RU2105034C1

RU2105034C1 - Method and apparatus for thermal reprocessing of plant materials

Info

Publication number: RU2105034C1
Application number: RU96110679A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Антоненко; В.Т. Попов
Original assignee: Гладышев Виктор Николаевич; Кравчук Виктор Павлович
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: forestry engineering, in particular, wood and agricultural waste pyrolysis. SUBSTANCE: method involves charging material into hermetically sealed chamber; providing thermal reprocessing of material in natural gas, which had been preliminarily heated to temperature exceeding 150 C, with gas and material weight ratio being 0.25-0.5. Hermetically sealed chamber is positioned within heat-insulating layer in spaced relation to it, with space being filled with refractory heat-conductive spherical members. Inner surface of metal hermetically sealed chamber is provided with vertical ribs. Rib surface area is equal to metal chamber inner surface area or exceeds it by about two times. EFFECT: increased efficiency, simplified construction and enhanced reliability in operation. 10 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to the forestry industry, mainly to the pyrolysis of agricultural waste, in particular straw, cereals, stalks of corn and sunflower, rice and sunflower husks, corn cobs, etc.

Известен способ получения древесного угля из свежесрубленной древесины в совмещенном процессе [1]. A known method of producing charcoal from freshly cut wood in a combined process [1].

Способ имеет следующие недостатки. В качестве перерабатываемого сырья может использоваться только древесина и перерабатывается только древесный уголь, низкий выход продукта из сырья. The method has the following disadvantages. Only wood can be used as a processed raw material and only charcoal is processed, low yield of the product from raw materials.

Известен также способ термической обработки материалов растительного происхождения и устройство для его осуществления [2]. There is also known a method of heat treatment of materials of plant origin and a device for its implementation [2].

Недостатком данного способа является большое время пиролиза, неэффективность использования тепла и возможность получения только древесного угля. The disadvantage of this method is the long pyrolysis time, the inefficiency of heat use and the possibility of obtaining only charcoal.

Недостатком устройства, используемого в данном случае, является низкая производительность, низкий коэффициент теплового использования процесса. The disadvantage of the device used in this case is low productivity, low coefficient of thermal use of the process.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является полное извлечение химических компонентов, содержащихся в материалах растительного происхождения, повышение скорости переработки и снижение энергозатрат. The technical task set in the present invention is the complete extraction of chemical components contained in materials of plant origin, increasing the processing speed and reducing energy consumption.

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.This is achieved by the fact that in the method of thermal processing of materials of plant origin, which includes loading the material into an airtight chamber and simultaneous heating through the chamber wall with subsequent cooling and unloading, the thermal processing of materials is carried out in an environmentally pre-heated more than 150 ^o C natural gas in the mass ratio of natural gas to the processed material 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. The use of natural gas as a reagent in the pyrolysis of materials of plant origin can accelerate the pyrolysis process for the following reasons. The liquid and gas vapors released during the pyrolysis are quickly removed from the surface of the material, since natural gas is a kind of "vacuum" pump and at the same time a solvent. In addition, natural gas is a good coolant, because It has a high heat capacity, absorbs and radiates radiant energy as a "gray" body.

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.Preheated natural gas to a temperature of more than 150 ^o C (preferably 200 ^o C) when it is fed to the lower part of the sealed chamber cools solid carbon material (charcoal) and, when heated, returns heat to the material pyrolysis zone, increasing the thermal efficiency of the process, at the same time to discharge solid carbon material (charcoal) with a relatively low temperature through the airlock feeder into the solid material bin.

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. The limits of the mass ratio of the consumption of natural gas to the consumption of the processed material 0.25 - 0.5 are determined experimentally by processing various materials of plant origin, which differ in the content and structure of chemical compounds in the processed materials.

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. In addition, the difference of the invention is the preliminary drying of materials of plant origin. Drying of the materials makes it possible to almost completely remove moisture, eliminating in the further technological process the separation of moisture from the liquid and the need for wastewater treatment.

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.The use of combustion products after they pass through the thermal processing chamber (pyrolysis) of materials of plant origin can improve the efficiency of the process. The temperature of the combustion products should not exceed 200 ^o C, above which there are processes of decomposition of materials, thereby eliminating atmospheric pollution.

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. In addition, the difference of the invention lies in the fact that it is heated in the heat exchanger of natural gas due to the heat of the exhaust gaseous products and liquid vapors of the pyrolysis products of plant materials. Using the heat of these products allows you to increase the efficiency of the process and eliminate or reduce the flow of recycled water to cool the pyrolysis products.

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. The next difference of the invention is the heating of the air going into the furnace for the preparation of a heat carrier supplied to the pyrolysis chamber and then to the drying chamber, due to the heat of the exhaust gaseous products and liquid vapors from the pyrolysis chamber. The return of heat to the process reduces the energy intensity of the process and, in addition, stabilizes the combustion process in the furnace. At the same time, the cost of cooling the pyrolysis products is reduced. The next difference of the invention is the circulation of natural gas in a closed loop. Natural gas supplied during the pyrolysis, leaving the pyrolysis chamber, together with the pyrolysis gases and the liquid vapor passes heat exchangers of gas and air, enters the condenser, where the liquid is separated, and then goes to the section for the separation of pyrolysis gases, consisting mainly of propane-butane, and, having passed the heat exchangers, it enters the pyrolysis chamber again. A closed process eliminates the consumption of natural gas, which significantly increases the efficiency of the process.

Следующим отличием изобретения является температура процесса, не превышающая 650^oC. Относительно низкая температура процесса повышает экономичность процесса, повышает срок эксплуатации оборудования.Another difference of the invention is the process temperature not exceeding 650 ^o C. The relatively low process temperature increases the efficiency of the process, increases the life of the equipment.

Кроме того, отличием предложенного способа является разрежение в камере пиролиза. Наличие разрежения ускоряет процесс пиролиза, исключает выделение взрывоопасных и токсичных веществ в окружающую атмосферу. In addition, the difference of the proposed method is the vacuum in the pyrolysis chamber. The presence of rarefaction accelerates the pyrolysis process, eliminates the release of explosive and toxic substances into the surrounding atmosphere.

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. In addition, the difference of the proposed method is the time of heat treatment (pyrolysis) of materials of plant origin, not exceeding 35 minutes Reducing the time of heat treatment increases the productivity of the process and reduces the dimensions of the apparatus, its material consumption, and hence the cost of manufacturing.

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. In addition, to achieve the technical task, a device is proposed for the thermal processing of materials of plant origin, including a metal sealed chamber located inside the heat-insulating layer with a gap between them, a furnace and a flue for supplying combustion products.

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.The gap between the chamber and the metal insulating layer is filled with thermally conductive refractory balls, for example corundum, and the inner surface of the metal sealing chamber is provided with vertical ribs, wherein the surface area of the ribs connected to the inner surface area of the metal sealed chamber following relation: S _p.r / S = _PK 1 - 2, where S _p.p is the area of the outer surface of the ribs, S _p.k is the area of the inner surface of the sealed chamber.

Кроме того, внутренняя поверхность металлической камеры и ребра покрыты высокостойким теплопроводным материалом, например нитридом титана. In addition, the inner surface of the metal chamber and the ribs are coated with a highly resistant heat-conducting material, for example titanium nitride.

На фиг. 1 изображена технологическая схема для осуществления способа термической обработки материалов растительного происхождения. На фиг. 2 изображена герметичная камера пиролиза. In FIG. 1 shows a flow chart for implementing a method of heat treatment of materials of plant origin. In FIG. 2 shows a sealed pyrolysis chamber.

Процесс происходит следующим образом. The process is as follows.

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.Material of plant origin is fed into a heated hopper 1, where the material is dried, then through a lock feeder 2 it is fed into the pyrolysis chamber 3, which is heated by the combustion products of fuel coming from the furnace 5. Pyrolysis products are separated into gaseous products that are removed from the top of the pyrolysis chamber 3, and solid products (charcoal), which through the gateway feeder 2 enter the refrigerated hopper 4, from where they come to packaging and packaging. The movement of materials and natural gas in the pyrolysis chamber is countercurrent. Natural gas enters the pyrolysis chamber, in its lower part, cools the solid product (charcoal) and passes through the pyrolysis zone, which is heated by combustion products. Vapor and gaseous products, together with natural gas, enter the material preparation zone, where they give part of the heat to the processed material and are removed with a temperature of 280 - 320 ^o C from the pyrolysis chamber. A mixture of liquid vapor with gas passes sequentially to the gas heat exchanger 6 and air 7, where it gives off heat, and enters a condenser 8, in which the condensed liquid and gases are separated into two streams. The liquid is sent to the collection and storage tank 9, and the gases to the separation section 10, from which the liquid fraction of propane-butane enters the collection and storage tank 11, and the natural gas passing through the heat exchangers 6 and 7 again enters the lower part of the pyrolysis chamber 3 The air is supplied by the fan 12 to the heat exchanger 7 and enters the furnace 5, where fuel is burned to prepare the coolant.

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.The combustion products from the furnace pass sequentially through the heater of the pyrolysis chamber 3 and the hopper, in which the combustion products, passing through a layer of material, evaporate moisture and are released into the atmosphere. If necessary, if the temperature of the natural gas exceeds 200 ^o C, it is diluted with cold air.

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. Depicted in FIG. 2, the device is a vertical metal chamber 1 located in a heat-insulating layer 2. The device is equipped with a furnace 3 for burning fuel and a gas duct supplying combustion products from the furnace into the gap between the chamber and the heat-insulating layer, as well as lock gates 4 for loading material and unloading solid carbon material (charcoal). Between the body of the chamber and the heat-insulating chamber, refractory balls 5 are filled up, and ribs 6 are placed vertically on the inner surface. The chamber is equipped with fittings 7 for discharging combustion products from the gap into the hopper, discharging the gas mixture and introducing natural gas into the lower part of the chamber.

Эксперимент проводили следующим образом. The experiment was carried out as follows.

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.Dried aspen wood chips with a moisture content of 5% were loaded into the installation. The weight of the chips was 450 g. Natural gas heated to 150 ^° C was fed into the heated pyrolysis chamber. The pyrolysis time was 35 minutes. The maximum pyrolysis temperature reached 620 ^o C. During the pyrolysis, 210 l of natural gas passed through the chamber and 140 g of liquid, 120 g of solid carbon (charcoal) and 190 g of gas with a specific gravity of 1.95 g / l were released, which is a percentage amounted to 31% liquid, 27% solid carbon (charcoal) and 42% gas.

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. Filling the gap between the metal chamber and the heat-insulating layer with refractory balls increases the heat transfer surface from the combustion products to the metal wall of the chamber due to the contact of the balls with the wall, as well as by turbulizing the flow of combustion products near the wall. These two factors increase the coefficient of heat transfer from combustion products to the wall by 5-10 times compared with the prototype. It is known that the overall coefficient of heat transfer through the wall depends on the heat transfer of gases to the wall and heat transfer from the wall to the heated material and it is less than the lowest heat transfer coefficient. To increase the heat transfer from the wall to the material of plant origin and the gaseous medium, vertical ribs with a surface area equal to or 2 times the area of the inner surface of the metal sealed chamber are welded on the inner surface of the chamber. It was experimentally established that the ratio of these areas of more than two is practically impractical, since the increase in heat dissipation is negligible. The internal environment in a metal sealed chamber is highly aggressive, which at a relatively high temperature of the medium causes carburization of the metal surface and at the same time chemical corrosion. These factors reduce the life of the metal chamber.

Для обеспечения надежности металлической камеры ее внутреннюю поверхность покрывают нитридом титана, который обладает высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах и одновременно высокой теплопроводностью. To ensure the reliability of the metal chamber, its inner surface is coated with titanium nitride, which has high corrosion resistance at elevated temperatures and at the same time high thermal conductivity.

Claims

1. The method of thermal processing of materials of plant origin, including loading the material into an airtight chamber and simultaneous heating through the wall of the chamber with subsequent cooling and unloading, characterized in that the thermal processing is carried out in an environment of pre-heated more than 150 ^o With natural gas in the mass ratio of gas to process material 0.25 0.5.

2. The method according to p. 1, characterized in that the plant materials are pre-dried with combustion products coming from the heating chamber with a temperature of not more than 200 ^o C.

3. The method according to p. 1, characterized in that the natural gas is heated in the heat exchanger with the heat of the exhaust gaseous and vaporous products of pyrolysis of materials of plant origin.

4. The method according to p. 1, characterized in that the air supplied to the furnace for the preparation of the coolant is heated with the heat of the pyrolysis products.

5. The method according to p. 1, characterized in that the natural gas after separation of the liquid and gaseous products of pyrolysis is returned to the pyrolysis process.

6. The method according to p. 1, characterized in that the heat treatment is carried out at a temperature of not more than 650 ^o C.

7. The method according to p. 1, characterized in that the heat treatment is carried out in a chamber under vacuum.

8. The method according to p. 1, characterized in that the time of thermal processing of materials of plant origin does not exceed 35 minutes

9. A device for the thermal processing of materials of plant origin, including a metal sealed chamber located inside the heat-insulating layer with a gap between them, a furnace and a gas duct for supplying combustion products, characterized in that the gap between the metal chamber and the heat-insulating layer is filled with refractory heat-conducting balls, for example corundum, and the inner surface of the metal sealed chamber is provided with vertical ribs, and the area of the outer surface of the ribs is connected with the area for the inner surface of the metal sealed chamber as follows:
S _p _p / S _p _to 1 2,
where S _p _p the outer surface area of the ribs;
S _p _to the surface area of the sealed chamber.

10. The device according to p. 9, characterized in that the inner surface of the metal sealed chamber and the ribs are coated with highly resistant heat-conducting material, for example titanium nitride.