УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ВЯЗКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК A01C3/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности для обезвоживания вязких материалов, например птичьего помета.

Известны установки для обезвоживания птичьего помета, содержащие теплогенератор, сушильный барабан, циклон, вытяжной вентилятор. В сушильном барабане осуществляется сушка птичьего помета теплоносителем с начальной температурой 800-900^oC, что приводит наряду с испарением влаги помета к интенсивному нагреву органической части помета, сопровождающемуся его частичным термическим разложением и выделением токсичных, дурнопахнущих веществ, чья концентрация во много раз превышает нормы ПДК.

Таким образом, недостатком установки является частичное термическое разложение птичьего помета и отсутствие в ней средств для очистки отходящих газов от дурнопахнущих, токсичных компонентов. Для исключения интенсивного нагрева, являющегося причиной термического разложения вязкого материала-помета, и выделения токсичных компонентов в практике используется метод капиллярного обезвоживания.

Известна полупромышленная установка капиллярного обезвоживания вязкого материала керогена, которая работает следующим образом. В смеситель в заданном весовом соотношении дозаторами подаются порции влажного керогена и влагопоглотитель. В смеситель происходит перемешивание влагопоглотителя и керогена и под действием капиллярного потенциала происходит переток влаги из керогена в капилляры влагопоглотителя. Далее смесь высушенного керогена и влагопоглотителя поступает на сито грохота, где происходит отделение керогена от частиц влагопоглотителя (кероген нижний продукт, влагопоглотитель - верхний продукт грохочения). С грохота влажный влагопоглотитель поступает в сушилку кипящего слоя на регенерацию. Из сушилки кипящего слоя, а также из циклона высушенные частицы влагопоглотителя вновь подаются вместе с новыми порциями влажного керогена на обезвоживание в смеситель [1]
Установка выбрана в качестве прототипа к заявляемой установке. Недостатками прототипа, применительно использования его для обезвоживания вязкого материала птичьего помета являются отсутствие в ней системы газоочистки, а также низкое качество сушки (регенерации) влагопоглотителя, что в итоге приводит к высокой концентрации вредных токсичных компонентов в выбрасываемых в атмосферу газов и к ограничению производительности установки по обезвоживанию вязкого материала птичьего помета.

Так, при регенерации в сушилке кипящего слоя влажного влагопоглотителя - цеолита (цеолит выбран по причинам его большой величины капиллярного потенциала, наличия и использования его в больших количествах на птицефабриках), в отходящих газах из сушилки наблюдается присутствие аммиака, сероводорода, меркаптана, концентрация которых меньше, чем в случае конвективной сушки птичьего помета, но все же превышает нормы ПДК. Присутствие токсичных компонентов в отходящих газах из сушилки объясняется наличием во влаге помета органических веществ, которые вместе с тончайшими частицами помета попадают в капилляры влагопоглотителя, а также длительным временем пребывания цеолита в сушке кипящего слоя. Установка лишь частично решает вопрос экологии процесса обезвоживания птичьего помета. Малоинтенсивный и длительный процесс сушки регенерации влагопоглотителя в сушилке кипящего слоя является также недостатком прототипа. Исследовался процесс сушки цеолита. Сушка цеолита осуществлялась горячим воздухом с температурой 245-470^oC в кипящем слое, при массовой скорости 15-31,6 кг/ч, что соответствовало скорости теплоносителя на входе в кипящий слой 1,6-3,1 м/с. Время сушки для снижения начальной влажности цеолита с 6,6-17,5% до диапазона влажности 1,76-8% составляло 502-2970 с (примерно 9-50 мин). На основе расчетов экспериментальных данных величина влагосъема с единицы площади кипящего слоя не превышает 170 кг/м²•ч. Вследствие малоинтенсивной сушки (небольшая величина влагосъема и длительное время сушки) для регенерации цеолита в большом количестве потребуется сушилка кипящего слоя весьма больших габаритов и большой металлоемкости. Покажем это на примере расчета процесса обезвоживания птичьего помета посредством цеолита, где для регенерации цеолита используется сушилка кипящего слоя. Причем, что производительность установки обезвоживания птичьего помета посредством цеолита равна производительности установки и составляет по высушенному помету G=1000 кг/ч. Начальная и конечная влажности помета составляют ω₁= 75 % и ω₂ = 15 % , а начальная и конечная влажности цеолита W_H= 1,7% и W_k=23% Количество удаляемой влаги из помета и перешедшей в капилляры цеолита составит:

Производительность установки по влажному исходному помету составит:
G₁= G₂ + W 1000 + 2400 3400 кг/ч.

Требуемое количество цеолита для капиллярного обезвоживания птичьего помета составит:
а) при его начальной влажности W_н=1,7%

б) при его конечной влажности W_k=23%
G_кц=G_нц+W=8676=2400=11076 кг/ч;
в) абсолютно сухого цеолита:

Требуемая площадь газораспределительного устройства сушилки кипящего слоя составит (при влагосъеме q=170 кг/м•ч):

Требуемое время сушки цеолита (т.е. время пребывания) в сушилке кипящего слоя примем τ 20 мин. Тогда весовое количество цеолита, находящегося в слое сушилки кипящего слоя, составит:

Примем порозность кипящего слоя ε 0,70, удельный вес цеолита γ_ц= 1700 кг/м³ тогда объем кипящего слоя составит:

Высота кипящего слоя:

Высоту сепарационной зоны сушилки кипящего слоя принимаем равной:
Н_сеп= 2,0•Н_сл= 2,0•0,46=0,92 м.

Общая высота и объем сушилки кипящего слоя составят:
Н_суш=Н_сл+Н_сеп=0,46 + 0,92 1,4 м
V_суш=Н_суш•F= 1,4•14,1=19,7 м³
Величина объемного влагонапряжения сушилки кипящего слоя составит:

Из расчета видно, что процесс сушки влагопоглотителя цеолита характеризуется длительным временем и низкой величиной объемного влагонапряжения, что в итоге определяет низкое качество сушки влагопоглотителя цеолита в кипящем слое. Низкое качество сушки ограничивает возможность регенерации (сушки) цеолита в больших количествах, что в свою очередь лимитирует производительность установки по обезвоживанию вязкого материала - птичьего помета.

Целью изобретения является повышение производительности и обеспечение требований экологии установки для обезвоживания вязких материалов.

Эта цель достигается тем, что в установке для обезвоживания вязких материалов, например птичьего помета, содержащая связанный с дозаторами помета и влагопоглотителя смеситель, на выходе которого установлено приспособление для разделения смеси на компоненты, соединенное патрубком вывода влагопоглотителя с узлом его сушки, который сообщен с источником подачи теплоносителя и циклоном, а также посредством трубопровода выхода влагопоглотителя соединен с дозатором влагопоглотителя, отличающаяся тем, что устройство для сушки влагопоглотителя выполнено в виде установленных последовательно вихревой камеры с питателем-забрасывателем и испарителя, который выполнен в виде винтового конвейера с установленными на его лопастях лопатками, снабжен вариатором изменения числа оборотов вала конвейера, а также вакуум-насосом, всасывающий патрубок которого сообщен с патрубком вывода паров испарителя, при этом установка снабжена устройством для очистки отработанных газов, которое выполнено в виде сообщенного с циклоном вытяжного вентилятора, а также форсуночного абсорбера, входной патрубок которого соединен с выходами вакуум-насоса и циклона через вытяжной вентилятор, а также средством подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя, который выполнен в виде горелки и связанного с ней щелевого регистра, а средство подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя выполнено в виде трубопровода, вход которого соединен с входным патрубком абсорбера, а выход - с входом горелки и щелевого регистра.

Предлагаемая установка имеет следующие отличительные от прототипа признаки:
имеется вихревая камера с питателем-забрасывателем (взамен сушилки кипящего слоя);
имеется испаритель в виде винтового конвейера с присоединенным к нему вакуум-насосом, испаритель снабжен вариатором скорости, а на лопастях испарителя установлены лопатки;
имеется форсуночный абсорбер;
имеется трубопровод, по которому часть газов направляется к горелке и к щелевому регистру.

Следовательно, можно заключить, что заявляемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Наличие в заявляемой установке вихревой камеры, испарителя с вакуум-насосом позволяет резко интенсифицировать процесс сушки влагопоглотителя, что в итоге приводит к повышению производительности установки. Направление 60% отработанных газов в форсуночный абсорбер, а 40% отработанных газов по трубопроводу к горелке и к щелевому регистру на огневое обезвреживание делают процесс обезвоживания вязких материалов, к примеру, птичьего помета, экологически более чистым по сравнению с процессом в установке-прототипе.

Известна также вихревая камера, предназначенная для скоростного нагрева угля для его коксования. Реализация в вихревой камере высоких относительных скоростей (до 50 м/с) между частицами угля и газовым потоком обеспечивают скоростной нагрев частиц угля до 400^oC за 2-5 с. В установке вихревая камера предназначена не только для нагрева, но и для сушки влагопоглотителя.

Помимо этого, в вихревой камере заявляемой установки узел подачи влажного влагопоглотителя размещается на входном тангенциальном патрубке вихревой камеры и выполнен в виде роторного, метательного устройства, при работе которого метание частиц влажного влагопоглотителя направлено против высокоскоростного потока теплоносителя, что дополнительно обеспечивает достижение высоких относительных скоростей, равномерное распределение частиц влагопоглотителя в потоке теплоносителя, что является основой для качественного нагрева и сушки частиц влагопоглотителя.

В вихревой камере узел питания шнек осуществляет подачу частиц материала аксиально, что не обеспечивает равномерного распределения частиц в потоке теплоносителя, что в известной мере ухудшает качество нагрева и сушки частиц материала.

Высокие относительные скорости и равномерность распределения частиц влагопоглотителя в вихревой камере позволяет в течение 3-4 с нагреть равномерно всю структуру частиц влагопоглотителя до 150^oC и значительное количество капиллярной влаги перевести в парообразное состояние. За этот период времени в вихревой камере испаряется 60% влаги (влажность влагопоглотителя на входе 23% а на выходе 11,5% ). Влагонапряжение вихревой камеры составляет 690 кг/м•с, температура газов на входе 450^oC, на выходе из вихревой камеры 176^oC.

Требуемый объем вихревой камеры применительно к обеспечиванию производительности в вышеуказанном примере составит:

где g_в.к объемное влагонапряжение вихревой камеры.

В предлагаемой установке испаритель выполнен в виде винтового конвейера с подключенным к нему вакуум-насосом. Известны винтовые конвейеры, предназначенные для транспортировки кусковых и пылевых материалов, однако в винтовом конвейере (испарителе), помимо транспортировки, осуществляется испарение оставшейся капиллярной влаги влагопоглотителя до конечной влажности 1,7% Наличие в приводе испарителя вариатора скорости позволяет изменить время пребывания частиц влагопоглотителя в испарителе и тем самым корректировать конечную влажность частиц влагопоглотителя.

В испарителе происходит интенсивное выделение влаги в виде пара. Объемное влагонапряжение в испарителе достигает 400 кг/м³•ч, такая высокая величина влагонапряжения объясняется рядом причин:
а) интенсивное перемещение и пересыпание частиц влагопоглотителя при транспортировке, чему способствуют наличие подъемных лопаток на лопастях испарителя;
б) наличие вакуума (200 мм рт.ст.), создаваемого в объеме испарителя вакуум-насосом, что увеличивает движущую силу процесса массоотдачи от поверхности частиц влагопоглотителя в объеме испарителя;
в) равномерность предварительного нагрева частиц влагопоглотителя в вихревой камере, что обуславливает отсутствие градиента температуры внутри частицы влагопоглотителя. При сушке влагопоглотителя в кипящем слое температура поверхности частицы превышает температуру ядра частицы, тем самым градиент температуры направлен против направления миграции влаги и оказывает тормозящее воздействие на интенсивность сушки в кипящем слое. В испарителе же вследствие испарения влаги с поверхности частицы в определенный момент времени температура поверхности оказывается несколько ниже температуры в ядре частицы и тем самым градиент температуры совпадает с направлением потока влаги и пара от ядра к поверхности частицы влагопоглотителя и тем самым ускоряет эту миграцию влаги к поверхности частицы влагопоглотителя.

Применительно к выше указанному примеру для испарения оставшихся 40% влаги из влагопоглотителя объем испарителя составит:

где g_исп объемное влагонапряжение испарителя.

Суммарный объем аппаратов для сушки влагопоглотителя с целью удаления из него влаги в количестве W=2400 кг/ч составит:

Как видно из расчетов, при наличии в установке комбинации вихревой камеры и испарителя по сравнению с наличием в установке сушилки кипящего слоя приводит в итоге к уменьшению объемов аппаратов для сушки влагопоглотителя в 4,3 раза:

При сопоставимых объемах комбинации вихревой камеры и испарителя, с одной стороны, и сушилки кипящего слоя с другой, появляется возможность резкого увеличения производительности по сушке влагопоглотителя и как следствие в целом производительности установки по обезвоживанию вязких материалов. Наличие в установке трубопровода, по которому 40% отработанных газов направляются к горелке и к щелевому регистру, позволяет термически диссоацировать токсичные компоненты меркаптан, сероводород, аммиак, метан на более простые нетоксичные компоненты. Огневое термическое обеззараживание 40% отходящих газов позволяет снизить в целом суммарный выброс токсичных компонентов в атмосферу, что соответствует целям экологии.

Известны способы термического обезвреживания отходящих газов, в которых подвод отработанных газов осуществляется непосредственно к корню факела горения, но подача больших количеств отработанных газов к корню факела горения приведет к высокой забаллостированности, что может стать причиной нестабильного горения и возможности обрыва факела горения. В предлагаемой установке поток отработанных газов в равных количествах подается в горелку и в щелевой регистр.

Подача части потока отработанных газов в щелевой регистр и последующий переток их в зону аэродинамического конуса горения горелки способствует хорошему смесеобразованию, равномерному распределению порций токсичных компонентов в зоне горения факела, что обеспечивает хороший выжиг токсичных компонентов без нарушения устойчивости факела горения горелки. Подача же части отработанных газов непосредственно в горелку вместе с воздухом на горение также обеспечивает равномерность и однородность горючей смеси, поступающей на горение в горелку и тем самым исключает возможность локального забаллостирования горючей смеси, которая также может стать причиной неустойчивого горения.

60% отработанных газов от вытяжного вентилятора подаются на очистку от аммиака и соединений серы в форсуночный абсорбер, где происходит промывка газов водой, сопровождающееся поглощением части аммиака и меркаптана водой. Состав и концентрация газов на выбросе в атмосферу показаны в таблице, приведенной ниже.

Тот факт, что лишь 60% отработанных газов выбрасываются в атмосферу, и при том, что в них концентрация двуокиси серы, сероводорода, метана, меркаптана и аммиака ниже, чем при варианте переработки вязкого материала - птичьего помета в барабанной сушилке, является положительным фактором, отвечающим требованиям экологии.

На фиг. 1 изображена технологическая линия установки; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 установка лопаток в испарителе; на фиг. 4 - разрез по Б-Б на фиг. 1.

Установка для обезвоживания вязких материалов, к примеру птичьего помета, содержит связанный с дозаторами помета 1 и влагопоглотителя 2 смеситель 3, на выходе которого установлено приспособление 4 для разделения смеси на компоненты (например, грохот), соединенное патрубком вывода 5 влагопоглотителя с узлом для его сушки, который сообщен с источником подачи теплоносителя 16 и циклоном 8, а также посредством трубопровода 19 выхода влагопоглотителя соединен с дозатором влагопоглотителя 2, при этом устройство для сушки влагопоглотителя выполнено в виде установленных последовательно вихревой камеры 7 с питателем-забрасывателем 6 и испарителя, который выполнен в виде винтового конвейера 9 с установленными на его лопастях лопатками 11, снабжен вариатором 10 изменения числа оборотов вала конвейера 9, а также вакуум-насосом 12, всасывающий патрубок которого сообщен с патрубком вывода паров испарителя, при этом установка снабжена устройством для очистки отработанных газов, которое выполнено в виде сообщенного с циклоном 8 вытяжного вентилятора 13, а также в виде форсуночного абсорбера 14, входной патрубок которого соединен с выходами вакуум-насоса 12 и циклона 8 через вытяжной вентилятор 13, а также средством 15 подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя 16, который выполнен в виде горелки 17 и связанного с ней щелевого регистра 18, а средство 15 подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя 16 выполнено в виде трубопровода, вход которого соединен с входным патрубком абсорбера 14, а выход с выходом горелки 17 и щелевого регистра 18.

Установка для обезвоживания вязких материалов, например птичьего помета, работает следующим образом. Из дозаторов 1 и 2 в смеситель 3 подаются порции влажного птичьего помета и влагопоглотителя. В смесителе 3 осуществляется впитывание влаги птичьего помета в капилляры влагопоглотителя. По мере впитывания влаги и транспортировки смеси в смеситель 3 птичий помет высушивается и приобретает сыпучие свойства. Из смесителя 3 сыпучая масса поступает в приспособление 4 для разделения смеси на компоненты, где осуществляется просев и отделение обезвоженного помета от частиц влагопоглотителя. Обезвоженный птичий помет с влажностью 15% поступает к потребителю.

Влагопоглотитель по патрубку 5 вывода влагопоглотителя самотеком направляется к питателю-забрасывателю 6, который метает порции влагопоглотителя навстречу потоку теплоносителя, имеющего температуру 450^oC и скорость 50 м/с. Интенсивный теплообмен между потоком теплоносителя и частицами влагопоглотителя обуславливается высокими относительными скоростями и интенсивной круткой частиц влагопоглотителя непосредственно в корпусе вихревой камеры 7. В результате интенсивного теплообмена осуществляется скоростной нагрев влагопоглотителя до температуры 150^oC, температура газов на выходе из вихревой камеры 176^oC. Одновременно с нагревом влагопоглотителя происходит испарение влаги, влажность цеолита на выходе из вихревой камеры 7 составляет 11,5%
Вся газовзвесь из вихревой камеры 7 поступает в циклон 8, где также за счет крутки происходит дополнительный нагрев частиц влагопоглотителя до 160^oC. В циклоне 8 происходит отделение частиц влагопоглотителя от отработанного потока теплоносителя, который отсасывается вытяжным вентилятором 13. Тот факт, что частицы влагопоглотителя имеют узкий гранулометрический состав (3-6 мм) и в нем отсутствуют пылевые фракции, пылеунос из циклона 8 практически отсутствует. Из циклона 8 нагретый и частично высушенный влагопоглотитель подается в испаритель, представляющий собой винтовой конвейер 9, оснащенный вариатором 10 и соединенный с вакуум-насосом 12. В испарителе за счет транспортировки и пересыпания частиц влагопоглотителя за счет подъема и сброса их с лопаток 11 и вследствие вакуума (200 мм рт.ст.) происходит интенсивное испарение влаги из влагопоглотителя. Конечная влажность влагопоглотителя (W_к= 1,7% ) корректируется временем пребывания влагопоглотителя в конвейере 9, которое достигается изменением скорости вращения вала конвейера 9 посредством вариатора 10. Высушенный влагопоглотитель из испарителя по трубопроводу 19 подается в дозатору 2 вновь для обезвоживания новых порций птичьего помета. Пары влаги из конвейера 9 отсасываются вакуум-насосом 12 и далее подаются на всос вытяжного вентилятора 13. За вытяжным вентилятором 13 поток отработанных газов делится на 2 потока - 60% газов поступают во входной патрубок форсуночного абсорбера 14, а 50% газов по трубопроводу 15 направляются на огневое обезвреживание в горелку 17 и в щелевой регистр 18. В факеле горелки 17 в результате предварительного смешивания газообразного топлива, воздуха на горение и потока отработанных газов происходит качественный выжиг токсичных компонентов.

Подвод потока отработанных газов к щелевому регистру 18 и истечение отработанных газов с высокой скоростью из криволинейных щелей регистра 18 обеспечивает закрутку потока и перемешивание потока отработанных газов с аэродинамическим конусом факела горения горелки 17, что в конечном итоге обеспечивает выжиг токсичных компонентов. Потоком воздуха, подаваемого в источник подачи теплоносителя 15, происходит разбавление продуктов сгорания до температуры 450^oC, которые из позиции 15 подаются в вихревую камеру 7.

Поток части отработанных газов (60%), направляемых от вытяжного вентилятора 13 в форсуночный абсорбер 14, происходит промывку водой и частично очищается от аммиака и меркаптана. Слив из форсуночного абсорбера 14 поступает в емкости и может быть использован для полива полей. Очищенный газовый поток из форсуночного абсорбера 14 выбрасывается в атмосферу. Выбрасываемые в атмосферу газы имеют более низкие концентрации токсичных компонентов, чем при обезвоживании вязкого материала птичьего помета в установке.

Использование предлагаемой установки по обезвоживанию вязких материалов позволит повысить производительность в 1,9 раза по сравнению с прототипом, а также обеспечить экологически более чистый процесс обезвоживания вязких материалов.

Использование: в сельском хозяйстве, а именно при переработке птичьего помета. Сущность изобретения: установка для обезвоживания вязких материалов содержит дозаторы, смеситель, грохот, теплогенератор, циклон, вытяжной вентилятор, линию возврата цеолита. Между теплогенератором и вытяжным вентилятором наряду с циклоном установлены вихревая камера с питателем-забрасывателем, испаритель в виде винтового конвейера с присоединенным к нему вакуум-насосом. Теплогенератор снабжен горелкой и цилиндрическим щелевым регистром. От вытяжного вентилятора 60% в газов направляется в форсуночный абсорбер, остальные газы по рециркуляционному трубопроводу в равных количествах направляются к горелке и к цилиндрическому щелевому регистру. Испаритель снабжен вариатором и подъемными лопатками. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Установка для обезвоживания вязких материалов, например птичьего помета, содержащая связанный с дозаторами помета и влагопоглотителя смеситель, на выходе которого установлено приспособление для разделения смеси на компоненты, соединенное патрубком вывода влагопоглотителя с узлом для его сушки, который сообщен с источником подачи теплоносителя и циклоном, а также посредством трубопровода выхода влагопоглотителя соединен с дозатором влагопоглотителя, отличающаяся тем, что узел для сушки влагопоглотителя состоит из установленных последовательно вихревой камеры с питателем-забрасывателем и испарителя, который выполнен в виде винтового лопастного конвейера с установленными на его лопастях лопатками, снабжен вариатором изменения числа оборотов вала конвейера, а также вакуум-насосом, всасывающий патрубок которого сообщен с патрубком вывода паров испарителя, при этом установка снабжена устройством для очистки отработанных газов, которое состоит из сообщенного с циклоном вытяжного вентилятора и форсуночного абсорбера, входной патрубок которого соединен с выходами вакуум-насоса и циклона через вытяжной вентилятор, а также снабжена средством подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что источник подачи теплоносителя выполнен в виде горелки и связанного с ней щелевого регистра, а средство подачи части отработанных газов к источнику подачи теплоносителя выполнено в виде трубопровода, вход которого соединен с выходным патрубком адсорбера, а выход с входом горелки и щелевого регистра.