RU2771727C1

RU2771727C1 - Method for stabilizing carbon product and device for its implementation

Info

Publication number: RU2771727C1
Application number: RU2021129253A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Григорьевич Аверичев
Original assignee: Эдуард Григорьевич Аверичев
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2022-05-11

Abstract

FIELD: timber industry.

SUBSTANCE: inventions relate mainly to the timber industry and can be used in the production of carbon products from wood and other plant materials. Method for stabilizing a carbon product includes introducing product particles into an air flow, passing a particle flow through a cylindrical volume, regulating the product movement speed and contains an odd number of stages, at least three, the stages are implemented in a vertical plane with an alternate change in the direction of particle flow movement, when the product moves is intensively mixed and loosened, in the direction of movement its speed increases, the release of the product from the working area is carried out in a thin layer by means of an air flow directed perpendicular to the product flow. The device for implementing the method comprises an inlet pipe, a vertically installed reservoir, a transportation device, and an air supply unit. The tank contains an odd number of sections connected to each other, inside each section there is a transportation device, in each odd section the transportation device is made in the form of a screw spiral conveyor with a rigid spiral, in each even section, the first half of the transportation device in the direction of material movement is a shaft with blades , the outlet pipe is made in the upper part of the tank and its outlet is located in the zone of air flow generated by the fan.

EFFECT: stabilization of the carbon product, efficient cooling of particles, homogenization of the product (alignment of structure and properties) and obtaining the required consumer properties, including increased bulk density.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится преимущественно к лесной промышленности и может быть использовано при производстве углеродных продуктов из древесины и другого растительного сырья.The invention relates primarily to the timber industry and can be used in the production of carbon products from wood and other plant materials.

Одной из особенностей горячего древесного угля является способность к самовозгоранию после выгрузки его из печи и пребыванию в среде с доступом кислорода. Указанное относится ко всем углеродным продуктам, полученным путем пиролиза органического сырья растительного происхождения. С целью снижения вероятности возгорания, а также для придания готовому углю потребительских свойств в технологический процесс получения углеродного продукта включен этап стабилизации. «Стабилизировать уголь - это значит лишить его способности самовозгораться в условиях перевозки и хранения» [Технология лесохимических производств: Учебник для вузов / Выродов В.А. и др. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 352 с.]. По мнению специалистов «Наиболее эффективный и в то же время интенсивный способ - стабилизация древесного угля воздухом в тонком слое... в условиях, когда ни один параметр процесса (концентрация парамагнитных центров, геометрические размеры массы угля, температура, концентрация кислорода) не превышает критического значения.» [см. там же].One of the features of hot charcoal is the ability to ignite spontaneously after unloading it from the furnace and stay in an environment with oxygen access. This applies to all carbon products obtained by pyrolysis of organic raw materials of plant origin. In order to reduce the likelihood of ignition, as well as to impart consumer properties to the finished coal, a stabilization stage is included in the technological process for obtaining a carbon product. “Stabilizing coal means depriving it of its ability to ignite spontaneously under conditions of transportation and storage” [Technology of wood-chemical production: Textbook for universities / Vyrodov V.A. etc. - M.: Timber industry, 1987. - 352 p.]. According to experts, “The most effective and at the same time intensive method is the stabilization of charcoal with air in a thin layer ... under conditions when not a single process parameter (the concentration of paramagnetic centers, the geometric dimensions of the coal mass, temperature, oxygen concentration) does not exceed the critical values." [cm. there].

Известен способ предотвращения самовозгорания древесного угля путем пропуска через слой угля потока горячего воздуха [А.С. 344728. Способ предотвращения самовозгорания древесного угля / Л.М. Ефимов и др.; заявитель: ЦНИПИ лесохимической промышленности. - Опубл. 05.01.1976. - Режим доступа: http://www1.fips.ru]. Необходимость подогрева воздуха существенно удорожают это процесс.A known method of preventing spontaneous combustion of charcoal by passing a stream of hot air through a layer of coal [A.S. Patent 344728. Method for preventing spontaneous combustion of charcoal / L.M. Efimov and others; applicant: TsNIPI timber industry. - Published. 01/05/1976. - Access mode: http://www1.fips.ru]. The need for air heating significantly increases the cost of this process.

Известен способ кондиционирования углеродсодержащего материала, который включает в себя введение частиц в поток холодного воздухоносителя, пропускание частиц и холодного воздуха по трубчатому трубопроводу до тех пор, пока воздух не поглотит значительное количество тепла от частиц, введение частично охлажденных частиц в вертикальную башню с возможностью их падения, многократное взаимодействие падающих частиц, подачу воздуха в нижней части башни в качестве противоточного потока и регулирование подачи его [US 3092471. Process for conditioning carbonaceous material. Stormier Charles F., 04.06.1963]. К числу недостатков указанного способа следует отнести падение частиц на протяженном однонаправленном участке со случайным их взаимодействием с наклонными перегородками, отсутствие управления потоком частиц в процессе в целом, высокую вероятность выброса пылевидных частиц продукта восходящим потоком воздуха, а также вероятность образования плотных скоплений горячих частиц (в силу зависимости скорости скольжения по наклонным перегородкам, скорости витания и силы тяжести от геометрических размеров и массы частиц), что может привести к возникновению опасных ситуаций, а также высокую вероятность попадания частиц в воздуховод, расположенный в нижней части башни, что также может снизить эффективность противоточного потока воздуха. Указанный способ по своей сути наиболее близок к заявленному, поэтому принят в качестве прототипа.A known method of conditioning a carbon-containing material, which includes introducing particles into a cold air carrier stream, passing particles and cold air through a tubular pipeline until the air absorbs a significant amount of heat from the particles, introducing partially cooled particles into a vertical tower with the possibility of their falling , repeated interaction of falling particles, air supply in the lower part of the tower as a countercurrent flow and regulation of its supply [US 3092471. Process for conditioning carbonaceous material. Stormier Charles F., 06/04/1963]. The disadvantages of this method include the fall of particles in an extended unidirectional section with their random interaction with inclined partitions, the lack of control of the flow of particles in the process as a whole, the high probability of ejection of dusty particles of the product by the ascending air flow, as well as the probability of the formation of dense accumulations of hot particles (in the dependence of the speed of sliding on inclined partitions, the speed of soaring and the force of gravity on the geometric dimensions and mass of particles), which can lead to hazardous situations, as well as a high probability of particles entering the air duct located in the lower part of the tower, which can also reduce the efficiency of the counterflow air flow. This method is inherently closest to the claimed, therefore, taken as a prototype.

Установка по патенту US 3092471. Process for conditioning carbonaceous material. Stormier Charles F., 04.06.1963 содержит всасывающий патрубок, центробежный вентилятор с приводом, наклонный пневматический транспортер, циклон, вертикально установленный приемный резервуар с размещенными в его внутреннем объеме попеременно расположенными наклонными перегородками, а в нижней его части расположен воздухозаборник с шибером, регулирующим подачу встречного потока воздуха, и винтовой транспортер, размещенный в трубчатом корпусе. Существенным недостатком указанного устройства является громоздкость конструкции и ее высокая металлоемкость (для получения углеродного продукта с безопасной для его складирования температурой частиц необходима достаточно существенная высота башни), невозможность управления движением и состоянием потока частиц углеродного продукта. Указанное устройство по сути наиболее близко к заявленному, поэтому принято в качестве прототипа.Installation according to US 3092471. Process for conditioning carbonaceous material. Stormier Charles F., 06/04/1963 contains a suction pipe, a centrifugal fan with a drive, an inclined pneumatic conveyor, a cyclone, a vertically installed receiving tank with alternately located inclined partitions placed in its internal volume, and in its lower part there is an air intake with a gate that regulates the flow oncoming air flow, and a screw conveyor placed in a tubular housing. A significant disadvantage of this device is the bulkiness of the structure and its high metal consumption (to obtain a carbon product with a safe particle temperature for its storage, a sufficiently significant height of the tower is required), the impossibility of controlling the movement and state of the flow of particles of the carbon product. The specified device is essentially the closest to the claimed, therefore, taken as a prototype.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка способа стабилизации углеродного продукта и устройства для его осуществления, обеспечивающего эффективное охлаждение частиц, гомогенизацию продукта (выравнивание структуры и свойств) и получение требуемых потребительских свойств его, в том числе повышенной насыпной плотности.The technical objective of the claimed invention is the development of a method for stabilizing a carbon product and a device for its implementation, providing efficient cooling of particles, homogenization of the product (alignment of structure and properties) and obtaining the required consumer properties of it, including increased bulk density.

Технический результат достигается за счет непрерывного интенсивного перемешивания углеродного продукта, его измельчения и взаимодействия с кислородом воздуха в тонком слое в процессе стабилизации в естественных условиях.The technical result is achieved due to continuous intensive mixing of the carbon product, its grinding and interaction with atmospheric oxygen in a thin layer in the process of stabilization in natural conditions.

Технический результат в способе стабилизации углеродного продукта реализуется следующим образом. Способ включает введение частиц продукта в воздушный поток, пропускание потока частиц через цилиндрический объем, регулирование скорости движения продукта, причем процесс стабилизации содержит нечетное количество этапов, по крайней мере три, этапы реализуются в вертикальной плоскости с поочередным изменением направления движения потока частиц, при движении продукт интенсивно перемешивается и рыхлится, по ходу движения скорость его увеличивается, выпуск продукта из рабочей зоны осуществляется тонким слоем посредством воздушного потока, направленного перпендикулярно потоку продукта.The technical result in the method of stabilization of the carbon product is implemented as follows. The method includes introducing product particles into an air flow, passing the flow of particles through a cylindrical volume, regulating the speed of product movement, and the stabilization process contains an odd number of stages, at least three, the stages are implemented in a vertical plane with an alternate change in the direction of the flow of particles, while moving the product is intensively mixed and loosened, in the direction of movement its speed increases, the release of the product from the working area is carried out in a thin layer by means of air flow directed perpendicular to the product flow.

Горячий углеродный продукт выгружается из зоны пиролиза и перемещается в зону стабилизации в замкнутом объеме без доступа воздуха. Процесс стабилизации содержит нечетное количество этапов, по крайней мере три. В конце каждого этапа направление движения части частиц изменяется и за счет возникающих при этом сил инерции частицы поступают на следующий этап. На соседних этапах продукт движется в противоположных направлениях, при этом на первой половине каждого четного этапа характер воздействия на частицы продукта изменяется, дополнительно происходит рыхление потока частиц. На каждом этапе скорость движения потока, а значит и интенсивность перемешивания его возрастает по сравнению с предыдущим. Известно, что частицы горячего угля, как и любого углеродного продукта, полученного в результате пиролиза органического сырья растительного происхождения, отличаются хрупкостью и высокой способностью к дроблению. В процессе интенсивного перемешивания частицы взаимодействуют между собой и средствами их транспортирования-перемешивания, в результате чего происходит разрушение их структуры, уменьшение их геометрических размеров и теплообмен. К моменту окончания процесса перемешивания углеродный продукт переходит в порошкообразное состояние, насыпная плотность его увеличивается, а крупность составляющих его частиц существенно уменьшается в сравнении с начальной и становится примерно одинаковой. Теплообмен между потоком углеродного продукта и окружающей средой происходит «через стенку», поскольку процесс стабилизации реализуется в замкнутом объеме. В зависимости от крупности и свойств исходного сырья, а также требований потребителя к качеству получаемого углеродного продукта эмпирическим путем подбирается количество этапов процесса стабилизации. На выходе с последнего этапа поток измельченного и частично остывшего углеродного продукта постепенно маленькими порциями, образуя тонкий слой, соединяется с потоком свежего воздуха, причем последний направлен перпендикулярно потоку углеродного продукта. Это позволяет более эффективно взаимодействовать частицам потока с воздухом, в результате такого взаимодействия частицы отдают воздуху излишнее тепло (понижается их температура), изменяется направление и скорость их перемещения - формируется направленный поток остывших частиц углеродного продукта примерно одинаковых геометрических размеров, который поступает к месту складирования или упаковывания.The hot carbon product is unloaded from the pyrolysis zone and moved to the stabilization zone in a closed volume without air access. The stabilization process contains an odd number of steps, at least three. At the end of each stage, the direction of movement of a part of the particles changes and, due to the forces of inertia that arise in this case, the particles enter the next stage. At adjacent stages, the product moves in opposite directions, while in the first half of each even stage, the nature of the impact on the product particles changes, and the particle flow additionally loosens. At each stage, the speed of the flow, and hence the intensity of its mixing, increases in comparison with the previous one. It is known that the particles of hot coal, like any carbon product obtained as a result of the pyrolysis of organic raw materials of plant origin, are fragile and highly crushable. In the process of intensive mixing, the particles interact with each other and with the means of their transportation-mixing, resulting in the destruction of their structure, a decrease in their geometric dimensions and heat transfer. By the end of the mixing process, the carbon product passes into a powder state, its bulk density increases, and the size of its constituent particles decreases significantly in comparison with the initial one and becomes approximately the same. Heat exchange between the carbon product flow and the environment occurs "through the wall", since the stabilization process is implemented in a closed volume. Depending on the size and properties of the feedstock, as well as the consumer's requirements for the quality of the resulting carbon product, the number of stages of the stabilization process is selected empirically. At the exit from the last stage, the flow of crushed and partially cooled carbon product gradually in small portions, forming a thin layer, combines with the fresh air flow, the latter being directed perpendicular to the flow of the carbon product. This allows the particles of the flow to interact more effectively with the air, as a result of this interaction, the particles give off excess heat to the air (their temperature decreases), the direction and speed of their movement change - a directed flow of cooled particles of a carbon product of approximately the same geometric dimensions is formed, which enters the place of storage or packaging.

Принципиальной особенностью заявленного способа является движение потока углеродного продукта в вертикальной плоскости, за счет чего обеспечивается постоянство и равномерность его живого сечения, а также образование из-за некоторого его уплотнения естественных «затворов» в начале нечетных этапов, которые препятствуют прониканию пиролизных газов на входе в зону стабилизации и атмосферного воздуха на выходе из нее.The principal feature of the claimed method is the movement of the carbon product flow in a vertical plane, which ensures the constancy and uniformity of its free cross section, as well as the formation, due to some of its compaction, of natural "gates" at the beginning of odd stages that prevent the penetration of pyrolysis gases at the inlet to stabilization zone and atmospheric air at its outlet.

Устройство для осуществления способа содержит входной патрубок, вертикально установленный резервуар, устройство транспортирования, узел подачи воздуха, причем вертикально установленный резервуар содержит нечетное количество участков, соединенных между собой, внутри каждого участка расположено устройство транспортирования, на каждом нечетном участке устройство транспортирования выполнено в виде винтового спирального транспортера с жесткой спиралью, на каждом четном участке первая по ходу движения материала половина устройства транспортирования представляет собой вал с лопастями, выпускной патрубок выполнен в верхней части резервуара и его выходное отверстие размещено в зоне движения воздушного потока, формируемого вентилятором.The device for implementing the method comprises an inlet pipe, a vertically mounted tank, a transportation device, an air supply unit, and the vertically installed tank contains an odd number of sections connected to each other, a transportation device is located inside each section, in each odd section the transportation device is made in the form of a helical spiral conveyor with a rigid spiral, in each even section, the first half of the conveying device in the direction of material movement is a shaft with blades, the outlet pipe is made in the upper part of the tank and its outlet is located in the zone of air flow formed by the fan.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего способ стабилизации углеродного продукта, где 1 - входной патрубок, 2 - вертикально установленный резервуар, 3 - устройство транспортирования нечетного участка, 4 - узел подачи воздуха, 5 - выпускной патрубок, 6 - отверстия сброса избыточного давления, 7 - устройство транспортирования четного участка.In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements a method for stabilizing a carbon product, where 1 is an inlet pipe, 2 is a vertically installed tank, 3 is a device for transporting an odd section, 4 is an air supply unit, 5 is an outlet pipe, 6 is an overpressure relief hole, 7 is device for transporting an even section.

Вертикально установленный резервуар представляет собой совокупность нечетного количества, по крайне мере трех, вертикальных трубчатых участков, поочередно соединенных между собой на противоположных концах. По сути, резервуар похож на змеевик. Внутри каждого вертикального трубчатого участка размещено устройство транспортирования: в нечетных по ходу движения углеродного продукта участках установлены винтовые спиральные транспортеры с жесткой спиралью, в четных первая по ходу движения материала половина устройства транспортирования представляет собой вал с лопастями, длина которых составляет 0,25-0,40 внутреннего диаметра вертикального трубчатого элемента. Вторая половина устройства выполнена в виде винтового спирального транспортера с жесткой спиралью. На каждом винтовом транспортере пара последних по ходу движения материала витков направлена противоположно основным виткам. Каждое устройство транспортирования снабжено мотор-редуктором. Частота вращения устройств транспортирования увеличивается по ходу движения углеродного продукта. Это обусловлено повышением насыпной плотности продукта от участка к участку из-за уменьшения геометрических размеров (дробления, мельчения) частиц потока. Для исключения образования зон избыточного давления при движении продукта в верхней части корпуса каждого четного участка устроены отверстия, выход частиц продукта из них наружу исключен, поскольку в этой зоне могут скапливаться лишь пиролизные газы или воздух (в случае сбоя в работе узла подачи воздуха). Количество вертикальных участков резервуара и скоростные режимы работы устройств транспортирования подобраны таким образом, что за время пребывания в нем частицы углеродного продукта частично остывают и измельчаются, углеродный продукт переходит в порошкообразное состояние. Устройство работает следующим образом.A vertically mounted tank is a combination of an odd number of at least three vertical tubular sections, alternately connected to each other at opposite ends. In fact, the reservoir is similar to a coil. Inside each vertical tubular section, a transportation device is placed: in odd sections along the direction of movement of the carbon product, helical spiral conveyors with a rigid spiral are installed; 40 internal diameter of the vertical tubular element. The second half of the device is made in the form of a screw spiral conveyor with a rigid spiral. On each screw conveyor, a pair of the last turns in the direction of material movement is directed opposite to the main turns. Each transport device is equipped with a gear motor. The frequency of rotation of the transportation devices increases in the direction of the carbon product. This is due to an increase in the bulk density of the product from section to section due to a decrease in the geometric dimensions (crushing, grinding) of the flow particles. To prevent the formation of overpressure zones during the movement of the product, holes are arranged in the upper part of the body of each even section, the exit of product particles from them to the outside is excluded, since only pyrolysis gases or air can accumulate in this zone (in case of a malfunction of the air supply unit). The number of vertical sections of the tank and the speed modes of operation of the transportation devices are selected in such a way that during the stay in it, the particles of the carbon product partially cool down and grind, the carbon product passes into a powder state. The device works as follows.

Поток горячего углеродного продукта из топки через входной патрубок поступает к началу первого вертикального участка. За счет вращения винтового спирального транспортера происходит формирование потока постоянного живого сечения, частицы потока, перемешиваясь, поднимаются вверх. Под действием в том числе сил тяжести частиц в начале каждого нечетного участка и в конце каждого четного участка происходит образование естественного «затвора» - плотного скопления частиц материала, препятствующего прониканию пиролизных газов из топки в зону стабилизации во входной зоне резервуара и прониканию атмосферного воздуха в выходной его части. На выходе из последнего вертикального участка поток углеродного продукта смешивается с потоком наружного воздуха, формируемым узлом подачи воздуха, и через выпускной патрубок выходит из устройства. Воздушный поток направлен перпендикулярно потоку углеродного продукта, а его скорость подобрана таким образом, что углеродный продукт поступает в воздушный поток тонким слоем и за время взаимодействия воздуха с частицами продукта происходит их окончательное остывание, изменяется направление и скорость их движения, выносимые через патрубок частицы массово оседают на ограниченной площади (размер частиц примерно одинаковый, а значит и скорость их движения) в тару для временного складирования или в случае присоединения к патрубку воздуховода системы упаковывания продукта поступают непосредственно в упаковочную тару или в брикетер, пресс и пр.The flow of hot carbon product from the furnace through the inlet pipe comes to the beginning of the first vertical section. Due to the rotation of the screw spiral conveyor, a stream of constant free cross section is formed, the particles of the stream, being mixed, rise up. Under the action of particles gravity at the beginning of each odd section and at the end of each even section, a natural “gate” is formed - a dense accumulation of material particles that prevents the penetration of pyrolysis gases from the furnace into the stabilization zone in the inlet zone of the tank and the penetration of atmospheric air into the outlet its parts. At the exit from the last vertical section, the carbon product flow mixes with the outside air flow formed by the air supply unit and exits the device through the outlet pipe. The air flow is directed perpendicular to the flow of the carbon product, and its speed is chosen in such a way that the carbon product enters the air flow in a thin layer and during the interaction of air with the particles of the product their final cooling occurs, the direction and speed of their movement changes, the particles carried out through the nozzle massively settle on a limited area (the size of the particles is approximately the same, and hence the speed of their movement) into containers for temporary storage or in the case of connection to the air duct branch pipe of the product packaging system, they enter directly into the packaging container or into a briquette, press, etc.

Указанный способ и устройство могут применяться при переработке в углеродный продукт (например, древесный уголь) отходов лесопиления и деревообработки (щепа, опилки, куски древесины и пр.), отходов сельскохозяйственного производства (костра лубяных растений, камыш, солома, полова, отходы, полученные при очистке семян, скорлупа и прочие части растений, отходы животноводства и прочие твердофазные органические материалы). Простота реализации способа и компактность конструкции позволяют применять заявленное изобретение в стационарных условиях либо в мобильных устройствах пиролиза органического растительного сырья, поскольку процессы стабилизации, измельчения, транспортирования объединены.The specified method and device can be used when processing into a carbon product (for example, charcoal) sawmill and woodworking waste (wood chips, sawdust, pieces of wood, etc.), agricultural production waste (bast fires, reeds, straw, flooring, waste obtained when cleaning seeds, shells and other parts of plants, animal waste and other solid-phase organic materials). The ease of implementation of the method and the compactness of the design make it possible to apply the claimed invention in stationary conditions or in mobile devices for the pyrolysis of organic plant materials, since the processes of stabilization, grinding, and transportation are combined.

Claims

1. A method for stabilizing a carbon product, including introducing product particles into an air stream, passing a particle stream through a cylindrical volume, regulating the product movement speed, characterized in that the stabilization process contains an odd number of stages, at least three, the stages are implemented in a vertical plane with alternate by changing the direction of movement of the flow of particles, when moving, the product is intensively mixed and loosened, in the direction of movement, its speed increases, the release of the product from the working area is carried out in a thin layer by means of an air flow directed perpendicular to the flow of the product.

2. A device for implementing the method according to claim 1, containing an inlet pipe, a vertically installed tank, a transportation device, an air supply unit, characterized in that the vertically installed tank contains an odd number of interconnected sections, a transportation device is located inside each section, on in each odd section, the conveying device is made in the form of a helical spiral conveyor with a rigid spiral, in each even section, the first half of the conveying device in the direction of material movement is a shaft with blades, the outlet pipe is made in the upper part of the tank and its outlet is located in the zone of air flow generated by the fan.