RU169695U1 - LABORATORY DEVICE FOR QUICK PYROLYSIS OF CARBON-CONTAINING WASTE OF PLANT ORIGIN - Google Patents

Abstract

Лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения предназначено для переработки отходов растительного происхождения (костры льна, соломы и ботвы сельскохозяйственных культур, лузги риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупы орехов, фрезерного торфа, древесных опилок различных сортов древесины) быстрым пиролизом с получением жидких и газообразных топлив и углеродных сорбентов.Лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения состоит из механически соединенных между собой и закрепленных на металлическом каркасе блока загрузки сырья и реактора пиролиза с выгрузным бункером для твердого остатка, расположенным под реактором симметрично его вертикальной оси. Блок загрузки сырья выполнен в виде загрузочного бункера с шнековым питателем, расположенным под углом 132÷137° к вертикальной оси реактора пиролиза и жестко соединенным с ним. В нижней части загрузочного бункера устроен кран загрузки сырья. Реактор пиролиза выполнен в виде шнекового вертикального реактора, помещенного в контактную трубчатую электропечь.Использование лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения обеспечивает многофункциональность, возможность точного регулирования параметров работы устройства, а также наиболее полное использование исходного сырья.The laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin is intended for the processing of waste of plant origin (bonfires of flax, straw and tops of agricultural crops, husks of rice, oats, millet, buckwheat, millet, cereal crops, nutshells, milled peat, sawdust of various types of wood) rapid pyrolysis to produce liquid and gaseous fuels and carbon sorbents. Laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-based plant waste The line consists of mechanically interconnected and fixed on the metal frame of the feed loading unit and the pyrolysis reactor with an unloading bin for solid residue, located under the reactor symmetrically to its vertical axis. The feed loading unit is made in the form of a loading hopper with a screw feeder located at an angle of 132 ÷ 137 ° to the vertical axis of the pyrolysis reactor and rigidly connected to it. At the bottom of the loading hopper, a feed loading crane is arranged. The pyrolysis reactor is made in the form of a vertical screw reactor placed in a contact tube furnace. The use of a laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin provides multifunctionality, the ability to precisely control the operation parameters of the device, as well as the most complete use of feedstock.

Description

Полезная модель предназначена для переработки отходов растительного происхождения (костры льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки различных сортов древесины и т.п.) быстрым пиролизом с получением жидких и газообразных топлив и углеродных сорбентов.The utility model is designed for processing waste of plant origin (bonfires of flax, straw and tops of agricultural crops, husk of rice, oats, millet, buckwheat, millet, cereals, nutshells, milled peat, sawdust of various varieties of wood, etc.) fast pyrolysis to produce liquid and gaseous fuels and carbon sorbents.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является лабораторное устройство для переработки древесных отходов методом быстрого абляционного пиролиза (Макаров А.А. Термическое разложение древесины в режиме быстрого абляционного пиролиза. Диссертация; кандидат технических наук; Специальности: 05.21.05, 05.21.03 - Казань, 2011, 144 с.). Устройство содержит блок загрузки сырья и реактор пиролиза. Блок загрузки сырья представляет собой поршневую полость одностороннего пневмоцилиндра. Реактор пиролиза представляет собой реакционную камеру, содержащую вращающийся и нагреваемый до определенной температуры диск. Термическое разложение в режиме быстрого абляционного пиролиза осуществляется путем трения частиц биомассы, выдавливаемой из поршневой полости пневмоцилиндра, о нагретый диск. Необходимое усилие на поверхности образца создается путем создания давления в штоковой полости пневмоцилиндра. Варьируемыми факторами известного устройства являются: температура, скорость вращения диска и давление на образец.The closest in technical essence to the proposed utility model is a laboratory device for processing wood waste by the method of rapid ablation pyrolysis (A. Makarov Thermal decomposition of wood in the mode of rapid ablation pyrolysis. Thesis; Candidate of Technical Sciences; Specialties: 05.21.05, 05.21.03 - Kazan, 2011, 144 p.). The device comprises a feed loading unit and a pyrolysis reactor. The raw material loading unit is a piston cavity of a one-sided pneumatic cylinder. The pyrolysis reactor is a reaction chamber containing a disk that is rotating and heated to a certain temperature. Thermal decomposition in the fast ablative pyrolysis mode is carried out by friction of biomass particles squeezed out of the piston cavity of the pneumatic cylinder against a heated disk. The necessary force on the surface of the sample is created by creating pressure in the rod cavity of the pneumatic cylinder. Variable factors of the known device are: temperature, disk rotation speed and pressure on the sample.

Известное устройство имеет несколько существенных недостатков: узкий диапазон температур проведения процесса абляционного пиролиза, что связано с необходимостью обеспечить надежность функционирования пневмоцилиндра и вращающегося обогреваемого диска при высоких температурах; невозможность произведения точного регулирования и оптимизации параметров процесса для полной переработки исходного сырья ввиду относительно малой доли поверхности пиролиза в общей поверхности вращающегося обогреваемого диска; отсутствие узла для сбора твердой фазы.The known device has several significant drawbacks: a narrow temperature range for the process of ablation pyrolysis, which is associated with the need to ensure the reliability of the pneumatic cylinder and the rotating heated disk at high temperatures; the impossibility of precisely regulating and optimizing the process parameters for complete processing of the feedstock due to the relatively small fraction of the pyrolysis surface in the total surface of the rotating heated disk; lack of a node for collecting the solid phase.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка новой конструкции лабораторного устройства быстрого пиролиза, обеспечивающей надежность, точное регулирование и оптимизацию параметров процесса, а также максимально полную переработку исходного сырья.The objective of the claimed utility model is the development of a new design of a laboratory device for rapid pyrolysis, which ensures reliability, precise regulation and optimization of process parameters, as well as the most complete processing of raw materials.

Технический результат - расширение ассортимента лабораторных устройств быстрого пиролиза, расширение их функциональных возможностей и повышение эффективности переработки отходов растительного происхождения.EFFECT: expanding the assortment of laboratory devices for rapid pyrolysis, expanding their functional capabilities and increasing the efficiency of processing plant waste.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения включает жестко соединенные между собой и закрепленные на металлическом каркасе блок загрузки сырья, реактор пиролиза и выгрузной бункер для твердого остатка. Блок загрузки сырья выполнен в виде загрузочного бункера с шнековым питателем, расположенным под углом 132÷137° к вертикальной оси реактора пиролиза и жестко соединенным с ним. В нижней части загрузочного бункера устроен кран загрузки сырья. Реактор пиролиза выполнен в виде шнекового вертикального реактора, помещенного в контактную трубчатую электропечь. Выгрузной бункер для твердого остатка расположен под реактором симметрично его вертикальной оси и жестко закреплен с ним.The task and the technical result are achieved by the fact that the laboratory device for the rapid pyrolysis of carbonaceous waste of plant origin includes a raw material loading unit, a pyrolysis reactor and an unloading hopper for solid residue, rigidly interconnected and fixed on a metal frame. The feed loading unit is made in the form of a loading hopper with a screw feeder located at an angle of 132 ÷ 137 ° to the vertical axis of the pyrolysis reactor and rigidly connected to it. At the bottom of the loading hopper, a feed loading crane is arranged. The pyrolysis reactor is made in the form of a screw vertical reactor, placed in a contact tubular electric furnace. An unloading hopper for solid residue is located under the reactor symmetrically to its vertical axis and is rigidly fixed with it.

Включение в состав лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения каждого из этих составных элементов является обязательным и ни один из них нельзя исключить из данного устройства или поменять порядок их соединения, так как это не позволит добиться максимально полной переработки исходного сырья - отходов растительного происхождения.The inclusion of each of these constituent elements into the laboratory pyrolysis apparatus for the rapid pyrolysis of carbon-containing plant waste is mandatory and none of them can be excluded from this device or the order of their combination can be changed, since this will not allow to achieve the most complete processing of the feedstock - plant waste.

Загрузочный бункер для сырья необходим для дозирования исходного сырья за счет использования крана загрузки сырья, который также обеспечивает герметичность устройства в процессе работы. Шнековый питатель необходим для обеспечения равномерного поступления сырья в реактор пиролиза, а также регулирования скорости подачи сырья. Расположение шнекового питателя под углом 132÷137° к оси реактора пиролиза позволяет перемещать сырье в реактор за счет силы тяжести, не засоряя при этом шнековый питатель.A feed hopper for raw materials is necessary for dosing the feedstock through the use of a feed loading valve, which also ensures the tightness of the device during operation. A screw feeder is necessary to ensure a uniform feed to the pyrolysis reactor, as well as to control the feed rate. The location of the screw feeder at an angle of 132 ÷ 137 ° to the axis of the pyrolysis reactor allows you to move raw materials into the reactor due to gravity, without clogging the screw feeder.

Реактор пиролиза необходим для проведения термодеструкции исходного сырья в летучие продукты, при этом вертикальное исполнение реактора позволяет обеспечить максимально быстрое проведение процесса, а использование шнека в реакторе пиролиза позволяет точно регулировать условия процесса посредством изменения скорости вращения шнека и организованного удаления твердого остатка пиролиза, перемещающегося в бункер для твердого остатка за счет силы тяжести. Параметры мотор-редуктора, вращающего реакторный шнек, и характеристики частотного регулятора подобраны так, чтобы изменять время нахождения сырья в горячей зоне пиролизного реактора в интервале от 1 до 10 секунд.The pyrolysis reactor is necessary for thermal decomposition of the feedstock into volatile products, while the vertical design of the reactor allows the process to be carried out as quickly as possible, and the use of a screw in the pyrolysis reactor allows precise control of the process conditions by changing the screw rotation speed and organized removal of the solid pyrolysis residue moving to the hopper for solid residue due to gravity. The parameters of the geared motor rotating the reactor screw and the characteristics of the frequency controller are selected so as to change the residence time of the raw materials in the hot zone of the pyrolysis reactor in the range from 1 to 10 seconds.

Контактная трубчатая электропечь необходима для нагрева реактора пиролиза до необходимой для термодеструкции исходного сырья температуры. Изменением частоты вращения шнека и его сечения возможно добиться «стекания» сырья по внутренней стенке пиролизного реактора за счет действия силы тяжести, при этом возможно точное регулирование температуры пиролиза.Contact tubular electric furnace is necessary for heating the pyrolysis reactor to the temperature necessary for thermal decomposition of the feedstock. By changing the rotational speed of the screw and its cross section, it is possible to “drain” the raw material along the inner wall of the pyrolysis reactor due to the action of gravity, while it is possible to accurately control the pyrolysis temperature.

Выгрузной бункер твердого остатка необходим для его количественного сбора для дальнейшего анализа и исключения закоксовывания реактора пиролиза. Пути потоков пиролизного газа и место скопления раскаленного углеродсодержащего остатка максимально удалены друг от друга для исключения возможности длительного контакта, способствующего смолообразованию.The solid residue discharge hopper is necessary for its quantitative collection for further analysis and elimination of coking of the pyrolysis reactor. The flow paths of the pyrolysis gas and the accumulation site of the hot carbon-containing residue are maximally distant from each other to exclude the possibility of prolonged contact, which promotes gum formation.

Для достижения более полной переработки исходного сырья в жидкие и газообразные продукты устройство может быть дополнено циклоном, реактором термокаталитической очистки, холодильником, сборником жидких продуктов, промывной склянкой, осушительной склянкой, блоком анализа расхода газа, компрессором и баллоном-сборником. Циклон необходим для очистки летучих продуктов термодеструкции от угольной пыли, образующейся в реакторе пиролиза и затрудняющей дальнейшее использование газообразной смеси. Реактор термокаталитической очистки используется для максимально полной каталитической термодеструкции образующихся в реакторе пиролиза смол, которые затрудняют дальнейшее использование газообразной смеси. Холодильник необходим для конденсации летучих продуктов термодеструкции на холодной поверхности и стекания их под действием силы тяжести в сборник жидких продуктов. Сборник жидких продуктов необходим для количественного сбора жидкой фракции сконденсированных летучих продуктов термодеструкции и дальнейшего их анализа. Промывная склянка необходима для гидроочистки газообразных продуктов от гидрофильных летучих продуктов с целью повышения теплоценности образующейся газовой смеси. Осушительная склянка необходима для удаления из образующейся газовой смеси влаги, которая существенно снижает теплоценность газовой смеси и сокращает срок службы оборудования и соединительных трубок. Блок анализа расхода газа необходим для определения расхода и количества образующихся газообразных продуктов. Компрессор и баллон-сборник составляют систему количественного сбора образующихся газов для дальнейшего их анализа и использования.To achieve a more complete processing of the feedstock into liquid and gaseous products, the device can be supplemented with a cyclone, a thermocatalytic cleaning reactor, a refrigerator, a collection of liquid products, a washing flask, a drying flask, a gas flow analysis unit, a compressor and a collection tank. The cyclone is necessary for the purification of volatile thermal decomposition products from coal dust generated in the pyrolysis reactor and hindering the further use of the gaseous mixture. The thermocatalytic purification reactor is used for the most complete catalytic thermal degradation of the resins formed in the pyrolysis reactor, which impede the further use of the gaseous mixture. A refrigerator is necessary for condensation of volatile thermal decomposition products on a cold surface and their draining by gravity into a collection of liquid products. A collection of liquid products is necessary for the quantitative collection of the liquid fraction of condensed volatile thermal decomposition products and their further analysis. A washing flask is necessary for hydrotreating gaseous products from hydrophilic volatile products in order to increase the heat value of the resulting gas mixture. A drying bottle is necessary to remove moisture from the resulting gas mixture, which significantly reduces the heat value of the gas mixture and shortens the life of the equipment and connecting tubes. A gas flow analysis unit is needed to determine the flow rate and amount of gaseous products formed. The compressor and the collection tank constitute a system for the quantitative collection of the resulting gases for their further analysis and use.

Закрепление устройства на едином металлическом каркасе позволяет обеспечить надежность и безопасность ее конструкции, возможность легкой сборки и разборки устройства, его герметичность, а также создать замкнутый контур работы устройства.Fixing the device on a single metal frame allows you to ensure the reliability and safety of its design, the ability to easily assemble and disassemble the device, its tightness, as well as create a closed loop of the device.

Последовательное соединение элементов устройства позволяет объединить их в замкнутый герметичный контур, что исключает попадание вредных веществ в окружающую среду, повышает надежность и безопасность его эксплуатации.The serial connection of the elements of the device allows you to combine them in a closed sealed circuit, which eliminates the ingress of harmful substances into the environment, increases the reliability and safety of its operation.

Конструкция устройства позволяет осуществлять быстрый пиролиз углеродсодержащих отходов растительного происхождения со скоростью нагрева сырья до 500°С в секунду.The design of the device allows for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin with a heating rate of raw materials up to 500 ° C per second.

Существенными отличиями лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения являются блочный принцип построения устройства, а также то, что все отдельные элементы устройства последовательно механически соединены друг с другом и смонтированы в едином металлическом каркасе. При этом лабораторное устройство имеет замкнутый контур, что существенно снижает уровень выбросов во внешнюю среду.Significant differences between the laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin are the block principle of the device construction, as well as the fact that all individual elements of the device are mechanically connected in series with each other and mounted in a single metal frame. At the same time, the laboratory device has a closed loop, which significantly reduces the level of emissions into the environment.

Полезная модель поясняется фиг. 1, где представлена схема лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения.A utility model is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of a laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing plant waste.

Предлагаемое лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения включает последовательно механически соединенные между собой и закрепленные на металлическом каркасе (не указан) загрузочный бункер 1 для сырья с устроенным в его нижней части краном загрузки сырья 2, шнековый питатель 3, вертикальный реактор пиролиза 4 с реакторным шнеком 5 по его вертикальной оси, помещенный в контактную трубчатую электропечь 6, выгрузной бункер для твердого остатка 7. Загрузочный бункер для сырья (с максимальной загрузкой до 5 кг/час) строго вертикально закреплен на металлическом каркасе и жестко соединен со шнековым питателем. Реактор пиролиза 4 выполнен в виде шнекового вертикального реактора, соединенного со шнековым питателем 3, расположенным под углом 132÷137° к оси реактора пиролиза 4. Бункер для твердого остатка 7 закреплен на каркасе строго под реактором пиролиза 4 и жестко соединен с ним.The proposed laboratory device for the rapid pyrolysis of carbonaceous waste of vegetable origin includes mechanically connected to each other and mounted on a metal frame (not specified) loading hopper 1 for raw materials with a raw material loading crane 2 located at its lower part, screw feeder 3, vertical pyrolysis reactor 4 with reactor screw 5 along its vertical axis, placed in a contact tube electric furnace 6, an unloading hopper for solid residue 7. Loading hopper for raw materials (with a maximum load up to 5 kg / h) is strictly vertically mounted on a metal frame and rigidly connected to a screw feeder. The pyrolysis reactor 4 is made in the form of a screw vertical reactor connected to a screw feeder 3, located at an angle of 132 ÷ 137 ° to the axis of the pyrolysis reactor 4. The hopper for solid residue 7 is mounted on the frame strictly under the pyrolysis reactor 4 and is rigidly connected to it.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Перед работой проводится проверка проводки, электрической сети, вытяжной вентиляции и работы шнековых механизмов. Далее устанавливаются требуемые частоты вращения шнекового питателя 3 и реакторного шнека 5. Предварительно взвешенное сырье (отходы растительного происхождения - костра льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки) в количестве 500 г помещается в загрузочный бункер для сырья, далее для обеспечения герметичности устройства бункер закрывается. После этого выполняется проверка герметичности устройства при работающих мотор-редукторах с заданными частотами вращения шнеков посредством «обмыливания» фланцевых соединений, патрубков и фитингов при подаче в систему азота из баллона с давлением 1,5-2,0 атм. Если в результате проверки обнаруживается течь, ее устраняют заменой паронитовых, тефлоновых или резиновых прокладок во фланцевых или резьбовых соединениях. Далее устройство продувают инертным газом (в качестве инертного газа может быть использован азот, углекислый газ и т.п., который будет вытесняться пиролизными газами) в количестве 100 л. Далее производится установка рабочей температуры контактной трубчатой печи 6 реактора пиролиза 4 (не более 1000°С). Далее открывается кран загрузки сырья 2 из загрузочного бункера 1 на шнековый питатель 3, и движением шнекового питателя сырье подается в реактор пиролиза 3. В результате вращения реакторного шнека 5 частицы сырья под действием центробежных сил ударяются о раскаленные стенки реактора пиролиза 3 и происходит их термодеструкция с образованием летучих продуктов, а твердый углеродсодержащий остаток под действием силы тяжести высыпается в выгрузной бункер для твердого остатка 7, образовавшиеся летучие продукты по металлической трубе поступают на дальнейшую обработку.Before work, check the wiring, electrical network, exhaust ventilation and the operation of auger mechanisms. Next, the required rotational speeds of the screw feeder 3 and the reactor screw 5 are established. Pre-weighed raw materials (waste from plant origin - flax bonfire, straw and tops of agricultural crops, husk of rice, oats, millet, buckwheat, millet, cereals, nutshells, milled peat, sawdust) in an amount of 500 g is placed in the feed hopper for raw materials, then the hopper is closed to ensure the tightness of the device. After that, the tightness of the device is checked when the gearmotors are working with the set screw speeds by “washing” the flange joints, pipes and fittings when nitrogen is supplied to the system from a cylinder with a pressure of 1.5-2.0 atm. If a leak is detected as a result of the check, it is eliminated by replacing the paronite, teflon or rubber gaskets in the flange or threaded connections. Then the device is purged with an inert gas (nitrogen, carbon dioxide, etc., which will be replaced by pyrolysis gases) can be used as an inert gas) in an amount of 100 l. Next, the working temperature of the contact tube furnace 6 of the pyrolysis reactor 4 is set (not more than 1000 ° C). Next, the raw material loading valve 2 opens from the loading hopper 1 to the screw feeder 3, and by moving the screw feeder, the raw material is supplied to the pyrolysis reactor 3. As a result of the rotation of the reactor screw 5, the raw material particles under the action of centrifugal forces hit the red-hot walls of the pyrolysis reactor 3 and their thermal decomposition occurs the formation of volatile products, and a solid carbon-containing residue under the influence of gravity pours into the discharge hopper for solid residue 7, the resulting volatile products through a metal pipe t for further processing.

Использование лабораторного устройства быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения обеспечивает многофункциональность, возможность точного регулирования параметров работы устройства, а также наиболее полное использование исходного сырья - отходов растительного происхождения (костры льна, солома и ботва сельскохозяйственных культур, лузга риса, овса, проса, гречки, пшена, злаковых культур, скорлупа орехов, фрезерный торф, древесные опилки различных сортов древесины).The use of a laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin provides multifunctionality, the ability to precisely control the operating parameters of the device, as well as the most complete use of feedstock - waste of plant origin (bonfires of flax, straw and tops of crops, husk of rice, oats, millet, buckwheat, millet , cereals, nutshells, milled peat, sawdust of various types of wood).

Изготовление лабораторного устройства не требует специального оборудования. Лабораторное устройство быстрого пиролиза изготовлено и эксплуатируется на базе Регионального технологического центра Тверского государственного университета.The manufacture of a laboratory device does not require special equipment. The laboratory device for rapid pyrolysis is manufactured and operated on the basis of the Regional Technological Center of Tver State University.

Claims (1)

Лабораторное устройство быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения, включающее механически соединенные между собой и закрепленные на металлическом каркасе блок загрузки сырья и реактор пиролиза, отличающееся тем, что содержит жестко закрепленные между собой блок загрузки сырья, выполненный в виде загрузочного бункера с шнековым питателем, расположенным под углом 132-137° к вертикальной оси реактора пиролиза и жестко соединенным с ним, причем в нижней части загрузочного бункера устроен кран загрузки сырья; реактор пиролиза, выполненный в виде шнекового вертикального реактора, помещенного в контактную трубчатую электропечь; и дополнительно выгрузной бункер для твердого остатка, расположенный под реактором симметрично его вертикальной оси.Laboratory device for the rapid pyrolysis of carbon-containing waste of plant origin, including a raw material loading unit and a pyrolysis reactor, mechanically connected to each other and mounted on a metal frame, characterized in that it contains a raw material loading unit made in the form of a loading hopper with a screw feeder located under angle of 132-137 ° to the vertical axis of the pyrolysis reactor and rigidly connected to it, and in the lower part of the loading hopper a feed loading crane is arranged; a pyrolysis reactor made in the form of a screw vertical reactor placed in a contact tubular electric furnace; and an additional discharge hopper for solid residue, located under the reactor symmetrically to its vertical axis.

Images