ЛАБОРАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Полезная модель предназначена для переработки отходов растительного происхождения (костры льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки различных сортов древесины и т.п.) быстрым пиролизом с получением жидких и газообразных топлив и углеродных сорбентов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является лабораторное устройство для переработки древесных отходов методом быстрого абляционного пиролиза (Макаров А.А. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза. Диссертация; кандидат технических наук; Специальности: 05.21.05, 05.21.03 - Казань, 2011, 144 с.). Устройство содержит блок загрузки сырья и реактор пиролиза. Блок загрузки сырья представляет собой поршневую полость одностороннего пневмоцилиндра. Реактор пиролиза представляет собой реакционную камеру, содержащую вращающийся и нагреваемый до определенной температуры диск. Термическое разложение в режиме быстрого абляционного пиролиза осуществляется путем трения частиц биомассы, выдавливаемой из поршневой полости пневмоцилиндра, о нагретый диск. Необходимое усилие на поверхности образца создается путем создания давления в штоковой полости пневмоцилиндра. Варьируемыми факторами известного устройства являются: температура, скорость вращения диска и давление на образец.
Известное устройство имеет несколько существенных недостатков: узкий диапазон температур проведения процесса абляционного пиролиза, что связано с необходимостью обеспечить надежность функционирования пневмоцилиндра и вращающегося обогреваемого диска при высоких температурах; невозможность произведения точного регулирования и оптимизации параметров процесса для полной переработки исходного сырья ввиду относительно малой доли поверхности пиролиза в общей поверхности вращающегося обогреваемого диска; отсутствие узла для сбора твердой фазы.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка новой конструкции лабораторного устройства быстрого пиролиза, обеспечивающей надежность, точное регулирование и оптимизацию параметров процесса, а также максимально полную переработку исходного сырья.
Технический результат - расширение ассортимента лабораторных устройств быстрого пиролиза, расширение их функциональных возможностей и повышение эффективности переработки отходов растительного происхождения.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения включает жестко соединенные между собой и закрепленные на металлическом каркасе блок загрузки сырья, реактор пиролиза и выгрузной бункер для твердого остатка. Блок загрузки сырья выполнен в виде загрузочного бункера с шнековым питателем, расположенным под углом 132÷137° к вертикальной оси реактора пиролиза и жестко соединенным с ним. В нижней части загрузочного бункера устроен кран загрузки сырья. Реактор пиролиза выполнен в виде шнекового вертикального реактора, помещенного в контактную трубчатую электропечь. Выгрузной бункер для твердого остатка расположен под реактором симметрично его вертикальной оси и жестко закреплен с ним.
Включение в состав лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения каждого из этих составных элементов является обязательным и ни один из них нельзя исключить из данного устройства или поменять порядок их соединения, так как это не позволит добиться максимально полной переработки исходного сырья - отходов растительного происхождения.
Загрузочный бункер для сырья необходим для дозирования исходного сырья за счет использования крана загрузки сырья, который также обеспечивает герметичность устройства в процессе работы. Шнековый питатель необходим для обеспечения равномерного поступления сырья в реактор пиролиза, а также регулирования скорости подачи сырья. Расположение шнекового питателя под углом 132÷137° к оси реактора пиролиза позволяет перемещать сырье в реактор за счет силы тяжести, не засоряя при этом шнековый питатель.
Реактор пиролиза необходим для проведения термодеструкции исходного сырья в летучие продукты, при этом вертикальное исполнение реактора позволяет обеспечить максимально быстрое проведение процесса, а использование шнека в реакторе пиролиза позволяет точно регулировать условия процесса посредством изменения скорости вращения шнека и организованного удаления твердого остатка пиролиза, перемещающегося в бункер для твердого остатка за счет силы тяжести. Параметры мотор-редуктора, вращающего реакторный шнек, и характеристики частотного регулятора подобраны так, чтобы изменять время нахождения сырья в горячей зоне пиролизного реактора в интервале от 1 до 10 секунд.
Контактная трубчатая электропечь необходима для нагрева реактора пиролиза до необходимой для термодеструкции исходного сырья температуры. Изменением частоты вращения шнека и его сечения возможно добиться «стекания» сырья по внутренней стенке пиролизного реактора за счет действия силы тяжести, при этом возможно точное регулирование температуры пиролиза.
Выгрузной бункер твердого остатка необходим для его количественного сбора для дальнейшего анализа и исключения закоксовывания реактора пиролиза. Пути потоков пиролизного газа и место скопления раскаленного углеродсодержащего остатка максимально удалены друг от друга для исключения возможности длительного контакта, способствующего смолообразованию.
Для достижения более полной переработки исходного сырья в жидкие и газообразные продукты устройство может быть дополнено циклоном, реактором термокаталитической очистки, холодильником, сборником жидких продуктов, промывной склянкой, осушительной склянкой, блоком анализа расхода газа, компрессором и баллоном-сборником. Циклон необходим для очистки летучих продуктов термодеструкции от угольной пыли, образующейся в реакторе пиролиза и затрудняющей дальнейшее использование газообразной смеси. Реактор термокаталитической очистки используется для максимально полной каталитической термодеструкции образующихся в реакторе пиролиза смол, которые затрудняют дальнейшее использование газообразной смеси. Холодильник необходим для конденсации летучих продуктов термодеструкции на холодной поверхности и стекания их под действием силы тяжести в сборник жидких продуктов. Сборник жидких продуктов необходим для количественного сбора жидкой фракции сконденсированных летучих продуктов термодеструкции и дальнейшего их анализа. Промывная склянка необходима для гидроочистки газообразных продуктов от гидрофильных летучих продуктов с целью повышения теплоценности образующейся газовой смеси. Осушительная склянка необходима для удаления из образующейся газовой смеси влаги, которая существенно снижает теплоценность газовой смеси и сокращает срок службы оборудования и соединительных трубок. Блок анализа расхода газа необходим для определения расхода и количества образующихся газообразных продуктов. Компрессор и баллон-сборник составляют систему количественного сбора образующихся газов для дальнейшего их анализа и использования.
Закрепление устройства на едином металлическом каркасе позволяет обеспечить надежность и безопасность ее конструкции, возможность легкой сборки и разборки устройства, его герметичность, а также создать замкнутый контур работы устройства.
Последовательное соединение элементов устройства позволяет объединить их в замкнутый герметичный контур, что исключает попадание вредных веществ в окружающую среду, повышает надежность и безопасность его эксплуатации.
Конструкция устройства позволяет осуществлять быстрый пиролиз углеродсодержащих отходов растительного происхождения со скоростью нагрева сырья до 500°С в секунду.
Существенными отличиями лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения являются блочный принцип построения устройства, а также то, что все отдельные элементы устройства последовательно механически соединены друг с другом и смонтированы в едином металлическом каркасе. При этом лабораторное устройство имеет замкнутый контур, что существенно снижает уровень выбросов во внешнюю среду.
Полезная модель поясняется фиг. 1, где представлена схема лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения.
Предлагаемое лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения включает последовательно механически соединенные между собой и закрепленные на металлическом каркасе (не указан) загрузочный бункер 1 для сырья с устроенным в его нижней части краном загрузки сырья 2, шнековый питатель 3, вертикальный реактор пиролиза 4 с реакторным шнеком 5 по его вертикальной оси, помещенный в контактную трубчатую электропечь 6, выгрузной бункер для твердого остатка 7. Загрузочный бункер для сырья (с максимальной загрузкой до 5 кг/час) строго вертикально закреплен на металлическом каркасе и жестко соединен со шнековым питателем. Реактор пиролиза 4 выполнен в виде шнекового вертикального реактора, соединенного со шнековым питателем 3, расположенным под углом 132÷137° к оси реактора пиролиза 4. Бункер для твердого остатка 7 закреплен на каркасе строго под реактором пиролиза 4 и жестко соединен с ним.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Перед работой проводится проверка проводки, электрической сети, вытяжной вентиляции и работы шнековых механизмов. Далее устанавливаются требуемые частоты вращения шнекового питателя 3 и реакторного шнека 5. Предварительно взвешенное сырье (отходы растительного происхождения - костра льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки) в количестве 500 г помещается в загрузочный бункер для сырья, далее для обеспечения герметичности устройства бункер закрывается. После этого выполняется проверка герметичности устройства при работающих мотор-редукторах с заданными частотами вращения шнеков посредством «обмыливания» фланцевых соединений, патрубков и фитингов при подаче в систему азота из баллона с давлением 1,5-2,0 атм. Если в результате проверки обнаруживается течь, ее устраняют заменой паронитовых, тефлоновых или резиновых прокладок во фланцевых или резьбовых соединениях. Далее устройство продувают инертным газом (в качестве инертного газа может быть использован азот, углекислый газ и т.п., который будет вытесняться пиролизными газами) в количестве 100 л. Далее производится установка рабочей температуры контактной трубчатой печи 6 реактора пиролиза 4 (не более 1000°С). Далее открывается кран загрузки сырья 2 из загрузочного бункера 1 на шнековый питатель 3, и движением шнекового питателя сырье подается в реактор пиролиза 3. В результате вращения реакторного шнека 5 частицы сырья под действием центробежных сил ударяются о раскаленные стенки реактора пиролиза 3 и происходит их термодеструкция с образованием летучих продуктов, а твердый углеродсодержащий остаток под действием силы тяжести высыпается в выгрузной бункер для твердого остатка 7, образовавшиеся летучие продукты по металлической трубе поступают на дальнейшую обработку.
Использование лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения обеспечивает многофункциональность, возможность точного регулирования параметров работы устройства, а также наиболее полное использование исходного сырья - отходов растительного происхождения (костры льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки различных сортов древесины).
Изготовление лабораторного устройства не требует специального оборудования. Лабораторное устройство быстрого пиролиза изготовлено и эксплуатируется на базе Регионального технологического центра Тверского государственного университета.