Способ термической переработки материалов растительного происхождения и устройство для его осуществления

 

Использование: в лесотехнической промышленности для пиролиза отходов древесины и отходов сельского хозяйства. Сущность изобретения: загружают материал в герметичную камеру. Нагревают его через стенку камеры и ведут термическую переработку в среде предварительно нагретого более 150^oC природного газа в массовом отношении газа к перерабатываемому материалу 0,25 - 0,5. Герметичная камера расположена внутри теплоизоляционного слоя с зазором, заполненным огнеупорными теплопроводными шарами. Внутренняя поверхность металлической герметичной камеры снабжена вертикальными ребрами. Площадь поверхности ребер равна площади внутренней поверхности металлической герметичной камеры или превышает ее в два раза. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к лесотехнической промышленности, преимущественно к пиролизу отходов сельского хозяйство, в частности соломы, злаковых культур, стеблей кукурузы и подсолнечника, рисовой и подсолнечной шелухи, кукурузных кочерыжек и т.д.

Известен способ получения древесного угля из свежесрубленной древесины в совмещенном процессе [1].

Способ имеет следующие недостатки. В качестве перерабатываемого сырья может использоваться только древесина и перерабатывается только древесный уголь, низкий выход продукта из сырья.

Известен также способ термической обработки материалов растительного происхождения и устройство для его осуществления [2].

Недостатком данного способа является большое время пиролиза, неэффективность использования тепла и возможность получения только древесного угля.

Недостатком устройства, используемого в данном случае, является низкая производительность, низкий коэффициент теплового использования процесса.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является полное извлечение химических компонентов, содержащихся в материалах растительного происхождения, повышение скорости переработки и снижение энергозатрат.

Это достигается тем, что в способе термической переработки материалов растительного происхождения, включающем загрузку материала в герметичную камеру и одновременный нагрев через стенку камеры с последующим охлаждением и выгрузкой, термическую переработку материалов осуществляют в среде предварительно нагретого более 150^oC природного газа в массовом отношении природного газа к перерабатываемому материалу 0,25 - 0,5.

Использование природного газа в качестве реагента при пиролизе материалов растительного происхождения позволяет ускорить процесс пиролиза по следующим причинам. Выделяющиеся в процессе пиролиза пары жидкости и газы быстро удаляются с поверхности материала, поскольку природный газ является своеобразным "вакуумным" насосом и одновременно растворителем. Кроме того, природный газ является хорошим теплоносителем, т.к. он обладает высокой теплоемкостью, поглощает и излучает лучистую энергию как "серое" тело.

Предварительно нагретый природный газ до температуры более 150^oC (предпочтительно 200^oC) при подаче его в нижнюю часть герметичной камеры охлаждает твердый углеродный материал (древесный уголь) и, нагреваясь, возвращает тепло в зону пиролиза материала, повышая тепловую эффективность процесса, одновременно позволяет выгружать твердый углеродный материал (древесный уголь) с относительно низкой температурой через шлюзовой питатель в бункер твердого материала.

Пределы массового отношения расхода природного газа к расходу перерабатываемого материала 0,25 - 0,5 определены экспериментальным путем при обработке различных материалов растительного происхождения, которые отличаются содержанием и структурой химических соединений в перерабатываемых материалах.

Кроме того, отличием предлагаемого изобретения является предварительная сушка материалов растительного происхождения. Сушка материалов позволяет практически полностью удалить влагу, исключив в дальнейшем технологическом процессе отделение влаги из жидкости и потребность в очистке сточных вод.

Использование продуктов сгорания после прохождения ими камеры термической переработки (пиролиза) материалов растительного происхождения позволяет повысить экономичность процесса. Температура продуктов сгорания не должна превышать 200^oC, выше которой идут процессы разложения материалов, исключая тем самым загрязнение атмосферы.

Кроме того, отличие изобретения состоит в том, что производится подогрев в теплообменнике природного газа за счет тепла отходящих газообразных продуктов и паров жидкости продуктов пиролиза материалов растительного происхождения. Использование тепла указанных продуктов позволяет увеличить экономичность процесса и исключить или уменьшить расход оборотной воды для охлаждения продуктов пиролиза.

Следующим отличием предлагаемого изобретения является подогрев воздуха, идущего в топку для приготовления теплоносителя, подаваемого в камеру пиролиза и затем в камеру сушки, за счет тепла отходящих газообразных продуктов и паров жидкости из камеры пиролиза. Возврат тепла в процесс снижает энергоемкость процесса и, кроме того, стабилизирует процесс горения в топке. Одновременно снижаются затраты на охлаждение продуктов пиролиза. Следующим отличием предлагаемого изобретения является циркуляция природного газа по замкнутому контуру. Подаваемый в процессе пиролиза природный газ, выходя из камеры пиролиза, вместе с газами пиролиза и парами жидкости проходит теплообменники газа и воздуха, поступает в конденсатор, где отделяется жидкость, и далее поступает на участок отделения газов пиролиза, состоящих в основном из пропан-бутана, и, пройдя теплообменники, снова поступает в камеру пиролиза. Замкнутый процесс исключает расход природного газа, что значительно повышает экономичность процесса.

Следующим отличием изобретения является температура процесса, не превышающая 650^oC. Относительно низкая температура процесса повышает экономичность процесса, повышает срок эксплуатации оборудования.

Кроме того, отличием предложенного способа является разрежение в камере пиролиза. Наличие разрежения ускоряет процесс пиролиза, исключает выделение взрывоопасных и токсичных веществ в окружающую атмосферу.

Кроме того, отличием предложенного способа является время термической обработки (пиролиза) материалов растительного происхождения, не превышающее 35 мин. Сокращение времени термической обработки увеличивает производительность процесса и сокращает габариты аппарата, его материалоемкость, а значит и затраты на изготовление.

Кроме того, для достижения поставленной технической задачи предлагается устройство для термической переработки материалов растительного происхождения, включающее металлическую герметичную камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, топку и газоход подачи продуктов сгорания.

Зазор между металлической камерой и теплоизоляционным слоем заполнен огнеупорными теплопроводными шарами, например корундовыми, а внутренняя поверхность металлической герметичной камеры снабжена вертикальными ребрами, причем площадь поверхности ребер связана с площадью внутренней поверхности металлической герметичной камеры следующим соотношением: S_п.р/S_п.к = 1 - 2, где S_п.р - площадь наружной поверхности ребер, S_п.к - площадь внутренней поверхности герметичной камеры.

Кроме того, внутренняя поверхность металлической камеры и ребра покрыты высокостойким теплопроводным материалом, например нитридом титана.

На фиг. 1 изображена технологическая схема для осуществления способа термической обработки материалов растительного происхождения. На фиг. 2 изображена герметичная камера пиролиза.

Процесс происходит следующим образом.

Материал растительного происхождения подается в обогреваемый бункер 1, где происходит сушка материала, далее через шлюзовой питатель 2 подается в камеру пиролиза 3, которая обогревается продуктами сгорания топлива, поступающими из топки 5. Продукты пиролиза разделяются на газообразные продукты, которые выводятся из верхней части камеры пиролиза 3, и твердые продукты (древесный уголь), которые через шлюзовой питатель 2 поступают в охлаждаемый бункер 4, откуда поступают на расфасовку и упаковку. Движение материалов и природного газа в камере пиролиза осуществляется противотоком. Природный газ поступает в камеру пиролиза, в ее нижнюю часть, охлаждает твердый продукт (древесный уголь) и проходит зону пиролиза, которая обогревается продуктами горения. Парообразные и газообразные продукты вместе с природным газом поступают в зону подготовки материала, где отдают часть тепла обрабатываемому материалу и выводятся с температурой 280 - 320^oC из камеры пиролиза. Смесь паров жидкости с газами проходит последовательно теплообменник газа 6 и воздуха 7, где отдает тепло, и поступает в конденсатор 8, в котором сконденсированная жидкость и газы разделяются на два потока. Жидкость направляется в емкость 9 сбора и хранения, а газы на участок разделения 10, из которого жидкая фракция пропан-бутана поступает в емкость сбора и хранения 11, а природный газ, проходя через теплообменники 6 и 7, снова поступает в нижнюю часть камеры пиролиза 3. Воздух вентилятором 12 подается в теплообменник 7 и поступает в топку 5, где сжигается топливо для приготовления теплоносителя.

Продукты сгорания из топки последовательно проходят обогреватель камеры пиролиза 3 и бункер, в котором продукты сгорания, проходя через слой материала, испаряют влагу и выбрасываются в атмосферу. При необходимости, в случае превышения температуры природного газа 200^oC он разбавляется за счет холодного воздуха.

Изображенное на фиг. 2 устройство представляет собой вертикальную металлическую камеру 1, размещенную в теплоизоляционном слое 2. Устройство снабжено топкой 3 для сжигания топлива и газоходом подачи продуктов сгорания из топки в зазор между камерой и теплоизоляционным слоем, а также шлюзовыми затворами 4 для загрузки материала и выгрузки твердого углеродного материала (древесного угля). Между корпусом камеры и теплоизоляционным споем засыпаны огнеупорные шары 5, а на внутренней поверхности размещены вертикально ребра 6. Камера снабжена штуцерами 7 для отвода продуктов сгорания из зазора в бункер, отвода парогазовой смеси и ввода природного газа в нижнюю часть камеры.

Эксперимент проводили следующим образом.

В установку загружали высушенную осиновую щепу с влажностью 5%. Вес щепы составил 450 г. В обогреваемую камеру пиролиза подавали нагретый до 150^oC природный газ. Время пиролиза составило 35 мин. Максимальная температура пиролиза достигла 620^oC. За время пиролиза через камеру прошло 210 л природного газа и выделилось 140 г жидкости, 120 г твердого углерода (древесного угля) и 190 г газа с удельным весом 1,95 г/л, что в процентном соотношении составило 31% жидкости, 27% твердого углерода (древесного угля) и 42% газа.

Заполнение огнеупорными шарами зазора между металлической камерой и теплоизоляционным слоем увеличивает теплопередающую поверхность от продуктов горения к металлической стенке камеры за счет контакта шаров со стенкой, а также путем турбулизации потока продуктов горения у стенки. Эти два фактора увеличивают коэффициент теплоотдачи от продуктов горения к стенке в 5-10 раз по сравнению с прототипом. Известно, что общий коэффициент теплопередачи через стенку зависит от теплоотдачи газов к стенке и теплоотдачи от стенки к нагреваемому материалу и он меньше самого меньшего коэффициента теплоотдачи. Для увеличения теплоотдачи от стенки к материалу растительного происхождения и газовой среде на внутренней поверхности камеры приварены вертикальные ребра с площадью поверхности, равной или в 2 раза большей площади внутренней поверхности металлической герметичной камеры. Экспериментально установлено, что отношение указанных площадей более двух практически нецелесообразно, т. к. рост теплоотвода незначителен. Внутренняя среда в металлической герметичной камере обладает высокой агрессивностью, что при относительно высокой температуре среды вызывает науглероживание поверхности металла и одновременно химическую коррозию. Эти факторы снижают срок службы металлической камеры.

Для обеспечения надежности металлической камеры ее внутреннюю поверхность покрывают нитридом титана, который обладает высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах и одновременно высокой теплопроводностью.

Формула изобретения

1. Способ термической переработки материалов растительного происхождения, включающий загрузку материала в герметичную камеру и одновременный нагрев через стенку камеры с последующим охлаждением и выгрузкой, отличающийся тем, что термическую переработку осуществляют в среде предварительно нагретого более 150^oС природного газа в массовом отношении газа к перерабатываемому материалу 0,25 0,5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что растительные материалы предварительно сушат продуктами сгорания, поступающими из камеры обогрева с температурой не более 200^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что природный газ нагревают в теплообменнике теплом отходящих газообразных и парообразных продуктов пиролиза материалов растительного происхождения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздух, подаваемый в топку для приготовления теплоносителя, подогревают теплом продуктов пиролиза.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что природный газ после отделения жидких и газообразных продуктов пиролиза возвращают в процесс пиролиза.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку проводят при температуре не более 650^oС.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термическую обработку проводят в камере под разрежением.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время термической переработки материалов растительного происхождения не превышает 35 мин.

9. Устройство для термической переработки материалов растительного происхождения, включающее металлическую герметичную камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, топку и газоход подачи продуктов сгорания, отличающееся тем, что зазор между металлической камерой и теплоизоляционным слоем заполнен огнеупорными теплопроводными шарами, например корундовыми, а внутренняя поверхность металлической герметичной камеры снабжена вертикальными ребрами, причем площадь наружной поверхности ребер связана с площадью внутренней поверхности металлической герметичной камеры следующим соотношением: S_пр / S_пк 1 2, где S_пр площадь наружной поверхности ребер; S_пк площадь внутренней поверхности герметичной камеры.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что внутренняя поверхность металлической герметичной камеры и ребра покрыты высокостойким теплопроводным материалом, например нитридом титана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2