УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
APPARATUS FOR PRODUCING CHARCOAL

Изобретение относится к области переработки древесных материалов (крупнокусковой древесины, крупномерной щепы, отходов лесосечного производства и др.) методом пиролиза для получения активированного древесного угля и может быть использовано для дополнительных производственно-технологических процессов лесоперерабатывающих предприятий.
Известные технологические процессы по переработке древесных материалов (крупнокусковой древесины, крупномерной щепы, отходов лесосечного производства и др.) для получения активированного древесного угля и установки для их осуществления традиционно основаны на термической обработке в режиме пиролиза (альтернатива существующим процессам сжигания твердых топлив) древесных материалов, в том числе с целью комплексной утилизации лесомеханических и лесохимических отходов.
Для процесса получения древесного активированного угля используют, в основном, установки, которые обеспечивают пиролиз (карбонизацию) древесного материала с образованием пористого науглероженного полупродукта и активацию последнего окислителем при высокой температуре, при этом в качестве окислителя используют пар для образования микропористой структуры древесного угля.
Известны различные установки для получения древесного угля, обеспечивающие комплексную утилизацию лесомеханического сырья, как:
с целью получения из соответствующей части их (крупнокусковой древесины, крупномерной щепы и пр.) активированного угля, с использованием для термической обработки этого сырья топочных газов, например, полученных при сжигании древесной массы, а также с целью использования побочных продуктов термического процесса обработки указанного древесного сырья для дополнительных производственно-технологических процессов.
Так, в техническом решении по патенту RU №2166527, С10В 1/04 предложена установка для получения древесного активированного угля, содержащая вертикально ориентированный корпус реактора, разделенный на камеру сушки, камеру пиролиза древесины и активации древесного угля, смонтированные в верхней и нижней частях корпуса соответственно устройства для загрузки древесины и выгрузки угля, топочную камеру и газовый контур в виде газохода с газодувкой для подачи парогазов из камеры пиролиза древесины и активации угля в топочную камеру, при этом топочная камера расположена в нижней части установки в зоне пиролиза и активации древесного угля.
Однако установки данного типа с вертикально-поярусным расположением камеры сушки и камеры пиролиза древесных материалов и активации древесного угля имеют:
значительный габарит по высоте, что технологически усложняет загрузку и эксплуатационное обслуживание установок;
значительные затраты по времени для пиролиза древесного материала и активации древесного угля, в том числе за счет периодичности загрузки древесных материалов в камеру пиролиза и активации и выгрузки древесного угля, что снижает производительность установки;
низкое качество получаемого продукта вследствие неравномерности технологической обработки плотного объема древесного материала в камере пиролиза и активации.
Указанные недостатки в целом ухудшают эксплуатационные характеристики и технологические возможности данных установок.
Известна установка для получения древесного угля (см. патент RU №2225428, С10В 1/04), имеющая топочное устройство с камерой дожигания, парогенератор, механизмы подачи воздуха, загрузки древесных материалов и механизм выгрузки древесного угля с камерой охлаждения, реактор пиролиза древесных материалов и активации древесного угля. В данной установке продольная ось корпуса реактора ориентирована под углом «а» к продольной оси топочного устройства, где 0<а≤90°, что снижает габариты установки по высоте, технологически упрощает загрузку древесных материалов в корпус реактора и эксплуатационное обслуживание установки.
Однако предусмотренная в данном техническом решении вертикальная ориентация встречно-направленных линий наддува воздуха в топочную камеру и линии подачи пара приводит к противодавлению, что ухудшает работу установки в режиме активации древесного угля, снижает качество получаемого продукта, чему способствует также и неравномерность технологической обработки находящегося в реакторе плотного объема древесного материала.
Периодичность осуществляемых в данной установке режимов пиролиза и активации приводит к снижению производительности установки, а монтаж реактора пиролиза и активации во внутреннем объеме топочного устройства усложняет и ухудшает эксплуатационные характеристики установки.
Известна установка для получения древесного активированного угля, содержащая механизм загрузки древесных материалов, механизм выгрузки древесного угля, топочное устройство, расположенный с наружной стороны последнего реактор пиролиза и активации, продольная ось которого горизонтально ориентирована, парогенератор с линией ввода паровоздушной смеси в реактор, коаксильно подсоединенные к реактору линию ввода топочных газов и линию выхода пиролизных газов, при этом реактор имеет камеры-реторты для древесного сырья (см. патент RU №2046816, С10В 47/46, опубл. 27.10.95).
Существенным преимуществом данной установки в отличие от ранее указанных технических решений является расположение реактора пиролиза и активации с наружной стороны топочного устройства, что значительно улучшает эксплуатационные характеристики установки и расширяет ее технологические возможности.
Данная установка выбрана в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения.
Однако конструктивное решение данной установки усложнено наличием в ней специальных технических средств по обеспечению заполнения камер-реторт древесным материалом, по размещению последних в реакторе и по разгрузке их из реактора.
Технологический процесс пиролиза и активации древесного материала в данной установке осуществляется последовательно и при периодической загрузке древесного материала и выгрузке активированного древесного угля, что снижает производительность установки.
Заявляемое техническое решение было направлено на создание установки для получения древесного активированного угля, обеспечивающей реализацию технического результата по повышению производительности установки за счет непрерывности технологических процессов пиролиза и активации с одновременным обеспечением при этом упрощения конструкции установки и получения готовой продукции регламентируемого качества.
Для решения поставленной технической задачи предложена установка для получения древесного угля, содержащая механизм загрузки древесных материалов, механизм выгрузки древесного угля, топочное устройство, расположенный с наружной стороны последнего реактор пиролиза и активации, продольная ось корпуса которого горизонтально ориентирована, парогенератор с линией ввода паровоздушной смеси, подсоединенные к реактору линии ввода топочных газов и вывода пиролизных газов из последнего, при этом реактор имеет камеры-реторты для древесного сырья, в которой, согласно заявляемому техническому решению, смонтированные в корпусе реактора камеры-реторты поярусно расположены относительно друг друга и продольные оси их параллельно ориентированы к продольной оси корпуса реактора, при этом камеры-реторты оснащены транспортирующими механизмами, имеющими противофазное возвратно-поступательное перемещение в направлении продольных осей камер, последние сообщены между собой через расположенный между ними регулируемый выгрузной механизм, который размещен в корпусе реактора в зоне, противолежащей подсоединению к нему линии ввода топочных газов и линии вывода пиролизных газов, верхняя камера-реторта сообщена с механизмом загрузки древесных материалов, а нижняя камера-реторта - с механизмом выгрузки древесного угля и линией ввода паровоздушной смеси от парогенератора, при этом корпус реактора имеет газоотвод топочных газов, сообщающийся с механизмом загрузки древесного материала.
Согласно заявляемому техническому решению транспортирующие механизмы камер пиролиза и активации выполнены в виде подвижных в направлении их продольных осей штанг с шарнирно установленными на ней лопастями-скребками.
Согласно заявляемому техническому решению механизм загрузки древесных материалов снабжен продольно ориентированным шнековым транспортером, к корпусу которого подсоединен газоотвод топочных газов из корпуса реактора.
Согласно заявляемому техническому решению механизм выгрузки древесного угля снабжен камерой охлаждения, которая сообщена с нижней камерой реактора и с линией подачи воздуха или/и с линией подачи воды, при этом один из выходов камеры охлаждения сообщен с линией ввода воздуха в корпус реактора или/и линией ввода воды в парогенератор или/и к потребителю.
Согласно заявляемому техническому решению топочное устройство снабжено камерой дожигания, которая сообщена с выходом пиролизных газов из реактора.
При реализации изобретения благодаря указанной совокупности конструктивных признаков обеспечивается непрерывность технологических процессов по пиролизу (карбонизации) древесного материала в верхней камере-реторте реактора и режим активации окислителем - паровоздушной смесью в нижней камере-реторте при высокой температуре карбонизированного древесного полупродукта, что повышает производительность установки, при этом получаемый при технологическом процессе продукт - активированный древесный уголь - соответствует требованиям регламентируемого качества, что объясняется, в частности, наличием в камерах пиролиза и активации противофазно перемещающихся транспортирующих механизмов, обеспечивающих активное воздействие на заполненный объем древесных продуктов в камерах-ретортах.
Предлагаемая для реализиции заявляемого технического решения совокупность и взаимосвязь конструктивных признаков обеспечивает эффективность технологического процесса получения активированного угля при комплексной утилизации лесомеханических и лесохимических отходов лесоперерабатывающих предприятий с одновременных получением для их технологических процессов источников тепловой энергии (теплоноситель).
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, обеспечивающих непрерывность процессов пиролиза и активации древесного продукта с одновременным обеспечением при этом конструктивного упрощения установки и получения активированного древесного угля регламентируемого качества, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения «новизна», «изобретательский уровень», что и подтверждается нижеприведенным описанием изобретения.
Изобретение поясняется графическими материалами, где на:
фиг.1 показана общая схема установки для получения активированного древесного угля;
фиг.2 - узел А.
Установка для получения древесного активированного угля содержит механизм загрузки древесных материалов 1, механизм выгрузки древесного угля 2, топочное устройство 3. С наружной стороны топочного устройства 3 расположен реактор пиролиза (карбонизации) и активации 4, корпус которого смонтирован на основании (не показано) или на подвижной платформе (не показано). Продольная ось корпуса реактора горизонтально ориентирована и предпочтительно под углом 90° к продольной оси топочного устройства. Для осуществления режима активации карбонизированного древесного угля установка снабжена парогенератором 5 с линией ввода 6 паровоздушной смеси. К корпусу реактора 4 подсоединены линия ввода 7 топочных газов и линия вывода 8 пиролизных газов из реактора. Внутри реактора смонтированы параллельно ориентированные к его продольной оси верхняя камера-реторта 9 пиролиза древесного материала (сырья) и поярусно расположенная относительно последней нижняя камера-реторта 10 для активации карбонизированного древесного полуфабриката. Камеры-реторты пиролиза и активации оснащены транспортирующими механизмами 11, имеющими противофазное возвратно-поступательное перемещение в направлении их продольных осей. Для возвратно-поступательного перемещения транспортирующих механизмов предпочтительно используют гидропривод (не показан). Транспортирующий механизм каждой камеры выполнен в виде продольно ориентированной вдоль ее оси штанги с шарнирно закрепленными на ней лопастями-скребками 12 (см. фиг.2). Предложенное конструктивное выполнение транспортирующих механизмов оптимально по условиям обеспечения полезного технологического объема камер 9 и 10, и по условиям оптимизации управляющего воздействия на них. Камеры-реторты 9 и 10 сообщены между собой через расположенный между ними регулируемый выгрузной механизм 13, который размещен в корпусе реактора в зоне, противолежащей подсоединению к нему линии ввода топочных газов и линии вывода пиролизных газов. Выгрузной механизм имеет шлюзовое исполнение с механизмом привода, например гидроцилиндром (не показано). Со стороны корпуса реактора, соответствующей зонам подсоединения к нему линии ввода топочных газов и линии вывода пиролизных газов, верхняя камера-реторта 9 подсоединена к механизму загрузки древесных материалов, а нижняя камера-реторта 10 сообщена через линию отвода с механизмом выгрузки 2 активированного угля.
Камера-реторта 10 сообщена с парогенератором 5 через линию ввода 6 паровоздушной смеси.
Реактор имеет газоотвод 14 топочных газов, который подсоединен к механизму загрузки древесного материала, снабженному вентилятором 15 для принудительного отвода топочных газов. Механизм загрузки древесных материалов снабжен загрузочным шнековым устройством 16, к которому подсоединен указанный газоотвод топочных газов. Наличие шнекового устройства в механизме загрузки и подсоединение к нему газоотвода топочных газов обеспечивает создание в установке дополнительной зоны сушки древесного материала, что позволяет использовать последний с более высокой влажностью.
Для улучшения эксплуатационных характеристик установки механизм выгрузки активированного древесного угля снабжен камерой охлаждения 17, сообщающейся с линией вывода активированного древесного угля из нижней камеры 10, а также с линией подачи воздуха или/и с линией подачи воды (фиг.1). Один из выходов камеры охлаждения 17 сообщен с линией ввода воздуха в корпус реактора или/и с линией ввода воды в парогенератор, или/и к потребителю.
Установка для получения древесного активированного угля снабжается дополнительными техническими средствами (не показаны) соответственно датчиками температуры, давления, системой управления по обеспечению заданных технологических режимов по карбонизации древесного материала и активации полученного продукта, что гарантирует качество получаемого активированного угля с учетом заданного регламента, причем на качество получаемого продукта значительное влияние оказывает наличие в камерах пиролиза и активации транспортирующих механизмов, имеющих противофазное перемещение (управляемое) относительно друг друга в заполненном объеме камер реактора, а также наличие в данном техническом решении технических средств по предварительной сушке переувлажненного древесного сырья.
Установка работает следующим образом.
В бункер механизма загрузки 1 загружается древесное сырье (крупнокусковой древесины, крупномерной щепы, отходов лесосечного производства и др.), с помощью наклонного шнекового транспортера, через дополнительный бункер с набивным шнеком древесное сырье подают в верхнюю камеру-реторту 9 реактора 4, где происходит термическая обработка сырья с образованием пиролизных газов и карбонизированного угля.
С помощью горизонтального штангового скребкового транспортера 11 камеры 9 сырье перемещается с одновременным перемешиванием и через выгрузной механизм 13 (с учетом заданного технологического режима) передается в камеру- реторту 10, обеспечивающую активацию карбонизированного полуфабриката при подаче в последнюю паровоздушной смеси из парогенератора 5. В камере-реторте 10 происходит процесс активации карбонизированного древесного полуфабриката, процесс осуществляется при подаче паровоздушной смеси с одновременным перемещением и перемешиванием карбонизированного полуфабриката транспортером 11 камеры 10. При окончании процесса активации карбонизированного древесного полуфабриката производят его выгрузку через линию отвода активированного угля в камеру охлаждения 17 механизма выгрузки 2.
Технологические режимы по карбонизации древесного материала и его активации задаются системой управления, обеспечивающей заданные температурные параметры топочных газов в корпусе - реторте, временные параметры по карбонизации и активации для получения регламентированного по качеству готового активированного древесного угля, управляющего воздействия на гидроцилиндры выгрузного и транспортирующих механизмов. При осуществлении технологического процесса учитываются физико-механические параметры исходного древесного сырья, поступающего в камеру-реторту 9 и др. технологические факторы, влияющие на процесс пиролиза и активации древесного материала.
Разогрев реактора происходит следующим образом: в топочное устройство 3 загружается твердое топливо (дрова, опилки, уголь), топочные газы через камеру дожигания, сообщающуюся с линией ввода пиролизных газов, поступают в линию их ввода в корпус реактора. Температура топочных газов в корпусе реактора доводится до температуры пиролиза, при которой осуществляется процесс карбонизации древесного материала в камере-реторте 9. Дымовые газы через газоотвод 14 поступают в загрузочное шнековое устройство, в котором происходит процесс предварительной сушки древесного сырья. Дальнейший вывод топочных газов происходит принудительно с использованием вентилятора 15.
Поступающий в камеру охлаждения 17 активированный древесный продукт охлаждается до заданной температуры путем подачи в камеру охлаждения воздуха или/и воды, которые при их нагреве могут быть использованы как в основном технологическом процессе (например, подача нагретого теплоносителя (вода) в парогенератор или нагретого воздуха в реактор), так и для других технологических целей, например использование нагретой воды в системе отопления потребителей.