СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК C10B1/04 C10B53/02 

Изобретение относится к химии, а именно к пиролизу древесины, и может быть использовано при проектировании и создании оборудования для промышленного производства древесного угля повышенной плотности и сопутствующих химических соединений.

Известны технические решения, используемые для получения древесного угля высокого качества. Установка для производства древесного угля по патенту РФ на изобретение 2175666 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.

Недостатком этого устройства является его низкая производительность.

Известно устройство и способ получения древесного угля по патенту РФ на изобретение 2045568. Устройство выполнено в виде стальной вертикальной реторты, снабженной несколькими связанными между собой камерами. Реторта установлена под углом 40-60^o к горизонтальной поверхности земли и имеет 3-5 камер-секций, отделенных друг от друга дырчатыми вертикальными подъемными шиберами, обеспечивающими при последовательном поднятии перемещение древесины в каждую последующую камеру. Нагрев древесины в камерах-секциях до 400-600^oС производят последовательно в разных температурных интервалах, а ее выгрузку осуществляют периодически.

Известно также устройство для производства древесного угля по заявке РФ на изобретение 93027394. Устройство содержит вертикально установленный цилиндрический корпус, разделенный по высоте усеченными конусами на зоны сушки, пиролиза древесины и прокалки угля, топочную камеру и газовый контур в виде трубопровода с газодувкой для подачи парогазов из нижней части зоны пиролиза в топочную камеру. Топочная камера расположена в зоне прокалки угля. Имеется второй газовый контур в виде трубопровода с регулирующим шибером для подачи дымовых газов из топочной камеры в нижнюю часть зоны сушки.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому способу является техническое решение, описанное в патенте РФ на изобретение 2042704. Способ по этому изобретению включает сушку и пиролиз древесной массы путем нагрева газообразным теплоносителем, отвод отработанного теплоносителя со стадии сушки и охлаждение полученного угля, причем отработанный теплоноситель рециркулирует на стадию сушки. Отработанный теплоноситель берут в соотношении к газообразному теплоносителю (3-4):1 и вводят в зону, в которой относительная влажность древесины составляет 10-25%.

При реализации способа выполняют экструзию исходного сырья, затем измельченные древесные отходы с размерами 150х240 или 20х(30-200) мм влажностью 45±5% через загрузочное устройство периодически (с постоянной частотой) загружают в реторту (диаметр 3 м, высота основного цилиндра 7,2 м). Загруженная в реторту древесная масса, а затем уголь проходят следующие зоны; сушка древесной массы 230-(150-120)^oС, топочная зона 800^oС, пиролиз древесной массы 500-550^oС, прокалка угля 500^oС, охлаждение угля 500-50^oС. Образующиеся при пиролизе древесины парогазы из нижней части зоны прокалки угля турбогазодувкой подают в верхнюю часть топочной зоны, сюда же воздуходувкой подают необходимое (минимальное) для горения количество воздуха. При этом большую часть парогазов сжигают. Часть смеси парогазов и продуктов их сжигания (температура до 800^oС) поступает в нижележащую зону пиролиза, а часть - на сушку древесной массы.

Эту часть газов смешивают с отходящим теплоносителем после зоны сушки в соотношении отработанный теплоноситель : продукты сгорания 3:1, обеспечивая температуру в зоне сушки 230^oС в точке, где влажность древесины 15%. Сформированный таким образом теплоноситель проходит через слой древесной массы противотоком и направляется через трубу в атмосферу.

Древесный уголь после зоны прокалки проходит зону охлаждения. Газы, забираемые с верхней границы зоны охлаждения угля, после очистки в циклоне и охлаждения в воздушном холодильнике подают в нижнюю часть реторты. Уголь из реторты выгружают через систему затворов. По своим качественным показателям товарный уголь отвечает требованиям: массовая доля нелетучего углерода 91%, зольность 2,4%, влажность 4,0%, массовая доля мелочи 3,5%. Эти показатели соответствуют требованиям ГОСТ 7657-84.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является описанное в патенте Германии 2523238 техническое решение, использующее экструзионную установку и пиролизную установку.

Однако достичь высокой плотности древесного угля, которая определяет его основные потребительские свойства, как топлива или сырья для получения генераторного газа, указанные технические решения не позволяют.

Задачей заявляемых технических решений является получение из измельченной древесины товарного древесного угля повышенной плотности и планируемой углеродистости, а также получение сопутствующих товарных химических соединений планируемого состава.

Это достигается тем, что способ получения древесного угля из измельченной древесной массы, включающий сушку, нагревание, пиролиз, прокаливание и охлаждение, отличается тем, что древесную массу подвергают высокотемпературной бескислородной сушке к нагреву в потоке технологического газа до температуры 190-250^oС и влажности 2-6%, а также предварительному динамическому прессованию давлением 300-1200 кг/см² до плотности 350-1000 кг/м³ с повышением температуры до 220-280^oС, в процессе пиролиза проводят управляемые термические и термогазодинамические импульсные воздействия с раздельным отводом парогазов, обращая древесную массу в древесный уголь, далее, при необходимости, древесный уголь прокаливают и прессуют управляемыми термическими и термогазодинамическими воздействиями, после чего предварительно охлаждают под давлением без доступа кислорода, а затем выполняют окончательное бескислородное охлаждение.

Данный способ отличается также тем, что древесную массу и полученный из нее древесный уголь подвергают комбинациям различных воздействий, включающих в себя нагрев, охлаждение, выдержку под давлением, отвод парогазов, цикличное, ацикличное или резонансное газодинамическое прессование, получая древесный уголь необходимой плотности и углеродистости и парогазы необходимого состава.

При этом устройство для получения древесного угля из измельченной древесной массы, содержащее экструзионную установку и пиролизную установку, отличается тем, что экструзионная и пиролизная установки содержат системы управления, пиролизная установка содержит, как минимум, одно пиролизное устройство, которое, в свою очередь, состоит из камер отвода парогазов, камер управляемого отвода парогазов, камер термогазодинамических воздействий, камер-нагревателей и камер-охладителей, каждая из которых имеет канал движения древесной массы или древесного угля, причем каналы всех камер соединены в общий реакционный канал, к входу которого подключена гидросистема подачи древесной массы, взаимодействующая с экструзионной установкой, а с выходом общего канала соединен бункер приема древесного угля, причем количество и последовательность камер пиролизного устройства определяется необходимым качеством конечных продуктов пиролиза.

Суть предложения поясняют чертежи, где на фиг.1 показан пример реализации реакционного канала пиролизной установки. На фиг.2-6 представлены соответственно конструкции камеры отвода парогазов, камеры регулируемого отвода парогазов, камеры термогазодинамического воздействия, камеры-нагревателя и камеры-охладителя. На фиг.7 и 8 показаны соответственно схема устройства для получения древесного угля и система управления экструзионной и пиролизной установками.

Для реализации предложения используется ограниченное количество унифицированных элементов, основными из которых являются камеры пиролизной установки, представляющей собой вертикальную конструкцию, формируемую последовательным соединением камер, образующих общую реакционную зону в виде реакторной трубы с установленными на ней устройствами термических и термогазодинамических воздействий и отвода парогазов.

Для составления реакционной зоны с планируемым комплексом воздействий, камеры можно соединять между собой как регулярно, так и нерегулярно. Количество вариантов соединения камер 12-ти камерного пиролизного устройства превышает 1500000. Каждый вариант соединения, с точки зрения проведения процесса пиролиза, будет в некотором смысле уникальным по производительности и качеству получаемых в процессе пиролиза древесного угля, древесного газа и химических соединений. Один из вариантов такого соединения приведен на фиг. 1.

Предлагаемый процесс получения древесного угля повышенной плотности состоит из двух основных стадий: 1) подготовки древесной массы; 2) управляемого пиролиза древесной массы и прокалки древесного угля.

Древесная масса на стадии подготовки представляет собой измельченное отходы деревопереработки размером 1-16 мм в виде стружки, опилок, отходов гидролизного производства (лигнин и др.) и их смеси.

На стадии подготовки древесная масса подвергается:
- высокотемпературной бескислородной сушке и нагреву в потоке технологического газа до влажности 2-6% и температуры 190-250^oС;
- предварительному динамическому прессованию в шнековом экструдере до плотности 350-1000 кг/м³. Здесь происходит раздавливание, скручивание свивание и уплотнение генетической структуры древесины, повышение содержания лигнина и его пластификация, повышение температуры древесной массы до 220-280^oС;
- подаче древесной массы в пиролизное устройство.

Стадия управляемого пиролиза осуществляется в пиролизной установке 12345 (фиг. 1), представляющей из себя реактор высокого давления, трубчатого типа. Продвижение древесной фракции по реакционному каналу осуществляется с помощью управляемых перепадов давлений по длине трубы. На входе в канал пиролизной установки начальная подача древесной массы осуществляется с помощью поршня, приводимого в действие гидроцилиндром 60. При прямом ходе штока гидроцилиндра 60 осуществляется подача древесной массы под давлением в реакторную трубу, при обратном ходе - закачка новой порции древесной массы экструдером в рабочий цилиндр 61. Обратное перемещение древесной массы в гидроцилиндр предотвращается совместным действием экструдируемой новой порции древесной массы и сопротивлением трения нагрузочной трубы 62.

Продвижение древесной массы по длине реакционного канала осуществляется за счет управляемого импульсного повышения давления и сброса давления путем отвода парогазов в зонах.

Управление продвижением древесной массы и древесного угля, их пиролизом, прокалкой, сжатием и охлаждением осуществляется автоматикой, управляемой компьютером с помощью системы управления пиролизом.

Реакторная труба разделена на зоны, в которых происходят определенные воздействия на древесную массу. Состав этих зон зависит от требуемых конечных продуктов пиролиза и планируется на стадии проектирования. Так пример на фиг.1 представляет состав зон, необходимых для получения древесного угля средней плотности, древесного газа и жижки некритичного состава.

На входе в зону П1 интенсивного начального пиролиза камера 40-1 осуществляет нагрев древесной массы до температур 340-380^oС, причем пиролиз "задавлен" избыточным давлением парогазов. При продвижении прогретой древесной массы в камеру 10-1 начинается отвод парогазов через сетку-сепаратор, сбрасывается избыточное давление парогазов, начинается интенсивная экзотермическая реакция. Происходит повышение пористости верхних радиальных слоев древесной массы и дальнейший прогрев нижних. В следующей камере 10-2 процесс углубляется. В камере 30-1 производятся импульсные впрыски в зону пиролиза раскаленных технологических газов под давлением, что приводит к радиальным и осевым сдвигам структуры древесной массы и дальнейшему повышению ее температуры. В двух последующих камерах 10-3 и 10-4 идет очень интенсивная потеря массы и карбонизация древесной массы, температура по радиусу выравнивается.

В зоне П2 пиролиза с интенсивным сжатием сжатие древесной массы происходит за счет импульсного повышения давления и температуры по краям зоны П1 камерами 30-2 и 30-3 и отвода парогазов через камеры 10-5 и 20-1. Причем подбором правильного алгоритма импульсного повышения давления можно добиться очень высоких кинетических энергий сжатия древесной массы (учитывая резонансные явления).

В начале зоны П3 прокалки и "мягкого" сжатия находится нагревательная камера 40-2, поддерживающая высокую температуру, предотвращающая развитие конденсационных явлений и освобождая поверхность древесного угля от сорбированных и химсорбированных химических элементов и соединений. В последующих камерах 20-2 и 20-3 происходит импульсный сброс давления парогазов, что приводит к уплотнению древесной массы за счет "схлопывания" макропор, через которые осуществляется отвод парогазов из древесной массы, появлению новой структуры древесного угля.

В зоне О охлаждения находятся камеры 50-1, 50-2, 50-3 и 50-4, причем интенсивность охлаждения нарастает в каждой последующей камере. В первых двух охлаждение ведется воздухом, в следующих двух - водяное охлаждение. В процессе охлаждения сжатой древесной массы резко развиваются конденсационные процессы и новая структура древесного угля фиксируется.

В зоне Н нагрузки происходит дальнейшее медленное охлаждение и стабилизация сжатой структуры древесного угля.

Длина последних трех зон определяет величину предельных давлений сжатия в зоне пиролиза с интенсивным сжатием.

Окончательное охлаждение древесного угля осуществляется в бункере с водяным охлаждением, без доступа воздуха, с периодической его разгрузкой.

Конструктивно (фиг.1) реакционный канал выполнен в виде реакторной трубы 12345, в которую с одной стороны гидроцилиндром 60 посредством поршня подается спрессованная до плотности 350-1000 кг/м³ древесная масса с размером компонентов 1-16 мм, при влажности 2-6%, при температуре до 220-280^oС, под давлением 300-1200 кг/см². Древесная масса по мере продвижения по реакционному каналу и превращения в древесный уголь подвергается управляемому нагреву, пиролизу с отводом парогазов из реакторной зоны и сжатию, при необходимости прокалке, и бескислородному охлаждению.

Труба реактора набирается из коротких отрезков, вмонтированных в камеры управления процессом пиролиза. Камеры унифицированы и соединяются между собой фланцами с помощью специальных хомутов. Камеры имеют разборную конструкцию и допускают демонтаж и ремонт отдельных отрезков реакторной трубы без демонтажа всей конструкции.

Камеры пиролизной установки служат для непосредственного управления процессом пиролиза в реакционном канале. С помощью этих камер осуществляется управление режимами нагрева (вплоть до прокаливания) и охлаждения древесной массы, управление термогазодинамическим повышением и понижением давления в зонах реактора, скоростью прохождения древесной массы, отвода парогазов и отработанных газов из камер.

Предлагается пять основных типов камер, обеспечивающих вышеперечисленные функции:
- камера 10 отвода парогазов (фиг.2)
- камера 20 регулируемого отвода парогазов (фиг.3)
- камера 30 термогазодинамического воздействия (фиг.4)
- камера-нагреватель 40 (фиг.5)
- камера-охладитель 50 (фиг.6).

Корпуса камер унифицированы и допускают навеску любых технологических элементов оснащения камер, к которым относятся: реакторные трубы с сетками-сепараторами и без них; крышки, патрубки, клапаны с устройствами управления, датчики давлений и температур, устройства лучистого нагрева.

Камера 10 (фиг. 2) отвода парогазов содержит образующий рабочее пространство 102 корпус 101, внутри которого расположен реакторный канал 103 движения древесной массы, имеющий газоотводную сетку-сепаратор 105, соединяющую его с рабочим пространством 102 корпуса 101, который снабжен каналом 104 отвода парогазов и датчиком 106 температуры. Камера 10 отвода парогазов предназначена для проведения процесса пиролиза древесной массы и отвода парогазов, уменьшения давления парогазов в реакторной зоне, увеличения скорости химических реакций и дополнительного радиального прогрева древесной массы (зона интенсивного пиролиза 107 и температурный градиент 108 древесной массы 103). Древесная масса в этой камере подвергается интенсивной массопотере в виде отводимых парогазов. При образовании парогазов и их диффузии сквозь древесную массу в сторону газоотводной сетки 105 в древесной массе образуются микро- и макрополости. Однако объем древесной массы под действием давления со стороны начала и конца реакторной зоны камеры при этом не уменьшается и даже увеличивается. Это обусловлено двумя факторами - возникновением углеродной структуры древесной массы, имеющей более высокий модуль упругости, и избыточным давлением образующихся парогазов в полостях (трахеидах), причем избыточное давление парогазов при интенсивном пиролизе носит решающий характер. Таким образом, удельный вес древесной массы уменьшается, и растут ее упругие свойства.

Для повышения плотности древесной массы в зоне пиролиза камеры 10 необходимо приложить дополнительно избыточное импульсное давление со стороны начала, конца или с обеих сторон реакторной зоны камеры. Причем это давление должно превышать упругость древесной массы. При этом произойдут деформации сдвига, "неустойчивые" полости начнут "охлопываться", появятся новые зоны соприкосновения стенок полостей (трахеид) и, как следствие, новые структурные углеродные связи. Объем твердой фазы при этом уменьшится, а плотность повысится.

Камера 20 (фиг. 3) регулируемого отвода парогазов содержит образующий рабочее пространство 202 корпус 201, внутри которого расположен канал 203 движения древесной массы, имеющий газоотводную сетку 204, соединяющую его с рабочим пространством 202 корпуса 201, в котором установлен датчик 206 температуры, датчик 209 давления и который снабжен каналом 207 отвода парогазов, в котором установлен управляемый выпускной клапан 205.

Камера 20 регулируемого отвода парогазов предназначена для проведения регулируемого процесса пиролиза древесной массы и отвода парогазов, регулирования давления в реакторной зоне и, как следствие, регулирования скорости химических экзотермических и эндотермических реакций и дополнительного регулируемого прогрева древесной массы в зоне 208 регулируемого пиролиза.

Камера 20 отличается от камеры 10 наличием управляемого выпускного клапана 205. При открытом клапане 205 и установившемся режиме пиролиза эта камера аналогична камере 10. При закрытии клапана 205 давление парогазов в камере 20 начинает повышаться, скорости химических реакций уменьшаются, пиролиз замедляется, начинаются вторичные реакции. При открытии клапана 205 давление парогазов в камере 20 и средней части трубы пиролизной установки резко падает, уменьшается упругость некоторых участков древесной массы и ее уплотнение под действием избыточного давления со стороны начала и конца реакторной зоны камеры.

Камера 30 термогазодинамического воздействия (фиг.4) содержит образующий рабочее пространство 302 корпус 301, внутри которого расположен канал 303 движения древесной массы, который связан каналами 304 ввода в зону пиролиза раскаленных газов сгорания под давлением с рабочим пространством 302 корпуса 301, который снабжен воздушной 305 и газовой 306 форсунками, каналом 307 выпуска отработанных газов, в котором установлен управляемой выпускной клапан 308, а также установленными внутри рабочего пространства 302 свечой 309 зажигания и датчиками 3010 и 3011 соответственно температуры Т и давления Р.

Камера 30 термогазодинамического воздействия предназначена для регулируемых локальных импульсных повышений давления и температуры в реакторной зоне камеры.

Функционирует камера 30 в следующей последовательности. Вначале открывается выпускной клапан 308 и сбрасывается давление в камере. Этим достигается, кроме очистки камеры, частичный эффект сжатия твердой фазы и интенсификация пиролиза, наблюдаемые при работе камеры 20. Однако оставлять открытым выпускной клапан 308 продолжительное время нецелесообразно, т.к. при этом отводимые парогазы будут потеряны как продукт производства пиролизной установки, и камера будет загрязнена парогазом. Использовать парогаз как рабочий газ для непосредственного сгорания в этой камере также нецелесообразно по причине присутствия в парогазе большого количества смол, фенолов, кислот и частичек древесной массы. Затем выпускной клапан 308 закрывается и с определенным давлением в рабочее пространство 302 камеры 30 закачивается порция сжатого воздуха через воздушную форсунку 305. С определенным давлением в рабочее пространство 302 камеры 30 закачивается также порция очищенного древесного газа через газовую форсунку 306, который, перемешиваясь с воздухом, создает горючую рабочую смесь необходимого качества. Решение о давлении воздуха и древесного газа при закачке принимает система управления пиролизом на основании анализа местоположения камеры в реакторной трубе, ее диспозиции относительно рядом стоящих камер, состояния процесса пиролиза и количества вводимой в древесную массу энергии. После этого подается импульс на свечу зажигания 309. Происходит воспламенение газовоздушной смеси, сопровождаемое резким (импульсным) повышением давления и температуры в данной зоне реакторной трубы. Причем в сторону основного движения древесной массы действует полная, прямая газодинамическая волна, а в обратную - отраженная, с меньшей кинетической энергией. Ударная волна деформирует (уплотняет) древесную массу, в которой в зоне газовых каналов 304 возникают полости и радиальные трещины.

Далее можно поступить двумя путями.

1. Не открывать сразу выпускной клапан 308 и сделать выдержку. При этом газ начнет диффундировать в древесную массу, повышая ее температуру. Пик давления начнет сглаживаться, давление в камере падать.

2. Можно открыть выпускной клапан 308. При этом произойдет "схлопывание" трещин и полостей. Интенсивность схлопывания будет зависеть от перепада давлений по сторонам трещин и давления в камере.

Камера-нагреватель 40 (фиг.5) содержит образующий рабочее пространство 402 корпус 401, внутри которого расположен канал 403 движения древесной массы, причем корпус 401 снабжен каналом 404 отвода отработанных газов и каналом 405 впуска газовоздушной смеси, который подключен к рабочему пространству 402 через керамический излучатель 406 газовой инфракрасной горелки, а в рабочем пространстве установлены датчик 407 температуры и свеча 408 зажигания.

Камера-нагреватель 40 предназначена для управляемого нагревания древесной массы. Верхние слои древесной массы при прохождении зоны камеры 40 нагреваются от стенок камеры. Более глубокие слои прогреваются с учетом коэффициента теплопроводности древесной массы. Давление парогазов при повышении температуры древесной массы увеличивается.

Нагревание стенок реакторной трубы происходит с помощью лучистого обогрева. Нагревательными элементами служат газовые инфракрасные горелки, называемые также горелками инфракрасного излучения, работающие на выделенном из парогазов пиролиза и очищенном древесном газе. Интенсивность нагревания регулируется подачей газовоздушной смеси.

Камера-охладитель 50 (фиг. 6) содержит образующий рабочее пространство 502 корпус 501, внутри которого расположен канал 503 движения древесной массы, снабженный со стороны рабочего пространства 502 радиатором 504 охлаждения, причем корпус 501 снабжен датчиком 505 температуры, каналом 506 подачи охлаждающей среды и каналом 507 отвода нагретой охлаждающей среды.

Камера-охладитель 50 предназначена для охлаждения древесной массы. Верхние слои древесной массы при прохождении камеры 50 охлаждаются от стенок камеры. Более глубокие слои охлаждаются с учетом их коэффициента теплопроводности. Давление парогазов при снижении температуры древесной массы снижается, происходят конденсационные явления. Охлаждение может быть организовано с помощью газа или жидкости, например воздуха, технологического газа, воды, промышленного теплоносителя и т.д.

С целью повышения производительности устройства для получение древесного угля пиролизные устройства 12345 объединяются в пиролизную установку (фиг.7) путем закрепления в вертикальном положении равномерно по окружности неподвижного фланца держателя 714, оптимально их количество находится в диапазоне 18-36 шт.

Для формирования древесной массы с заданными параметрами, ее распределения, дозирования и загрузки в реакторные трубы пиролизных устройств 12345 используется экструзионная установка (фиг.7), которая вращается относительно неподвижной пиролизной установки вокруг оси неподвижного фланца 714.

Высушенные и нагретые измельченные отходы деревопереработки подаются в неподвижный обогреваемый бункер-накопитель 701, который поддерживает их необходимую температуру. Ворошитель 702, вращаясь вместе с гидромотором 709, редуктором 711 привода, перемешивает массу, не давая ей слеживаться. Шнек 703 предварительной подачи захватывает массу и подает ее в дозирующий шнек 704. Последний подает древесную массу в шнековый экструдер 707 в необходимом количестве, подача регулируется за счет изменения скорости вращения гидромотора 705. Шнековый экструдер 707 сминает, перекручивает, сжимает и частично нагревает древесную массу, подавая ее в нужном количестве с помощью экструзионной головки 713 поочередно в загрузочные окна 61 пиролизных устройств 12345. Плотность и расход древесной массы регулируется за счет изменения скорости вращения и крутящего момента гидромотора 706, приводящего во вращение вал шнекового экструдера 707. Экструзионная головка 713, установленная на выходе шнекового экструдера 707, вращаясь вместе с ним по окружности фланца держателя 714, поочередно загружает в рабочие цилиндры 60 пиролизных устройств 12345 сжатую древесную массу. На время загрузки открывается затвор загрузочного окна 61. При отходе сопла экструзионной головки 713 загрузочное окно 61 закрывается. Экструзионная головка 713 состоит из трех независимо приводимых во вращение частей.

Верхняя часть экструзионной головки 713 приводится во вращение относительно оси шнекового экструдера 707 некрупной парой зубчатых колес 710. Верхняя часть экструзионной головки 713 имеет эксцентрик относительно оси шнекового экструдера 707. На оси эксцентрика вращаются средняя и нижняя части экструзионной головки 713. Верхняя часть экструзионной головки 713 имеет центральное наклонное отверстие для экструдируемой древесной массы обтекаемой формы, которая начинается сверху на оси шнекового экструдера 707, а заканчивается снизу на оси эксцентрика.

Нижняя часть экструзионной головки 713, имеющая 3...6 штук наклонных отверстий обтекаемой формы для экструдируемой древесной массы и столько же сопел, вращается с неравномерной периодической угловой скоростью в ту же сторону, что и верхняя часть экструзионной головки. Причем, если верхняя часть экструзионной установки приводится во вращение зубчатой парой 715, то вращение нижней части экструзионной головки 713 может осуществляться не за счет зубчатой пары 712, а за счет перекатывания нижних выступов сопел по пазам загрузочных окон 61 на фланце держателя 714 с периодической досылкой входящего сопла с помощью кулачка. В случае привода низа экструзионной головки 713 во вращение с помощью пары некруглых зубчатых колес 712 возможен отказ от зубчатой пары 715. Возможен совмещенный вариант привода зубчатыми парами 712 и 715. Во всех случаях привода низа экструзионной головки 713 необходимо прикладывать дополнительное усилие на выталкивание прошедшего загрузку сопла, с целью перерезать поток сжатой древесной массы и закрыть затвор.

Средняя часть экструзионной головки 713 имеет центральное наклонное отверстие для экструдируемой древесной массы обтекаемой формы, которое начинается сверху на оси эксцентрика, а заканчивается снизу на оси начала отверстий нижней части экструзионной головки 713. Средняя часть экструзионной головки 713 совершает колебательные вращательные движения вокруг оси эксцентрика. В прямом направлении вращения (при загрузке) средняя часть экструзионной головки 713 сопровождает нижнюю часть экструзионной головки и приводится во вращение нижней частью экструзионной головки 713 с помощью храповых захватов. При обратном направлении вращения средняя часть переключается на следующее отверстие нижней части экструзионной головки 713 за время ОД... 15 времени загрузки, при этом перерезается поток экструдируемой древесной массы предыдущего отверстия нижней части экструзионной головки. Процесс переключения (поворота средней части относительно нижней части экструзионной головки 713) осуществляется переключающим гидроцилиндром, закрепленным на средней части экструзионной головки 713. После переключения древесная масса поступает в следующее загрузочное окно фланца держателя 714, т.е. в следующее пиролизное устройство 12345.

Повторение такого цикла приводит к последовательной дозагрузке рабочих цилиндров 60, поэтому процесс пиролиза продолжается практически непрерывно. Если время полного цикла загрузки всех цилиндров составляет 1, то время загрузки одного рабочего цилиндра 60 составляет 1/18...1/36 времени подачи древесной массы гидроцилиндром в пиролизное устройство 12345, что несущественно для процесса пиролиза. Готовый продукт поступает из пиролизного устройства 12345 в бункер 100 приема древесного угля.

Каждое пиролизное устройство 12345 работает по алгоритму, вырабатываемому и осуществляемому системой управления (фиг.8).

Система управления пиролизной установкой содержит гидросистему 92, приводящую в движение экструзионную установку и гидроцилиндры 60 посредством гидрораспределителя 708 (фиг.7), систему 93 конденсации и очистки парогазов, систему 94 сбора древесного газа, систему 95 впрыска древесного газа, систему 96 впрыска воздуха, систему 98 воздушного охлаждения, систему 99 водяного охлаждения, систему 80 очистки и подготовки технологического газа, блок 97 электронного зажигания и управляющий компьютер 91, к входам которого подключены выходы датчиков температуры и давления всех камер 10...50 пиролизной установки и информационный вход-выход гидросистемы 92 подачи древесной массы. Входы-выходы управляющего компьютера 91 соединены с соответствующими входами-выходами системы 95 впрыска древесного газа, системы 96 впрыска воздуха, системы 98 воздушного охлаждения, системы 99 водяного охлаждения и блока 97 электронного зажигания, выход которого подключен к свече зажигания камеры термогазодинамического воздействия 30-1 и камеры-нагревателя 40-1, выходы систем 98 и 99 воздушного и водяного охлаждения подключены к соответственным камерам-охладителям 50-1 и 50-2, выходы систем 95 и 96 впрыска древесного газа и воздуха подключены параллельно к камере-нагревателю 40-1 и камере термогазодинамического воздействия 30-1, к камерам 10-1 и 20-1 отвода парогазов подключен вход системы 93 конденсации и очистки парогаза, с выхода которой осуществляется сбор товарных химических соединений и выход которой включен на вход системы 94 сбора древесного газа, выходы которой включены на вход системы 95 впрыска древесного газа и товарный выход по древесному газу, камера-нагреватель 40-1, камера термогазодинамического воздействия 30-1 параллельно включены на вход системы 80 очистки и подготовки технологического газа.

Управление устройством выполняется оператором, который после задания выходных параметров продукции задает автоматический режим работы устройства.

Предлагаемое изобретение реализовано в виде специальной металлоконструкции, оснащенной площадками и лестницами для обеспечения проведения технологических, профилактических и ремонтных работ и пультом со шкафами, в которых размещены приборы и аппараты управления оборудованием устройства.

Предлагаемый способ получения древесного угля повышенной плотности, сопутствующих химических соединений и установка для их производства позволили решить следующие проблемы.

1. Создать высокоэффективные компактные установки непрерывного действия для производства древесного угля повышенной плотности и древесного газа как для отопительных, так и для энергетических целей.

2. Создать высокоэффективные компактные установки непрерывного действия для производства химических соединений при направленном интенсивном пиролизе отходов деревопереработки.

3. Повысить эффективность транспортировки древесного угля за счет увеличения его насыпного веса.

4. Осуществлять высокорентабельную утилизацию отходов деревопереработки с получением качественного широко востребованного как в России, так и за рубежом товара, снизить стоимость тепловой энергии в быту, коммунальном хозяйстве и на производстве.

5. Снизить загрязнения окружающей среды путем замены топливного каменного угля на древесный и за счет утилизации отходов деревопереработки.

Изобретение относится к пиролизу древесины и может быть использовано при проектировании и создании оборудования для промышленного производства древесного угля повышенной плотности и сопутствующих химических соединений. Способ получения древесного угля из измельченной древесной массы включает сушку, нагревание, пиролиз, прокаливание и охлаждение, при этом древесную массу подвергают высокотемпературной бескислородной сушке и нагреву в потоке технологического газа до температуры 190-250^oС и влажности 2-6%, а также предварительному динамическому прессованию давлением 300-1200 кг/см² до плотности 350-1000 кг/м³ с повышением температуры до 220-280^oС, в процессе пиролиза проводят управляемые термические и термогазодинамические импульсные воздействия с раздельным отводом парогазов, обращая древесную массу в древесный уголь, далее при необходимости древесный уголь прокаливают и прессуют управляемыми термическими и термогазодинамическими воздействиями, после чего предварительно охлаждают под давлением без доступа кислорода, а затем выполняют окончательное бескислородное охлаждение. Изобретение позволяет получить из измельченной древесины товарный древесный уголь повышенной плотности и планируемой углеродистости, а также получить сопутствующие товарные химические соединения планируемого состава 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Способ получения древесного угля из измельченной древесной массы, включающий сушку, нагревание, пиролиз, прокаливание и охлаждение, отличающийся тем, что древесную массу подвергают высокотемпературной безкислородной сушке и нагреву в потоке технологического газа до температуры 190-250°С и влажности 2-6%, а также предварительному динамическому прессованию давлением 300-1200 кг/см² до плотности 350-1000 кг/м³ с повышением температуры до 220-280°С, в процессе пиролиза проводят управляемые термические и термогазодинамические импульсные воздействия с раздельным отводом парогазов, обращая древесную массу в древесный уголь, далее, при необходимости, древесный уголь прокаливают и прессуют управляемыми термическими и термогазодинамическими воздействиями, после чего предварительно охлаждают под давлением без доступа кислорода, а затем выполняют окончательное безкислородное охлаждение.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что древесную массу и полученный из нее древесный уголь подвергают комбинациям различных воздействий, включающих в себя нагрев, охлаждение, выдержку под давлением, отвод парогазов, цикличное, ацикличное или резонансное газодинамическое прессование, получая древесный уголь необходимой плотности и углеродистости и парогазы необходимого состава.3. Устройство для получения древесного угля из измельченной древесной массы, содержащее экструзионную установку и пиролизную установку, отличающееся тем, что экструзионная и пиролизная установки содержат системы управления, пиролизная установка содержит, как минимум, одно пиролизное устройство, которое, в свою очередь, состоит из камер отвода парогазов, камер управляемого отвода парогазов, камер термогазодинамических воздействий, камер-нагревателей и камер-охладителей, каждая из которых имеет канал движения древесной массы или древесного угля, причем каналы всех камер соединены в общий реакционный канал, к входу которого подключена гидросистема подачи древесной массы, взаимодействующая с экструзионной установкой, а с выходом общего канала соединен бункер приема древесного угля, причем количество и последовательность камер пиролизного устройства определяется необходимым качеством конечных продуктов пиролиза.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что камера отвода парогазов содержит образующий рабочее пространство корпус, внутри которого расположен канал движения древесной массы, имеющий газоотводную сетку-сепаратор, соединяющую его с рабочим пространством корпуса, который снабжен каналом отвода парогазов и датчиком температуры.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что камера управляемого отвода парогазов содержит образующий рабочее пространство корпус, внутри которого расположен канал движения древесной массы, имеющий газоотводную сетку-сепаратор, соединяющую его с рабочим пространством корпуса, в котором установлены датчики температуры и давлений и который снабжен каналом отвода парогазов, в котором установлен управляемый выпускной клапан.6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что камера термогазодинамического воздействия содержит образующий рабочее пространство корпус, внутри которого расположен канал движения древесной массы, который связан каналами ввода в зону пиролиза раскаленных газов сгорания под давлением с рабочим пространством корпуса, который снабжен воздушной и газовой форсунками, каналом выпуска выхлопных газов, в котором установлен управляемый выпускной клапан, а также установленными внутри рабочего пространства свечой зажигания и датчиками температуры и давления.7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что камера-нагреватель содержит образующий рабочее пространство корпус, внутри которого расположен канал движения древесной массы, причем корпус снабжен каналом отвода отработанных газов и каналом впуска воздушно-газовой смеси, который подключен к рабочему пространству через керамический излучатель газовой инфракрасной горелки, а в рабочем пространстве установлен датчик температуры и свеча зажигания.8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что камера-охладитель содержит образующий рабочее пространство корпус, внутри которого расположен канал движения древесной массы, снабженный со стороны рабочего пространства радиатором охлаждения, причем корпус снабжен датчиком температуры, каналом подачи охлаждающей среды и каналом отвода нагретой охлаждающей среды.9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что экструзионная установка содержит бункер-накопитель с ворошителем и шнеком предварительной подачи древесной массы, взаимодействующие между собой посредством привода, дозирующий шнек, шнековый экструдер, выход которого взаимодействует с экструзионной головкой, подключаемой своим выходом, как минимум, к одному пиролизному устройству.10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система управления пиролизной установкой содержит гидросистему привода и управления подачей древесной массы, систему впрыска древесного газа, систему впрыска воздуха, систему воздушного охлаждения, систему водяного охлаждения, системы очистки и подготовки технологического газа, блок электронного зажигания и управляющий компьютер, ко входам которого подключены выходы датчиков температуры и давления всех камер пиролизных устройств и информационный вход-выход гидросистемы подачи древесной массы, входы-выходы управляющего компьютера соединены с соответствующими входами-выходами системы впрыска древесного газа, системы впрыска воздуха, системы воздушного охлаждения, системы водяного охлаждения и блока электронного зажигания, выход которого подключен к свече зажигания камеры термогазодинамического воздействия и камеры-нагревателя, выходы систем воздушного и водяного охлаждения подключены к соответствующим камерам охлаждения, выходы систем впрыска древесного газа и воздуха подключены параллельно к камере-нагревателю и камере термогазодинамического воздействия, к камере отвода парогазов подключен вход системы конденсации и очистки парогаза, с выхода которого осуществляется сбор товарных химических соединений и который включен на вход системы сбора древесного газа, с выхода которой осуществляется отбор товарного древесного газа и выход которой включен на вход системы впрыска древесного газа, а камера-нагреватель и камера термогазодинамического воздействия своими выходами параллельно включены на вход системы очистки и подготовки технологического газа.