RU84375U1

RU84375U1 - ORGANIC MATERIALS PYROLYSIS PROCESSING DEVICE

Info

Publication number: RU84375U1
Application number: RU2009109446/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Бессмертных; Виктор Михайлович Зайченко; Владимир Фролович Косов; Валентин Владимирович Косов; Игорь Леонидович Майков; Владимир Александрович Синельщиков
Original assignee: Учреждение Российской Академии Наук Объединенный Институт Высоких Температур Ран (Оивт Ран)
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-07-10

Abstract

Устройство пиролизной переработки гранулированных органических веществ, включающее топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, отличающееся тем, что в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, а в верхней части реторты выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для ввода в реторту пиролизных газов рецикла, причем устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а нагреваемой средой являются газы рецикла, а во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а охлаждающей средой является вода, при этом устройство включает встроенный в газоход газов рецикла электромагнитный клапан с частотой перекрытия газохода 0,1÷1 Гц, а также участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку.A device for the pyrolysis processing of granular organic substances, including a firebox connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating shell, and a vertical retort with the possibility of pyrogas exiting at the bottom of the retort, equipped with a bottom with holes, characterized in that one or one is made in the bottom of the retort above the bottom several holes with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, and one or more holes with adjacent gas ducts are made in the upper part of the retort for introducing recycle pyrolysis gases into the retort, the device comprising two non-mixing heat exchanger media, in the first of which pyrolysis gases leaving the retort are the heating medium, the recycle gases are the heated medium, and pyrolysis gases leaving the first heat exchanger are the second cooled medium, and the cooling medium is water, while the device includes an electromagnetic valve integrated in the gas recycle gas duct with a gas duct shut-off frequency of 0.1 ÷ 1 Hz, as well as a granular preparation section organic matter with a humidity equal to or more than 50 ÷ 100% humidity necessary for the complete conversion of organic substances into gaseous fuel, and also contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside of which a heat exchanger is located cooling the ash and heating the air entering the furnace.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, органогенных отходов в энергетике для получения экологически чистого газообразного моторного и печного топлива.The proposed utility model relates to the use of organic substances, in particular low-grade coal, peat, organogenic waste in the energy sector to produce environmentally friendly gaseous motor and furnace fuels.

Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную металлическую камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, в котором движется теплоноситель для нагрева пиролизуемого материала через стенку камеры. Устройство включает также отверстие с примыкающим к нему газоходом для подачи в реторту нагретого в теплообменнике выше 150°С природного газа и участок разделения природного газа от пирогазов, выделяющихся при пиролизе (RU, патент 2105034, МПК 6 С10В 53/02).A device is known for thermal processing of materials of plant origin, including a sealed metal chamber located inside the heat-insulating layer with a gap between them, in which the coolant moves to heat the pyrolyzable material through the chamber wall. The device also includes an opening with a gas duct adjacent to it for supplying natural gas heated in a heat exchanger above 150 ° C to the retort and a section for separating natural gas from pyrogases released during pyrolysis (RU, patent 2105034, IPC 6 С10В 53/02).

Недостатком этого устройства является наличие участка разделения природного газа от пирогазов.The disadvantage of this device is the presence of a separation of natural gas from pyrogas.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для пиролиза древесных отходов, включающее топку, обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную выемную реторту с днищем с отверстиями и возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты (RU патент 2285201, МПК F23G 5/00, С10В 1/04, 53/02, 2006.01, прототип).Closest to the proposed utility model is a device for the pyrolysis of wood waste, including a furnace, a heating chamber enclosed in a heat-insulating sheath, and a vertical removable retort with a bottom with holes and the possibility of exit of pyrogases in the lower part of the retort (RU patent 2285201, IPC F23G 5/00 , C10B 1/04, 53/02, 2006.01, prototype).

Недостатком этого устройства является цикличность работы выемной реторты, большое время пиролиза и его неравномерность по сечению реторты вследствие нагрева пиролизуемого материала только через стенку реторты.The disadvantage of this device is the cyclical nature of the removable retort, the long pyrolysis time and its uneven cross-section of the retort due to the heating of the pyrolyzable material only through the wall of the retort.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу сокращения времени пиролиза, равномерного нагрева влагосодержащего пиролизуемого материала по сечению реторты, непрерывности процесса и возможности максимальной степени конверсии органической части материала в газообразное топливо, не содержащее конденсирующихся газов.The proposed utility model solves the technical problem of reducing the pyrolysis time, uniform heating of the moisture-containing pyrolyzable material over the retort section, the continuity of the process and the possibility of the maximum degree of conversion of the organic part of the material to gaseous fuel that does not contain condensing gases.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве пиролизной переработки гранулированных органических веществ, включающем топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, а в верхней части реторты выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для ввода в реторту пиролизных газов рецикла, причем устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а нагреваемой средой являются газы рецикла, а во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а охлаждающей средой является вода, при этом устройство включает встроенный в газоход газов рецикла электромагнитный клапан с частотой перекрытия газохода 0,1÷1 Гц, а также участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более, чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку.The stated technical problem is solved in that in the device for the pyrolysis processing of granular organic substances, including a furnace connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating sheath, and a vertical retort with the possibility of exit of pyrogases in the lower part of the retort, equipped with a bottom with holes in the lower part of the retort above the bottom has one or more holes with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, and one or more holes are made in the upper part of the retort with adjacent flues for introducing a recycle pyrolysis gas into the retort, the device containing two non-mixing heat exchanger media, in the first of which pyrolysis gases leaving the retort are the heating medium, and recycled gases are the heated medium, and pyrolysis gases leaving the second cooled medium from the first heat exchanger, and the cooling medium is water, while the device includes an electromagnetic valve integrated in the recycle gas duct with a gas duct shutoff frequency of 0.1 ÷ 1 Hz, as well as a section preparation of granular organic substances with a moisture content equal to or higher than not more than 50 ÷ 100% humidity necessary for the complete conversion of organic substances into gaseous fuel, and also contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside which has a heat exchanger for cooling the ash and heating the air entering the furnace.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1.The essence of the proposed utility model is illustrated by the circuit shown in figure 1.

Устройство содержит участок 1 приготовления гранулированных влажных органических веществ, расходный бункер 2, реторту 3 с днищем 4 с отверстиями, Камеру обогрева 5, заключенную в теплоизоляционную оболочку 6, отверстия в реторте 7 с примыкающими газоходами 8, электромагнитный клапан 9 импульсной подачи газов рецикла в теплообменник 10 нагрева газов рецикла, теплообменник 11 охлаждения пиролизных газов, газоходы 12, примыкающие к отверстиям 13 в реторте 3, емкость 14 для сбора золы с теплообменником 15 охлаждения золы и нагрева воздуха, подающегося в топку 16. При необходимости устройство может включать фильтр-пылеуловитель (не показан на фиг.1) после теплообменника 11 по ходу пирогазов. Устройство снабжено тяго-дутьевыми машинами 17 и регулирующей арматурой 18.The device contains a section 1 for preparing granular wet organic substances, a feed hopper 2, a retort 3 with a bottom 4 with openings, a heating chamber 5 enclosed in a heat-insulating shell 6, openings in the retort 7 with adjacent gas ducts 8, an electromagnetic valve 9 for pulsed supply of recycle gases to the heat exchanger 10 recycle gas heating, pyrolysis gas cooling heat exchanger 11, gas ducts 12 adjacent to holes 13 in retort 3, ash collecting tank 14 with heat exchanger 15 for cooling the ash and heating the air supplied furnace 16. If necessary, the apparatus may include filter dust collector (not shown in Figure 1) after the heat exchanger 11 along the pyrogas. The device is equipped with draft and blowing machines 17 and control valves 18.

Устройство работает следующим образом. Из участка приготовления 1 гранулированный материал, например, кусковой торф или древесная щепа с влажностью 30÷40% подается в расходный бункер 2. Расчет минимально необходимой влажности показан ниже на конкретном примере органического материала. Из бункера 2 материал через газоплотный шлюзовой затвор поступает в реторту 3, обогреваемую через стенки движущимися снизу вверх продуктами сгорания камеры обогрева 5, генерируемыми в топке 16. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию эндотермических реакций в диапазоне температур до 300÷350°С (испарение воды, плавление лигнина и некоторые другие), стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры кокса в диапазоне 350÷850°С, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций углерода кокса с диоксидом углерода и водяными парами при температуре 950÷1000°С с образованием в конечном итоге смеси неконденсирующихся газов, состоящей в основном из водорода и монооксида углерода. Наиболее медленными реакциями являются эндотермические реакции, скорость которых лимитируется скоростью подвода теплоты в зону реакции. Для сокращения времени эндотермических реакций первой стадии в верхней части реторты 3 предусмотрены отверстия 13, через которые по газоходам 12 в реторту из теплообменника 10 поступает нагретый до 700÷900°С восстановительный пиролизный газ рецикла, ускоряя подвод теплоты. При движении сверху вниз в зону экзотермических реакций газ частично или полностью (в зависимости от химического состава пиролизируемого вещества, в основном от количества кислорода в органической части) восстанавливает свой температурный потенциал и поступает в нижнюю зону эндотермических реакций. В этой зоне происходит практически полное «выгорание» углерода кокса в основном по реакциям С+Н₂О→СО+Н₂ и С+СО₂→2СО. Для компенсации затраты теплоты температура в этой зоне постоянно поддерживается на уровне 950÷1000°С за счет теплоты, поступающей от продуктов сгорания камеры обогрева 5 через стенки реторты. Максимальная температура материала ограничивается температурой размягчения золы. Пиролизные газы с температурой 950÷1000°С выводятся из реторты через отверстия 7 и по газоходам 8 направляются в теплообменник 10, где они охлаждаются до температуры 250÷300°С, нагревая газы рецикла до температуры 700÷900°С. После теплообменника 10 газы направляются в теплообменник-охладитель 11, в котором они охлаждаются до температуры 50÷70°С с конденсацией возможно неразложившихся высокомолекулярных углеводородов в количестве до 1% от массы исходного материала. Из теплообменника 11 часть газов направляются сторонним потребителям, вторая их часть - в топку 16 и третья - через электромагнитный клапан 9 и теплообменник 10 на рецикл в реторту 3. Образующаяся мелкодисперсная зола через отверстия днища 4 ссыпается в емкость 14, где она охлаждается в теплообменнике 15 воздухом, поступающим в топку 16, и через шлюзовой затвор поступает в периодически опорожняющийся бункер (на фиг.1 не показан). Электромагнитный клапан 9 предназначен для импульсной подачи газов рецикла в теплообменник 10 и реторту 3, чем повышается интенсивность процессов теплообмена и скорость эндотермических реакций, а также предотвращается сводообразование над днищем реторты и забивание твердыми частицами отверстий 7. Частота импульсов 0,1 Гц используется для пиролизируемых гранул с характеристическим размером более 5 мм, 1 Гц для гранул менее 5 мм, когда внутреннее термическое и диффузионное сопротивление не лимитирует скорость теплообмена и химических реакций. Пример использования полезной модели.The device operates as follows. From the preparation section 1, granular material, for example, lump peat or wood chips with a moisture content of 30–40%, is fed into the feed hopper 2. The calculation of the minimum required humidity is shown below on a specific example of organic material. From the hopper 2, the material through the gas tight lock gate enters the retort 3, heated through the walls with the combustion products of the heating chamber 5 moving from the bottom up, generated in the furnace 16. As the material moves along the retort from top to bottom, it passes through the endothermic reaction step in the temperature range up to 300 ÷ 350 ° С (water evaporation, melting of lignin and some others), the stage of exothermic reactions of the formation and condensation of polynuclear aromatic compounds with the formation of a coke structure in the range 350 ÷ 850 ° С, then an incomplete stage of endothermic dissociation reactions of high molecular condensing hydrocarbons and reactions of coke carbon with carbon dioxide and water vapor at a temperature of 950 ÷ 1000 ° С with the formation of ultimately a mixture of non-condensable gases, consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide. The slowest reactions are endothermic reactions, the rate of which is limited by the rate of heat supply to the reaction zone. To reduce the time of endothermic reactions of the first stage, openings 13 are provided in the upper part of the retort 3 through which the pyrolysis reduction gas heated to 700 ÷ 900 ° C enters the retort from the heat exchanger 10, accelerating the supply of heat. When moving from top to bottom in the zone of exothermic reactions, the gas partially or completely (depending on the chemical composition of the pyrolyzable substance, mainly on the amount of oxygen in the organic part) restores its temperature potential and enters the lower zone of endothermic reactions. In this zone, almost complete “burnout” of coke carbon occurs mainly through the reactions С + Н ₂ О → СО + Н ₂ and С + СО ₂ → 2СО. To compensate for the cost of heat, the temperature in this zone is constantly maintained at 950 ÷ 1000 ° C due to the heat coming from the combustion products of the heating chamber 5 through the walls of the retort. The maximum temperature of the material is limited by the softening temperature of the ash. Pyrolysis gases with a temperature of 950 ÷ 1000 ° C are removed from the retort through openings 7 and sent to the heat exchanger 10 through the flues 8, where they are cooled to a temperature of 250 ÷ 300 ° C, heating the recycle gases to a temperature of 700 ÷ 900 ° C. After heat exchanger 10, the gases are directed to heat exchanger-cooler 11, in which they are cooled to a temperature of 50 ÷ 70 ° C with condensation of possibly undecomposed high molecular weight hydrocarbons in an amount up to 1% by weight of the starting material. Part of the gases from the heat exchanger 11 is sent to outside consumers, the second part is sent to the furnace 16 and the third through the solenoid valve 9 and the heat exchanger 10 for recycling to the retort 3. The resulting fine ash is poured through the openings of the bottom 4 into the container 14, where it is cooled in the heat exchanger 15 the air entering the furnace 16, and through the lock gate enters the periodically emptying hopper (not shown in figure 1). The electromagnetic valve 9 is designed for pulsed supply of recycle gases to the heat exchanger 10 and retort 3, thereby increasing the intensity of heat transfer processes and the rate of endothermic reactions, as well as arching over the bottom of the retort and clogging of particles with solid particles is prevented 7. Pulse frequency 0.1 Hz is used for pyrolyzed granules with a characteristic size of more than 5 mm, 1 Hz for granules less than 5 mm, when the internal thermal and diffusion resistance does not limit the rate of heat transfer and chemical reactions oi. An example of using a utility model.

В качестве примера органического вещества приведен торф.Peat is an example of organic matter.

Химический состав органической (горючей) части торфа приведен в таблице.The chemical composition of the organic (combustible) part of peat is given in the table.

Элементный состав горючей массы торфа, массовые долиThe elemental composition of the combustible mass of peat, mass fractions

Углерод С^daf Carbon With ^daf Водород Н^daf Hydrogen H ^daf Cepa S^daf Cepa s ^daf Азот Н^daf Nitrogen H ^daf Кислород О^daf Oxygen About ^daf 0,55670.5567 0,06930,0693 СледыTraces 0,01690.0169 0,35710.3571

Зольность торфа в сухой массе А^c=3,1%Peat ash in dry mass A ^c = 3.1%

Необходимое количество влаги в торфе рассчитывается по следующей методике.The required amount of moisture in peat is calculated by the following method.

При конечной температуре пиролиза ~1000°С весь углерод торфа переходит в СО, при этом количество образующегося СО из 1 кг горючей массы:At a final pyrolysis temperature of ~ 1000 ° C, all the peat carbon goes into CO, and the amount of CO formed from 1 kg of combustible mass:

G_co=С^daf-28/12=1,3 кгG _co = C ^daf -28 / 12 = 1.3 kg

Необходимое количество «водяного» кислородаThe required amount of water oxygen

G_ow=G_co·16/28-O^daf=0,385 кгG _ow = G _co16 / 28-O ^daf = 0.385 kg

Минимальное количество воды для полной конверсии органики торфа в газ:The minimum amount of water for the complete conversion of peat organic matter into gas:

G_w=G_ow-18/16=0,43 кгG _w = G _ow -18 / 16 = 0.43 kg

Пересчет на 1 кг рабочей массы торфа с теоретически необходимой влажностью представлен ниже.Recalculation of 1 kg of the working mass of peat with theoretically necessary humidity is presented below.

Состав рабочей массы торфа, массовые долиThe composition of the working mass of peat, mass fractions

Влажность W^p Humidity W ^p Зольность А^p Ash content A ^p Горючая массаCombustible mass 0,290.29 0,020.02 0,690.69

Для увеличения концентрации водяных паров и, как следствие, ускорения реакций в нижней части реторты, предпочтительно использовать исходный материал с влажностью 35÷40%. Таким образом, во многих случаях отпадает необходимость предварительной сушки используемого органического вещества, например, древесной щепы или кускового торфа, которые имеют естественную влажность ~40%.To increase the concentration of water vapor and, as a consequence, accelerate the reactions in the lower part of the retort, it is preferable to use the starting material with a moisture content of 35 ÷ 40%. Thus, in many cases there is no need for preliminary drying of the used organic matter, for example, wood chips or lump peat, which have a natural moisture content of ~ 40%.

Claims

A device for the pyrolysis processing of granular organic substances, including a firebox connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating shell, and a vertical retort with the possibility of pyrogas exiting at the bottom of the retort, equipped with a bottom with holes, characterized in that one or one is made in the bottom of the retort above the bottom several holes with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, and one or more holes with adjacent gas ducts are made in the upper part of the retort for introducing recycle pyrolysis gases into the retort, the device comprising two non-mixing heat exchanger media, in the first of which pyrolysis gases leaving the retort are the heating medium, the recycle gases are the heated medium, and pyrolysis gases leaving the first heat exchanger are the second cooled medium, and the cooling medium is water, while the device includes an electromagnetic valve integrated in the gas recycle gas duct with a gas duct shut-off frequency of 0.1 ÷ 1 Hz, as well as a granular preparation section organic matter with a humidity equal to or more than 50 ÷ 100% humidity necessary for the complete conversion of organic substances into gaseous fuel, and also contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside of which a heat exchanger is located cooling the ash and heating the air entering the furnace.