способ непрерывной переработки углеродосодержащего сырья и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, включающий подготовку сырья к переработке, введение в сырье реакционных добавок в процессе подготовки, подачу сырья в камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации с нагревом до 150-250^oС, а также стадии активации и созревания, отличающийся тем, что нагрев сырья осуществляют на удалении от входа камеры предварительного нагрева сырья, при этом проводят непрерывный отбор парогазовой смеси и водоорганического конденсата из полостей сбора, выполненных над камерами предварительного нагрева сырья и карбонизации.

2. Устройство для непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, содержащее узлы подготовки сырья к переработке, введения реакционных добавок, подачи сырья и соединенные переточными патрубками камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации, снабженные рубашками электрообогрева, камеры активации и созревания, причем каждая из камер снабжена рабочим валом, устройство содержит также выходной шлюзовой затвор, отличающееся тем, что над рубашками электрообогрева камер предварительного нагрева сырья и карбонизации дополнительно выполнены полости, плавно переходящие в узлы сбора и разделения парогазовой смеси, причем рубашку электрообогрева камеры предварительного нагрева сырья размещают на удалении от входного патрубка камеры, а камеры карбонизации по всей длине в нижней части снабжены узлами сброса смолообразного продукта.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что переточные патрубки выполнены съемными и их фланцы соединяют выход - вход соответствующих камер.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что рабочие валы снабжены шнековыми винтами с постоянным шагом, частыми глубокими пазами и образовавшимися секторами в виде лопаток и с отсутствием их на концах валов над выходными патрубками камер.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на входном и среднем участках камеры карбонизации дополнительно установлены узлы отвода смолообразного продукта.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в узле сбора и разделения отработанной парогазовой смеси на выходах камер предварительного нагрева сырья, карбонизации, активации и созревания установлены термопары и совместно с ними дополнительно размещены датчики давления.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что узлы сбора и разделения парогазовой смеси и смолообразного продукта снабжены устройствами разделения вырабатываемых продуктов от окружающей атмосферы, например гидрозатворами.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительно между камерой карбонизации и камерой активации с помощью переточных патрубков размещена вторая камера карбонизации, аналогичная первой.

9. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что выходной шлюзовой затвор выполнен в виде разгрузочного затвора шнекового типа и установлен наклонно вверх от выхода камеры созревания.

10. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что рубашку электрообогрева камеры предварительного нагрева сырья размещают на удалении от входного патрубка, не превышающем диаметра самой камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству активного угля и органических продуктов из углеродосодержащего сырья.

Известен способ переработки углеродосодержащего сырья (древесины, лигнина, целлолигнина, каменного угля и т.д.), предусматривающий карбонизацию сырья во вращающейся печи со скоростью подъема 15-40^oС/мин до температуры 400-650^oС в атмосфере углекислого газа или топочных газов. Карбонизированный продукт выгружают, охлаждают и подают в другой реактор, где осуществляют нагревание без доступа газообразных реагентов до 800-850^oС со скоростью подъема температуры 50-100^oС/час. Затем без охлаждения продукта активируют водяным паром. По завершении процесса активации активный уголь выгружают, охлаждают и измельчают (патент РФ 2023661, С 01 В 31/08, 1994).

Недостаток известного способа состоит в сложной технологии проведения процесса, предусматривает использование высоких температур.

Известен способ непрерывной переработки углеродосодержащего сырья в аппарате для получения активных углей в псевдосжиженном слое, включающий стадии предварительного нагрева сырья при температуре 100-150^oС, низкотемпературной карбонизации при температуре 400-500^oС, высокотемпературной карбонизации при 750-850^oС, активации твердого продукта карбонизации парогазовой смесью и устройство для его осуществления, содержащее последовательно соединенные посредством переточных патрубков и размещенные друг под другом реакционные камеры предварительного нагрева низкотемпературной и высокотемпературной карбонизации и активации, узлы подачи сырья и перегретого водяного пара, патрубки для отвода активного угля и парогазовой смеси (авт. св. СССР 4677611, С 01 В 31/08, 1972).

Недостатками известных способа и устройства являются сложная технология проведения процесса с использованием высоких температур, получение активного угля с низкой сорбционной способностью по отношению к нефти и нефтепродуктам и недоизвлечение органических продуктов переработки ввиду ограниченных технологических возможностей.

Известен способ непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, включающий подачу сырья в узел предварительного нагрева, введение реакционных добавок в сырье, стадии предварительного нагрева сырья, карбонизации, активации и созревания, а также устройство для его осуществления, содержащее узлы введения реакционных добавок, подачи сырья и соединенные переточными патрубками узел предварительного нагрева сырья, камеры карбонизации, активации и созревания (патент RU 2118291, С 01 В 31/08, С 10 G 1/00, 1998).

Недостатком известного способа и устройства является недостаточная эффективность из-за низкой производительности и нестабильного качества получаемого продукта карбонизации. Это объясняется неравномерным распределением реакционных добавок и неоднородностью размеров сырья, а также относительно высокой и различной влажностью. Кроме этого, температура на стадии предварительного нагрева сырья недостаточна, что является сдерживающим фактором производственного процесса на последующих стадиях.

Известен также способ непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, включающий подготовку сырья к переработке, введение в сырье реакционных добавок в процессе подготовки, подачу сырья в камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации с нагревом до 150-200^oС, а также стадии активации и созревания.

Известно также устройство для непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, содержащее узлы подготовки сырья к переработке, введения реакционных добавок, подачи сырья и соединенные переточными патрубками камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации, снабженные рубашками электрообогрева, активации и созревания, каждая из камер снабжена рабочим валом, устройство содержит также выходной шлюзовой затвор [патент RU 2174098, С 01 В 31/08, 2001 (прототип)].

Недостатком известного способа является его недостаточная эффективность из-за низкой производительности и нестабильного качества получаемого углерода. Это объясняется тем, что не обеспечивается надежный и качественный отбор парогазовой смеси, водоорганического конденсата и смолообразного продукта. Следовательно, смолообразный продукт, частично смешиваясь с углеродом, создает налипание (коксование углерода) в пазах, на соединениях лопастей ворошителей и на внутренних стенках камеры предварительного нагрева сырья, камеры карбонизации, а также в переточных патрубках. На выходе такой углерод имеет сильное насыщение смолообразным продуктом, что снижает его качество.

Кроме этого, предварительный нагрев сырья до температур 150-250^oС непосредственно и вблизи входного патрубка камеры предварительного нагрева приводит к интенсивному выделению парогазовой смеси и водоорганического конденсата, которые не успевают выйти через узел сбора и разделения отработанной парогазовой смеси и частично выходят через входной патрубок камеры предварительного нагрева в узел подачи сырья. С выходом парогазовой смеси нарушается экология производства и существенно повышается влажность подготовленного сырья, налипание его на стенках входных агрегатов, комкование и зависание, которое устраняется только чисткой бункера-накопителя с размещенным на его выходе шлюзовым затвором.

Целью изобретения является повышение эффективности способа путем обеспечения качественных показателей получаемого углерода и повышение производительности и надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в способе непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, включающий подготовку сырья к переработке, введение в сырье реакционных добавок в процессе подготовки, подачу сырья в камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации с нагревом до 150-250^oС, а также стадии активации и созревания, дополнительно нагрев сырья осуществляют на удалении от входа камеры предварительного нагрева сырья, при этом проводят непрерывный отбор парогазовой смеси, водоорганического конденсата из полостей сбора, выполненных над камерами предварительного нагрева сырья и карбонизации. Устройство для непрерывной переработки углеродосодержащего сырья, содержащее узлы подготовки сырья к переработке, введения реакционных добавок, подачи сырья и соединенные переточными патрубками камеры предварительного нагрева сырья и карбонизации, снабженные рубашками электрообогрева, камеры активации и созревания, причем каждая из камер снабжена рабочим валом, устройство содержит также выходной шлюзовой затвор, кроме этого, над рубашками электрообогрева камер предварительного нагрева сырья и карбонизации дополнительно выполнены полости, плавно переходящие в узлы сбора и разделения парогазовой смеси, причем рубашку электрообогрева камеры предварительного нагрева сырья размещают на удалении от входного патрубка камеры, а камеры карбонизации по всей длине в нижней части снабжены узлами сбора смолообразного продукта. А также тем, что:

- переточные патрубки выполнены съемными, фланцы которых соединяют выход-вход соответствующих камер;

- рабочие валы снабжены шнековыми винтами с постоянным шагом, частыми глубокими пазами и образовавшимися секторами в виде лопаток и с отсутствием их на концах валов над выходными патрубками камер;

- на входном и среднем участках камеры карбонизации дополнительно установлены узлы отвода смолообразного продукта;

- в узле сбора и разделения отработанной парогазовой смеси, на выходах камер предварительного нагрева сырья, карбонизации, активации и созревания установлены термопары и совместно с ними дополнительно размещены датчики давления;

- узлы сбора и разделения парогазовой смеси и смолообразного продукта снабжены устройствами разделения вырабатываемых продуктов от окружающей атмосферы, например гидрозатворами;

- дополнительно между камерой карбонизации и камерой активации с помощью переточных патрубков размещена вторая камера карбонизации, аналогичная первой;

- выходной шлюзовой затвор выполнен в виде разгрузочного затвора шнекового типа и установлен наклонно вверх от выхода камеры созревания;

- рубашку электрообогрева камеры предварительного нагрева сырья размещают на удалении от входного патрубка, не превышающем диаметра самой камеры.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 и 3 - фрагмент и разрез по А-А рабочего вала с лопатками.

Устройство для непрерывной переработки углеродосодержащего сырья содержит: узлы подготовки сырья к переработке 1 и введения реакциооных добавок 2; шнековый смеситель 3; узел подачи сырья 4; бункер-питатель 5; шлюзовой загрузочный затвор 6; переточные патрубки 7; камеры предварительного нагрева сырья 8, карбонизации 9 и 34, активации 10, созревания 11; выходной шлюзовой разгрузочный затвор 12; рубашки электрообогрева 13 и 14 камеры предварительного нагрева сырья 8 и камеры карбонизации 9 и 34 соответственно; полости 15 и 20 сбора парогазовой смеси; узлы сбора 16 и 21, разделения 17 и 22 парогазовой смеси; входные патрубки 18 и 23; узлы отвода смолообразного продукта 19; рубашка охлаждения 24; штуцеры ввода 25 и вывода 26 воды в рубашку охлаждения; штуцер 27 подачи перегретого водяного пара; термопары 28; датчики давления 29; штуцер 30 подачи азота; отбойники твердого продукта карбонизации 31; штуцер 32 вывода смолообразного продукта и штуцер 33 вывода водоорганического конденсата узлов разделения парогазовой смеси; вторая камера карбонизации 34.

Узел подготовки сырья к переработке 1 состоит из соединенных друг с другом измельчающего устройства, сушилки, бункера-дозатора буферного запаса сырья (на фиг.1 не показаны) и шнекового смесителя 3, другой вход которого подключен к узлу введения реакционных добавок 2. Узел подачи сырья 4 выполнен в виде бункера-питателя 5 с размещенным на его выходе шлюзовым загрузочным затвором 6. С целью обеспечения доступа к узлам установки для проведения чистки, ремонта и облегчения процесса замены камер, а также подключение различных агрегатов переточные патрубки 7 выполнены съемными.

Основными узлами устройства, обеспечивающими переработку сырья, являются камеры предварительного нагрева сырья 8, карбонизации 9 и 34, активации 10 и созревания 11. Камеры выполнены в виде идентичных реакторов барабанного типа с размещенным внутри рабочим валом лопастного, шнекового типа или их комбинацией (шнеки выполнены с глубокими пазами, а полученные сектора - в виде лопаток). Конструкция лопастных валов обеспечивает равномерное перемешивание и перемещение по камере хорошо подготовленного сырья без образования застойных зон. Однако конструктивное исполнение соединений и установка лопаток лопастных валов достаточно сложна и менее надежна, особенно при использовании их в условиях постоянного воздействия относительно высоких температур. Более простыми в изготовлении и надежными в эксплуатации являются шнековые винтовые валы, которые в отличие от аналога выполнены с постоянным шагом по всей длине рабочего вала, с частыми глубокими пазами и образовавшимися секторами в виде лопаток (фиг.2, 3), но с отсутствием их на конце вала над выходным патрубком (фиг.1). Постоянный шаг винта по всей длине рабочего вала обеспечивает более свободный выход парогазовой смеси в процессе прогрева и продвижения сырья по камере, а именно при уменьшении массы и объема сырья возрастает интенсивность выхода и объем отработанной парогазовой смеси, которая при изменении массы сырья имеет более свободный выход в систему сброса. Винты шнекового вала, преобразованные в лопатки, устраняют недостатки лопастного вала и обеспечивают более интенсивное перемешивание сырья и его равномерное перемещение по камере. Отсутствие преобразованных лопаток на конце вала над выходным патрубком обеспечит нормальное продвижение сырья в выходной патрубок и одновременно через него свободный выход отработанной парогазовой смеси из нижней камеры без налипания и коксования перерабатываемого сырья.

Камеры предварительного нагрева сырья 8 и карбонизации 9 и 34 имеют рубашки электрообогрева 13 и 14, а камеры активации 10 и созревания 11 - рубашку охлаждения 24. Ввод воды в рубашку охлаждения 24 осуществляется через входной штуцер 25, а вывод - через выходной штуцер 26.

В камеру активации 10 через штуцер 27 обеспечивается подача перегретого водяного пара из парогенератора (не показан).

Для загрузки сырья в устройство в узле подачи сырья 4 предусмотрен шлюзовой загрузочный затвор 6, а для выгрузки углерода из устройства имеется выходной шлюзовой разгрузочный затвор 12 шнекового типа с приводом, установленный наклонно вверх от выхода камеры созревания 11. Такое размещение шлюзового разгрузочного затвора 12 и оптимальный подбор скорости вращения его привода относительно производительности установки обеспечит бесперебойную выгрузку готовой продукции и более надежное разделение образующегося газообразного продукта на выходе технологической системы от окружающей среды.

В устройстве имеется система сбора и разделения отработанной парогазовой смеси, которая размещается как над рубашкой электрообогрева 13 камеры предварительного нагрева сырья 8, так и над рубашкой электрообогрева 14 камеры карбонизации 9. Система содержит входные патрубки 18 и 23, соединяющие полости сбора парогазовой смеси 15 и 20 камер предварительного нагрева сырья 8 и карбонизации 9 соответственно с узлами сбора 16 и 21 и устройствами разделения 17 и 22, которые снабжены штуцерами для отвода смолообразного продукта 32 и водоорганического конденсата 33.

На торцах всех камер 8, 9, 10 и 11 установлены отбойники твердого продукта карбонизации 31. Со стороны выхода камеры предварительного нагрева сырья 8 и по всей длине камеры карбонизации 9 (на входе, средней части и выходе) установлены узлы отвода смолообразного продукта 19 для предотвращения коксования и загрязнения углерода продуктами коксования. Узлы сбора и разделения отработанной парогазовой смеси 17 и 22, а также все камеры 8, 9, 10 и 11 оснащены термопарами 28 и датчиками давления 29 для контроля температурного и технологического режима установки.

Способ и устройство работают следующим образом.

Углеродосодержащее сырье, в основном древесные отходы различной влажности (преимущественно до 40%), подают в измельчающее устройство узла подготовки сырья к переработке 1 и получают мелкодисперсные, однородные по размерам древесные частицы. Полученные древесные частицы сушат в сушилке до влажности, например, 6-8% и направляют в бункер-дозатор буферного запаса сырья, откуда дозировано подают в шнековый смеситель 3 узла подготовки сырья к переработке 1. Если используется сырье в виде сухих мелкодисперсных, однородных опилок влажностью до 8%, а таким сырьем могут быть, например, отходы спичечного или мебельного производства, шлифовальная пыль ДСП, шелуха зерна (гречихи, проса) и т.д., тогда узел подготовки сырья к переработке 1 упрощается до бункера-дозатора буферного запаса сырья. Одновременно на вход смесителя из узла введения реакционных добавок 2 подают реакционные добавки - галогены, галогениды щелочных или щелочноземельных металлов.

Реакционные добавки вводят те же и в тех же количествах, что и в прототипе (бифторид аммония ГОСТ 9546-75; сера газовая комковая техническая сорт 9950 ГОСТ 127-76 Е). Непрерывное введение реакционных добавок в дозировано подаваемую массу мелкодисперсных, однородных по размерам древесных частиц, высушенных до одинаковой и низкой влажности, обеспечивает равномерное распределение этих добавок по всей массе.

Подготовленное сырье направляют в узел подачи сырья 4. Откуда оно равномерно с помощью шлюзового загрузочного затвора 6 поступает через входной патрубок на вход камеры предварительного нагрева сырья 8, в которой равномерно перемешивается и перемещается рабочим валом, при этом нагревается до температуры 150-250^oС.

Время пребывания сырья на первой стадии, а также на стадиях карбонизации, активации и созревания выбирают в зависимости от вида и качества используемого сырья и добавок, при этом время пребывания в каждой камере устанавливают скоростью вращения рабочего вала. Выполнение камеры предварительного нагрева 8, по прототипу, в виде блока, например, параллельно размещенных двух камер, позволяет получить предварительно прогретое сырье в достаточном объеме и повысить производительность камеры карбонизации 9. Однако, как показывают исследования, по данной технологии выход углерода составляет до 30-35% от сухой массы исходного сырья, а по объему - до 85%. Следовательно, для выполнения стадии карбонизации, как того требует технология переработки, а также исключения переполнения камеры карбонизации 9, при использовании блочной конструкции камеры предварительного нагрева сырья 8, необходимо существенно уменьшить скорость вращения их рабочих валов, что негативно отразится на их производительности. Для повышения производительности устройства необходимо дополнительно между камерой карбонизации 9 и камерой активации 10 с помощью переточных патрубков 7 установить вторую камеру карбонизации 34, аналогичную первой. В этом случае при сохранении времени процесса карбонизации появляется возможность существенно повысить пропускную способность камер карбонизации путем увеличения скорости вращения их рабочих валов. Отсюда будет востребована высокая производительность камеры предварительного нагрева сырья 8.

В камере предварительного нагрева сырья 8 рубашка электрообогрева 13 размещена не по всей длине камеры, как это выполнено в камере карбонизации 9, а на определенном удалении от входного патрубка камеры. Это удаление зависит от максимальной температуры предварительного нагрева сырья и скорости вращения рабочего вала камеры. При более высокой температуре и минимальной скорости вращения рабочего вала удаление от входа камеры максимально, т.к. выделившаяся большая масса парогазовой смеси при минимальной скорости вращения рабочего вала и соответственно малой поступательной скорости перемещения сырья, сможет внедриться в поступающее сырье на максимальную глубину. В результате экспериментальных исследований разного сырья получено, что это максимальное удаление не превышает диаметра самой камеры. В процессе работы установки на входе камеры предварительного нагрева 8 из подготовительного сырья образуется пробка. Под воздействием вращения рабочего вала образовавшаяся пробка перемещается в глубь камеры и попадает в зону размещения рубашки электрообогрева, где подвергается нагреву, а так как процесс поступления сырья непрерывный, то одновременно на ее месте образуются новые. В результате отработанная парогазовая смесь надежно отсекается от входа устройства, что создает нормальные условия работы узла подачи сырья 4. Для сохранения времени пребывания сырья на первой стадии переработки без снижения скорости вращения рабочего вала и соответствующего изменения производительности, рабочую зону нагрева и соответственно рубашку электрообогрева 13 камеры предварительного нагрева сырья 8 оставить без изменений, как того требует технология производства, а удлинить входную часть корпуса и рабочий вал камеры. Кроме этого, над рубашкой электрообогрева 13 выполнена полость 15 для сбора парогазовой смеси, которая начинается от краев рубашки электрообогрева 13 и плавно переходит в узлы сбора 16 и разделения 17 парогазовой смеси. Такая конструкция узла позволит обеспечить наиболее эффективный сбор и вывод отработанной парогазовой смеси в процессе прогрева сырья, а также полнее использовать объем камеры. Образующийся на стадии предварительного нагрева сырья смолообразный продукт отводится через узел отвода 19. Отработанная парогазовая смесь выводится из полости сбора 15 через входной патрубок 18 в узлы сбора 16 и разделения 17 отработанной парогазовой смеси, где разделяется на смолообразный продукт и водоорганический конденсат, а затем выводится через штуцеры 28 и 29 соответственно.

Прогретая сырьевая смесь по переточному патрубку 7 поступает в камеру карбонизации 9, где происходит процесс термохимической деструкции при нагреве до температуры 600-700^oС. Образующийся на стадии карбонизации смолообразный продукт отводят через узлы отвода 19. Камера карбонизации 9 снабжена аналогичной системой сбора парогазовой смеси, что и камера предварительного нагрева сырья 8. Отработанная парогазовая смесь собирается в полости сбора 20, расположенной над всей рубашкой обогрева 14 камеры карбонизации 9 и через входной патрубок 23 выводится в узлы сбора 21 и разделения 22 отработанной парогазовой смеси. Частично парогазовая смесь уходит через переточный патрубок 7 в систему сбора 16 и разделения 17 отработанной парогазовой смеси камеры предварительного нагрева сырья 8. Такая система сбора обеспечит быстрый и качественный вывод отработанной парогазовой смеси из технологической системы, что позволит оптимизировать рабочий режим установки. Путем контроля температуры и давления отработанной парогазовой смеси с помощью термопар 28 и датчиков давления 29 и воздействия на пропускную способность узлов разделения 17 и 22, можно не только контролировать, но и влиять на технологический процесс стадии предварительного нагрева сырья и стадии карбонизации.

Твердый продукт карбонизации из камеры карбонизации 34 по переточному патрубку 7 поступает в камеру активации 10, где равномерно перемешивается и перемещается рабочим валом, при этом одновременно обрабатывается поступающим через штуцер 23 перегретым водяным паром. Полученный твердый продукт по переточному патрубку 7 поступает в камеру созревания 11, а газообразный продукт уходит через камеры 34, 9 и 8 в узлы сбора 16 и 21, а также разделения 17 и 22 отработанной парогазовой смеси.

Активированный продукт в камере созревания 11 равномерно перемешивается и перемещается рабочим валом, при этом обрабатывается в противотоке сухим азотом, поступающим через штуцер 30, и охлаждается с помощью водяной системы охлаждения. Полученный товарный продукт через шлюзовой разгрузочный затвор 12 выгружают из устройства. Газообразный продукт, образовавшийся в камере созревания 11 в процессе переработки, уходит через камеру активации 10 в камеры карбонизации 9 и предварительного нагрева сырья 8, а затем в систему сбора и разделения парогазовой смеси.

В результате проводимого технологичного процесса получают товарный продукт - углерод со стабильными однородными свойствами. Смолообразный продукт и водоорганический конденсат после переработки используют в качестве сырья для химической промышленности.

Технико-экономическая эффективность заключается в том, что в предлагаемом устройстве обеспечивается надежная защита процесса загрузки и выгрузки от попадания кислорода из окружающей среды в зоны реакции, создаются наиболее благоприятные условия проведения процесса переработки сырья в бескислородной среде, даже при отключенной системе подачи азота, что существенно расширяет функциональные возможности устройства. Кроме этого, переработка сырья происходит при надежном контроле температурного и технологического режима, а также при оптимальном отборе отработанных органических продуктов переработки, что повышает эффективность устройства и создает все условия производства продукции высокого качества.