УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ Российский патент 2001 года по МПК C10B1/04 C10B15/02 C10B53/02 

Изобретение относится к области пиролиза древесины, а именно к получению древесного угля без отбора парогазов, и может быть использовано для получения качественного древесного угля-сырца, необходимого в черной металлургии (при выплавке чугуна в доменной печи), в цветной металлургии (в производстве алюминия, в рафинировании меди), производстве ферросплавов (сплавов железа с магнием, кремнием), в производстве особо чистого кристаллического кремния (для промышленности полупроводников), как экологически чистое топливо в быту.

Качественный древесный уголь - это прочный продукт, содержащий нелетучего углерода не менее 85%. Для получения качественного древесного угля необходимо создание высокотемпературного режима в зоне пиролиза древесины и обеспечение устойчивого горения газов при недопущении потерь тепла из реторты наружу, так как углеродность угля снижается при уменьшении количества подводимого к древесине высокотемпературного тепла, а также важно обеспечение равномерного обогрева древесины как снаружи, так и изнутри-реторты при недопущении застревания древесины в полости реторты, так как при застревании древесины в полости реторты происходит неравномерный обогрев древесины, в результате чего для наружной поверхности куска древесины наступает перегрев, в то время как в центре куска древесины происходит недогрев, что вызывает напряжения, вследствие которых образуются трещины, которые снижают сопротивление угля раздавливанию, т.е. уменьшают его прочность.

Известны различные установки для получения древесного угля. Известна установка [1], включающая наружную рубашку с крышкой, источник газового тепла, внутреннюю емкость для древесины с входным и выходным трубопроводами для подвода и вывода газа, нагревающего древесину, средство для перекрывания входного и выходного трубопроводов, штуцер для вывода парогазов пиролиза. Внутренняя емкость с древесиной помещается в наружную рубашку и осуществляется процесс нагревания древесины от источника газового тепла при закрытой крышке рубашки. Необходимое для обогрева древесины тепло обеспечивается циркуляцией горячего газового потока снаружи внутренней емкости. Для повышения прочности получаемого древесного угля в этой установке использовано сырье из древесины прочной породы эвкалипта. Недостатками данной установки являются: неустойчивое горение низкокалорийных газов при закрытой крышке рубашки, что уменьшает углеродность древесного угля, а также отсутствие обогрева древесины изнутри внутренней емкости, приводящее к неравномерному обогреву древесины, в результате чего получается трещиноватый уголь.

Известна другая установка [2], включающая печную камеру с крышкой, топочное устройство, реторту с отверстиями для выхода парогазов, дымоход. Реторта с древесиной помещается внутрь печной камеры с помощью крана и осуществляется нагревание древесины при закрытой крышке печной камеры. Необходимое для обогрева тепло древесина получает через стенку реторты от горячих дымовых газов (образующихся от сгорания топлива в топке), которые обтекают реторту снаружи. Недостатками данной установки являются: неустойчивое горение низкокалорийных газов при закрытой крышке печной камеры и потери тепла из реторты наружу через ее металлическую стенку, приводящее к уменьшению углеродности древесного угля, а также отсутствие обогрева древесины изнутри реторты, приводящее к неравномерному обогреву древесины, в результате чего получается трещиноватый непрочный уголь.

Известна также установка [3], предназначенная для получения активированного угля, включающая печную камеру с окнами и с крышкой, топочное устройство, реторту с крышкой и с отверстиями для выхода парогазов, выполненными в нижней части реторты, канал с отверстиями для подачи пара в полость реторты, установленный внутри реторты по ее оси, дымоход. Реторта с древесиной помещается внутри печной камеры с помощью крана и осуществляется нагревание древесины при закрытой крышке печной камеры следующим образом. Через топочное устройство подают и поджигают топливо. Дымовые газы от сжигания топлива в топке через окна в печной камере поступают в дымоход и обтекают реторту снаружи. А в установленный внутри реторты (по ее оси) канал с отверстиями для подачи пара в полость реторты поступает водяной пар. Древесина, находящаяся в реторте, получает необходимое для пиролиза тепло как снаружи от дымовых газов через стенку реторты, так и от водяного пара изнутри реторты через отверстия в канале. Недостатками данной установки являются: застревание древесины между каналом, по которому подается пар, и стенкой реторты, приводящее к неравномерному обогреву древесины, в результате чего получается трещинноватый непрочный уголь, а также неустойчивое горение низкокалорийных газов при закрытой крышке реторты и потери тепла из реторты наружу через ее стальную стенку, что приводит к уменьшению углеродности угля. Эта установка не может быть использована для получения качественного древесного угля-сырца, т.к. обработка водяным паром приводит к тому, что получаемый продукт полностью теряет все углеводороды и превращается из угля-сырца в активированный уголь, который обладает другими свойствами и применяется в иных целях (в медицине для поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта, в противогазах в качестве адсорбента).

Наиболее близкой по технической сути к заявляемому изобретению является установка [4], включающая печную камеру с крышкой, топочное устройство, реторту с отверстиями для выхода парогазов, выполненными в днище реторты, причем печная камера снабжена размещенным внутри нее по вертикальной оси приспособлением для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива, которое представляет собой или жаровую трубу, размещенную внутри реторты соосно, или цилиндрическую перегородку, установленную по периметру печной камеры между ее стенкой и ретортой. Циркуляционная жаровая труба жестко прикреплена (приварена) к дымопроводу. Данная установка работает следующим образом. Цельнометаллическая реторта с древесиной помещается внутри печной камеры с помощью монтируемого консольного поворотного крана, причем опорой для монтажа консольного поворотного крана является дымовая труба. Затем осуществляется нагревание древесины без доступа воздуха, происходящее следующим образом. Через топочное устройство подают и поджигают топливо. Дымовые газы от сжигания топлива в топке поступают в кольцевое пространство между корпусом печи и стенкой реторты и передают тепло древесине, находящейся в реторте. Необходимое для пиролиза тепло древесина получает как снаружи через стальную стенку реторты, так и изнутри через циркуляционную жаровую трубу, жестко прикрепленную к дымопроводу. Недостатками установки являются: застревание древесины между жестко прикрепленной к дымопроводу жаровой трубой и стенкой реторты, приводящее к неравномерному обогреву древесины, в результате чего получается трещинноватый непрочный уголь, а также неустойчивое горение низкокалорийных газов при закрытой крышке печной камеры и потери тепла из реторты наружу через ее стальную стенку, приводящие к уменьшению углеродности древесного угля. Кроме того, в данной установке монтаж консольного поворотного крана выполнен с использованием дымовой трубы в качестве опоры, что усложняет эксплуатацию установки.

Таким образом, данная установка, как и описанные выше, не позволяет получать уголь-сырец высокого качества, т.к. застревание древесины в полости реторты приводит к тому, что для наружной поверхности куска древесины наступает перегрев, в то время как в центре куска происходит недогрев, что вызывает напряжения, вследствие которых образуются трещины, которые снижают сопротивление угля раздавливанию, т.е. уменьшают его прочность, а неустойчивое горение низкокалорийных газов при закрытой крышке печной камеры и потери тепла из реторты наружу через ее стальную стенку приводят к уменьшению количества подводимого к древесине высокотемпературного тепла, в результате чего снижается углеродность получаемого древесного угля.

Поставленной задачей является повышение качества древесного угля в части увеличения его углеродности и прочности.

Поставленная задача решается тем, что в установке для производства древесного угля, включающей топочное устройство, реторту для выхода парогазов и с крышкой в верхней части, а также приспособление для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива, выполненное в виде полого цилиндра, размещенное внутри реторты по ее вертикальной оси, согласно заявляемому изобретению реторта дополнительна снабжена отверстием для ввода струи воздуха, выполненным в ее стенке на уровне верхней части зоны пиролиза, отверстиями в днище реторты для входа дымовых газов и отверстием в верхней части реторты для выхода дымовых газов, при этом отверстие для выхода парогазов выполнено в стенке реторты на уровне нижней части зоны пиролиза, а полый цилиндр приспособления для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива выполнен из жаропрочной стали, снабжен отверстиями для выхода дымовых газов в полость реторты и прикреплен к реторте с возможностью свободного горизонтального движения, кроме того, реторта с крышкой снабжены размещенным снаружи покрытием из теплоизолирующего сформованного материала. Крепление полого цилиндра к реторте может быть выполнено в виде цепей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание высокотемпературного режима в зоне пиролиза древесины и обеспечение устойчивого горения газов при недопущении потерь тепла из реторты наружу, а также обеспечение равномерного обогрева древесины как снаружи, так и изнутри реторты при недопущении застревания древесины в полости реторты.

Сущность изобретения поясняется чертежами установки: фиг. 1 - принципиальная схема установки, фиг. 2 - план установки при снятой крышке.

Предлагаемая установка для производства древесного угля-сырца включает топочное устройство 1, реторту 2 из жаропрочной стали, которая содержит крышку 3 из жаропрочной стали. Реторта 2 с крышкой 3 снабжены прикрепленными снаружи с помощью крепежных обручей матами 4 из теплоизолирующего сформованного материала (например, хризотил-асбеста, Mg₆[Si₄O₁₀][OH]₈). Реторта 2 снабжена размещенным внутри ее полым цилиндром 5 из жаропрочной стали с отверстиями 6 для выхода дымовых газов в полость реторты 2. Полый цилиндр 5 прикреплен к реторте 2 с возможностью свободного горизонтального движения, например, при помощи цепей 7. Реторта 2 снабжена отверстием 8 для выхода парогазов, выполненным в стенке реторты 2 на уровне нижней части зоны пиролиза и отверстием 9 для ввода струи воздуха в верхнюю часть зоны пиролиза. Реторта 2 снабжена отверстиями 10 для входа дымовых газов, выполненными в днище реторты 2, и отверстием 11 для выхода дымовых газов, выполненным в верхней части реторты 2.

Для обеспечения полного сгорания парогазов реторта 2 может быть снабжена размещенной снаружи свечой 12, выполненной в трубе 13, сообщенной с отверстием 8. Для подачи струи воздуха в отверстие 9 реторта 2 снабжена размещенным снаружи вентилятором 14, который через патрубок 15 сообщен с отверстием 9. Реторта 2 может быть снабжена размещенным снаружи газоочистительным электрофильтром 16, выполненным в дымовой трубе 17, сообщенной с отверстием 11. Реторта 2 снабжена размещенными снаружи регулирующими заслонками 18. Реторта 2 может быть дополнительно снабжена размещенными внутри нее и прикрепленными к ее стенке с помощью сварки кольцеобразными козырьками 19, расположенными перпендикулярно вертикальной оси реторты 2 на равном расстоянии друг под другом, и трапециевидными ребрами 20, расположенными по периметру реторты 2 на равном расстоянии друг от друга. Вентилятор 14, патрубок 15, электрофильтр 16, регулирующие заслонки 18, козырьки 19 и ребра 20 выполнены из жаропрочной стали.

Предлагаемая установка работает следующим образом. Древесину загружают в реторту 2 при открытой крышке 3. Затем закрывают крышку 3 и через топочное устройство 1 подают и сжигают топливо при температуре 1200-1300^oC. Горячие дымовые газы от сжигания топлива поступают в полость реторты 2 через отверстия 10. Поднимаясь противотоком к древесине в верхнюю часть реторты 2 (зону сушки древесины), дымовые газы нагревают древесину снаружи. Затем дымовые газы засасываются в цилиндр 5, из которого через отверстия 6 выходят в полость реторты 2, нагревая древесину изнутри, чем обеспечивается равномерный обогрев древесины. Благодаря тому, что полый цилиндр 5 крепится к реторте 2 при помощи цепей 7, обеспечивается свободное горизонтальное движение полого цилиндра 5, не допуская застревания древесины в полости реторты 2, что также способствует равномерному обогреву древесины. В результате равномерного обогрева древесины исключается возможность возникновения напряжений (вызывающих образование трещин, снижающих сопротивление древесного угля раздавливанию, т.е. уменьшающих его прочность). Отдав древесине тепло, горячие дымовые газы высушивают ее, а сами охлаждаются. Отработанные дымовые газы уходят из реторты 2 через отверстие 11 при открытой заслонке 18 в атмосферу за счет тяги дымовой трубы 17, пройдя предварительную газоочистку от примесей в электрофильтре 16, не ухудшающем тягу. Под влиянием высокой температуры образуется древесный уголь в результате термического разложения древесины в средней части реторты (зоне пиролиза), куда древесина опускается под собственным весом. Кроме древесного угля, представляющего собой твердый полимерный остаток, в результате термического разложения древесины выделяются низкомолекулярные летучие продукты распада - парогазы пиролиза. Для обеспечения устойчивого горения низкокалорийных дымовых газов в условиях недостатка воздуха в реторте 2, закрытой крышкой 3, в отверстие 9 вводится струя воздуха из вентилятора 14 через патрубок 15. В результате выделения тепла от выгорания кислорода (входящего в состав струи воздуха) при его контакте с горючими газами пиролиза (выделяющимися при термическом разложении древесины) температура в зоне пиролиза существенно повышается и в зоне пиролиза устанавливается высокотемпературный режим, способствующий получению угля с высоким содержанием углерода. Благодаря теплоизоляции реторты 2 с крышкой 3 размещенными снаружи минераловолокнистыми матами 4 из теплоизолирующего сформованного материала (например: хризотил-асбеста, Mg₆[Si₄O₁₀][OH]₈) не допускаются потери тепла из реторты 2 через ее стальную стенку наружу вследствие хорошей теплопроводности стали. Поэтому около термически разлагающейся древесины концентрируется максимальное количество высокотемпературного тепла, что способствует получению высокоуглеродного древесного угля, повышая его качество. Парогазы пиролиза выходят из реторты 2 через отверстие 8 и попадают в трубу 13 со свечой 12, где сгорают в виде факела, что исключает попадание в атмосферу вредных по составу парогазов, так как продукты от их горения в факеле не содержат никаких вредных примесей. Полученный древесный уголь из средней части реторты 2 (зоны пиролиза древесины) движется вниз, не прилипая к ее стенке, в нижнюю часть реторты 2 (зону прокалки угля), где при прокаливании удаляют летучие углеводороды. Недопущение прилипания угля к стенке реторты 2 обеспечивается козырьками 19 и ребрами 20, что способствует повышению качества угля в части повышения его прочности (т.к. прилипание угля к стенке реторты приводит к получению неравномерно прокаленного трещиноватого угля).

В описанной выше установке обеспечивается равномерный прогрев древесины, устойчивое горение газов в условиях недостатка воздуха в закрытой реторте, высокотемпературный режим в зоне пиролиза, отсутствие потерь тепла из реторты наружу через ее стенку, недопущение застревания древесины в полости реторты и прилипания древесного угля к стенке реторты, поэтому в ней получается высокоуглеродистый и прочный уголь-сырец. При этом вредные выбросы в атмосферу отсутствуют, так как дымовые газы проходят газоочистку от примесей в электрофильтре, не ухудшающем тягу, а парогазы пиролиза сжигаются в трубе со свечой в виде факела, что исключает попадание в атмосферу вредных по составу парогазов, поскольку продукты от их горения в факеле не содержат никаких вредных примесей.

Таким образом, описанная установка проста в эксплуатации и позволяет получить древесный уголь-сырец высокого качества с повышенной углеродностью и прочностью при отсутствии загрязнения окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка Франции N 258342. Публ. 86.12.19. "BULLETIN OFFICIEL DE LA PROPRIETE INDUSTRIELLE"
2. Выродов В. А. , Кислицын A.H., Глухарева М.И. "Технология лесохимических производств" - М.: Лесная промышленность, 1987, с. 217.

3. Патент РФ N 2105032. Публ. 98.02.20, заявка N 5035602/25 от 92.04.02.

4. Авт.св. SU N 1790209. Публ. 95.11.27. Бюл. N 33, заявка N 4876827/05 от 90.09.21.

Изобретение относится к области пиролиза древесины. Использование: для получения древесного угля-сырца высокого качества. Содержит топочное устройство, реторту с отверстиями для входа и выхода дымовых газов, для выхода парогазов, для ввода струи воздуха. Реторта снабжена крышкой в верхней части и приспособлением для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива, размещенным внутри реторты по ее вертикальной оси с возможностью свободного горизонтального движения, например, с помощью цепей, что не допускает застревания древесины в полости реторты и способствует равномерному обогреву древесины. Кроме того, реторта с крышкой снабжены снаружи покрытием из теплоизолирующего сформованного материала. Установка проста в эксплуатации, обеспечивает высокотемпературный режим в зоне пиролиза, отсутствие потерь тепла из реторты наружу через ее стенку и исключает возникновение напряжений, вызывающих образование трещин, что позволяет получать качественный уголь-сырец с высокой углеродностью и прочностью при отсутствии загрязнения окружающей среды 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для производства древесного угля, включающая топочное устройство, реторту с отверстием для выхода парогазов и с крышкой в верхней части, а также приспособление для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива, выполненное в виде полого цилиндра и размещенное внутри реторты по ее вертикальной оси, отличающаяся тем, что реторта дополнительно снабжена отверстием для ввода струи воздуха, выполненным в ее стенке на уровне верхней части зоны пиролиза, отверстиями в днище реторты для входа дымовых газов и отверстием в верхней части реторты для выхода дымовых газов, при этом отверстие для выхода парогазов выполнено в стенке реторты на уровне нижней части зоны пиролиза, а полый цилиндр приспособления для циркуляции дымовых газов от сжигания топлива выполнен из жаропрочной стали, снабжен отверстиями для выхода дымовых газов в полость реторты и прикреплен к реторте с возможностью свободного горизонтального движения, кроме того, реторта с крышкой снабжены размещенным снаружи покрытием из теплоизолирующего сформованного материала. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что крепление полого цилиндра к реторте с возможностью свободного горизонтального движения выполнено в виде цепей.