Спосіб торефікації органічного матеріалу

Реферат: Винахід належить до переробної промисловості й може бути використаний як технологічний процес. Спосіб торефікації органічного матеріалу для отримання торефікованого продукту включає подачу сировини в вигляді органічного матеріалу в зону завантаження торефікаційної камери, переміщення органічного матеріалу усередині торефікаційної камери, тепловий вплив на органічний матеріал, переміщення його в зону розвантаження торефікованого продукту. В зоні завантаження торефікаційної камери органічний матеріал подають на похилу поверхню вібраційного живильника й формують його вихідний потік. Надають утвореному потоку спадну зигзагоподібну траєкторію, за рахунок роздільного спадного розміщення похилих віброживильників, яку розділяють на зону підігріву, зону термічного впливу й зону охолодження. В зоні термічного впливу під вібраційними живильниками розташовують джерела теплового випромінювання, якими впливають на потік органічного матеріалу до його повної торефікації. Висхідні потоки надлишкового тепла зони термічного впливу направляють у вигляді висхідних потоків у зону підігріву, а потік органічного матеріалу, направляють у зону охолодження. Потік органічного матеріалу, розташований на віброживильнику, покривають частково проникною мембраною. У простір між поверхнею потоку органічного матеріалу та внутрішньою поверхнею частково проникної мембрани подають інертний газ. Аналогічний інертний газ подають у порожнину торефікаційної камери, витримуючи вищий тиск інертного газу в порожнині UA 113563 C2 (12) UA 113563 C2 торефікаційної камери, ніж тиск інертного газу в просторі між потоком органічного матеріалу та частково проникною мембраною. Надлишок інертного газу видаляють роздільно з порожнини торефікаційної камери й з простору між потоком органічного матеріалу, та частково проникною мембраною. Торефікований продукт, отриманий з органічного матеріалу, із зони охолодження переміщають у зону розвантаження з торефікаційної камери, звідки його вивантажують у приймальну посудину або транспортний засіб. Спосіб дозволяє одержати товарне тверде паливо при широкому діапазоні його якісних характеристик. UA 113563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до переробної промисловості й може бути використаний як технологічний процес, який забезпечує одержання твердої енергетичної сировини з відходів лісопереробної й деревопереробної промисловості або відходів, отриманих при переробці сільськогосподарської продукції, або твердих побутових відходів. Винахід може бути використаний для реалізації в торефікаційних печах для забезпечення технологічного процесу безперервного одержання торефікованої сировини для печей, призначених для одержання висококалорійного тепла, необхідного для обігріву побутових і виробничих приміщень, а також, при необхідності, для енергетичних установок, призначених для одержання електричної енергії. Спосіб може бути реалізований у мобільних і стаціонарних пристроях, для роботи яких використовується органічна сировина в широкому діапазоні вмісту вологи й гранулометричного складу. Відомий спосіб торефікації органічної сировини, отриманої при переробці сільськогосподарської й лісової промисловості. Спосіб передбачає попереднє сушіння органічної сировини, що являє собою насипну незв'язану масу. Сушіння здійснюється за рахунок попереднього здавлювання маси вихідної сировини, частки якої під тиском примусово переміщуються одне щодо іншого. Високий тиск, що діє на частки сировини при їхній постійній взаємодії приводить до того, що виникаючі тангенціальні й нормальні напруги забезпечують високоефективне об'ємне стискання, яке призводить до того, що частина вологи відокремлюється, а частки сировини додатково подрібнюються й деякою мірою нагріваються. Перед завантаженням вихідної сировини в барабан, пристрій передбачає відділення вільної вологи в живильнику за рахунок тертя сипучих матеріалів між собою в обертовому роторі. У живильнику сипучі матеріали подрібнюються до більш дрібних часток й одночасно нагріваються. Проштовхуючись по трубі в барабан, сипучі матеріали ще більше нагріваються й з них виділяється вільна вода, що видаляється. З урахуванням вологості вихідної сировини регламентується ступінь стискання часточок та, відповідно, швидкість подачі в торефікаційну камеру для наступної термічної обробки. Остаточний термічний вплив здійснюється в торефікаційної камері, у якій сировина втрачає решту вологи й ущільнюється, а легкі зольні частки видаляються. Після термічної обробки, отриманий товарний продукт піддають природному або примусовому охолодженню, після якого з незв'язаної сипучої маси виготовляють брикети необхідних геометричних параметрів, (http://yblagodarov.narod.ru/index/0-21) Недоліком відомого способу є те, що його реалізація пов'язана з необхідністю створення значних динамічних зусиль. Пристрій, що може реалізовувати спосіб, повинен мати високу зносостійкість, для забезпечення необхідного експлуатаційного ресурсу. Спосіб не призначений для виробництва великих обсягів торефікованого продукту, що має значну вологість, оскільки для її усунення якої необхідний значний період часу. Спосіб може бути реалізований в основному для відходів переробки сільськогосподарської продукції. При експлуатації пристрою, що реалізує спосіб, складно запобігти проведенню непланових й аварійних ремонтів, які знижують техніко-економічні показники переробки сировини через високі трудові й матеріальні витрати, пов'язані з реалізацією способу. Спосіб, реалізований пристроєм, передбачає перездрібнювання часточок вихідного продукту, що надходять на торефікацію. Це призводить до того, що, не дивлячись на деяку втрату вологості, продукт, піддаючись торефікації, містить у собі значну частку пилоподібних часток, які виділяються в атмосферу й створюють умови для виникнення пожежонебезпечної ситуації, що призводить до того, що товарний продукт буде безповоротно загублений. Спосіб не передбачає можливість торефікації, при якій не буде відбуватися підвищеного пиловиділення й, відповідно, втрат готового продукту. Це невиправдано збільшує собівартість товарного продукту й одержуваного з нього палива. Спосіб не дозволяє оперативно збільшити обсяг сировини, що переробляється, тому що значний період часу відбувається попереднє зниження вологості і здрібнювання до необхідного гранулометричного складу. Попереднє здрібнювання і видалення вологи з вихідної сировини за рахунок взаємного тертя її часток вимагає точного налаштування вузлів і механізмів в залежності від якості продукту, що підлягає переробці, а також призводить до додаткових непродуктивних енерговитрат. Істотним недоліком відомого способу є те, що на торефікацію надходить усереднене за фізико-механічними властивостями сировина. Це значить, в одиничному обсязі цієї сировини 1 UA 113563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перебувають різнорідні за гранулометричним складом і фізико-механічними властивостями частинки вихідної сировини. При реалізації відомого способу практично неможливо одночасно створити необхідні технологічні умови, що забезпечують перездрібнювання й зневоднювання дуже різнорідних часток. Це знижує ефективність технологічного процесу, що відбивається на ефективності наступного термічного впливу для одержання торефікованого продукту. Реалізація технологічної схеми у відомому способі передбачає необхідність компонування різнорідних частин вузлів і механізмів, малозв'язаних один з одним. Це призводить до того, що пристрій, що реалізує спосіб, не буде характеризуватися високим рівнем експлуатаційної надійності й необхідності виконання позапланових ремонтів, викликаних інтенсивним зношуванням вузлів і механізмів. У процесі термічного впливу на сировину спосіб не передбачає заходи щодо зниження пожежонебезпеки процесу, викликаного наявністю пилоподібних часток в атмосфері торефікаційної камери. Спосіб не передбачає формування нейтрального середовища всередині замкнутого простору, у якому відбувається термічний вплив на сировину, що призводить до значної пожежонебезпеки й зниження безпеки обслуговуючого персоналу. Відомий спосіб, що забезпечує одержання торефікованого продукту, який одержують шляхом попереднього термічного впливу на вихідний продукт, що піднімаються тепловими потоками, які підігрівають і зневоднюють до необхідного ступеня. Після зниження рівня вологості сировина переміщається безпосередньо в торефікаційну камеру, де під дією високої температури остаточно зневоднюється й ущільнюється до необхідного ступеня. У відповідності зі способом, переміщення готового продукту відбувається за допомогою механічних пристроїв, а повітря, необхідне для сушіння й торефікації, надходить за допомогою вентиляційних установок. Таке переміщення вихідної сировини призводить до низької надійності вузлів і механізмів, від роботи яких залежить ефективність реалізації способу в цілому. Спосіб передбачає досягнення необхідного температурного режиму за рахунок застосування твердого палива. Застосування такого виду палива призводить до реалізації низькоефективної технології, при якій за рахунок спалювання твердого палива утворюється торефікований продукт. Відомий спосіб характеризується низькою ефективністю й погіршенням екологічної ситуації в регіоні, у якому одержують торефікований продукт. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є спосіб торефікації вихідної продукції, що передбачає зневоднювання вихідного продукту за рахунок високотемпературного впливу за допомогою перегрітої пари. Після зневоднювання, вихідний продукт піддають безпосередньому високотемпературному впливу до завершення процесу торефікації. Високотемпературний потік, піднімаючись вгору за рахунок конвекційного процесу, впливає на продукт. Сам високотемпературний потік формується в нижній частині пристрою, що реалізує процес, під торефікаційною камерою. Як джерело тепла використовуються тверді горючі матеріали у вигляді дров або брикетованого вугілля. Газ, що утворюється, утилізується після попереднього очищення (Міжнародна заявка WO 2009151367 (А1).) Недоліком відомого способу є формування теплового потоку під зоною торефікації, внаслідок чого відбувається нерівномірний тепловий вплив на оброблювану сировину, що призводить до зниження якості торефікованого продукту, тому що частина його є занадто карбонізованою і з високим вмістом зольних продуктів, інша частина сировини, що перебуває у верхній частині розташування теплових потоків, менш піддається тепловому впливу і, як наслідок, є некондиційними продуктом з низькою калорійністю, коротким строком зберігання й схильністю до атмосферному впливу при зберіганні. Нерівномірний розподіл тепла призводить до нерівномірної якості одержуваного продукту. Однорідність торефікованого продукту може бути досягнута при його перемішуванні в процесі торефікації, що ускладнює конструкцію пристрою, яка реалізує спосіб, а також робить якість торефікованого продукту залежним від якості його перемішування до досягнення необхідної кондиції. У відомому способі торефікації особливе місце займає контроль процесу протікання технологічного процесу. Температурний контроль необхідний для того, щоб знизити ймовірність надлишкового золоутворення, що знижує якість продукту й підвищує його собівартість через перевитрату теплоносія. При реалізації пристрою необхідно постійно контролювати процес торефікації для попередження перегріву сировини і її втрат за рахунок надлишкового золоутворення й карбонізації. Особливу роль у підвищенні собівартості одержання готового продукту є використання перегрітої пари для попереднього сушіння продукту. Низька ефективність використання 2 UA 113563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перегрітої пари порозумівається тим, що його використання здійснюється за допомогою теплообмінника, конструкція якого не дозволяє повноцінно використати тепло, що взаємодіє з продуктом. Крім того, утворення перегрітої пари вимагає значних енерговитрат, роблячи реалізацію способу економічно малоефективним і потребуючим багатостадійності технологічного процесів. Задача винаходу є вдосконалення способу торефікації органічної сировини за рахунок того, що: - продукт переміщається по похилій поверхні, що надає потоку, що рухається, спадну зиґзаґоподібну траєкторію; - переміщення сировини здійснюється за допомогою порушуваних вібраційних коливань; - температурний вплив на сировину відбувається послідовно в трьох зонах: зоні попереднього підігріву, зоні термічного впливу й зоні охолодження; - у зоні термічного впливу здійснюється генерування теплового потоку, що піддає продукт торефікації до кондиційного стану; - тепло із зони термічного впливу за рахунок конвекційного процесу переміщається в зону попереднього підігріву, де вихідна сировина піддається низькотемпературному впливу, в результаті якого губиться частина вологи в кількості, достатній для протікання процесу торефікації; - віброживильники в зоні попереднього нагрівання можуть бути доповненими додатковими джерелами тепла для ініціювання термічного впливу, що перевищує термічний вплив від конвекційного тепла; - потік торефікованого продукту піддається охолодженню при переміщені нижче зони температурного впливу, при цьому довжина зони охолодження залежить від необхідного ступеня охолодження продукту перед його вивантаженням у приймальний бункер; - торефікований продукт переміщається в штучно створеному інертному середовищі, що попереджає ймовірність загоряння і пилоутворення; - область технологічного впливу на вихідний продукт включає зону попереднього підігріву, зону температурного впливу, а також зону охолодження; - область технологічного впливу перебуває в штучно створеному середовищі з інертного газу, тиск якого перевищує тиск інертного газу в зоні переміщення продукту, що піддається торефікації; - подачу інертного газу в зону технологічного впливу й зону руху сировини, яка піддається торефікації, здійснюють роздільно для забезпечення диференційованого тиску газу; - зона технологічного впливу на продукт, який піддається торефікації, і зона його руху розділені між собою негерметичною мембраною, що забезпечує різницю тиску інертного газу; Технічний результат від реалізації винаходу забезпечується за рахунок того, що: рух потоку здійснюється по похилій площині, зміна кута якої дозволяє змінити, як траєкторію руху потоку, так і його швидкість переміщення при торефікації; - рух продукту по спадній траєкторії відбувається за рахунок генерації вібраційних коливань, амплітуда й частота яких може задаватися залежно від гранулометричного складу сировини, що переробляється; - спосіб забезпечує поступовий динамічний вплив на вихідну сировину, у результаті якого здійснюється поступове нагрівання, і його зневоднювання, високотемпературний вплив при якому відбувається торефікація продукту і поступове охолодження для зміцнення продукту для його наступного транспортування, переробки або зберігання; - спосіб забезпечує роздільне видалення газів із зони технологічного впливу й зони руху продукту, який піддається торефікації; - тепло зони торефікації використовується для попереднього нагрівання сировини і його часткового зневоднення; - спосіб дозволяє оперативно керувати технологічним процесом торефікації, при якому можна змінювати температурний вплив на продукт і швидкість його переміщення; - спосіб може контролюватися системою автоматичного керування, пов'язаною із системою інформаційних датчиків, за допомогою яких передається поточна оперативна інформація про процес нагрівання вихідної сировини, її торефікації й охолодження, тиску газу й наявність кисню в атмосфері; - спосіб забезпечує можливість захисту від загоряння пилоподібних частинок, утворених при торефікації вихідного органічного продукту, за рахунок наявності інертного газу, що має різний тиск у технологічній зоні й зоні переміщення сировини, яка піддається торефікації; - зиґзаґоподібна траєкторія руху вихідної сировини дозволяє мінімізувати об'єм технологічного простору пристрою, у якому реалізується спосіб. 3 UA 113563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується за рахунок того, що спосіб торефікації органічного матеріалу включає подачу вихідної сировини - органічного матеріалу в зону завантаження торефікаційної камери, переміщення матеріалу, який піддається торефікації, усередині торрефікаційної камери, тепловий вплив на матеріал, який піддається торефікації, переміщення його в зону розвантаження товарного продукту. Відповідно до винаходу, у зоні завантаження торефікаційної камери, вихідну сировину подають на похилу поверхню вібраційного живильника. На похилій поверхні формують вихідний потік сировини, яка піддається торефікації. Утвореному потоку надають спадну зиґзаґоподібну траєкторію, за рахунок роздільного спадного розміщення похилих віброживильників, що розділяють на зону попереднього нагрівання, зону термічного впливу й зону охолодження. У зоні термічного впливу під вібраційними живильниками розташовують джерела теплового випромінювання, які впливають на потік вихідної сировини до її повної торефікації. Надлишкове тепло зони термічного впливу направляють у вигляді висхідних потоків у зону попереднього нагрівання. Спадний потік продукту після зони торефікації направляють у зону охолодження. Потік сировини, розташований на вібруючій похилій площині, покривають частково проникною мембраною. У простір між поверхнею потоку сировини й внутрішньою поверхнею частково проникної мембрани подають інертний газ. Інертний газ подають у порожнину торефікаційної камери. Тиск інертного газу в торефікаційної камері перевищує тиск інертного газу в просторі між потоком продукту, який піддається торефікації, та частково проникною мембраною. Надлишок інертного газу видаляють роздільно з торефікаційної камери й простором між потоком продукту, який піддається торефікації, та негерметичною мембраною. Торефікований продукт із зони охолодження переміщають у зону розвантаження з торефікаційної камери, звідки його вивантажують в прийомну посудину або транспортний засіб. Спосіб реалізується наступним чином. Процес торефікації полягає в перетворенні різного роду органічних продуктів у високоякісне паливо, що має високу калорійність, з достатніми характеристиками міцності, які дозволяють транспортувати його на значну відстань або зберігати в штабельованому вигляді без побоювань щодо атмосферного впливу. Заявлений спосіб при реалізації його у вигляді технологічної установки є компактним, має високу продуктивність і може перетворювати сировину різного гранулометричного складу й фізико-механічних властивостей. Пристрій являє собою замкнуту ємність, усередині якої відбувається процес торефікації, що включає подачу вихідної сировини - органічного матеріалу в зону завантаження торефікаційної камери, переміщення матеріалу всередині торефікаційної камери, термічний вплив на матеріал, переміщення його в зону розвантаження продукту для охолодження до необхідної температури, достатньої для зберігання, транспортування й переробки. Початок технологічного процесу полягає в подачі здрібненої до необхідного ступеня органічної сировини всередину торефікаційної камери на похилу поверхню вібраційного живильника. Застосування похилого вібраційного живильника забезпечує ефективне формування спадного потоку сировини, що піддається торефікації. Зміна кута нахилу живильника, а також зміна частотних й амплітудних характеристик вібраційних коливань цього живильника забезпечує можливість зміни швидкості руху потоку й розподіл його по площині живильника. Потік сировини рухається всередині торефікаційної камери, що являє собою область технологічного впливу на продукт. Потік формує зону руху продукту й має зиґзаґоподібну траєкторію, що дозволяє збільшити шлях при компактному обсязі замкнутого простору торефікаційної камери. Дослідження показали, що при зиґзаґоподібному русі матеріалу, який піддається торефікації, найбільш ефективним є генерація вібраційних коливань із не менш двох джерел. При цьому одні незалежні джерела повинні збуджувати коливання в системи живильників, у яких вектор напрямку руху потоку орієнтований в одному напрямку. Інші джерела повинні збуджувати коливання в системи живильників, вектор напрямку руху потоку протилежний попередній системі живильників. Такий спосіб ініціювання руху потоку здрібненої сировини дозволяє повною мірою управляти процесом торефікації у всій області технологічного впливу усередині торефікаційної камери. В області технологічного впливу продукт проходить три основних зони, довжина яких і тривалість перебування в них залежить від конкретних параметрів торефікації. До цих зон належать: зона попереднього нагрівання, зона термічного впливу й зона охолодження. 4 UA 113563 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 У зоні попереднього нагрівання здійснюється нагрівання вихідної сировини, що приводить до часткової втрати вологи й деякого ступеня ущільнення структури сировини. У зоні термічного впливу здійснюється основний температурний вплив, при якому сировина ущільнюється, повністю знезводнюється й перетворюється характерно як для "м'якого" піролізу. У зоні охолодження торефікованого продукту повністю набуваються товарні властивості, при яких продукт може піддаватися транспортуванню, зберіганню або переробці. Особливістю реалізації технологічного процесу є розташування джерел теплового впливу безпосередньо в зоні термічного впливу під вібраційними живильниками. У вигляді джерел теплового випромінювання можуть застосовуватися електричні нагрівальні елементи або нагрівальні елементи, у яких використовують перегріту пару або високотемпературні пічні гази. У кожному разі, незалежно від конструкції джерела тепла, теплоносій повинен забезпечувати температуру, достатню для торефікації сировини. Тепло, утворене в зоні термічного впливу, за рахунок конвекційних процесів переміщується в зону попереднього нагрівання. Цим досягається утилізація тепла, яка забезпечує нагрівання сировини для її попереднього зневоднення. Якщо конвекційного тепла недостатньо, то джерела тепла розташовують під живильниками розташованими в зоні попереднього нагрівання. Дослідження показали, що технологічний процес протікає найбільше ефективно в інертному газовому середовищі. Інертний газ попереджає можливе загоряння пилоподібних частинок і тим самим - згоряння продукту, який піддається торефікації. Особливістю способу є те, що інертний газ подають не тільки в технологічну область впливу на продукт, який піддається торефікації, але й у зону руху продукту. Для цього потік сировини розташований на віброживильнику, і на сполученні віброживильників покривають частково проникною мембраною. Мембрана може бути виконаною з металевого або іншого листа, або термостійкого тканинного матеріалу, який не деформуються при високих температурах. Після розміщення частково проникної мембрани в простір між поверхнею потоку продукту й внутрішньою поверхнею мембрани подають інертний газ. Потік інертного газу спрямовується в імпровізований канал - зону руху продукту, який піддається торефікації, та забезпечує формування газоподібного середовища, у якому виключене загоряння пилоподібних частинок навіть при високій температурі. Разом з тим, є ймовірність, що пилоподібні частинки вийдуть за межі зони руху сировини в область технологічного впливу на нього. Для цього в порожнину торефікаційної камери подають інертний газ, тиск якого перевищує тиск усередині зони руху продукту, який піддається торефікації. За рахунок різниці тисків інертного газу забезпечується повне утримання частинок пилу усередині простору зони руху продукту між похилими живильниками і частково проникною мембраною. Надлишок інертного газу видаляють роздільно через відповідні патрубки, за допомогою яких здійснюється відбір газу, його наступне очищення і/або утилізація. Після переміщення через зону термічного впливу, продукт, який піддається торефікації, надходить у зону охолодження, що перебуває нижче джерел теплової енергії. У зоні охолодження в отриманому продукті знижується температура до ступеня, що визначає високі характеристики міцності, що дозволяють отриманий продукт переміщати в зону розвантаження, звідки його вивантажують у приймальну ємність або транспортний засіб для наступного зберігання або переробки. Дослідно-промислові випробування показали високу ефективність способу, що може бути реалізований практично при будь-яких параметрах торефікаційних пристроїв, виконаних як у стаціонарному, так й у мобільному виконанні. Спосіб дозволяє одержати товарне тверде паливо при широкому діапазоні його якісних характеристик. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Спосіб торефікації органічного матеріалу для отримання торефікованого продукту, що включає подачу сировини в вигляді органічного матеріалу в зону завантаження торефікаційної камери, переміщення органічного матеріалу усередині торефікаційної камери, тепловий вплив на органічний матеріал, який піддається торефікації, переміщення його в зону розвантаження торефікованого продукту, який відрізняється тим, що в зоні завантаження торефікаційної камери органічний матеріал подають на похилу поверхню вібраційного живильника й формують його вихідний потік, при цьому надають утвореному потоку спадну зигзагоподібну траєкторію, за рахунок роздільного спадного розміщення похилих віброживильників, яку розділяють на зону 5 UA 113563 C2 5 10 15 підігріву, зону термічного впливу й зону охолодження, при цьому в зоні термічного впливу під вібраційними живильниками розташовують джерела теплового випромінювання, якими впливають на потік органічного матеріалу до його повної торефікації, при цьому висхідні потоки надлишкового тепла зони термічного впливу направляють у вигляді висхідних потоків у зону підігріву, а потік органічного матеріалу, який піддається торефікації, направляють у зону охолодження, причому потік органічного матеріалу, розташований на віброживильнику, покривають частково проникною мембраною, а у простір між поверхнею потоку органічного матеріалу, який піддається торефікації, та внутрішньою поверхнею частково проникної мембрани подають інертний газ, при цьому аналогічний інертний газ подають у порожнину торефікаційної камери, витримуючи вищий тиск інертного газу в порожнині торефікаційної камери, ніж тиск інертного газу в просторі між потоком органічного матеріалу, який піддається торефікації, та частково проникною мембраною, при цьому надлишок інертного газу видаляють роздільно з порожнини торефікаційної камери й з простору між потоком органічного матеріалу, який піддається торефікації, та частково проникною мембраною, при цьому торефікований продукт, отриманий з органічного матеріалу, який піддається торефікації, із зони охолодження переміщають у зону розвантаження з торефікаційної камери, звідки його вивантажують у приймальну посудину або транспортний засіб. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6