СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1995 года по МПК C10L5/44 

Изобретение относится к технологии переработки отходов и может быть применено в лесной и деревообрабатывающей промышленности для энергетического использования древесных отходов.

Известен способ получения формованных изделий, преимущественно топливных брикетов, заключающийся в увлажнении отходов тростниковой сечки до влажности 13-16% перегретым водяным паром с температурой 300-400^оС и давлением 0,1-0,2 атм и прессовании при давлении 1000-1200 кгс/см² и температуре 150-200^оС [1]
К недостаткам данного способа следует отнести высокую энергоемкость процесса, обусловленную необходимостью увлажнять отходы, а затем сушить их путем нагрева до 150-200^оС; высокие давления прессования, что требует применения специального оборудования.

Известен способ изготовления древесно-волокнистых плит из древесного волокна, диаметр которого не превышает 2,0 мм, а длина доходит до 50 мм. Слой древесного волокна обрабатывают перегретым водяным паром при температуре 150-180^оС и давлении 1-2 атм в течение 5-10 мин, после чего производят прессование в прессе при температуре 250-280^оС и давлении 3-5 кг/см² [2]
Недостатками данного способа являются:
высокая энергоемкость процесса, как следствие низкой эффективности процессов теплопередачи между перегретым водяным паром и слоем древесного волокна;
низкая влагостойкость и прочность получаемых плит.

Наиболее близким к предлагаемому является принятый нами за прототипу способ получения природного горючего материала [3]
Согласно указанному способу материал на основе растительной лигноцеллюлозной эссенции измельчают, пропаривают, высушивают и прессуют в желаемую форму. Раздробленную растительную эссенцию пропаривают при 120-160^оС и сушат перед прессованием до достижения относительной влажности меньше 13 мас.

К недостаткам данного способа следует отнести:
высокую энергоемкость процесса, обусловленную тем, что материал вначале пропаривают, а затем сушат до достижения относительной влажности 13 мас.

невозможность перерабатывать отходы с влажностью большей 13 мас.

низкую влагостойкость и теплоту сгорания получаемого топлива, что приводит к необходимости хранения брикетов в специальной влагонепроницаемой упаковке.

Цель изобретения снижение энергоемкости процесса получения топливных брикетов, повышение теплоты сгорания, плотности и влагостойкости брикетов.

Для этого в отличие от известного способа, заключающегося в измельчении, обработке паром при 120-160^оС, сушке до достижения относительной влажности меньше 13 мас. и прессовании отходов, обработку перегретым паром слоя частиц отходов диаметром (0,04-10,9)˙ 10^-3 м ведут в режиме фильтрации.

Кроме того, используют перегретый пар с температурой 100-300^оС при скорости фильтрации его через слой отходов 2,48 м/с.

На чертеже изображено устройство для осуществления способа изготовления топливных брикетов из древесных отходов, общий вид.

Устройство содержит бункер 1 с отходами 2, измельчитель отходов 3, двигатель 4, стойку 5, измельчающие шестерни 6, сетку 7, дозатор 8 с двигателем 9, транспортер 10 с двигателем 9, транспортер 10 с двигателем 11, камеру термообработки отходов 12 со смотровым окном 13, устройством подпрессовки 14 и распределительной решеткой 15, парогенератор 16, соединенный паропроводом 17 с подрешеточной камерой 18, манометр 19 для контроля давления пара, расходомер 20 для определения расхода пара, датчик температуры 21 для контроля температуры слоя отходов, циклон 22 для очистки парогазовой смеси от твердых частиц, трубопровод 23, конденсатор парогазовой смеси 24, вентилятор 25 для охлаждения конденсатора 24, фильтр 26 для очистки конденсата, фильтр 27 для очистки неконденсирующихся газов, дозатор 28, пресс 29 с двигателем 30, нож 31 для нарезания брикетов требуемой длины, рольганг 32 для транспортировки нарезанных брикетов к месту упаковки.

Согласно предлагаемому изобретению изготовление топливных брикетов из древесных отходов осуществляют следующим образом.

В бункер 1 подают древесные отходы 2. Под действием собственного веса отходы поступают в измельчитель 3. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение измельчающие шестерни 6. Проходя между шестернями 6 древесные отходы 2 измельчаются и попадают на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром (0,04-10,9)˙ 10^-3м. Более крупные частицы (не прошедшие через сетку 7) захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются. Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных древесных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых в камеру отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки, после чего из парогенератора 16 по трубопроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый до 100-300^оС водяной пар, давление которого контролируют по показаниям манометра 19, а расход по показаниям расходомера 20. Температуру нагрева отходов контролируют по показаниям датчика температуры 21.

Профильтровавшийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты термического разложения древесины очищают от твердых частиц.

Далее по трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары уксусной кислоты и водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду, которую подают в парогенератор 16 для производства водяного пара, а остальные продукты используют в качестве химического сырья. Неконденсирующиеся газы через фильтр 27 направляют в топку парогенератора 16.

Прошедшие термообработку отходы с помощью дозатора 28 подают в шнековый пресс 29, приводимый во вращение двигателем 30. Проходя пресс 29, отходы прессуются, а на выходе из пресса с помощью механизированного ножа 31 отходы нарезают на брикеты, которые по рольгангу 32 транспортируют к месту складирования.

Фильтрующийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар нагревает отходы до 100-300^оС, в результате чего происходит термическое разложение отходов с выделением неконденсирующихся при обычных условиях (Т0^оС и Р 0,1 МПа) газов, а также паров жидких продуктов (вода, уксусная кислота и ее гомологи, метиловый спирт, смолы растворимые и отстойные и т.п. см. Корякин В.И. Термическое разложение древесины. М. Гослесбумиздат, 1962, с. 10-13).

Очевидно, что для получения качественных топливных брикетов (высокая теплота сгорания, плотность, влагостойкость и прочность) необходимо, чтобы до прессования слой отходов был равномерно прогрет паром (без пережогов или недогрева отходов), т. е. была проведена равномерная тепловая обработка всей массы отходов.

Равномерный прогрев всей массы измельченных древесных отходов может быть осуществлен лишь при определенных условиях. Эти условия определяются размерами частиц, их теплофизическими характеристиками (теплопроводность, теплоемкость), теплофизическими характеристиками водяного пара и скорость его фильтрации через слой отходов.

При равномерном прогреве всей массы отходов в одинаковой степени нагрета и каждая частица, а это означает, что теплота, передаваемая от потока водяного пара, равномерно распределяется путем теплопроводности по всему объему каждой частицы. Чем меньше частица, тем равномернее она нагревается, т.е. тем меньше разница температур на поверхности частицы и в ее центре.

Практически минимальный размер частиц, до которого удается измельчить древесные отходы, составляет 0,04˙10^-3 м (см. Головков С.И. Коперин И.Ф. Найденов В. И. Энергетическое использование древесных отходов. М. Лесная промышленность, 1987, с. 34). Поэтому нижний предел измельчения древесных отходов составляет 0,04˙10^-3 м.

Максимальный верхний предел измельчения древесных отходов определяется теплопроводностью древесины и минимаьлным возможным потоком тепла, которое передается от пара к частице и зависит от величины коэффициента теплообмена пара с частицей. Количество тепла, которое передается путем теплообмена от потока пара к поверхности каждой частицы, должно быть равно количеству тепла, отводимому путем теплопроводности от поверхности частицы в глубь ее. Только при соблюдении такого равенства подводимого и отводимого тепла не будет происходить перегpев области частицы у ее поверхности и недогрев внутренней области частицы. Для перегретого водяного пара в диапазоне температур 100-300^оС и древесных отходов такие условия соблюдаются, если диаметр частиц не превышает 10,9˙10^-3 м.

Таким образом, древесные отходы для снижения энергоемкости процесса получения топливных брикетов, повышения их теплоты сгорания, плотности и влагостойкости брикетов необходимо измельчать до размеров частиц (0,04 10,9)˙ 10^-3 м. Только в данном диапазоне измельчения отходов достигается равномерный прогрев их при фильтрации водяного пара. При этом максимальная скорость фильтрации пара через слой отходов не должна превышать 2,48 м/с, поскольку при более высокой скорости начинается интенсивный унос частиц потоком пара из слоя отходов, что приводит к нарушению однородности слоя, образованию каналов в слое, по которым проходит пар, и нарушению равномерности фильтрации пара через слой, а следовательно, к нарушению равномерности прогрева слоя отходов.

Снижение же скорости фильтрации приводит к падению интенсивности процессов теплопередачи и увеличению длительности процесса, а значит и к росту энергозатрат на процесс получения топливных брикетов.

Температуру перегретого водяного пара, подаваемого в слой измельченных отходов, устанавливают в пределах 100-300^оС. Температура 100^оС обусловлена нижним пределом существования перегретого водяного пара. Подача пара при температуре больше 300^оС нецелесообразна, поскольку при Т > 300^оС резко интенсифицируются реакции взаимодействия углерода с водородом и кислородом древесины с образованием газообразных продуктов термического разложения, что в итоге приводит к снижению выхода полезного продукта топливных брикетов.

П р и м е р 1. В бункер 1 подают древесные отходы 2 в виде сосновой щепы влажностью 50 мас. Пусть состав сосновой щепы следующий: углерод 52,3% водород 6% кислород 41,2% зола 0,5% (в расчете на сухую массу сосновой щепы). При этом низшая теплота сгорания сухой массы щепы составляет 19,5 МДж/кг.

Под действием собственного веса щепа поступает в измельчитель 3. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение шестерни 6. Проходя между шестернями 6, щепа 2 измельчается и попадает на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром 10,9 мм и менее. Более крупные частицы (не прошедшие через сетку 7) захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются до диаметра частиц, которые проходят через сетку 7.

Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных древесных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества древесных отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки 12. После поджатия отходов из парогенератора 16 по паропроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый до 300^оС водяной пар. Пар после попадания в подрешеточную камеру 18 фильтруется через решетку 15 и слой измельченных отходов 2.

Давление пара в камере термообработки контролируют по показаниям манометра 19.

По показаниям расходомера 20 устанавливают скорость фильтрации пара через слой отходов 2,48 м/с. Фильтрующийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар нагревает отходы. При этом температуру нагрева отходов контролируют по показаниям датчика температуры 21.

Профильтровавшийся через слой измельченных отходов перегретый водяной пар направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты термического разложения древесины очищаются от твердых частиц, которые могут уноситься с потоком пара из камеры термообработки, если возникнут локальные превышения скорости фильтрации пара v_п > 2,48 м/с.

По трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары смол, уксусной кислоты и водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду, которую подают в парогенератор 16 для производства водяного пара, а остальные продукты (смолы и др.) используют в качестве химического сырья. Неконденсирующиеся газы (метан, этан и др.) через фильтр 27 направляют в топку парогенератора.

По достижении в камере термообработки Т 300^оС включают дозатор 28 и подают отходы в шнековый пресс, приводимый во вращение двигателем 30. Термообработанные отходы прессуют при давлении 15 МПа (150 кг/см²). На выходе из пресса с помощью механизированного ножа 31 отходы нарезают на брикеты, которые по рольгангу 32 транспортируют к месту складирования.

В результате нагрева древесных отходов происходит термическое разложение древесины в среде перегретого водяного пара с выделением смол и газообразных продуктов. При этом смол образуется до 6 мас. Образующиеся смолы обволакивают каждую частицы отходов и служат связующим при прессовании, а также придают отходам водоотталкивающие свойства. Поэтому, брикеты приобретают такие новые качества (в сравнении с прототипом), как высокая прочность, влагостойкость.

В силу того, что значительная часть кислорода, содержащегося в древесине, расходуется на образование кислород- содержащих соединений, происходит относительное обогащение отходов углеродом, в результате чего растет теплота сгорания (теплотворная способность). Так, в данном случае плотность отходов составляет (брикетов) 1250 кг/м³, теплота сгорания 28,2 МДж/кг, влажность 0% прочность при сжатии 13,8 МПа.

Обработка отходов в среде перегретого водяного пара при Т 300^оС приводит к тому, что вся влага, содержащаяся в отходах, испаряется и влажность отходов становится равной 0 мас.

При этом изменяется элементный состав древесины и становится следующим: углерод 79,09% водород 2,76% кислород 16,9% зола 1,25%
П р и м е р 2. В бункер 1 подают древесные отходы 2 в виде березовой щепы влажностью 13 мас. Пусть отходы (щепа) имеют следующий элементный состав: углерод 50% водород 6% кислород 43,5% зола 0,5% (в расчете на сухую массу березовой щепы). Низшая теплота сгорания сухой массы березовой щепы составляет 18,4 МДж/кг.

С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение шестерни 6. Проходя между шестернями 6, щепа 2 измельчается и попадает на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром 0,04 ˙10^-3м, а более крупные частицы захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются до диаметра частиц, которые проходят через сетку 7. Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки 12. После поджатия отходов из парогенератора 16 по трубопроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый водяной пар при Т250^оС. Пар из камеры 18 проходит через решетку 15 и далее фильтруется через слой измельченных отходов 2.

Пусть в камеру термообработки загрузили 1000 кг измельченных березовых отходов.

В результате термического разложения березовых отходов в камере термообработки образуется, кг:
Твердые продукты раз-
ложения отходов (вклю-
чая смолы, которые
не перегоняются с во- дяным паром) 401
Газы (конденсирую-
щиеся и неконденси-
рующиеся): СО₂ (углекислый газ) 169,75 СО (оксид углерода) 89,71 СН₄ (метан) 48,0 С₂Н₄ (этилен) 12,6
Уксусная кислота (в виде пара) 43,78
Н₂О (включающая
испарившуюся влагу отходов) 1235,16
Образующийся низкокалорийный газ имеет низшую теплоту сгорания 2,6 МДж/м³ и сжигается в топке парогенератора, а его теплота сгорания используется на производство рабочего пара (пара для термообработки).

Давление пара в слое древесных отходов контролируют по показаниям манометра 19 и устанавливают равным 0,15 МПа (1,5 атм, давление на выходе из камеры равно атмосферному 1 атм). По показаниям расходомера 20 скорость фильтрации пара через через слой отходов устанавливают равной 2,48 м/с.

Профильтровавшийся через слой измельченных отходов водяной пар в смеси с газообразными продуктами разложения древесины направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты очищаются от пыли. Затем по трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары уксусной кислоты и водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду, которую подают в парогенератор 16 для производства водяного пара, а остальные продукты используют в качестве химического сырья. Неконденсирующиеся газы через фильтр 27 направляют в топку парогенератора.

По достижении в камере термообработки температуры 250^оС включают дозатор 28 и подают отходы в шнековый пресс, приводимый во вращение двигателем 30. Отходы прессуют при давлении 13 МПа (130 кг/см²).

На выходе из пресса с помощью механизированного ножа 31 отходы нарезают на брикеты, которые по рольгангу 32 транспортируют к месту складирования. Плотность брикетов из отходов составляет 1100 кг/м³, теплота сгорания 25,8 МДж/кг, влажность 0 мас. прочность на сжатие 12,4 МПа.

Обработка древесных отходов в среде перегретого водяного пара при 250^оС приводит к тому, что вся влага, содержащаяся в отходах, испаряется и влажность отходов становится равной 0 мас.

В результате термообработки изменяется элеметный состав отходов и становится равным: углерод 69% водород 5% кислород 25% зола 1%
П р и м е р 3. В бункер 1 подают древесные отходы 2 в виде березовой щепы влажностью 13 мас. Пусть состав березовой щепы следующий: углерод 50% водород 6% кислород 43,5% зола 0,5% (в расчете на сухую массу березовой щепы). Низшая теплота сгорания сухой массы березовой щепы составляет 18,4 МДж/кг. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение шестерни 6. Проходя между шестернями 6, щепа 2 измельчается и попадает на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром 10,9˙ 10^-3 м, а более крупные частицы захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются до диаметра 10,9 мм. Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки 12. После поджатия отходов из парогенератора 16 по трубопроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают водяной пар при 100^оС. Пар из камеры 18 проходит через решетку 15 и далее фильтруется через слой измельченных отходов 2.

Давление пара в слое древесных отходов контролируют по показаниям манометра 19 и устанавливают равным 0,10¹³ МПа (1,013 кг/см²). По показаниям расходомера 20 скорость фильтрации пара через слой отходов устанавливают равной 2,48 м/с. Пар, фильтруясь через слой отходов, нагревает их. При этом температуру нагрева отходов контролируют по показаниям датчика температуры 21.

Профильтровавшийся через слой древесных отходов водяной пар направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты термообработки отходов очищаются от твердых частиц.

По трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где его очищают и затем подают в парогенератор 16 для производства водяного пара.

Поскольку при нагревании отходов до температуры 100^оС практически не образуется неконденсирующихся газов, а в основном испаряется влага, содержащаяся в отходах, то фильтр 27 не используют.

По достижении в камере термообработки 100^оС включают дозатор 28 и подают отходы в шнековый пресс, приводимый во вращение двигателем 30. Термообработанные отходы прессуют при давлении 15 МПа (150 кг/см²). На выходе из пресса с помощью механизированного ножа 31 отходы нарезают на брикеты, которые по рольгангу 32 транспортируют к месту складирования. При нагреве отходов до 100^оС выделяется относительно небольшое количество летучих продуктов и уменьшается прочность древесины, что позволяет при прессовании получать высокую плотность брикетов. В данном случае плотность брикетов составляет 1050 кг/м³, теплота сгорания 19,5 МДж/кг, влажность 0 мас. прочность на сжатие 13,4 МПа.

Применение: в технологии переработки древесных отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности для энергетического использования. Сущность изобретения: способ включает измельчение древесных отходов, обработку до 300°С перегретым водяным паром слоя частиц древесных отходов диаметром (0,04-10,9)·10^-3м³ в режиме фильтрования и последующее прессование топливных брикетов. Для обработки используют перегретый пар с температурой 100 300°С при скорости фильтрации его через слой отходов 2,48 м/с. 1 з. п. ф-лы. 1 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ, включающий их измельчение, обработку измельченных отходов перегретым водяным паром до 300^oС и последующее прессование, отличающийся тем, что обработку перегретым паром слоя частиц отходов диаметром (0,04 10,9) · 10^-3 м ведут в режиме фильтрации. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют перегретый пар с температурой 100 300^oС при скорости фильтрации его через слой отходов 2,48 м/с.