УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ Российский патент 2011 года по МПК C10B47/06 C10B53/00 

Изобретение относится к области получения угля из древесины и ее отходов методом пиролиза и может быть использовано в леспромхозе, лесхозах и на предприятиях деревообработки.

В основе работы пиролизного устройства лежит принцип пиролизного сжигания (или сухой перегонки) топлива, при котором под действием высокой температуры и в условиях недостатка кислорода сухое топливо разлагается на летучую часть - так называемый пиролизный газ и твердый остаток.

Режим пиролиза определяющим образом влияет на выход и состав продуктов, но при прочих равных условиях выход зависит от породы перерабатываемой древесины и части дерева, подверженной пиролизу.

Однако помимо обеспечения эффективности протекания процесса пиролиза, необходимо правильно охладить емкости с твердым остатком до температуры окружающей среды, не допустив при этом теплопотерь и самовозгорания твердого остатка (древесного угля). Древесный уголь обладает способностью при обычной температуре соединяться с кислородом воздуха; этим объясняются случаи его самовозгорания. Обычно емкости с полученным в результате пиролиза древесным углем охлаждают на открытом воздухе, разместив, например, в специальных подставках (http://blogs.mail.ru/mail/suslovm/5748090977D7A222.html). Таким образом, скорость охлаждения достаточно мала, а тепло со стенок емкостей утилизируется в атмосферу. Кроме того, в результате естественного охлаждения повышается текучесть и усталость металла, из которого выполнены емкости, что приводит к резким сокращениям срока их эксплуатации.

Известна углевыжигателъная печь, включающая разделенные воздушной полостью корпус, снабженный загрузочной дверью, и наружный кожух, в корпусе у пода печи выполнены отверстия для подачи воздуха. Корпус выполнен из тонкого материала высокой теплопроводности, предпочтительно стального листа, а наружный кожух - толстостенным из теплоизолирующего материала предпочтительно кирпичной кладки, в наружном кожухе выполнены ряд закрываемых дверцами отверстий в нижней части по всему его периметру и вырез в торце для загрузочной двери корпуса печи. В верхней части над полостью между корпусом и наружным кожухом печь снабжена устройствами принудительной тяги, например электровентиляторами, посредством которых и обеспечивается охлаждение внутренней полости корпуса печи (патент РФ на изобретение №2012590).

Данная печь является конструкцией, обеспечивающей дискретный процесс получения древесного угля, так как после каждого этапа пиролиза печь подвергают принудительному охлаждению посредством электровентиляторов. Такой принцип приводит как к существенным энергозатратам на разогрев и поддержание печи, так и к огромным теплопотерям в результате охлаждения.

Известна углевыжигательная печь, содержащая теплоизолированный корпус для установки контейнеров с дровами и топку. Корпус разделен на камеры пиролиза и сушки, соединенные между собой воздуховодом с гидрозатвором, причем камера пиролиза снабжена рассеивателем, вмонтированным в ее днище и в ее верхнюю часть трубопроводом с воздуходувкой и охладителем, трубопровод от которого подведен под рассеиватель, а трубопровод от воздуходувки подведен в топку. Камера пиролиза снабжена охладителем с задвижкой. Трубопровод от охладителя подведен под рассеиватель. Трубопровод от воздуходувки подведен в топку. Контроль за температурой обеспечивается с помощью термометра. Для отбора пробы готовности угля имеется люк, для дополнительного охлаждения печи окно (патент РФ на изобретение №2081148).

В известной конструкции охладитель представляет собой теплообменник, не способный эффективно и быстро обеспечить понижение температуры древесного угля без ущерба производительности печи.

Известно устройство для получения древесного угля из измельченной древесной массы, содержащее экструзионную установку и пиролизную установку. 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 (патент РФ на изобретение №2217468).

К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость измельчения древесины перед активацией процесса пиролиза. Кроме того, в процессе получения древесного угля происходит постоянное перемещение древесной массы, что негативно сказывается на качестве получаемого продукта, в результате чего снижается общий выход товарной продукции.

Известна углевыжигательная печь, содержащая теплоизолированные камеры пиролиза и сушки для установки контейнеров с дровами, топку, рассеиватель, трубопровод с воздуходувкой и охладителем, при этом камера сушки снабжена калорифером, выполнена автономной; рассеиватель представляет собой вертикально расположенные перфорированные коллекторы, закрепленные в нижней части контейнера, сообщающейся с газоходом топки через уплотнитель; топка выполнена в виде последовательно соединенных газогенератора и камеры сгорания; трубопровод снабжен теплоизоляцией; охладитель выполнен в виде кожухотрубчатого теплообменника, межтрубное пространство которого соединено с калорифером автономной сушильной камеры, а воздуходувка расположена после охладителя. После окончания процесса пиролиза начинается процесс охлаждения древесного угля. Пирогазы, проходя через кожухотрубчатый теплообменник, охлаждаются и подаются по трубопроводу в газоход топки, где рассеиваясь через перфорированные коллекторы, поднимаются вверх, и, проходя через слой готового угля, интенсивно охлаждают его до 50 С° (патент РФ на изобретение №2256686).

Одним из недостатков известного устройства является выполнение охладителя в виде кожухотрубчатого теплообменника, который не обеспечивает теплосъема с разогретых контейнеров после окончания процесса пиролиза. Кроме того, вся конструкция не является долговечной, так как содержит большое количество металлических элементов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для получения древесного угля, включающее печь с топкой, воздуховодами, дымоходами и обогреваемыми камерами с отверстиями, в которых вертикально установлены съемные реторты. Нижняя часть реторты выполнена в виде колосниковой решетки, открытой в обогреваемую камеру. Топка работает непрерывно, а реторты, в которых процесс завершился, извлекаются и устанавливаются для охлаждения в специальные подставки. В освободившееся отверстие вставляется очередная реторта, заполненная свежими дровами. Таким образом, топочное пространство не охлаждается. Охлаждение угля также протекает эффективно, поскольку отвод тепла идет только от угля, через одинарную стенку реторты. Отпадает необходимость заливать уголь водой. Установка способна перерабатывать и дрова, и отходы различных размеров. Благодаря тому, что охлаждению подвергается только выемная реторта, а не вся установка, не только выигрывается тепло, но и оборот реторт существенно снижается (патент РФ на изобретение №2115689).

При эксплуатации устройства допускаются большие потери тепла, снижается общий выход продукта, при таком охлаждении возможны тепловые деформации реторт, усталость, повышается текучесть металла. Кроме того, данное устройство характеризуется неуправляемостью процесса пиролиза и процесса охлаждения реторт, наличием экологически вредных выбросов в атмосферу.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание установки для получения древесного угля, обеспечивающей управляемый терморегулируемый в процессе пиролиза производственный цикл получения качественного древесного угля, при котором достигается регулируемая утилизация тепловой энергии от нагретых реторт посредством системы принудительного теплосъема.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении охлаждения реторт за счет оснащения установки системой принудительного съема тепла. Наличие системы охлаждения позволит избежать коробления металла реторт, усталости металла, повысить долговечность всего оборудования в целом.

Поставленная задача решается тем, что установка для получения древесного угля, включающая модуль пиролиза, представляющий собой корпус, в котором расположены, по крайней мере, один топочный блок, по крайней мере, один блок пиролиза, снабженный ячейками для размещения реторт, и блок отвода отходящих газов, соединенные между собой газоходами, согласно техническому решению, снабжена, по крайней мере, одним модулем охлаждения реторт, представляющим собой горизонтально ориентированный корпус с огнеупорными торцевыми и боковыми стенками, разделенный вертикально ориентированными огнеупорными перегородками на ячейки для размещения реторт, снабженный дымососом, при этом в стенках и/или перегородках корпуса модуля охлаждения реторт выполнены каналы подачи атмосферного воздуха в ячейки, каналы отвода нагретого воздуха от ячеек, выходы последних соединены с дымососом. Ячейки модуля охлаждения реторт снабжены герметичными огнеупорными крышками. Модуль пиролиза соединен каналом с модулем охлаждения, при этом вход канала подключен к дымососу модуля охлаждения, выход соединен с топочным блоком

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид установки.

На фиг.2 представлен общий вид модуля охлаждения реторт.

На фиг.3 изображен схематичный продольный разрез модуля охлаждения реторт.

На фиг.4 изображен схематичный поперечный разрез модуля охлаждения реторт.

На фиг.5 представлен вид на модуль охлаждения реторт со стороны торцевой стенки корпуса.

На фиг.6 представлен вид сверху на модуль охлаждения.

На фиг.7 приведена схема размещения каналов модуля охлаждения реторт вокруг ячеек (вид снизу).

Позициями на чертежах обозначены:

1 - модуль пиролиза,

2 - корпус,

3 - топочный блок,

4 - блок пиролиза,

5 - блок отвода отходящих газов,

6 - модуль охлаждения реторт,

7 - перегородка,

8 - ячейка модуля охлаждения,

9 - крышка,

10 - металлический каркас,

11 - реторта,

12 - каналы подвода атмосферного воздуха,

13 - каналы отвода нагретого воздуха,

14 - дымосос,

15 - канал (соединяющий модуль охлаждения с модулем пиролиза),

16 - отверстия в ячейке.

Установка получения древесного угля представляет собой горизонтально расположенный стационарный объект, состоящий из модуля пиролиза 1 и, по крайней мере, одного модуля охлаждения 6. Модуль пиролиза 1 представляет собой корпус 2, в котором расположены, по крайней мере, один топочный блок 3, по крайней мере, один блок пиролиза 4 и блок отвода отходящих газов 5. В отдельно расположенном корпусе выполнен модуль охлаждения реторт 6. Модуль пиролиза 1 выполнен из кирпича, футерован теплоизолирующим туфом и представляет собой протяженный параллелепипед с поперечными и продольными перегородками. Все боковые и торцевые стенки корпусов модуля пиролиза и модуля охлаждения выполнены из огнеупорного, например, шамотного кирпича, утеплены слоем керамзита и отделаны облицовочным кирпичом. Такое утепление обеспечивает минимальные теплопотери в процессе эксплуатации и защиту от воздействий внешней среды. Каждый топочный блок 3 представляет собой камеру сгорания, выполненную в форме параллелепипеда и снабженную колосниками. Блок отвода отходящих газов 5 представляет собой камеру, размещенную в средней части модуля пиролиза и отделенную от блоков пиролиза кирпичными стенками. Блок пиролиза выполнен из ячеек, образованных стенками корпуса и/или перегородками корпуса, в которых размещены реторты для пиролиза 11. Количество модулей охлаждения зависит от производительности установки и от количества ячеек с ретортами, составляющих блок пиролиза. Топочный блок, блок пиролиза и блок отвода отходящих газов соединены между собой соответствующими каналами, проложенными в стенках и/или перегородках корпуса, и газоходами, обеспечивающими эффективный подвод тепловой энергии к ячейкам с ретортами, отвод отходящих и пиролизных газов и подачу вторичного воздуха. Модуль охлаждения реторт, выполненный в отдельном корпусе, предназначен для отвода от реторт тепла, полученного в результате процесса пиролиза в блоке пиролиза. В корпусе модуля охлаждения из кирпича выстроены перегородки 7, совместно со стенками корпуса образующие вертикально ориентированные ячейки 8. Ячейки имеют квадратное поперечное сечение. В нижней части каждой ячейки выполнен металлический каркас 10 для установки реторты с фиксацией ее по месту. Сверху ячейки закрыты крышками 9, обеспечивающими герметизацию пространства внутри ячейки. Крышки 9 ячеек герметизированы распущенной в воде глиной с добавлением соли, что полностью исключает попадание атмосферного воздуха внутрь ячеек в зоне сопряжения крышек 9 с ячейками 8. Кроме того, на крышках ячеек с внутренней стороны выполнен тепловой экран из огнеупорного кирпича. В стенках ячеек в нижней части по периметру расположены отверстия для подвода охлаждающего атмосферного воздуха, которые в варианте изготовления установки по фиг.1 выполнены щелевыми 16. При этом площадь щелевых отверстий каждой ячейки охладителя составляет не более 140% от площади поперечного сечения канала подачи атмосферного воздуха. Каждый канал подачи атмосферного воздуха 12 представляет собой протяженный от торцевой стенки корпуса модуля охлаждения до соответствующей ячейки газоход, опоясывающий нижнюю часть ячейки и обеспечивающий подачу атмосферного воздуха в ячейки с ретортами через щелевые отверстия. Таким образом, поток воздуха по каналу перемещается в нижнюю часть ячейки, равномерно распределяясь по всему объему ячейки через щелевые отверстия, выполненные по периметру ячейки. Реторта 11 в модуле охлаждения установлена на металлическом каркасе и закреплена на опорном кольце в верхней части ячейки. В стенке ячейки, смежной с боковой стенкой корпуса модуля охлаждения, выполнены соответствующие отверстия для отвода нагретого воздуха, через которые нагретый воздух выводится из ячейки в соответствующий канал отвода нагретого воздуха 13. Отверстия равномерно распределены по ширине ячейки. Вне корпуса модуля охлаждения размещен дымосос 14, вход которого через подводящие патрубки соединен с выходами каналов отвода нагретого воздуха от каждой ячейки. Выход дымососа подключен к изолированному каналу 15, через который нагретый воздух от ячеек с ретортами в модуле охлаждения поступает в топочный блок и/или внешние системы потребления тепла.

По периметру установки на уровне размещения крышек ячеек расположены смотровые площадки с подведенными к ним лестницами для визуального контроля за размещением, подключением и выгрузкой реторт.

Заявляемая установка работает следующим образом.

В цилиндрические реторты плотно укладывают исходный материал - дрова. Дрова в реторты укладывают плотно, что способствует повышению эффективности работы установки. Крышки реторт герметизируют, после чего реторты при помощи крана устанавливают на металлические каркасы в ячейки блока пиролиза, производя необходимые технологические подключения запорной арматуры. Затем герметизируют крышки ячеек блока пиролиза. Топочный блок заполняют растопочным материалом и инициируют горение. Поток парогазовой смеси из топочного блока перемещается по соответствующим каналам в ячейки блока пиролиза. В ячейках происходит нагревание стенок реторты, вокруг которой и закручивается поток парогазовой смеси. Дрова, находящиеся внутри реторты, также подвергаются действию высоких температур, и начинается процесс пиролиза - химического разложение сложных веществ на более простые под воздействием теплоты. В результате процесса пиролиза образуются парогазовая смесь (пиролизный газ) и твердый углеродистый остаток. При термическом распаде древесины помимо древесного угля образуются жидкие конденсируемые (водяной пар) и газообразные неконденсируемые (пиролизный газ) продукты. Водяной пар выводится из горячей зоны в частично капельной фазе, частично в парообразной, образуя вместе с неконденсирующимися газами парогазовую смесь. За счет того, что реторта выполнена герметичной, процесс пиролиза идет равномерно, стабильно и с большой скоростью. На начальной стадии пиролиза до температуры 102 идет образование паровой смеси из химически несвязанной в древесине воды. На втором этапе до температуры 250 идет образование водяного пара из химически связанной воды, который направляется в блок отвода отходящих газов. Вторичный воздух в блок отвода отходящих газов поступает подогретым, что способствует значительному ускорению процесса дожига отходящих газов и значительной экономии тепловой энергии. Кроме того, достигается уничтожение вредных газов, содержащихся в потоке отходящих газов, окисление и полное сгорание твердых частиц, экологически чистый выброс в атмосферу, содержащий пары воды, азот, атомарный азот, кислород и углекислый газ. При достижении температуры парогазовой смеси свыше 250° пиролизные газы поступают в топочный блок и смешиваются с вновь образующейся парогазовой смесью. Цикл замыкается и процесс пиролиза стабилизируется. В блоке отвода отходящих газов смешиваются потоки вторичного воздуха и потоки отходящих газов из блока пиролиза, после чего общий поток через выходное отверстие вытягивается дымососом в дымовую трубу. Готовность угля определяют эмпирически. В среднем время до окончания процесса после прекращения выхода водяного пара составляет не менее 4-6 часов. После окончания процесса пиролиза реторты посредством крана переставляют из блока пиролиза в ячейки модуля охлаждения на металлические каркасы, после чего ячейки закрывают крышками и герметизируют. Включают дымосос, подключенный к каналам отвода нагретого воздуха, в результате чего в ячейках создается разрежение и происходит затягивание атмосферного воздуха по каналам подачи атмосферного воздуха через щелевые отверстия в ячейки. Атмосферный воздух, поднимаясь по полости ячейки, в результате конвективных процессов нагревается от стенок реторты и выводится тягой дымососа в канал нагретого воздуха. Таким образом, происходит теплосъем с реторт до достижения приемлемой для разгрузки реторт температуры. По каналам отвода нагретого воздуха через дымосос тепловой поток направляют в канал и перераспределяют, частично возвращая в топочный блок и, частично направляя на внешнюю систему потребления тепла. Таким образом, обеспечивается сохранность тепловой энергии мощностью 2,5-3 МВт/ч.

Пример конкретного выполнения.

Изготовлена установка для получения древесного угля с габаритными размерами 32×7×3,5 м. Установка представляет собой стационарную кирпичную конструкцию, установленную на фундаментные блоки. Установка выполнена в виде двух отдельно расположенных модулей: пиролиза и охлаждения реторт. Корпус модуля пиролиза разделен на два топочных блока, расположенных с противоположных сторон модуля пиролиза, два блока пиролиза, имеющие с соответствующими топочными блоками общую стенку, блок отвода отходящих газов, расположенный между блоками пиролиза в средней части установки. Каждый блок пиролиза разделен на восемь ячеек квадратного поперечного сечения с длиной стороны 1960 мм, по четыре вдоль каждой боковой стенки корпуса установки. Каждый модуль охлаждения аналогичным образом разделен на восемь ячеек с длиной стороны 1960 мм. В каждой ячейке модуля охлаждения установлена реторта объемом 1,9 м³. В каждой ячейке модуля охлаждения реторт в нижней части по периметру выполнены щелевые отверстия (по 15 отверстий 65×235 мм на каждой стороне ячейки) для подвода атмосферного воздуха из топочного блока. Площадь поперечного сечения канала подвода атмосферного воздуха составляет 1643 см², площадь поперечного сечения канала отвода нагретого воздуха составляет 329 см². Производительность установки составляет 210 т/мес.

Изобретение может быть использовано на предприятиях деревообработки. Установка для получения древесного угля включает модуль пиролиза 1 и модуль охлаждения реторт 6. Модуль пиролиза 1 представляет собой корпус 2, в котором расположены топочный блок 3, блок пиролиза 4, снабженный ячейками для охлаждения реторт, и блок отвода отходящих газов 5. Модуль охлаждения реторт 6 представляет собой горизонтально ориентированный корпус с огнеупорными торцевыми и боковыми стенками, разделенный вертикально ориентированными огнеупорными перегородками на ячейки для размещения реторт, снабженный дымососом. В стенках и перегородках корпуса модуля охлаждения реторт выполнены каналы подачи охлаждающего атмосферного воздуха в ячейки и каналы отвода нагретого воздуха. Изобретение позволяет обеспечить управляемый и терморегулируемый в процессе пиролиза производственный цикл получения качественного древесного угля, а также избежать коробления металла реторт и повысить долговечность оборудования, 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Установка для получения древесного угля, включающая модуль пиролиза, представляющий собой корпус, в котором расположены, по крайней мере, один топочный блок, по крайней мере, один блок пиролиза, снабженный ячейками для размещения реторт, и блок отвода отходящих газов, соединенные между собой газоходами, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним модулем охлаждения реторт, представляющим собой горизонтально ориентированный корпус с огнеупорными торцевыми и боковыми стенками, разделенный вертикально ориентированными огнеупорными перегородками на ячейки для размещения реторт, снабженный дымососом, при этом в стенках и/или перегородках корпуса модуля охлаждения реторт выполнены каналы подачи атмосферного воздуха в ячейки, каналы отвода нагретого воздуха от ячеек, выходы последних соединены с дымососом.

2. Установка для получения древесного угля по п.1, отличающаяся тем, что ячейки модуля охлаждения реторт снабжены герметичными огнеупорными крышками.

3. Установка для получения древесного угля по п.1, отличающаяся тем, что модуль пиролиза соединен каналом с модулем охлаждения, при этом вход канала подключен к дымососу модуля охлаждения, выход соединен с топочным блоком.