ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Вертикальные циркуляционные шахтные реторты

Вертикальными ретортами в настоящее время оснащаются как старые, так и вновь строящиеся заводы пиролиза древе­сины. Вертикальные реторты отличаются от вагонных реторт непрерывной циркуляцией теплоносителя — обычно топочных газов, получаемых при сжигании в газовой топке нефтяного топлива и неконденсирующихся газов. В реторте процесс пиро­лиза идет непрерывно при периодической загрузке древесины небольшими порциями в верхнюю часть и периодической вы­грузке охлажденного угля небольшими порциями снизу ре­торты. Производительность единицы объема камеры жжения такой реторты в 6—9 раз больше, чем у тоннельной вагонной реторты.

На рис. 3.10 изображена принципиальная схема вертикаль­ной непрерывнодействующей реторты с аппаратурой для по­дачи теплоносителя в реторту, охлаждения и очистки парогазо­вой смеси и выделения жижки, а на рис. 3.11 ее общий вид. Реторта представляет собой цельносварной стальной цилиндр.

67

Рис. 3.11. Общий вид вертикаль­Ной непрерывнодействующей ре­Торты:

I — скиповый подъемник для древе­сины; 2 — гидравлический тележеч - иый затвор; 3 — штуцер для отвода парогазовой смесн; 4, 9 — разгрузоч­ные конусы; 5 — конус горячего газа; В — штуцер для ввода теплоносителя; 7, 13 — штуцера для вывода нагретого газа; 8 — конус нагретого газа; 10 — Штуцер для ввода холодного газа;

II — скиповый подъемник для угля; 12 — шлюзовые затворы

В последние годы для изготовления реторт ис­пользуют кислотоупорную сталь, что значительно по­вышает срок их службы. Толщина стенок реторты 14 мм. Общая высота ре­торты ранее составляла 24 м, новые реторты изго­товляют высотой 27 м с целью увеличения протя­женности зоны сушки.

Расчетная производи­тельность реторты опреде­ляется ее диаметром.

Диаметр реторты, мм.................................................

Производительность, м3/год.................................. 52 500 56 500 74 000 105 000

Реторту подвешивают на четырех лапах, прикрепленных к верхней ее части. Для уменьшения нагрузки на верхние лапы к нижней части реторты монтируют дополнительные лапы, опи­рающиеся через спиральные пружины на балки. Такое устрой­ство компенсирует изменения размеров реторты при нагрева­нии и охлаждении.

Реторта имеет четыре патрубка: первый, верхний, для вы­вода парогазовой смеси, второй для ввода теплоносителя, тре­тий для отвода нагретых газов из зоны охлаждения угля, четвертый, нижний, для ввода холодных газов, охлаждаю­Щих уголь.

Для обеспечения равномерного распределения теплоноси­теля по сечению реторты, а также равномерного охлаждения угля в реторте установлены два усеченных конуса, изготовлен­ных из листовой стали — один в зоне подвода теплоносителя, другой в зоне отвода нагретых газов, прошедших слой угля.

Для того чтобы обеспечить равномерную усадку слоя древе­сины и угля, в нижней части реторты по ее центру помещен подвесной или неподвижный конус. Этот конус задерживает
движение среднего столба древесины и угля и, кроме того, уменьшает давление на выгрузочное устройство. Снаружи ре­торта хорошо теплоизолирована.

Рассмотрим технологическую схему пиролиза древесины в вертикальных циркуляционных шахтных ретортах на примере Амзинского лесокомбината.

Древесное сырье со склада подается в разделочное отделе­ние в вагонетках по узкоколейному железнодорожному пути. Древесина в вагонетках уложена пачками, что позволяет меха­низировать ее подачу в' бункер-питатель слешерной установки. Из бункера-питателя поленья подают на слешер, причем круп­ные поленья предварительно раскалывают на цепном колуне.

После слешера чурку длиной 200 мм ленточными конвей­ерами и скиповыми подъемниками подают в вертикальные шахтные прямоточные сушилки. Вновь сооружаемые реторты оснащаются одной сушилкой увеличенного объема.

Чурку загружают в сушилку через верхний тележечный гидравлический затвор, открываемый при движении скипа. Уровень чурки контролируют механическими уровнемерами. .

Теплоноситель (дымовые газы котельной), содержащий не более 6—8 % кислорода, подается в верхнюю часть сушилки при температуре 180—240 °С. Отработанный теплоноситель от­водится снизу при температуре до 110 °С (повысив эту вели­чину, можно ускорить сушку, но ценой перерасхода тепла).

Чурка влажностью 15—20 % (ее температура близка к 100 °С) выгружается периодически через нижнее выгрузоч­ное устройство и подается ленточным конвейером в ковш ски­пового подъемника реторты.

В нижней части сушилки поддерживается небольшое, до 2 кПа, разрежение (1 кПа округленно равен 8 мм рт. ст., или 100 мм вод. ст.). Если сушилка устроена без нижнего затвора, в нижней ее части поддерживается небольшое положительное давление во избежание подсоса воздуха при выгрузке чурки.

Приведем примерный расчет размера сушилки к реторте производитель­ностью 74 000 м3/год и расхода топлива на сушку древесины в этой сушилке. Исходные данные для расчета:

Состав сырья по породам, % ........................................ береза 90, осина 10

Влажность сырья (относительная), % ... до сушки 45, после 15 Насыпной объем чурки, м3/м3 0,63

Температура теплоносителя, °С..................................... иа входе 230, на выходе 110

Время пребывания древесины в сушилке, ч 12

95

Непрерывный, 330 дней в году, 24 ч/сут, 7920 ч/год

1. Определим часовую производительность сушилки: 74000/7920 = = 9,34 м3/ч, округленно 10 м3/ч.

2. Найдем объем сушилки, исходя из ее часовой производительности, вре­мени пребывания в ней древесины и насыпного объема чурки: 10-12/0,63 = = 190,5 м3. Выберем типовую сушилку диаметром 4000 мм, активной высотой 17 м; ее объем 213,5 м3.

3. Рассчитаем среднюю массу абсолютно сухой древесины (а. с. д.) н Воды в 1 м3 сырья, применяя интерполяцию по данным табл. 1.2 (глава 1). При влажности (относительной) 45 % масса 1 м3 березовой древесины равна 954 кг, осиновой 759 кг. Средневзвешенная масса 1 м3 равна 954-0,9 + + 759-0,1=934 кг/м3, в том числе а. с. д. 934-0,55 = 514 кг и воды 934-0,45 = = 420 кг. Таким образом, в сушилку поступает а. с. д. 5140 кг/ч и воды 4200 кг/ч.

4. Определим количество воды, испаряемой в сушилке. Начальное коли­чество воды 420 кг/м3, конечное 514-0,15/0,85=91 кг/м3, подлежит испарению 420—91=329 кг/м3, или 3290 кг/ч.

5. Найдем расход тепла в зимний период, принимая расчетную темпера­туру воздуха —20 "С. Тепло расходуется, кДж/ч: на нагревание льда в дре­весине от —20 °С до 0 °С (теплоемкость льда округленно 2 кДж/(кг - К): 4200-20-2=168000; на таяние льда (теплота плавления 332 кДж/кг): 4200-332=1 394 400; на нагревание а. с. д. от —20 °С до +95 °С, т. е. на 115°С (теплоемкость а. с. д. в этом интервале около 1,4 кДж/(кг-К) :5140Х X115-1,4 = 827 540; на нагревание воды до температуры кипения (теплоем­кость округленно 4,2 кДж/(кг-К): 4200 -100 ■ 4,2 = 1 764 000; на разрыв связи испаряемой воды с древесиной (энергия связи около 75 кДж/кг): 3290-75 = = 246 750; на испарение воды (теплота парообразования 2257 кДж/кг): 3290-2257 = 7 425 530; на перегрев паров воды со 100 до 110 °С, т. е. на 10 °С (теплоемкость около 2 кДж/(кг-К): 3290-10-2 = 65 800; суммарный расход тепла 11 892 020 кДж/ч, а с учетом 10 % потерь в окружающую среду 11 892 020/0,9=13 213 350 кДж/ч =13,2 ГДж/ч.

Произведем аналогичный расчет для летнего периода, принимая расчет­ную температуру воздуха 10 °С и величину потерь 5 %, получим 10,5 ГДж/ч.

6. Определим потребность в печном топливе. В качестве топлива выби­раем соляровое масло, его теплота сгорания 42 600 кДж/кг = 0,0426 ГДж/кг. Коэффициент полезного действия топки и трубопроводов в зимний период принимаем 0,78, в летний 0,85. Потребность в топливе в зимний период 13,2/(0,0426-0,78) =397 кг/ч, в летний период 10,5/(0,0426 • 0,85) =290 кг/ч (фактический расход будет меньше в связи с сжиганием в топке избытка не­конденсирующихся газов из реторты).

Если принять выход а. с. угля в вертикальной непрерывнодействующеи реторте 25% от а. с. д., т. е. в данном случае )5140 • 0,25/1000= 1,285 т/ч, то среднегодовой расход тепла на сушку древесины в пересчете на уголь соста­вит 0,5(13,2+10,5)/1,285 = 9,2 ГДж/т. По практическим данным, эта вели­чина равна 8,8 ГДж/т, т. е. приведенный расчет сделан с небольшим запасом.

Дальнейший расчет предусматривает выбор дымососа и определение раз­меров топки. Обычно принимается тоннельно-щелевая топка-смеситель с ци­линдрической камерой горения.

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. Топка распо­ложена вертикально, представляет собой стальной цилиндр вы­сотой 4 м и диаметром 1 м. Изнутри топка выложена асбес­том и затем футерована сначала диатомитовым кирпичом, а сверху — шамотным. Общая толщина футеровки 250 мм. Газ подводится в нижнюю часть топки сбоку, соляровое масло впрыскивается снизу по оси топки. Воздух проходит через на­ружный кожух топки, нагревается и вводится в топку снизу че­рез завихряющее устройство. Для снижения температуры теп­лоносителя до 600—700 °С в верхнюю часть топки подается не­обходимое количество холодного газа.

Содержание кислорода в теплоносителе не должно превы­шать 0,6%; допускается кратковременное повышение до 2%. Для контроля за содержанием кислорода в теплоносителе и в газе после конденсационной системы устанавливают автома­тические самопишущие приборы. Воздух рабочей зоны в ре­тортных цехах контролируют на содержание окиси углерода (ПДК 20 мг/м3) и уксусной кислоты (ПДК. 5 мг/м3).

Древесный уголь ниже зоны подвода теплоносителя охлаж­дается потоком холодных неконденсирующихся газов, подавае­мых в низ реторты, после чего его выгружают через шлюзовые затворы в ковш скипового подъемника. Нагревшиеся газы из - под второго конуса (считая сверху) отводятся газодувкой в топку реторты для получения теплоносителя. Избыток газа сжигают в топке сушилки.

Основная часть тепла, подаваемого в реторту, расходуется на испарение воды. При производительности реторты 10 м3/ч и влажности чурки (из березы) 15 % требуется тепла примерно 9 ГДж/ч. Тепловой баланс показывает, что примерно 45 % тепла вводится с теплоносителем, 10 % с горячей чуркой, 1 % с газами, охлаждающими уголь, остальное приходится на долю тепла экзотермической реакции. С парогазовой смесью уходит из реторты около 92 % всего тепла, с углем 1 % и с газами, на­гревшимися при охлаждении угля, 5%. Потери тепла в окру­жающую среду составляют около 2 %.

Если при той же производительности реторты влажность чурки будет не 15, а 30%, то потребность в тепле возрастет почти в 1,5 раза и подачу теплоносителя в реторту придется удвоить.

Парогазовая смесь выходит из реторты через верхний пат­рубок и поступает сначала в форконденсаторы, а затем после­довательно проходит трубчатые конденсаторы. Выделяющаяся жижка поступает в сборник. Температура конденсата не дол­жна превышать 25 °С.

На одном из заводов неконденсирующиеся газы после труб­чатых конденсаторов нагнетаются газодувкой в пенный аппа­рат, или абсорбер, в котором на перфорированных тарелках поддерживается слой пены высотой 100—150 мм; это достига­ется высокой скоростью движения газов (около 2 м/с). Пенный режим работы обеспечивает интенсивный массообмен между жидкостью и газом. В летних условиях в пенных абсорберах улавливают водой до 2 кг кислоты на 1 м3 переугленной дре­весины.

На некоторых заводах для охлаждения и конденсации паро­газовой смеси вместо трубчатых конденсаторов применяют скрубберы, орошаемые жижкой, однако в этом случае ухудша­ется качество древесной смолы.

Поскольку неконденсирующиеся газы могут образовать с воздухом взрывоопасную смесь, в реторте во избежание под­сосов воздуха необходимо поддерживать небольшое избыточ­ное давление: вверху 0,2—0,5 кПа, в середине и внизу около 2 кПа, в нагнетательном патрубке газодувки около 10 кПа. Только перед газодувкой находится зона разрежения, равного 2—4 кПа.

Температурный режим реторты: внизу не выше 70 °С, под вторым конусом 130—220, в зоне прокаливания угля 500—600, в зоне переугливания 380—450, в зоне подсушки чурки 120— 300 °С. Парогазовая смесь на выходе из реторты имеет темпе­ратуру 110—170 °С, предпочтительно около 130 °С, так как при более высокой температуре бывает закоксовывание газопровода. Для снижения температуры до 130 °С практикуется, при необ­ходимости, орошение через форсунку парогазовой смеси на вы­ходе ее из реторты жижкой.

Средний выход древесного угля 140 кг/м3, но содержание в нем 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 березовой 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 выработки угля в единицу времени.

Все основные операции по технологическому процессу, начи­ная с загрузки древесины в сушилки и кончая выгрузкой угля, механизированы, при этом механизмы оснащены электроприво­дами, что создает возможность автоматизации этих операций (рис. 3.12).

Выгружают уголь из реторты тремя специальными механиз­мами, образующими шлюзовой затвор и срабатывающими по­очередно снизу вверх. Сначала открывается нижний выгрузоч­ный затвор и порция угля пересыпается из межзатворной ем­кости реторты в ковш скипового подъемника; затем затвор закрывается. Потом открывается второй выгрузочный затвор и порция угля пересыпается из промежуточной емкости, имею­щейся над этим затвором, в межзатворную емкость; затвор за­крывается. Наконец, открывается игольчатый затвор и порция холодного угля пересыпается из реторты в промежуточную емкость над выгрузочным затвором; игольчатый затвор закры­вается и отсекает порцию угля от реторты. На этом цикл вы­грузки угля заканчивается.

Срабатывание механизмов и затворов производится следую­щим образом: в крайних положениях затворы нажимают на ко­нечные выключатели, подавая электрические сигналы в схему автоматического управления, блокировки и сигнализации.

Основными параметрами для программного регулирования разгрузки угля являются время и температуры в зоне разложе­ния и на выходе из реторты парогазовой смеси,

/ — конвейер для сырой чурки; 2 — скиповый подъемник к сушилке; 3 — сушилка; 4, 5—механические уровнемеры; 6 — конечные выключатели; 7 — реторта; 8 — скиповый подъемник к реторте; 9 — скиповый подъемник для угля; 10 — привод подъемника к реторте; 11 — привод подъемника к сушилке

Автоматическое управление загрузкой реторты и выгрузкой угля может быть запрограммировано во времени с установкой цикла по заранее разработанному заданию. Команду для авто­матического включения механизмов при этом подает механиче­ский уровнемер. На загрузку реторт команда независимо от температурного режима в ней подается при понижении слоя древесины в реторте до заданного уровня и при закрытых ниж­них затворах. Затворы для загрузки древесины и для выгрузки угля сблокированы таким образом, чтобы не было возможности открыть их одновременно,

С целью ускорения стабилизации выгружаемого угля и пре­дупреждения его самовозгорания вместо шлюзовых затворов устанавливают устройство, при помощи которого уголь из ре­торты выгружается непрерывно. Уголь попадает на движу­щийся ленточный конвейер длиной 15—20 м и шириной 1,2 м (см. раздел 3.2). Уголь, стабилизированный на конвейере, мо­жно ср^зу же грузить в вагоны. Охлаждение угля на конвейере позволяет сократить объем тушильной камеры вертикальной реторты, увеличить за счет этого зону пиролиза и несколько по­высить производительность реторты.

Далее уголь поступает в приемный ковш скипового подъем­ника и поднимается по наклонной эстакаде на верх сортиро­вочной вышки. Здесь ковш опрокидывается, и уголь высыпается на сита, неподвижно укрепленные под углом 45°. При скатыва­нии угля по ситам пыль и угольная мелочь проваливаются в приемные бункера, снабженные внизу задвижками для пери­одической выгрузки мелочи. При величине отверстий в сетке 12x12 мм в кусковом угле остается не более 5% мелочи.

Отсортированный уголь ссыпается в вагонетку с откидным дном, которая при помощи привода поднимается по наклонному рельсовому пути на эстакаду склада угля. Дно вагонетки при надвигании на передвижную каретку автоматически открыва­ется, и уголь высыпается в бункер. Из бункера уголь грузится в железнодорожные вагоны пневмотранспортом. Существуют и другие схемы механизации сортировки и транспортировки угля.

В последнее время вертикальную непрерывнодействующую реторту используют за рубежом для производства древесного угля как единственного продукта, сжигая парогазовую смесь с помощью специального устройства в самой реторте. В каче­стве сырья используют нетоварную древесину и крупные от­ходы лесопиления (рейку, горбыль) хвойных и лиственных по­род. Производительность реторты 2000 т угля в год (фирма «Ламбиот» разрабатывает реторту производительностью 6000 т/год). Реторта подобного типа установлена в одном из лесхозов Карельской АССР.

Переугливание мелких отходов (опилок, стружки), особенно влажных, затруднительно, так как при переугливании в тол­стом слое они покрываются коркой угля, которая изолирует ос­новную массу древесины от источника тепла. Поэтому для пе­реработки опилок предложены специальные способы и аппа­раты, например вращающиеся реторты, аппараты с кипящим слоем и др. Получаемый в таких аппаратах мелкий уголь бри­кетируют.

Аппараты мелких пиролизных производств. К таким произ­водствам относятся спиртопорошковое, смолоскипидарное и дегтекуренное.

В спиртопорошковом производстве для пиролиза древесины лиственных пород применялись горизонтальные и вертикаль­ные реторты периодического действия, стационарные и выем­ные. Жижка перерабатывалась На метиловый спирт-сырец и уксусно-кальциевый порошок. Это производство устарело и не перспективно.

Пиролиз смолистой древесины (пневого >и стволового ос­мола) ведется в периодически действующих аппаратах с внеш­ним обогревом, чаще всего в минских ретортах. Эта реторта представляет собой вертикальный цилиндр без дна, высотой 4,5—5 м и диаметром 2,6—2,8 м, изготовленный из 5—6-милли­метровой стали, снабженный жестко прикрепленной крышкой и двумя люками. Загрузка осмола и выгрузка угля произво­дятся вручную через люки. Дном цилиндра служит кирпичный под, в центре которого расположен ход в смоляной канал и в канал для отвода парогазовой смеси. Реторту обмуровывают кирпичным кожухом, образующим вокруг нее жаровой мешок; топка — выносная. Полный оборот реторты 3,5—4 сут.

Средний выход из 1 м3 осмола: 32 кг скипидара-сырца и 80 кг смолы. Скипидар очищают и используют в основном при изготовлении сапожных кремов и других продуктов бытовой химии. Сосновую смолу после отгонки от нее влаги и легколе­тучих фракций применяют в качестве мягчителя в резиновой промышленности, для просмолки лодок, канатов, сетей и сна­стей. Производство сосновой смолы и скипидара путем пиро­лиза осмола постепенно сокращается.

Для дегтекурения, или пиролиза бересты, чаще всего ис­пользуют металлические казаны вместимостью 0,7—1,4 м3. Бе­ресту загружают в казаны в спрессованном виде. Длительность оборота в зависимости от вместимости казанов и влажности сырья равна 12—36 ч. Иногда для дегтекурения используют минские реторты, на которых устанавливают вентилятор для обеспечения циркуляции парогазовой смеси. Применяют также • реторты с выемными корзинами.

Выход берестового дегтя 30—40 % от массы чистой, без примеси луба, воздушно-сухой бересты.

Берестовый деготь используется в кожевенной и фармацев­тической промышленности (в качестве составной части препа­ратов для лечения некоторых кожных заболеваний), а также . для смазки кожаной сбруи, обуви и др.