  барабанов 5 служит ограничительный упор 16,  имеющий прорези для лап вилочного погрузчика 13, обеспечивающий возможность манипуляции с барабанами 5.
На Фиг. 2 показан заявляемый  барабан  5, который   выполнен из листовой нержавеющей стали в виде сварного цилиндра диаметром от 1.0 до 2.5 метра, длиной 2.0-3.0 метра и имеющим закрытую торцевую часть, являющуюся днищем 17, герметично приваренным к цилиндрическому основанию  барабана 5.
К днищу 17  барабана 5, по его оси, приварена перфорированная труба 18 диаметром 70-120 мм, в которой по всей длине выполнены сквозные отверстия 19 диаметром 1-3 мм, через которые из древесного сырья под воздействием нагревания удаляется влага, а также пиролизные газы, образующиеся в процессе торрефикации. Удаление газообразных продуктов из барабана 5 осуществляется через отверстие 22 съемной крышки 21, с которого, после загрузки древесного сырья в кольцевую полость барабана 5, удаляется заглушка 26. Перфорированная труба 18 образует  в барабане 5 кольцевую полость для загрузки древесного сырья, поэтому нагрев древесного сырья происходит одновременно путем теплообмена как через внешнюю поверхность барабана 5, так  и через стенки перфорированной трубы 18.
Открытая торцевая часть барабана 5 снабжена съемной крышкой 21, имеет штампованный или приваренный подгубник 20, наружный диаметр которого соответствует диаметру съемной крышки 21.
В центре съемной крышки 21 выполнено отверстие 22, которое при установке съемной крышки 21 на перфорированную трубу 18, фиксируется диаметральным запорным устройством 23, хорошо известным в практике реторт использования бочек со съемной крышкой.
Диаметральное запорное устройство 23 представляет собой П-образный гибкий хомут, который накидывается по периметру съемной крышки 21, установленной на подгубник 20 барабана 5 со стороны открытой его торцевой части и свободного торца перфорированной трубы 18. Диаметральное  запорное устройство 23 установлено вертикально и плотно фиксирует съемную крышку 21 с помощью крючка 24, на который накидывается хомут рычага-фиксатора 25. Натягиванием диаметрального запорного устройства 23 и хомута рычага-фиксатора 25, обеспечивается надежная фиксация съемной крышки 21 и, соответственно, обеспечивается герметичность  барабана 5. После фиксации съемной крышки 21, на перфорированную трубу 18 устанавливается заглушка 26. Для исключения возможности попадания в перфорированную трубу 18 древесного сырья, заглушка 26 устанавливается на перфорированную трубу 18 при загрузке барабана 5, а после загрузки снимается.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для загрузки древесным сырьем барабана 5 съемная крышка 21 отделяется. Для этого снимается диаметральное запорное устройство 23 путем открытия рычага-фиксатора 25 и снятия его с крючка 24. Барабан 5 ставится на днище 17, а на свободный торец перфорированной трубы 18 надевается заглушка 26, которая при загрузке барабана 5 препятствует попаданию древесного сырья в перфорированную трубу 18.
Загрузка древесного сырья в барабан 5, который устанавливается вертикально на днище 17, осуществляется на специальном загрузочном транспортере (на рисунке не показан) через дозатор,  который засыпает в кольцеобразную полость  барабана 5 строго определенное количество древесного сырья, уровень которого должен доходить до уровня приваренного подгубника 20. Далее на открытую торцевую часть барабана 5 надевается съемная крышка 21. При этом с перфорированной трубы 18 снимается заглушка 26 и открытый торец перфорированной трубы 18 устанавливается в отверстие 22 на съемной крышке 21, затем надевается диаметральное  запорное устройство 23. На крючок 24 накидывается хомут рычага-фиксатора 25 и надежно фиксирует съемную крышку 21, препятствуя попаданию атмосферного кислорода внутрь барабанов 5 и, как следствие, обеспечиваемая герметичность при высоких температурах 130-290 єС (вплоть до 350 єС), что препятствует самовозгоранию древесного сырья в процессе его обработки.
Для обеспечения непрерывного цикла, общее количество барабанов 5 должно быть как минимум в два раза больше, чем количество  барабанов 5, находящихся на участках сушки А, термомодификации или торрефикации В и охлаждения С, и предпочтительно должно составлять 50-60 штук. Погрузчик 13 помещает заполненные древесным сырьем барабаны 5 в канал D на направляющую 4. При этом отсекатель 6 опущен, а отсекатель 7 поднят и барабаны 5 скатываются до отсекателя 7, далее погрузчик 13 загружает следующие  барабаны 5, полностью заполняя участок сушки А до зоны D.
Перед загрузкой первого барабана 5, топочные котлы 14,15 соответствующих участков сушки и термомодификации - торрефикации, запускаются в работу, обеспечивая прогрев до заданной температуры. Топочные котлы 14,15 работают на отходах древесины, взятых например в виде дров, срезки.
Температура теплового потока на участке сушки А должна находиться в диапазоне 150-190 єС, а на участке термомодификации и торрефикации сырья 200-300 єС.
После того, как древесное сырье высушивается в течение 40 - 75 минут, опускается отсекатель 7 и барабаны 5, по мере загрузки канала D, скатываются до отсекателя 8.
Далее погрузчик 13 снова загружает барабаны 5 с древесным сырьем на участок сушки А через канал D. Термомодификация древесного сырья осуществляется при температуре теплового потока от топочного котла 15 при температуре 200-220 єС продолжительностью 40-60 минут, а торрефикация древесного сырья производится при температуре теплового потока 290-300 єС, время торрефикации составляет 30-40 минут. Особенностью заявляемой конструкции является то, что теплоноситель для сушки и торрефикации одновременно подается как на внешнюю поверхность, так и вовнутрь  барабанов 5 через перфорированную трубу 18, выполненных металлическими. Этим достигается равномерный прогрев сырья, причем через сквозные отверстия 19 перфорированной трубы 18 из полости  барабанов  5 выводятся пиролизные газы и водяной пар, которые далее через трубу 10 выводятся из реактора.
После того, как мелкоизмельченное древесное сырье в барабанах 5 прошло термомодификацию или торрефикацию, отсекатель 8 опускается и барабаны 5 с готовым продуктом скатываются до упора 16, где барабаны 5 охлаждаются. На участке охлаждения С охлаждение барабанов 5 осуществляется, как правило, водой мелкодисперсионным струйно-капельным способом с помощью форсунок 27.
Когда температура готового продукта в барабане 5 будет менее 80 єС, при которой самовозгорание невозможно, погрузчик 13 забирает барабан 5 и отвозит ее на участок выгрузки готового продукта.
Средняя расчетная продолжительность цикла завершения процесса в реакторе с использованием заявляемых барабанов 5, полностью заполненных древесным сырьем, в качестве которого предпочтительно берут влажное мелкоизмельченное древесное сырье в виде щепы или опила, а также их смеси, определенная на основании опытного процесса, проведенного на экспериментальной  установке, составляет 150-200 минут (с учетом охлаждения на участке охлаждения С).
Это связано с тем, что реактор для термомодификации и торрефикации древесных отходов является устройством непрерывного действия, где, после скатывания одного барабана 5 до упора 16 участка охлаждения С, погрузчик 13 увозит его на склад готовой продукции для разгрузки готового продукта, и тут же пополняет барабан 5, заполненный свежим древесным сырьем, помещает его в канал D вместо скатившегося ранее (прошедшего полный цикл) барабана 5.
Средняя продолжительность цикла торрефикации на участке В одного кольцеобразного барабана составляет 20-30 минут, которая определена на основании проведенных исследований на  экспериментальной установке.
На Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6 показан полученный торрефикат из сосновой стружки и осинового опила, который имеет однородную структуру, получение которой возможно только в случае обеспечения равномерности прогрева исходного сырья в течение всего цикла тепловой обработки.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить  равномерность  прогрева  исходного сырья  при получении торрефиката.