УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ

Полезная модель относится к области пиролиза древесины, а именно к получению угля, и может быть использована в лесной и деревообрабатывающей промышленности для переработки технологической древесины и ее отходов.
Известна углевыжигательная печь (патент RU 133832, опубл. 27.10.2013 Бюл. № 30), содержащая горизонтально расположенный корпус, снабженный загрузочными и разгрузочными люками, в нижней части корпуса размещена топка, сообщенная с дымовой трубой. В корпусе установлена перегородка, которая является смежной для двух образованных ею камер, одна из которых предназначена для сжигания сырья, а вторая предназначена для сушки сырья, внутренняя часть каждой камеры снабжена газоходом, при этом нижняя часть газохода камеры сжигания сырья заведена в переднюю часть топки, а нижняя часть газохода камеры сушки сырья заведена в заднюю часть топки, последняя снабжена второй дымовой трубой. Недостатком данной печи является небольшая производительность за счет использования одной камеры для сушки сырья.
Из уровня техники известен пиролизер для производства топливных углей (патент RU 2125076, опубл. 20.01.1999). Пиролизер включает две печные камеры для проведения процессов сушки и пиролиза исходной массы, размещенные с образованием блока и имеющие топочные устройства, над которыми расположены две реторты с отверстиями для выхода парогазов в их нижних частях. Камеры имеют приспособления для циркуляции дымо- и парогазов, размещенные внутри камер по их вертикалям, а вход топочного устройства каждой камеры соединен каналом с выходом топочного устройства другой камеры. Выходы топочных устройств печных камеры соединены каналом, смежным с каналом и оборудованным в средней части сборным каналом, имеющим выход в дымовую трубу, причем в общей стенке каналов в районе выходов топочных устройств выполнены окна, каждое из которых и канал снабжены общими перекидными шиберами, в канале на участках между сборным каналом и окнами в общей стенке каналов, а также на концах канала выполнены шиберные задвижки. Перекидные шиберы могут быть снабжены отверстиями для подачи воздуха. Недостатком данного технического решения является наличие двух топочных камер, что усложняет конструкцию устройства.
Наиболее близким по технической сущности является углевыжигательная печь (патент RU 180679, опубл. 21.06.2018 Бюл. № 18), содержащая горизонтальный корпус, расположенную в нижней части корпуса топку, газовод для прохода пиролизного газа в топку и дымовую трубу, размещенную в верхней части корпуса. Печь снабжена цилиндрической пиролизной емкостью, размещенной в верхней части корпуса, и инжекторной горелкой, установленной на входе газовода в топку, причем пиролизная емкость имеет с торцевой стороны загрузочно-разгрузочный люк, а внутри нее установлена промежуточная сетка. Пиролизная емкость горизонтально размещена над топкой таким образом, чтобы пламя и дымовые газы, проходя между стенками емкости и корпуса к дымовой трубе, максимально обогревали ее, при этом внутренняя полость пиролизной емкости связана с топкой при помощи газовода, расположенного с наружной стороны задней части печи, верхний конец которого соединен с емкостью, а нижний - с инжекторной горелкой, установленной на входе в топку.
Недостатками вышеуказанных аналогов являются низкий КПД установки, сложность конструкции, а также невысокая надежность конструкции.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка печи, обеспечивающей устранение недостатков известных аналогов.
Данная задача решается тем, что устройство для получения древесного угля содержит корпус с выполненными в нем двумя пиролизными отсеками с располагаемыми в них ретортами для размещения исходного сырья, топочную камеру, дымовые трубы, корпус состоит из рамного каркаса в форме прямоугольного параллелепипеда, облицованного стальными листами, с крышкой, закрепленной на каркасе посредством болтового соединения, топочная камера расположена в центральной части корпуса, по обе стороны от которой расположены пиролизные отсеки, каждый пиролизный отсек содержит стакан, выполненный в форме полого горизонтально ориентированного цилиндра, передней частью приваренного к лицевой части каркаса, а нижней частью лежит на опорах, обеспечивающих приподнятое расположение стакана, при этом стакан установлен под углом к линии горизонта с уклоном к задней стенке печи, а в задней части стакан имеет сливную трубу, внутри печи вдоль одного из пиролизных отсеков проходит растопочная труба, которая выходит наружу на задней стенке и входит в топочную камеру, из топочной камеры со стороны задней стенки печи в оба пиролизных отсека отходят трубы, соединяющие пиролизные камеры с топкой, от которых отходят вертикальные трубы с клапанами на конце, в верхней части печи из топочного отсека отходит труба с крышкой, открывающаяся и закрывающаяся при помощи линейного привода, с обоих торцов корпуса располагаются дымоходы для удаления дымовых газов из общего пространства печи, для доступа в пиролизные отсеки на передней (лицевой) части корпуса печи расположены две круглые крышки, между которыми расположены две двери одна под другой, одна из которых является дверью топочной камеры для растопки, а вторая для доступа внутрь топочной камеры во время технического осмотра и ремонта. На дымоход может быть установлен теплообменник, представляющий собой металлический короб, внутри которого горизонтально расположены трубы для прохождения теплоносителя.
Техническим результатом является повышение производительность печи.
Заявленная печь является безопасной, надежной, с ремонтопригодной конструкцией. Заявляемая печь выполнена транспортируемой, то есть с возможностью перемещения печи к сырьевой базе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 – вид печи спереди,
- на фиг.2 – вид печи сбоку,
- на фиг.3 – вид печи сзади,
- на фиг. 4 – разрез печи в пиролизном отсеке,
- на фиг. 5 – общий вид теплообменника.
Устройство для получения древесного угля представляет собой углевыжигательную печь, которая содержит корпус с выполненными в нем двумя пиролизными отсеками (камеры пиролиза) с располагаемыми в них ретортами для размещения исходного сырья, и топочной камерой, дымовые трубы. Устройство снабжено контрольно-измерительными приборами, включая три термопары, которые измеряют температуру в двух ретортах и в топке, и контроллер, который отслеживает рабочую температуру и управляет линейным приводом сброса температуры, при этом передавая звуковые и световые сигналы оператору. Также устройство может быть оборудовано средствами передачи данных посредством беспроводной передачи данных.
Корпус состоит из рамного каркаса 1 с крышкой 2. Каркас представляет собой пространственную конструкцию в форме прямоугольного параллелепипеда, сваренную из прямоугольных стальных труб 3, усиленных в местах большей нагрузки продольными 4 и поперечными 5 трубами. На каркас приварены стальные листы 6. Используют в основном сталь 09Г2С толщиной 3-5 мм. Размер каркаса преимущественно 6×3,3×2,8 м, толщина труб 3-5 мм. Корпус с внутренней части обшит огнеупорным материалом.
Крышка 2 представляет собой прямоугольную конструкцию, выполненную в размер верхней стороны каркаса. Крышка выполнена из сварной рамы с приваренными стальными листами. Крышка крепится на каркасе посредством болтового (или шпилечного) соединения 7. Выполнение крышки съемной обеспечивает доступ в корпус печи сверху для проведения ремонтных работ и обслуживания устройства.
На передней (лицевой) части корпуса печи расположены две круглые крышки 8 для установки реторт (кассет) 14. Крышки также выполнены из сварной рамы с приваренными к ней стальными листами. Круглые крышки 8 закреплены на усиленной раме 9, закрепленной на каркасе устройства. Крышки 8 имеют уплотнители, благодаря которым плотно (герметично) закрываются во время работы.
На лицевой стороне печи также располагаются квадратная дверь 10 и малая дверь 11, расположенные одна над другой. Квадратная дверь 10 закреплена на усиленной раме 12, закрепленной на каркасе, и необходима для доступа вовнутрь топочной камеры для обслуживания и ремонта. Малая дверь 11 является дверью топочной камеры.
Топочная камера располагается в центральной части печи. По обе стороны от топочной камеры расположены пиролизные отсеки с размещенными в них стаканами 13 с ретортами 14. Топочная камера футерована с внутренней стороны огнеупорным кирпичом, отделяя таким образом топочную камеру от пиролизных отсеков. Огнеупорный кирпич выложен толщиной в один кирпич и положен с периодическими проходами для равномерного перемещения тепловых потоков в область стакана, омывая его со всех сторон, но одновременно являясь пламегасителем, не давая пламени напрямую воздействовать на металл стакана. Данная кладка является одновременно энергоаккумулятором. Кирпич выложен на ¾ по высоте каркаса.
Реторты (кассеты) 14 выполнены в форме полого полуцилиндра и установлены в стаканы 13. Стакан выполнен цилиндрической формы. Стакан может быть обернут огнеупорным материалом по всей наружной окружности. Стакан приварен к передней части каркаса печи. Реторта вставляется в стакан с помощью вилочного погрузчика и ложится на дно стакана. Стакан 13 с ретортой 14 установлен под наклоном к линии горизонта с уклоном к задней стенке печи (предпочтительный угол наклона 2° для естественного слива жидкой фракции). Это необходимо для отвода (слива) жидкостей, выделяемых из древесины в момент её разогрева и приготовления угля. Жидкость сливается из кассеты в стакан через отверстие 15, а из стакана через сливную трубу 16 наружу за пределы печи. При достижении в пиролизной камере (ретортной камере) температуры выше 30°С данные сливные каналы перекрываются для исключения попадания кислорода в зону приготовления угля. Своевременно удаленная жидкость из области реторты позволяет уменьшить потребление тепловой энергии на испарение данной жидкости. При использовании сухой древесины отверстие можно держать в закрытом состоянии. Стакан 13 установлен на перевернутые Ш-образные опоры 17 для крепления стакана в приподнятом состоянии, что обеспечивает лучшую циркуляцию теплоносителя вокруг стакана. Опоры приварены ко дну каркаса.
Внутри печи вдоль одного из пиролизных отсеков проходит растопочная труба 18, которая выходит наружу на задней стенке и входит в топочную камеру. Растопочная труба 18 является трубопроводом для подачи воздуха в топку под низким давлением, который предварительно подогревается, проходя внутри печи вдоль пиролизного отсека. Воздух забирается вентилятором низкого давления (дутьевым вентилятором), расположенным у лицевой или боковой стенки печи, и подается через трубопровод (растопочную трубу) 18 в топку. При этом трубопровод 18 находится всегда в нагретом состоянии ~300°С, а воздух, проходя через него, нагревается примерно до 60°С. Давление (или скорость потока) регулируется диммером (регулятором оборотов).
Из топочной камеры со стороны задней стенки печи в оба пиролизных отсека отходят трубы 19. Трубы 19 являются газоходами, соединяющими пиролизные камеры с топкой. Из труб 19 отходят вертикальные трубы 20. На данных трубах имеются шиберы для перенаправления пара в момент просушки древесины в атмосферу через трубы 20, которые перекрываются (управляются) клапанами (заглушками) 21 и шиберными задвижками (на фиг. не указана).
В верхней части печи из топочного отсека отходит труба 22, закрывающаяся крышкой 23, открывающаяся и закрывающаяся при помощи линейного привода 24. При повышении температуры выше рабочей автоматически открывается крышка 23, обеспечивая сброс температуры (охлаждение топочной камеры).
С обоих торцов корпуса располагаются дымоходы 25, 26 с трубами 27, через которые удаляются дымовые газы из общего пространства печи. Трубы 25 и 26 управляются между собой шиберами и при необходимости дымовые газы могут идти напрямую в атмосферу или через теплообменник. Каждый дымоход связан с непосредственным пиролизным отсеком, благодаря чему возможно регулирование процесса горения, в том числе при растопке печи.
На дымоход может быть дополнительно установлен теплообменник 28 (фиг.5) для обогрева помещения, находящегося рядом с печью. Теплообменник представляет собой металлический короб 29, установленный в дымовой трубе, внутри которого горизонтально расположены трубы 30 для прохождения теплоносителя.
Устройство работает следующим образом.
В основе работы печи лежит принцип сухой перегонки древесины без доступа воздуха. Процесс происходит в закрытой металлической реторте с внешним обогревом до конечной температуры 450-500°С. В результате нагрева из древесины выходят парообразные и газообразные продукты разложения (парогазовая смесь) и остаётся древесный уголь.
В реторту помещают древесину, двери закрывают и производят нагрев, регулируя распределение горячих газов внутри печи с помощью заслонок дымоходов и вентилятором низкого давления, являющимся растопочным вентилятором. Первичный нагрев происходит за счет сжигания древесного топлива в топке. При нагреве печи можно распределить по очереди загрузки реторты на первую и вторую, образуя временной разрыв для автономного режима, используя для этого шиберы на дымовых трубах. Например, если использовать левую реторту для начала процесса, то перекрывается правый шибер, и основной тепловой поток дымовых газов идет через левый стакан. При этом правый стакан находится в стадии нагрева и сушки. Когда в левой камере температура дойдет до 470°С и пойдет стабильный газ, открывается шибер дымохода в правую реторту и перекрывается на 90% шибер левого дымохода, тем самым передается приоритет на правую реторту. В это время левая реторта выходит на рабочий режим и работает автономно, выделяя пиролизный газ, которого достаточно для автономной работы печи, дрова для поддержания огня прекращают подкидывать. Когда в процесс подключается и правая реторта, т.е. когда из правой реторты начинает идти пиролизный газ, открываются все дымовые шиберы. Далее печь работает автономно и управляется автоматической системой регулирования температуры для исключения перегрева печи.
По внешним признакам и показаниям контрольно-измерительных приборов процесс можно разделить на следующие стадии:
1. Сушка – из древесины выделяется только влага, температура от 0-150°С.
2. Сухая перегонка (пиролиз) 150-350°С. На этой стадии в дистилляте появляется ряд органических продуктов и выделяется газ. Для этой стадии характерен экзотермический процесс, наблюдающийся при 430-480°С, когда процесс идёт энергично с явным выделением реакционного тепла.
3. Стадия прокалки. Она характерна отделением от угля, образовавшегося на предыдущей стадии небольшого количества смол (1,5-2%) и значительного количества неконденсируемых газов. Начало этой стадии 450-500°С (и обычно не превышает 480-550°С), конец же задаётся по производственным условиям.
При достижении 550°С происходит аварийная ситуация, при которой прекращается подача топлива в топку, перекрывается газоход подачи кислорода в топку, открывается аварийный клапан, через который выходит пиролизный газ в атмосферу. Газ поджигается и его сгорание происходит вне топки, при этом происходит остывание пиролизных камер, топки, печь входит в нормальный режим работы (около 520°С). После чего топливо начинает вновь подаваться в топку, перекрывая аварийный клапан и открывая газоход подачи кислорода в топку. Далее происходит завершения всего процесса, т.е. завершается стадия прокалки, на которой заканчивается поток пиролизных газов. На этом этапе происходит добавление топлива в топку для окончательной прокалки угля в реторте, и через 15-20 минут происходит извлечение реторт с готовым углем из печи.
Изготовлен образец заявляемого устройства, характеризующийся следующими параметрами:
Длина 6000 мм
Ширина 3300 мм
Высота 2800 мм
Масса установки 12000 кг
Максимальная рабочая температура в камере пиролиза - 525°С (предаварийная температура 550°С).
Общая выгрузка с одной реторты зависит от породы древесины и плотности укладки и составляет для березы до 700 кг, для дуба до 1100 кг, для липы до 500 кг, при этом длина цикла на разных породах древесины изменяется, так как чем плотнее древесина и плотность укладки, тем длиннее цикл.
Преимуществами данной разработки являются:
3
- экологичность, за счет полного сгорания топочных (пиролизных) газов, получая на выходе СО. Полное сгорание происходит благодаря правильно рассчитанной камере сгорания, а именно объему камеры 10 м, высокой температуре 700°С и приточной подачи кислорода;
- безопасность, за счет минимального присутствия человека рядом с производственным оборудованием, так как оператор взаимодействует с высокими температурами два раза в сутки, находясь на земле, а не на раскалённой поверхности печи, как при работе известных из уровня техники печей;
- быстрота изготовления угля, обеспечиваемая благодаря конструкции печи;
- простота в управлении с минимальным привлечением человека;
- отсутствие фундаментов и крановых установок;
- транспортируемость устройства за счет возможности демонтажа,
- обеспечение непрерывности цикла приготовления угля за счет наличия нескольких сменных реторт, при готовности первой партии, вторая партия дров загружается сразу после вынимания реторты с готовым углем, не давая печи остыть, что не требует повторного розжига печи.