СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК C10B57/10 C10B47/00 C10L1/00 F23G5/27 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может использоваться для переработки сырья, преимущественно в малых и фермерских хозяйствах, а также в деревообрабатывающих отраслях промышленности.

Известен способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо путем нагрева сначала в камере сушки, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, причем сушку проводят смесью топочных газов с воздухом, а часть несконденсированной парогазовой смеси, после предварительного подогрева, подается в камеру пиролиза (патент №2395559, МПК G10B, БИ №1, 2010).

Известно также устройство для осуществления этого способа, содержащее сушильный бункер, питатель, реактор, топку, циклон, конденсатор, компрессор, газодувку, теплообменник (Р.Г. Хисматов. Термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла. Автор. диссерт. на соиск. Учен. степ. канд. техн. наук. Казань, 2010, с.13).

Эти способ и устройство обеспечивают термическую переработку органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо, однако требуют развитой инфраструктуры и больших капитальных затрат и малопригодны для малых и фермерских хозяйств.

Известен способ термической переработки сельскохозяйственных и других отходов в тепловую и электрическую энергию, заключающийся в том, что отходы загружают, горизонтально перемещают, последовательно кондуктивно сушат, пиролизуют, газообразные продукты конденсируют, жидкую фракцию и несконденсированные газы выводят, а твердую - увлажняют и разгружают.

Сушку и пиролиз осуществляют выхлопными (топочными) газами от дизеля, подаваемыми в кожух камер сушки и пиролиза.

Известно устройство для его осуществления, содержащее источник теплоты, средство загрузки сырья, поршень, камеры кондуктивной сушки, пиролиза, конденсации газовой фазы, увлажнения твердой фазы, средство ее разгрузки, кожух камер сушки и пиролиза, которые подключены к источнику теплоты (А.В. Голубкович, А.Г. Чижиков. Обоснование метода расчета пиролиза растительных материалов // Промышленная энергетика, №12, 2011, с.52-53).

Эти способ и устройство по своей технической сущности наиболее близки к заявляемому и приняты за прототип.

Недостатком известного способа является низкая интенсивность пиролизного процесса в связи с малоэффективной кондуктивной сушкой.

Технической задачей изобретения является повышение производительности устройства за счет использования конвективной сушки сырья.

Заявленный способ может быть осуществлен только в данном устройстве.

Поставленная задача достигается тем, что в способе термической переработки органосодержащего сырья топочными газами, заключающегося в том, что сырье загружают, горизонтально перемещают, последовательно сушат, пиролизуют, газообразные продукты конденсируют, полученные жидкую фракцию и несконденсированные газы выводят, а твердую фракцию - охлаждают и разгружают, согласно изобретению сырье сушат конвективно, причем отношение n длины зоны сушки l к длине зоны пиролиза L определяют как

,

где r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, кДж/кг; Δr - дополнительные потери тепла при сушке, кДж/кг исп.вл.; W - влажность сырья, %; q_n - теплотворная способность сухого сырья, кДж/кг; ΔT_n, ΔT_c - перепад температур в зонах пиролиза и сушки, °C; k - отношение массы твердой фазы после пиролиза к массе сырь, а расход отработавшего агента сушки не превышает расход топочных газов.

Задача достигается также тем, что в устройстве, содержащем источник тепла, средство загрузки сырья, поршень, камеры конвективной сушки, конденсации, охлаждения и разгрузки твердой фазы, а также камеру пиролиза с кожухом, отличающемся тем, что оно снабжено коллектором топочных газов, выполненным в виде кольцевой перфорированной части камеры пиролиза с живым сечением, при выполнении условия ΔР_к<ΔР_п, где ΔР_к - потери напора в кожухе с вентилятором; ΔР_п - потери напора в слое материала в пиролизной камере, и отсасывающим вентилятором с задвижкой регулирования расход отработавшего агента сушки.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг.1 изображена схема устройства.

Устройство содержит средство загрузки сырья 1, поршень 2, камеры конвективной сушки 3, пиролиза 4, конденсации 5, разгрузки 6, разгрузочное средство 7, источник тепла 8, кожух 9 камеры пиролиза 4, теплоизоляцию 10 камеры пиролиза 4, рубашку 11 камеры конденсации 5, коллектор 12, отсасывающий вентилятор 13 с задвижкой 14. Кроме того, на схеме приведены влажное сырье 15, топочные газы 16, нескондицированные газы 17, жидкая фракция 18, твердая фаза 19, вода 20 на охлаждение камеры конденсации 5 и твердой фракции, отработавший агент сушки 21.

Устройство работает следующим образом.

Влажное сырье 15 средством загрузки 1 подают в устройство, которое выполнено в виде трубы и поршнем 2 периодически - непрерывно проталкивают по длине трубы через камеры конвективной сушки 3, пиролиза 4, конденсации 5, разгрузки твердой фракции 6 и средством 7 выводят из устройства. Топочные газы 16 из источника 8 подают противотоком сырью в кожух 9, из него - в камеру конвективной сушки 3 через коллектор 12 и отсасывают из камеры конвективной сушки вентилятором 13, а расход отработавшего агента сушки изменяют задвижкой 14. Газообразные продукты пиролиза конденсируют в камере 5 путем подачи воды 20 в рубашку 11 и выводят из нее несконденсированные газы 15 и жидкую фракцию 18.

В камеру разгрузки 6 подают воду 20 на охлаждение твердой фазы 19 и затем ее используют на хозяйственные нужды, как и воду из рубашки 11.

Способ осуществляют следующим образом.

Сырье загружают, перемещают, последовательно конвективно сушат, пиролизуют, конденсируют, неконденсированные газы и жидкую фракцию выводят, а твердую - охлаждают и разгружают, пиролиз и сушку осуществляют топочными газами.

Составим тепловые балансы сушки и пиролиза сырья. Количество испаренной влаги при сушке можно записать в виде:

,

где G - вместимость сушильной камеры, т; W, W_к - начальная и конечная влажность (относительная) сырья, %.

Количество тепла, необходимого для испарения $$\overline{W}$$ влаги, можно записать:

где r, Δr - теплота испарения влаги со свободной поверхности и дополнительные тепловые потери при сушке, Δr≈0,2·r, кДж/кг исп.вл.

Количество тепла, необходимого на пиролиз сырья, можно записать:

где q_n - удельные затраты тепла на пиролиз, которые приближенно можно принять равными теплотворной способности сырья, кДж/кг.

Тепло, затраченное на испарение влаги при сушке также можно записать в виде:

где Q_г - расход топочных газов, кг/ч; с₁ - теплоемкость топочных газов, кДж/кг·°C; ΔT_c - перепад температур в камере сушки, °C; τ₁ - время сушки, ч.

Тепло, затраченное на пиролиз, аналогично (4) запишем:

где τ₂ - время пиролиза, ч.

При наличии подпора от средства разгрузки 7 все камеры будут полностью заполнены соответственно сырьем и твердой фракцией, при этом скорость перемещения твердой фракции в камере пиролиза составит V₂=kV₁, где k - отношение массы твердой фракции после пиролиза к сырью; V₁ - скорость перемещения сырья в камере сушки, м/с.

Следовательно, отношение n длины зоны сушки l к длине зоны пиролиза L определяют как:

,

где l и L - длина зоны сушки и пиролиза, м.

Величина ΔТ_n=Т_н-Т₀, где Т_н начальная температура топочных газов, например для дизельной установки Т_н≈400°C; Т₀ - температура, при которой начинается деструкция сырья по (С.А. Прокопьев. Разработка технологии ультраоксипиролиза древесной массы для получения бионефти и древесного угля // Автор. дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2007, с.9) можно принять 140°C. При более высокой температуре топочных газов на входе в камеру сушки возможны потери продуктов пиролиза.

Величину ΔT_c запишем ΔТ_с=Т_н-Т_к, где Т_к - температура топочных газов на выходе из камеры конвективной сушки в условиях противоток, а можно принять Т_к=θ_с+5…7°C, где θ_с - температура сырья.

Полагая c₁≈c₂, W_к≈0, приравняв (2) и (4), (3) и (5) получим отношение:

(6)

Топочные газы из кожуха пиролизной камеры поступают через коллектор 12 во внутреннюю полость сушильной камеры, проходят через слой сырья и в смеси с водяными парами 21 отсасываются вентилятором 13.

Эффективная и надежная работа устройства возможна в том случае, если в камеру конвективной сушки будут поступать топочные газы без газообразных продуктов пиролиза. Наличие слоя материала в пиролизной камере большей толщины не является достаточной гарантией отсутствия проскока пиролизных газов, так как возможны дефекты в структурах слоя и различная порозность. Равенство расходов топочных газов и отработавшего агента сушки в этом случае необходимо.

Если расход отработавшего агента сушки меньше расхода топочных газов, то их избыток будет сбрасываться через клапан топочных газов 16.

Регулировкой расхода отработавшего агента сушки клапаном 14 может быть достигнута экономичная и эффективная работа устройства. Коллектор 12 представляет собой кольцевую перфорированную часть камеры пиролиза с живым сечением, обеспечивающим равномерное распределение топочных газов по всему периметру (ε=0,2…0,4), при выполнении условия ΔР_к<ΔР_п, где ΔР_к - потери напора в кожухе с коллектором; ΔР_п - потери напора в слое материала в пиролизной камере.

Пример. Определим отношение длин камер сушки и пиролиза при термической переработки растительных отходов зерноочистки с исходной влажностью W=20%. В качестве источника теплоты использована дизельная установка мощностью N=60 кВт с температурой отходящих газов Т_н≈400°C, начальная температура сырья θ_с=20°C; Т₀=140°C. Величина τ≈2,5 МДж/кг исп. влаги; Δr=0,5 МДж/кг исп. влаги; Т_к=27°C; q_т=12,6 МДж, k=31 (С.А. Прокопьев. Разработка технологии ультраоксипиролиза древесной массы для получения бионефти и древесного угля // Автор. диссерт. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2007, с.9).

Согласно (6) получим n=0,46.

При кондуктивной сушке сырья в связи с меньшей площадью теплообмена температура топочных газов на выходе из кожуха сушильной камеры составит ~50°C из предположения, что с уходящими газами теряется ~25% теплоты и величина n составит n=0,54.

За счет большего объема пиролизной камеры производительность устройства возрастет ~ на 20%.

Изобретения могут быть использованы в сельском хозяйстве и в деревообрабатывающей промышленности. Способ термической переработки органосодержащего сырья включает загрузку сырья и его горизонтальное перемещение поршнем (2) по длине трубы через камеры конвективной сушки (3), пиролиза (4), конденсации (5). Полученные в камере конденсации (5) жидкую фракцию (18) и несконденсированные газы (17) выводят, а твердую фракцию (19) охлаждают и разгружают в камере разгрузки (6). Сырье в камере сушки (3) сушат конвективно, причем отношение n длины зоны сушки ℓ к длине зоны пиролиза L определяют как

$$n=\frac{\mathrm{0,01}W\left(r+\Delta r\right)}{\left(1-\mathrm{0,01}W\right)q_n}\frac{\Delta T_n}{\Delta T_{c}k}$$ ,

где r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, Δr - дополнительные потери тепла при сушке, кДж/кг исп.вл.; W - влажность сырья, %; q_n - теплотворная способность сухого сырья, кДж/кг; ΔТ_n, ΔT_с - перепад температур в зонах пиролиза и сушки, °C; k - отношение массы твердой фазы к массе сырья. Расход отработавшего агента сушки не превышает расход топочных газов. Устройство термической переработки органосодержащего сырья снабжено коллектором топочных газов (12), выполненным в виде кольцевой перфорированной части камеры пиролиза с живым сечением, при выполнении условия ΔP_к<ΔP_п, где ΔP_к - потери напора в кожухе с вентилятором; ΔP_п - потери напора в слое материала в пиролизной камере (4), и отсасывающим вентилятором (13) с задвижкой (14), регулирующей расход отработавшего агента сушки. Изобретения позволяют повысить интенсивность пиролизного процесса и повысить производительность устройства. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ термической переработки органосодержащего сырья, заключающийся в том, что сырье загружают, горизонтально перемещают, последовательно сушат, пиролизуют, газообразные продукты конденсируют, полученные жидкую фракцию и несконденсированные газы выводят, а твердую фракцию - охлаждают и разгружают, отличающийся тем, что сырье сушат конвективно, причем отношение n длины зоны сушки ℓ к длине зоны пиролиза L определяют как:

где r - теплота испарения влаги со свободной поверхности, кДж/кг; Δr - дополнительные потери тепла при сушке, кДж/кг исп.вл.; W - влажность сырья, %; q_n - теплотворная способность сухого сырья, кДж/кг; ΔT_n, ΔT_c - перепад температур в зонах пиролиза и сушки, °C; k - отношение массы твердой фазы после пиролиза к массе сырья, а расход отработавшего агента сушки не превышает расхода топочных газов.

2. Устройство для термической переработки органосодержащего сырья, содержащее источник тепла, средство загрузки сырья, поршень, камеры конвективной сушки, конденсации, охлаждения и разгрузки твердой фазы, а также камеру пиролиза с кожухом, отличающееся тем, что оно снабжено коллектором топочных газов, выполненным в виде кольцевой перфорированной части камеры пиролиза с живым сечением, при выполнении условия ΔP_к<ΔP_п, где ΔP_к - потери напора в кожухе с вентилятором; ΔP_п - потери напора в слое материала в пиролизной камере, и отсасывающим вентилятором с задвижкой, регулирующей расход отработавшего агента сушки.