Аппаратурное оформление технологии термической переработки древесины

Аппаратурное оформление технологии термической переработки очень разнообразно, и в настоящее время известно более 50 различных промышленных схем [79, 17, 108]. Прикладная технология термического разложения и термохимической конверсии биомассы представлена технологическим процессом пиролиза. Процесс пиролиза включает в себя ряд технологических стадий: подготовку сырья, прогрев, сушку, термическое разложение, прокалку, стабилизацию углистого остатка. Основной из этих стадий является термическое разложение [37]. В основу классификации видов пиролиза положен температурный уровень процесса, так как именно температура в реакторе определяет выход и качество продуктов пиролиза того или иного состава. По режимным параметрам и температурному уровню процесс пиролиза древесины условно разделяют на быстрый, медленный и высокотемпературный [101]. В зависимости от этого значительно изменяется конструктивное исполнение установки пиролиза, химический состав и количественный выход конечных продуктов пиролиза [111]. В табл 1.1 приведены основные характеристики различных видов пиролиза древесины [102].

Таблица 1.1

Основные характеристики различных видов пиролиза древесины

Процесс

Условия

Продукты, % мае.

Дистилл ят

Уголь

Газ

Быстрый пиролиз

Умеренная температура (450-500°С), время пребывания не более 2 с

75 (воды до 25%)

12

13

Медленный пиролиз

Низкая температура,

(350-450°С), длительный процесс

  • 30
  • (воды до 75%)

35

35

Высокотемпературный пиролиз

Высокая температура (более 600°С)

5 смолы

10

85

Быстрый пиролиз осуществляется при высокой скорости нагрева частиц (1000°С/с) и малом времени пребывания продуктов пиролиза в реакторе. При этом большую часть лесохимических продуктов составляет дистиллят с содержанием воды около 25%. Химический состав безводной части представляет собой смесь высокоокисленных углеводородов, состоящую в основном из остатков молекул лигнина, левоглюкозана и спиртов. Данная технология сравнительно новая и может быть использована для получения жидкого пиротоплива и химических продуктов из биомассы [103].

Медленный пиролиз (карбонизация) традиционно осуществляется на лесохимических предприятиях для получения товарного древесного угля. Как правило, карбонизация осуществляется при небольшой скорости нагрева древесины при атмосферном давлении в камерах периодического или непрерывного действия. При этом жидкие продукты пиролиза (жижка) разделяются на водную и смолистую части [17].

Высокотемпературный пиролиз осуществляют при повышенных температурах (от 600 до 1000°С), что приводит к увеличению степени газификации древесины до 85% [83].

Максимальную теплотворную способность (20,0 МДж/м3) имеет газ, полученный при температуре 700-800°С. С увеличением влажности древесины до 100% при температуре 1000°С отмечается максимальная степень её газификации. Основным продуктом данного вида пиролиза является горючий газ, состоящий преимущественно из окиси углерода и водорода, который может быть использован также при синтезе метанола, к побочным продуктам высокотемпературного пиролиза относятся тяжелые высокотемпературные смолы в количестве 5-10% [34, 56].

По способу осуществления процесса и конструктивному исполнению реактора различают следующие виды пиролиза:

  • - пиролиз в плотном слое;
  • - пиролиз в кипящем слое (КС);
  • - пиролиз в циркулирующем кипящем слое (ЦКС);
  • - пиролиз в потоке;
  • - абляционный пиролиз.

Классификация установок пиролиза по ряду общих конструктивных признаков аппаратурного оформления достаточно обширно представлена в работах Славянского и Юдкевича [79, 92]. Рассмотрим конкретные промышленные схемы и конструкции установок для пиролиза древесины. Пиролиз древесины ведётся либо на крупных предприятиях, где, как правило, вырабатывают древесный уголь, уксусную кислоту и её производные, древесно-смоляные и другие продукты, либо на небольших установках, где древесный уголь чаще всего является единственным продуктом. Особенно широкое применение на лесохимических предприятиях и лесосеках получили установки пиролиза в плотном слое, которые отличаются простотой аппаратурного исполнения. Данные установки в лесохимии обычно называют ретортами, они могут быть как периодического, так и непрерывного действия.

Наиболее типичной и простой углевыжигательной установкой является вертикальная стационарная реторта, схема которой изображена на рис. 1.9 [17]. Установка работает следующим образом. Дрова загружаются в навал через загрузочный люк в крышке реторты, а уголь выгружается в нижней части аппарата. Дымовые газы нагревают реторту и через отверстия 3 в каждой боковой стенке топки уходят в дымоход 4, который делает несколько оборотов вокруг установки. Образовавшиеся в результате пиролиза пары и газы выводят из реторты через патрубок 9 в коленчатый конденсатор 10 с газоразделителем 11. При этом газы сбрасываются в атмосферу через гидравлический затвор 12, а жижка стекает в приёмник 13. Уголь по окончании обугливания выгружают в железные ящики, в которых он остывает.

Вертикальная стационарная реторта

Рис. 1.9. Вертикальная стационарная реторта:

  • 1 - обмуровка; 2 - топка; 3 - отверстия в стенках топки;
  • 4 - дымоход; 5 - выходное отверстие; 6 - реторта; 7 - загрузочный люк; 8 — выгрузочный люк; 9 — патрубок; 10 - конденсатор;
  • 11 - газоразделителъ; 12 - гидравлический затвор; 13 - приёмник

жижки

В настоящее время при небольших объёмах производства угля используется углевыжигательная печь УВП-5А, схема которой представлена на рис. 1.10 [11, 76]. В печь загружают около 8 м3 древесины любой влажности длиной не более 1 м и толщиной не более 150 мм, а также отходы лесозаготовок. Герметично закрывают люки, применяя асбестовые прокладки, и разжигают топку. Горячие топочные газы проходят через окна газового канала в камеру, поднимаются вверх, прогревают древесину, охлаждаясь при этом, затем в передней части камеры опускаются вниз и выводятся в атмосферу по дымовой трубе, присоединённой к горловине на передней торцевой стенке камеры. К концу процесса наблюдается сплошное разогревание наружной поверхности камеры, температура же отходящих газов достигает 400°С. После этого дают топливу в топке выгореть, герметизируют камеру и ожидают, пока уголь охладится без доступа воздуха до 40-50°С.

Схема углевыжигателъной печи УВП-5А

Рис. 1.10. Схема углевыжигателъной печи УВП-5А:

  • 1 - камера углежжения; 2 — направление потока горячих топочных газов; 3 - газовый тоннель; 4 - топка; 5 - колосники; 6 - дверка поддувала; 7 — рама; 8 - термометр; 9 - перегородка;
  • 10 - направление потока отработанной газовой смеси; 11 - заслонка вытяжной трубы; 12 - вытяжная труба; 13 - загрузочный люк;
  • 14 -лестница наружная с поручнями; 15 - предохранительный клапан; 16- контрольная трубка

Поворачивают камеру на 45° и выгребают уголь, в случае возгорания его тушат водой. Продолжительность оборота печи до 60 ч, выработка угля до 130 т/год. Существенным недостатком данных установок является отсутствие системы утилизации неконденсирующихся газов с последующим их выбросом в атмосферу, что недопустимо при современных экологических требованиях.

Известны также конструкции углевыжигательных печей с выемными ретортами «Эколон», «Поликор», МПРУ, в которых производится огневая утилизация парогазовой смеси, образуемой в процессе пиролиза, путем её подачи в топку [59]. Установки данного типа позволяют при незначительных капитальных затратах обеспечить переработку древесины в древесные угли. На рис. 1.11 представлена схема углевыжигательной печи для пиролиза древесины, в которой реализована конденсация образующейся при пиролизе парогазовой смеси [76].

Схема углевыжигательной печи для пиролиза древесины

Рис. 1.11. Схема углевыжигательной печи для пиролиза древесины

Процесс получения древесного угля в рассматриваемой установке [77] осуществляется следующим образом. Контейнер 6 с предварительно подсушенной древесиной загружают в камеру пиролиза 1 и закрывают крышкой 12. Другой контейнер с сырой древесиной помещают в камеру сушки 4. Неликвидные отходы деревообработки, загруженные в бункер 19 ленточным конвейером 20, шнековым питателем 17 подаются в необходимом количестве в газогенератор 15. Включается воздуходувка 27, при этом открывается задвижка 26 нагнетательного трубопровода 25. Затем в газогенераторе через дверцу 48 производится поджиг сырья, и начинается процесс газогенерации. Генераторный газ, вырабатываемый газогенератором, по трубопроводу 21 поступает в камеру сгорания 16. Через топочную дверцу камеры 49 осуществляется поджиг основной горелки 22, затем открывается задвижка 29 нагнетательного трубопровода 28, подающего воздух в камеру сгорания 16. После розжига горелки включается воздуходувка 33, шиберная задвижка 11 и заслонка 35 открываются, а заслонки 39 и 37 закрываются. Топочные газы проходят через газоход 8 и перфорированные коллекторы 7, при этом распределяются по всей площади камеры пиролиза 1, равномерно обогревая пиролизное сырьё, и, охлаждаясь, выбрасываются в атмосферу. Начальная стадия процесса переуглевания идёт с поглощением тепла, выделяемого печью. После того как древесина разогреется до температуры 120-150°С, происходит потеря связанной влаги и начинается процесс разложения менее стойких органических веществ с образованием углекислого газа, окиси углерода и уксусной кислоты. Дальнейшее нагревание древесины до температуры 150-275°С вызывает процесс переуглевания. С началом процесса переуглевания прикрывается задвижка 35, а задвижка 37 открывается. Неконденсирующиеся газы подаются по трубопроводу 36 на дожиг в камеру сгорания. Закрытие задвижки 26 приводит к уменьшению выработки генераторного газа, и ход процесса при этом поддерживается за счёт дожита неконденсирующихся газов. Ход процесса переуглевания контролируется по температуре в верхней и нижней частях камеры пиролиза, измеряемой термопарами 43, 44. Температура может регулироваться открытием или закрытием заслонок 26 и 29, нагнетающих трубопроводов 25 и 28. При температуре 275-450°С наблюдается бурное выделение тепла и образование основного количества продуктов разложения. Прокаливание угля и удаление летучих веществ происходит при температуре 450-550°С. В течение всех стадий процесса переуглевания древесины смесь паров конденсируется в кожухотрубчатом теплообменнике 3 и собирается в сборник 31. Теплоноситель из межтрубного пространства теплообменника 3 с помощью насоса 50 подаётся в калориферы 42 сушильной камеры или отводится потребителю. По окончании процесса пиролиза шибер 11 и задвижку 37 закрывают, а задвижку 39 открывают, и начинается процесс охлаждения древесного угля. Пирогазы, проходя через кожехотрубчатый теплообменник 3, охлаждаются и подаются по трубопроводу 38 в газоход топки 8, где, рассеиваясь через перфорированные коллекторы 7, поднимаются вверх и, проходя через слой готового угля, интенсивно охлаждают его до 50 °C. По окончании процесса охлаждения извлекаются термопары. Затем тельфером открывается крышка 12 и осуществляется выгрузка угля из контейнера и установка в камеру пиролиза контейнера с подсушенным сырьём, а в камеру сушки - контейнера с подготовленным для сушки сырьём.

Рассмотренные нами установки относятся к устройствам периодического действия и обладают очень низкой удельной производительностью и эффективностью при крупнотоннажных объёмах переработки. Для пиролиза древесины на крупных лесохимических заводах применяются вагонные тоннельные реторты и более производительные стальные вертикальные циркуляционные реторты непрерывного действия. Технологический процесс термического разложения древесины в тоннельных вагонных ретортах (рис. 1.12) состоит из следующих операций: погрузка древесины в вагонетки, загрузка сушилок, сушка дров, загрузка реторт, пиролиз, разгрузка реторт, тушение и охлаждение угля, выгрузка угля из вагонеток, подача порожних вагонеток под загрузку [17]. Парогазовые продукты разложения отводятся из реторты через два патрубка, расположенные в конце реторты с боковой её стороны, и поступают в конденсатор-холодильник. Неконденсирующиеся газы подаются в раскалённую топку. После реторт установлены стальные углетушильники, они имеют те же размеры, что и реторты, но устроены без днища. Боковые стенки их крепятся к деревянным брусьям, лежащим в земле на деревянных шпалах, по которым уложен рельсовый путь. С внешней стороны углетушильников для предупреждения подсоса воздуха подсыпают песок, который утрамбовывают. Переуглевание древесины в реторте в зависимости от её влажности и степени разделки продолжается в течение 16-24 ч, а суточная пропускная способность одной реторты равна 24-37 м3 древесины. Продолжительность сушки вдвое больше, т. е. 32-48 ч, а в случае удлинённых сушилок - 48-72 ч. Уголь тушат 32-48 ч, половину этого времени он находится в тушильниках первого ряда. Среди существенных недостатков вагонных реторт всех типов можно отметить низкий коэффициент использования их ёмкости, не достигающий даже 50%, небольшая производительность единицы объёма, значительные затраты металла, тяжёлые условия работы при перегрузке реторт.

Тоннельная вагонная реторта

Рис. 1.12. Тоннельная вагонная реторта

Наиболее прогрессивными с технико-экономической точки зрения являются вертикальные непрерывнодействующие реторты с рециркуляцией теплоносителя. Агентом обычно являются топочные газы, получаемые при сжигании в газовой топке неконденсирующихся газов. В реторте процесс пиролиза идёт непрерывно при периодической загрузке древесины небольшими порциями в верхнюю часть и периодической выгрузке охлажденного угля небольшими порциями из нижней части реторты. Производительность единицы объёма такой реторты в 6-9 раз больше, чем у тоннельных реторт. На рис. 1.13 изображена принципиальная схема вертикальной непрерывнодействующей реторты с аппаратурой для подачи теплоносителя в реторту [17, 40], охлаждения и очистки парогазовой смеси и выделения жижки. В реторте древесина опускается сверху вниз, окончательно высушивается, переугливается, а уголь прокаливается и охлаждается. Сжигая в топке реторты неконденсирующиеся газы, дизельное или печное топливо, получают теплоноситель. Средний выход древесного угля 140 кг/м3, но содержание в нём угольной мелочи вследствие истирания угля при прохождении его через шахту реторты доходит до 20% и выше, против 4% в угле из горизонтальных реторт. Расход древесины на 1 т угля 8-9 м3, кислотность жижки - до 10-13 %, содержание кислот в ней - до 37 кг на 1 м3 древесины, летучих кислот - до 33 кг/м3.

Выход товарной уксусной кислоты из берёзовой древесины -до 26,5 кг/м3, из осиновой - на 30-35% меньше. Выход угля и кислоты из 1 м3 снижается, если излишне повышают температуру теплоносителя с целью увеличения производительности. Единичная производительность установок данного класса - до 6000 т/год. Значительной интенсификации процесса можно достичь применением в реакторе различных перемешивающих устройств, однако при этом изменяется гранулометрический состав древесного угля. Древесный уголь, получаемый в данных аппаратах, подвергают брикетированию.

Технологическая схема пиролиза в вертикальной непрерывнодействующей реторте

Рис. 1.13. Технологическая схема пиролиза в вертикальной непрерывнодействующей реторте:

  • 1 — сырьё; 2 - бункер-питатель; 3 - циклон; 4 - слешер;
  • 5 - вентилятор; 6,11 - конвейеры; 7 - колун; 8 - дымосос;
  • 9 - сушилка; 10 - гидравлические затворы; 12 — ковши подъёмника; 13 - смоляной гидрозатвор; 14 -реторта;
  • 15 - шлюзовой затвор; 16 - ковш подъёмника угля;
  • 17 — форконденсатор; 18 - газодувка; 19 - топка-смеситель;
  • 20 - воздуходувка; 21 - конденсатор-холодильник;
  • 22 - каплеуловитель; 23 - газодувка; 24 - пенный аппарат;
  • 25 - циклон; 26 - сборникжижки; 27 - насос

Наибольшей поточностью и производительностью обладают технологические схемы, содержащие реактор кипящего слоя (КС). В настоящее время в Канаде фирмой Dynamotive введена в эксплуатацию установка пиролиза древесины в КС производительностью 78000 т/год. На рис. 1.14 представлена технологическая схема установки пиролиза древесины в реакторе кипящего слоя [98], которая включает в себя реактор, топку, циклон, конденсатор смешения и сборник жидких продуктов. Установка работает следующим образом. Предварительно высушенная древесина с размером частиц 2-3 мм подается в реактор КС. Флюидизация частиц в реакторе осуществляется подаваемыми в нижнюю часть реактора рециркулируемыми пиролизными газами. В среднюю часть реактора вмонтирована топка, в которой осуществляется сжигание части рециркулируемого газа. Пиролиз древесных частиц осуществляется в момент прохождения ими средней части реактора, обогреваемой топкой. Образовавшиеся при пиролизе парогазовая смесь и древесный уголь удаляются из верхней части реактора КС в циклон, где происходит отделение частиц древесного угля. Из циклона парогазовая смесь поступает в конденсатор смешения, в котором осуществляется диспергирование охлаждающего агента. В результате объёмного охлаждения парогазовой смеси происходит конденсация её жидкой составляющей, которая впоследствии отводится в сборник жидких продуктов. Неконденсируемые газы из конденсатора подаются газодувкой в реактор КС.

Технологическая схема установки пиролиза древесины в реакторе кипящего слоя

Рис. 1.14. Технологическая схема установки пиролиза древесины в реакторе кипящего слоя: 1 - конвейер древесины; 2 - бункер-ворошитель; 3 - ёмкость для сырья; 4 - шнек; 5 - газовая топка; 6 - реактор кипящего слоя; 7 - циклон; 8 - ёмкость для сбора пыли; 9 - конденсатор; 10- ёмкость для бионефти; 11 -осушитель; 12 - газодувка; 13 - теплообменник газовый; 14 -насос; 15 — теплообменник жидкостной

К числу интересных технологий пирогенетической переработки древесины относится RTP- процесс. RTP-процесс (Rapid Thermal Processing) является патентованной собственностью компании Ensyn Technologies Inc. (Канада) и представляет собой технологию пиролиза древесины в реакторах циркулирующего кипящего слоя (ЦКС). RTP-процесс осуществляется в пиролизной установке с двумя реакторами ЦКС при атмосферном давлении. Принципиальная схема процесса RTP показана на рис. 1.15 [14].

Принципиальная схема RTP-процесса быстрого пиролиза и использования пиротоплива в газотурбинном двигателе ГТ 250

Рис. 1.15. Принципиальная схема RTP-процесса быстрого пиролиза и использования пиротоплива в газотурбинном двигателе ГТ 250: 1 — бункер; 2 — пиролизный реактор; 3 — камера сгорания;

  • 4 - продукты сгорания; 5 - твёрдое инертное вещество;
  • 6 - углистое вещество; 7,8 - циклоны; 9 — первая ступень конденсации; 10 - водяной теплообменник; 11 — вторая ступень конденсации; 12 - пиротопливный насос; 13 - пиротопливо;
  • 14 -рециркулирующий газ; 15 - подача воздуха; 16 - отвод золы;
  • 17 - газодувка; 18- система подготовки пиротоплива; 19 - отвод загрязняющих веществ; 20 - предварительный подогреватель;
  • 21 - электрогенератор; 22 - планетарная коробка передач;
  • 23 — газотурбинный двигатель ГТ 2500.

Предварительно подготовленная древесина из бункера поступает в пиролизный реактор с циркулирующим кипящим слоем твёрдого инертного материала (песка) в потоке рециркулирующего газа. Нагрев древесины происходит за счёт тепла, поступающего в слой с твёрдым инертным материалом. Песок нагревается при сгорании части пиролизного газа и углистого вещества в камере сгорания с кипящим слоем. Пиролизный газ после реактора поступает в циклоны, а твёрдое инертное вещество и углистое вещество, уловленные циклонами, - в камеру сгорания для нагрева и сжигания соответственно. Выделение жидкого пиротоплива происходит на первой и второй ступенях конденсации. Циркуляция пиротоплива в системе конденсации и его подача к турбине осуществляются пиротопливным насосом, а рециркуляция пиролизного газа и его подача в камеру сгорания -газодувкой. В промышленном масштабе типичный выход пиротоплива при переработке твёрдой древесины влажностью 10% составляет около 74% мае. Пиролизная жидкость RTP-процесса однофазная, она не смешивается с тяжёлыми смолами, которые являются продуктами традиционного (медленного) пиролиза или побочными продуктами газификации.

Недостатком пиролиза в потоке является в основном плохая передача тепла между горячим газом и твёрдой частицей [101]. Для передачи необходимого тепла требуются относительно большая скорость газа и высокая турбулентность потока. Для этого необходимы установки больших размеров и большой расход рециркулируемого газа, в связи с чем усложняется конденсация жидкости из ПГС с низким парциальным давлением паров [132]. Общий недостаток установок пиролиза в КС, ЦКС и в потоке заключается в необходимости подготовки исходного сырья измельчением до размеров 1-5 мм, что приводит к большим энергетическим затратам [22].

Абляционный пиролиз по сравнению с другими видами быстрого пиролиза имеет две особенности: высокую относительную скорость движения между частицами древесины и нагретой поверхностью реактора (более 1,2 м/с) и высокое давление, прилагаемое к частицам (более 5-105 Н/м2), что приводит к значительным скоростям разложения (более 1 мм/с) [23]. На рис. 1.16 приведена принципиальная схема абляции частицы в реакторе [14]. Реакторы абляционного пиролиза, несмотря на свою небольшую историю существования, имеют различные конструктивные исполнения. В настоящее время известны следующие типы: реактор с вращающимися лопатками (Aston) [14, 130], реактор с вращающимся конусом (BTG) [140], реактор циклонного типа Vortex (NREL) [112], реактор циклонного типа с вращающимся фильтровальным элементом (Pyros) [100], реактор с вращающимся диском (Pytec) [127]. Во всех конструкциях так или иначе организуется относительное движение между нагретой поверхностью и сырьём. Например, в реакторе с вращающимися лопатками абляционный эффект достигается с помощью асимметрично расположенных лопаток, вращающихся со скоростью до 200 об./мин. Их использование является эффективным способом быстрой абляции относительно крупных частиц [23].

Схема абляции частицы

Рис. 1.16. Схема абляции частицы:

  • 1 - пары пиролиза и газообразные продукты; 2 - древесная частица;
  • 3 — направление давления на частицу; 4 - вращающаяся лопатка;
  • 5 — направление перемещения; 6 — горячая поверхность реактора;
  • 7 - плёнка жидкого продукта; 8 - древесный уголь

Этот вид пиролиза имеет потенциал для создания компактного реактора с высокой удельной производительностью, уменьшенными размерами, пониженными затратами и улучшенной возможностью управления процессом. Теплопередача происходит с помощью прямого контакта твёрдых частиц древесины с нагретой теплопередающей поверхностью реактора.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >