Установка углежжения

Установка углежжения древесного угля в системе свободного движения газов.

В данной статье не рассматривается технологическая сущность процесса производства древесного угля. Рассматриваются только пути решение задач, поставленных технологами. Технологические требования приняты из книги Ю.Д. Юдкевич, С.Н. Васильев, В.И. Ягодин, (1). Чтобы получить качественный древесный уголь в необходимом объеме, процесс производства угля (пиролиз) должен быть управляемым.

Какие задачи должна обеспечивать установка? Оптимальной является энергоустановка, выполняющая нижеприведенные функции и отвечающая следующим требованиям:

1. Сушка. Процесс сушки должен быть управляемым. Пирогенетическая переработка древесного сырья связана с его сушкой. Сушка почти всегда разделяется на два этапа. Первый - предварительная в сушилках. Второй - досушивание сырья в процессе пиролиза.

Предварительная сушка. Ход процесса существенно зависит от начальной влажности древесины. Чем влажнее древесина, тем больше тепла требуется для завершения этого процесса и тем дольше он идет во времени. Количество подводимого тепла зависит от разности температур, а испарение влаги требует много энергии. Необходимо повышать температуру теплоносителя или увеличивать время сушки. Однако при интенсивной сушке с высокой температурой пары рвут древесину, и уголь получается некачественный - непрочный, трещиноватый. В известных технологиях пиролиза для сушки принимают температуру теплоносителя не выше 200...220°С. Пока древесина не высохла, ее температура (при нормальном давлении) остается на уровне 100°С или чуть выше. Изменение относительной влажности древесины в пределах 13-20%, не влияет на выход продуктов и является оптимальным. Первый и второй этап сушки обеспечивается предлагаемой технологией углежжения.

2. Управление процессом пиролиза. В каждом режиме пиролиза надо выдерживать скорость нагрева, продолжительность пребывания сырья при той или иной температуре, её значение, конечную температуру нагрева. На Рис.10 показано (1), как при подводе тепла через стенку идет подъем температуры внутри аппарата (реторты). То есть показано, как надо выдерживать температуру нагрева реторты, что бы получить необходимый режим пиролиза.

Во времени процесс пиролиза проходит четыре стадии: 1. Сушка (II). Температура не выше 150 оС. Процесс эндотермический; 2. (III) Распад гемицеллюлоз, отщепление части химически связанной воды, образование СО, СО2, метана, уксусной кислоты, метанола. Температура 150... 275 оС. Процесс эндотермический; 3. (IV) Распад целлюлозы и лигнина. Вторичные реакции полимеризации. Образование основных отчеств смолы. Температура 275…450 оС. Процессэкзотермический. Особенно сложен для управления и контроля; 4. (V) Прокалка угля. Удаление из углеродного скелета остатков летучих веществ, удерживаемых адсорбционно. Формирование углеродных кристаллоидных структур. Отщепление функциональных групп, удерживаемых углеродом. Параллельно идут эндотермические и экзотермические реакции. Суммарный баланс эндотермический. Уголь, прокаленный до 500 оС, не является чистым углеродом. Если прокалку продолжать, то и при 600 оС будут выделяться углеводороды (метан, этан, этилен и др.), а при 700...950 оС, в основном, водород. Качественным для большинства потребителей считается уголь, прокалка которого завершена при 450…550 оС. При скоростном пиролизе выход угля на 30...50% меньше, чем при большем времени пребывания в горячей зоне. Окислительный пиролиз (в присутствии дозируемых количеств кислорода) также снижает выход угля, но улучшает его качество как сырья для производства активированного угля и некоторых других применений. Рассматривая древесину в целом, заметим, что темп ее нагрева в обычных ретортах с внешним обогревом определяется скоростью лучеиспускания и теплопередачи от теплоносителя через стенку за счет теплопроводности, а внутри реторты естественной тепловой конвекцией от стенки к древесине (1).

От правильности выполнения первых двух пунктов зависит выход и качество древесного угля.

3. Требование использования тепла остывающего угля.

4. Оптимальное использование выделившейся энергии.

5. Чтобы весь процесс соответствовал законам природы, в этом случае он будет естественен и оптимален.

6. Выполнение экологических требований, правил пожарной безопасности и охраны труда.

Чтобы понять работу установки углежжения рассмотрим некоторые основополагающие моменты.

На схеме Fig.A1.2.3 показан колпак, назовем его «колпак теплонакопительный» , если он имеет выход дымовых газов в трубу непосредственно, или через последующий по ходу движения газов колпак, через «Среду», имеющую зону разряжения (-Р).

Колпак может быть любой формы и объема. Например: круглый, прямоугольный, г-образный, крестообразный и т.п. В него может быть вставлен какой-либо потребитель тепла (бойлер водяной, воздушный, и др.), илиисточник тепла, или потребитель и источник вместе. Обозначения на схемах следующие: Буквами D и T, соответственно дутьё в колпак и тяга из колпака. Дутьё создает в колпаке «Среду» с избыточным давлением, обозначенным «+Р», а тяга «Среду» с разряжением «-Р». Дутье и тяга приложены в точках входа и выхода из колпака 1 и 2. Горячие газы несут с собой тепловую энергию и продукты сгорания. Нас интересует перенос тепловой энергии, поэтому условно принято, что источником тепла является электрический обогреватель, обозначенный буквой «С», в этом случае не требуется удалять продукты сгорания.

Если в колпак через точку 1 будем подавать какой-то объем воздуха в единицу времени, а из точки 2 удалять такое же количество воздуха в единицу времени (при равенстве температур внутри и наружи колпака), то давление в колпаке остается без изменения. То есть, если дутье D и тяга T равны, то давление в колпаке не изменяется. Если в этом случае в колпак подавать горячие газы, из какой то «Среды», то в колпаке повышается температура и давление. Горячие газы отдают, в максимальной мере, свою теплоту стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем. На Fig.A1 показан такой случай. С повышением температуры, в колпаке возникает гравитационный напор (давление). При этом в каждом вышележащем сечении повышается температура и давление. Причем повышенное давление возникает по всей высоте колпака.

Если в колпак вставить электрический нагреватель, при незначительном превышении тяги над дутьем, то в каждом вышележащем сечении повышается температура и давление. Горячие газы, отдав в максимальной мере тепло стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем, уходят в зону разряжения создаваемого тягой. Причем повышенное давление возникает по всей высоте колпака. Такой случай показан на Fig.A2.

Рассмотрим состояние системы, если в колпак вставить электрический нагреватель, при значительномпревышении тяги над дутьем Fig.A3. На газовый поток действуют две силы, определяющие состояние системы. Сила тяги трубы (естественная или искусственная) и гравитационный (тепловой) напор. Воздействие силы тяги трубы (разрежение) уменьшается в каждом вышележащем сечении, а тепловой напор (давление) увеличивается. В нижней зоне колпака суммарная составляющая этих давлений создает разрежение, определяемое заданными значениями силы тяги трубы и температуры. На определенной высоте эти силы будут равны, и разрежения не будет. Выше этого уровня в колпаке возникает повышенное давление. Температура будет повышаться в каждом вышележащем сечении. Горячие газы, отдав в максимальной мере тепло стенкам колпака и потребителю тепла находящемуся в нем, уходят в зону разряжения создаваемую тягой.

Рассмотрим колпак показанный на схеме Fig.В1.2.3. Назовем его «колпаковая печь», (далее – «печь»). Если печь не имеет выхода горячих газов непосредственно в трубу, а газы выходят через теплонакопительный колпак, показанный на Fig.A3, то есть через «Среду», имеющую разрежение (-Р).Печь может быть любой формы и объема. Например: круглой, прямоугольной и т.п. В неё может быть вставлен какой-то потребитель тепла (реторта для пиролиза топлива в стадии сушки и т.п.), или источник тепла (реторта в рабочей стадии или стадии остывания и т.п.).

Если печь не имеет потребителя тепла или имеет потребитель тепла, то в ней возникает разряжение. На схеме Fig.В1, показано такое состояние колпаковой печи.

Если печь имеет генератор (источник) тепла, то в ней возникает повышенное давление и условно холодные, отработанные газы выходят из неё в теплонакопительный колпак, то есть в «Среду» , имеющую зону разряжения. Температура и давление в печи будет повышаться в каждом, вышележащем сечении. На схеме Fig.В2 показано такое состояние системы. Если в этом случае со стороны точки 1 находится «Среда» с атмосферным давлением (Р), то горячие газы будут выходить в сторону точки 2, в «Среду», где имеется разрежение. На схеме Fig.В3 показано такое состояние системы.

Для решения поставленных технологических задач при углежжении предлагается схема установки, построенная по формуле:Установка состоит из ряда колпаковых печей, каждую из которых окружает теплонакопительный колпак, причем между собой они в нижней части имеют свободные проходы через теплонакопительный колпак. Вверху имеются каналы, соединяющие между собой колпаковые печи и теплонакопительный колпак и закрываемые задвижками (шиберами). Fig.C. Обозначения в схеме следующие: 1-8, - колпаковые печи (печи) с ретортами; F, - колпак теплонакопительный (во всех других схемах -5). Трубы подачи парогазов -8, в топочное устройство теплонакопительного колпака -11 для сжигания. Топочное устройство -11, теплонакопительного колпака. Соединительный канал -14, между ретортами и теплонакопительным колпаком с шиберным устройством. Накопленное тепло из теплонакопительного колпака может направляться в любую печь или использоваться для сушки топлива и других целей. Такое построение позволяет получить высокую температуру в печи и расширить пределы регулирования температуры пиролиза. Запуск установки может производиться через любую печь, подогревая её дровами. Катализатор горения по высоте входит в камеру сгорания реторты. Он необходим для стабилизации горения как дров при запуске, так и парогаза в рабочем режиме. Подача воздуха для горения газа производится через поддувальную дверку или калорифер регенератора. Весь процесс может быть автоматизирован. Расположение трубы может быть любым из показанных на Fig.C, в зависимости от принятого кранового оборудования. Такое построение установки обеспечивает гибкость технологии углежжения за счетперераспределения движения потоков горячих газов и парогазов, а так же, и регулирования мощности горения в печи (степени нагрева реторты) . Такой метод дает возможность смещения технологических циклов (периодов) во времени в каждой реторте. Получается своеобразный конвейер. Например: В реторте -1 идет начальный период пиролиза; В реторте -3 идет конечный период пиролиза; В реторте -4 идет остывание готового угля; В реторте -2 (и как вариант совместно в реторте -6) идет загрузка и предварительная сушка топлива. Возможны и другие многие варианты смены технологических циклов. Следует отметить, что установка обладает всеми замечательными качествами «системы свободного движения газов». Эти свойства рассмотрены в статьях:Еще раз о системе …» Пиролиз биотоплива в колпаке и сжигание его продуктов в системе свободного движения газов . Ни одним из этих свойств не обладает система с принудительным движением газов.

Печь каждой реторты, самостоятельная печь с поддувалом, топочной дверкой, колосниковой решеткой, топливником и катализатором горения из решетки огнеупорного кирпича. Каждая печь разделяется между собой теплонакопительным колпаком.

На Fig.D, показан разрез по осям реторт печей №1 и №2 на схеме Fig.C. Обозначения на Fig.D следующие: Колпаковая печь -1. Труба -2, для подачи парогазов в камеру сгорания (6). Вынимаемая (съемная) реторта -3. Вынимаемый (съемный) решетчатый цилиндр -4, для пиролизуемых дров с герметизирующей реторту (-3) крышкой. Крышка выполнена отдельно от решетчатого цилиндра. Теплонакопительный колпак -5 (F). Камера сгорания -6 реторты (3). Топливник для дров -7. Труба -8, для подачи излишков парогазов в топочное устройство теплонакопительного колпака для сжигания. Регулирующая задвижка в закрытом состоянии -9. Регулирующая задвижка в открытом состоянии -10. Топочное устройство теплонакопительного колпака -11 (блок из нескольких труб -8 с горелками). В каждый период времени через одну из горелок происходит сжигание парогаза. В любой период технологического цикла происходит самозагорание парогаза, как только начинается его выделение из какой то реторты.

Технологией предусматривается пиролиз дров в реторте с внешним нагревом. Нагрев топлива внутри реторты происходит за счет конвективного теплообмена, поэтому нагрев реторты должен быть снизу и нижней части боковой поверхности. В связи с этим в нижней части реторты -3 устраивается камера сгорания -6, в которую выходит топливник для дров и сопла, через которые поступает газ, получаемый в результате пиролиза. Туда же подается воздух, необходимый для реакции горения (возможен вариант регенеративной технологии). Предлагаемая конструкция реторты и печи обеспечивает выполнение этих условий. В верхней зоне реторты находится труба с задвижкой -10, через которую отводятся излишний газ (при регулировании мощности горения) в топочное устройство теплонакопительного колпака -11, где сжигается. Топочное устройство построено по формуле "Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". Во время пиролиза в реторте создается давление. Регулирование мощности горения (нагрева реторты) производится за счет изменения давления в реторте посредством открывания (возможно в автоматическом режиме) указанной задвижки. Происходит перераспределение путей подачи парогаза. Возможен вариант перераспределения путей и объемов парогазов, посредством установки трехходовой задвижки, направляющей в нужном направлении необходимый объем парогаза. Выход газов из печей происходит в нижней зоне. Отработавшие газы поступают в теплонакопительный колпак по схеме показанной на Fig.В2.

В IV-й стадии экзотермы, когда температура угля повышается выше допустимой, регулирование (уменьшение) температуры в печи производится за счет перераспределения потоков горячих газов, применяемого при сушке. Избыток горячих газов направляется через шиберное устройство в теплонакопительный колпак или печь, в которой требуется повысить температуру.

Загрузка топлива, выгрузка угля. Дрова загружаются в вынимаемый решетчатый цилиндр -4 вручную, или транспортером колуна. После чего его ставят краном в одну из реторт -3, на предварительную сушку. Остывший уголь выгружается краном в решетчатом цилиндре -4 или реторте -3 и подается на переработку в бункер, весовой дозатор, мешки. При вытащенной из печи реторте -3, отверстие в печи можно сразу не закрывать, так как в ней возникает незначительная тяга, направленная вниз. Атмосферный воздух попадает в теплонакопительный колпак и уходит низом его в трубу, охлаждая его незначительно (эффект газовой вьюшки). Горячие отработанные газы из теплонакопительного колпака уходят в «Среду» с разрежением, то есть в трубу. Система работает по схеме показанной на Fig.В3.

Предварительная сушка. Использование тепла остывающего угля. Рассмотрим схему сушки, показанную на Fig.D. Обозначения на схеме следующие: “2”, - печь с ретортой на сушке. “4”, - печь с горячей ретортой на остывании. Топочное устройство -11. Крышка -12 и -13, соответственно в открытом и закрытом состоянии. Соединительный канал -14, между ретортами и теплонакопительным колпаком. Шибер на четыре положения -15, обеспечивающий пропускание горячих газов между ретортами, и из теплонакопительного колпака -5 в одну из реторт. Верхняя шиберная заслонка необходима для продувания печи в атмосферу в режиме доведения угля до температуры, при которой допускается его разгрузка. Труба подачи парогазов -8 в топочное устройство печи.

Принцип работы следующий. Дрова в решетчатом цилиндре -4 ставятся в реторту -3 печи “2”. Герметизирующая крышка -12 реторты приоткрыта. Сушка может производиться по двум вариантам. Например, по Fig.D:

1. Горячие газы от горячей реторты подаются (естественная циркуляция) из печи “4” через канал -14 в печь “2”. При этом проходы из теплонакопительного колпака в канал и верхний в атмосферу перекрыты шибером;
2. Горячие газы из теплонакопительного колпака подаются через открытый шибер в канал -14 в печь “2”. При этом канал в сторону печи “4” и отверстие в атмосферу перекрыты шибером.
Топливо в реторте печи “2” сушится по аналогии с выпариванием воды в кастрюле на плите. Регулирование температуры сушки производится величиной открытия шибера.
Процесс остывания угля оканчивается при температуре его 45-50 оС. Понижение температуры угля в конце процесса осуществляется продуванием печи холодным воздухом через открытую поддувальную дверку печи, при открытой верхней задвижке шиберного устройства и отверстия в канал -14. Остальные задвижки шиберного устройства закрыты.
Технологией предусматривается, что в различных технологических циклах, температура в каждой печи может значительно отличаться от температуры в теплонакопительном колпаке. Например, в стадии пиролиза и прокалки угля температура максимальная, а в начальной стадии сушки, или окончании остывания реторты с углем, минимальная. Кроме того, технология требует быстрой смены температурного режима в печи в зависимости от стадии, в которой она находится. То есть система не должна быть инерционной. В теплонакопительном колпаке предусматривается сохранение выделенной энергии в максимальном объеме. Поэтому необходимо выполнить стенки установки углежжения так, чтобы выполнялись эти условия.
Стенки между печью и теплонакопительным колпаком, а также с улицей необходимо выполнить трехслойными следующей конструкции:
Со стороны печи должен быть материал с высоким коэффициентом теплопроводности, чтобы можно было быстро снизить или поднять температуру в печи, требуемую в различных стадиях углежжения;
Со стороны теплонакопительного колпака должен быть материал с высокой теплоаккумулирующей способностью;
Со стороны улицы должен быть материал, защищающий установку от атмосферного воздействия;
Средний слой минеральной теплоизоляции должен предотвратить передачу тепла из теплонакопительного колпака в печь, а стороны выходящей на улицу - тепла на улицу.
Стенка между улицей и теплонакопительным колпаком также выполняются трехслойной. Внутренний слой должен быть материал с высокой теплоаккумулирующей способностью. Наружный слой из материала, защищающего от атмосферного воздействия. Средний слой из минеральной теплоизоляции должен предотвратить передачу тепла из теплонакопительного колпака на улицу.
Формула «Установка состоит из ряда колпаковых печей, каждую из которых окружает теплонакопительный колпак, причем между собой они в нижней части имеют свободные проходы через теплонакопительный колпак. Вверху имеются каналы, соединяющие между собой колпаковые печи и теплонакопительный колпак и закрываемые задвижками (шиберами)» , описывает метод создания не только установки для получения древесного угля. Она может быть использована для создания отопительных котлов для сжигания картонных коробок, деревянных ящиков и другого мусора в магазинах, базарах и т.п., а также в переработке отходов лесопроизводства, торфа, мусора и т.п.
Я уже пережил отмеренную среднему Россиянину жизнь. У меня нет времени и возможности патентовать свои работы, скрывать результаты своих работ. Ко мне обращаются люди из многих стран мира с теплыми словами благодарности за проделанную работу и с просьбой продать чертежи печей, котлов и т.п. Продажа чертежей и сопутствующая этому работа, требует много времени и умения, которых у меня нет и мне это не нужно. К сожалению, у меня нет физической возможности сделать громадный наработанный материал достоянием людей. Нет возможности провести испытания и доработку наших систем и решить вопросы, сформулированные в разделе «Предложение к исследованию». В результате этой работы нас могут ждать значительные открытия.Суммируя все сказанное, я объявляю выше указанную формулу приоритетной заявкой на изобретение метода,для создания энергоустановок, достоянием мирового сообщества. Тот, кто захочет использовать результат этой работы, должен приобрести на это право и внести плату в международный фонд. Управление фондом и распределение средств из него должно быть под контролем международной организации и использоваться на развитие «Системы свободного движения газов». Основная задача тех, кто получит средства из фонда, сделать результаты своих работ достоянием людей.
Список используемой литературы:
И.В. Кузнецов. Екатеринбург, тел. (343) 3077303 e-mail: igor@stove.ru ; http://stove.ru

27/02/2005 © Igor Kuznetsov "Kuznetsov's stoves"