Способ сушки гидролизного лигнина и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам сушки лигнинсодержащего сырья и устройствам для их осуществления, может быть использовано для переработки крупнотоннажных отходов гидролизного лигнина в гидролизной промышленности и позволит обеспечить высокопроизводительный и безопасный процесс сушки гидролизного лигнина при одновременном сохранении химической и физической структуры лигнина и его полезных свойств. Гидролизный лигнин подвергают последовательной тепловой обработке во вращающемся барабане, на первой стадии влажный материал распределяют послойно в сушильном пространстве между двумя тепловыми элементами, выполненными в виде нагреваемых теплоносителем поверхностей для двухсторонней сушки материала, нагрев ведут без прямого контакта материала с теплоносителем до температуры, обеспечивающей температуру в массе выше температуры тления гидролизного лигнина, на второй стадии материал досушивают при естественном перемешивании, обеспечиваемом вращением барабана, а выделяющиеся в процессе сушки пары влаги и пылеобразной фракции гидролизного лигнина отделяют путем их отсоса, выгрузку высушенного материала ведут через открытое разгрузочное устройство, проницаемое для воздуха. Для осуществления способа предложена барабанная сушилка, выполненная в виде горизонтального вращающегося вокруг продольной оси барабана с коаксиально размещенным внутри нагревательным элементом, выполненным в виде жестко связанной с барабаном жаровой трубы, кольцевой зазор между стенками жаровой трубы и стенками барабана образует кольцевую камеру сушки, в которой установлен транспортирующий узел, выполненный в виде жестко дистанцированных друг от друга направляющих, жаровая труба с одной стороны снабжена топливным узлом, а с другой - глухим выходным торцом, который делит барабан на зону сушки материала в кольцевой камере сушки и зону его охлаждения и разгрузки, зона сушки снабжена узлом загрузки материала, зона охлаждения и разгрузки снабжена узлами разгрузки материала и отвода паров влаги, стенки барабана выполнены полыми, со стороны глухого выходного торца жаровой трубы размещены патрубки вывода отработанного теплоносителя, сообщенные с полой стенкой барабана, снабженной каналом вывода отработанного теплоносителя. Изобретение обеспечивает получение гидролизного лигнина с сохранением его структуры и полезных свойств при обеспечении безопасности процесса и его высокопроизводительности. 2 с и 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам сушки лигнинсодержащего сырья и устройствам для их осуществления и может быть использовано для переработки крупнотоннажных отходов гидролизного лигнина в гидролизной промышленности, в строительстве, деревообрабатывающей промышленности, нефтедобывающих отраслях, металлургической и теплоэнергетической промышленности.

Гидролизный лигнин, являясь крупнотоннажным отходом гидролизной промышленности, может быть использован в различных составах в качестве активного или инертного наполнителя, связующего. Однако его использование требует предварительной сушки. Сушка гидролизного лигнина является серьезной проблемой в промышленном масштабе, т.к. гидролизный лигнин является взрывоопасным материалом с нижним концентрационным пределом воспламенения 52,5 г/м³. Сушка гидролизного лигнина на открытом воздухе является непроизводительной, а сушка в закрытом сушильном пространстве при нагревании приводит к созданию взрывоопасной ситуации. Кроме того, гидролизный лигнин теряет свои полезные свойства при высокой температуре, т.к. подвержен структурным разрушениям, тлению, обугливанию.

В промышленном масштабе сушку гидролизного лигнина ведут, как правило, для получения из него топлива, например, для котлов ТЭЦ. Так, на Тавдинском гидролизном заводе был освоен процесс сушки гидролизного лигнина, включающий подачу сырого лигнина в сушилку, выполненную в виде трубы, в которой в качестве теплоносителя используют топочные газы с температурой не более 550-600^oC, выдерживание при температуре топочных газов в процессе перемещения материала вдоль трубы, удаление осевшей на дно трубы тяжелой фракции и отвод образующейся пылегазовой смеси в циклон с последующим разделением фаз, подачу высушенного лигнина в котлы ТЭЦ для сжигания. (Промышленный регламент на сушку лигнина для сжигания его в котлах ТЭЦ ПР-64-04-89, Тавдинский гидролизный завод). Для осуществления этого способа используют технологическую линию, состоящую из последовательно соединенных друг с другом транспортера сырого лигнина, узла просеивания, питателя-дозатора, трубы-сушилки, соединенной узлом подачи теплоносителя с камерной топкой, разгрузочного узла высушенного материала и узла вывода пылегазовой смеси, который снабжен циклоном для ее разделения.

Известный способ сушки лигнина характеризуется высокой производительностью процесса, однако из-за высокой пожароопасности и взрывоопасности, которые связаны, в основном, с непосредственным контактом гидролизного лигнина и топочных газов во взвешенном состоянии в закрытом пространстве, не нашел длительного применения.

Известен способ просушивания топлива и устройство для его осуществления, в котором горячие твердые материалы из котла с псевдоожиженным слоем рециркулируют в сушилку, где смешиваются с топливом при температуре смеси твердых материалов и топлива, превышающей температуру насыщения пара, но ниже температуры пиролиза топлива, в результате чего из топлива происходит выделение пара, а смесь просушенного топлива и твердых материалов слоя загружают в котел с псевдоожиженным слоем и регулируют интенсивность рециркуляции твердых материалов слоя. Устройство для осуществления этого способа состоит из котла с псевдоожиженным слоем, сушилки для топлива, сопла для рециркуляции твердых материалов слоя из котла в сушилку, сопла для загрузки смеси топлива с твердыми материалами слоя из сушилки в котел и устройства регулирования количества рециркулируемых твердых материалов слоя, поступающих в сушилку. (Патент RU N 2102661, МПК F 26 В 3/20, F 23 C 11/02, 1998 г.) Известный способ сушки материалов характеризуется высокой производительностью процесса, может быть применен для пожароопасных материалов, однако не применим для взрывоопасных материалов, таких как гидролизный лигнин, т.к. сушка материала происходит во взвешенном состоянии, что неизбежно приведет к созданию взрывоопасной ситуации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ сушки природного лигнинсодержащего материала, реализуемый на ленточной сушилке для гранулированного торфа (Свидетельство на полезную модель RU N 4592, МПК F 26 В 17/04, 1997 г.) и включающий подачу влажного материала в сушилку, нагревание в сушильном пространстве, проницаемом для воздуха, при бережном перемещении материала в тонком слое без перемешивания, выдерживание при температуре, превышающей температуру насыщения паров воды для выделения паров влаги, отвод образующихся паров влаги из сушильного пространства и выгрузку сухого материала.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является барабанная сушилка, обеспечивающая бесконтактную сушку материала, содержащая вращающийся вдоль продольной оси барабан с лопастными насадками на внутренней поверхности и нагревательными элементами в виде жаровых труб, расположенных внутри барабана, при этом каждая жаровая труба выполнена в виде многоходового регистра со съемным торцовым насадком со стороны разгрузочного узла, снабженным наружным продольным оребрением и эжекционной топливной форсункой внутри. (Авторское свидетельство SU N 1032297, МКИ F 26 В 11/04, 1983 г.).

К достоинствам известного способа следует отнести обеспечение щадящего режима сушки без разрушения структуры материала, возможность использовать его для сушки взрывоопасных материалов. К недостаткам следует отнести невысокую производительность процесса сушки. К достоинствам известного устройства следует отнести его высокую производительность, а к недостаткам - создание взрывоопасной ситуации, т.к. процесс сушки сопровождается измельчением обрабатываемого материала, что приводит к повышению его концентрации в сушильном пространстве до критической.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокопроизводительного и безопасного процесса сушки гидролизного лигнина при одновременном сохранении его структуры и полезных свойств.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ сушки гидролизного лигнина включает подачу влажного материала в сушилку, нагревание в сушильном пространстве при перемещении материала, выдерживание при температуре, превышающей температуру насыщения паров воды для выделения паров, отвод образующихся паров влаги из сушильного пространства и выгрузку сухого материала, при этом в отличие от известного способа сушку ведут путем последовательной тепловой обработки во вращающемся барабане, на первой стадии влажный материал распределяют послойно в сушильном пространстве между двумя тепловыми элементами, выполненными в виде нагреваемых теплоносителем поверхностей для двухсторонней сушки материала, нагрев ведут без прямого контакта материала с теплоносителем до температуры, обеспечивающей температуру в массе не выше температуры тления гидролизного лигнина, на второй стадии материал досушивают путем выдерживания в нагретом состоянии при естественном перемешивании, обеспечиваемом вращением барабана, а выделяющиеся в процессе сушки материала и его досушивания пары влаги и пылеобразной фракции гидролизного лигнина отделяют путем их отсоса, выгрузку высушенного материала ведут через открытое разгрузочное устройство, проницаемое для воздуха.

Предлагаемое устройство представляет собой барабанную сушилку, выполненную в виде горизонтального вращающегося вокруг продольной оси барабана с коаксиально размещенным внутри нагревательным элементом, выполненным в виде жаровой трубы, последняя жестко с барабаном связана, а кольцевой зазор между стенками жаровой трубы и стенками барабана образует кольцевую камеру сушки, жаровая труба выполнена с глухим выходным торцом, которой делит барабан на зону сушки материала в кольцевой камере сушки и зону его досушивания и разгрузки, зона сушки снабжена загрузочным узлом исходного материала, входной торец барабана снабжен узлами ввода и вывода теплоносителя, зона досушивания и разгрузки снабжена разгрузочным узлом готового материала и узлом отвода паров влаги, стенки барабана выполнены полыми, в кольцевой камере сушки с возможностью теплового контакта с жаровой трубой установлен транспортирующий узел, выполненный в виде жестко дистанцированных друг от друга направляющих, которые могут быть выполнены в виде наклонных перегородок, входной торец жаровой трубы снабжен топливным узлом, со стороны входного торца барабана размещены патрубки вывода отработанного теплоносителя, сообщенные с полой стенкой барабана, при этом внутри полой стенки барабана на уровне глухого выходного торца жаровой трубы установлена перегородка, образующая канал вывода отработанного теплоносителя, обеспечивающего нагрев корпуса барабана в зоне сушки. Разгрузочный узел готового материала может быть выполнен в виде транспортирующего шнека. Полые стенки барабана образованы внешним жестко связанным с барабаном теплоизолированным кожухом. Выходной торец барабана выполнен открытым и снабжен съемным вентилируемым кожухом. Для предотвращения обрастания внутренней полости барабана высушенным гидролизным лигнином, на стенках зоны досушивания и разгрузки барабана может быть жестко установлена подъемная насадка.

Сравнение предлагаемого способа с известным позволяет сделать вывод о новом приеме сушки гидролизного лигнина - послойной бесконтактной сушки между двумя теплопередающими поверхностями при перемещении влажного материала, но без перемешивания, с последующей досушкой в присутствии открытого разгрузочного узла и вентилируемом отводе образующихся паров влаги и пылеобразной фракции гидролизного лигнина. Этот прием позволяет решить поставленную задачу - безопасная сушка гидролизного лигнина без угрозы взрыва при повышении производительности процесса сушки и обеспечение непрерывности процесса. Ведение нагревания при температуре, превышающей температуру насыщения паров воды, но ниже температуры тления гидролизного лигнина, обеспечивает сохранение его полезных свойств - высокий пластичности, вяжущих и сорбционных свойств, химической и физической структуры.

Предлагаемое устройство позволяет реализовать заявляемый способ и характеризуется новым конструктивным выполнением сушильной зоны барабанной сушилки - созданием кольцевой камеры сушки с транспортным узлом, выполненным в виде дистанцированных друг от друга направляющих, на которых распределяется влажная масса гидролизного лигнина. Конструктивная схема организации тепловых потоков и схема теплопередачи позволяют обеспечить высокую производительность устройства. Конструктивное выполнение стадии сушки и досушивания, выполнение разгрузочного узла высушенного материала открытым, а узла отвода паров влаги и пылеобразного гидролизного лигнина вентилируемым позволяют добиться повышения эксплуатационной надежности устройства при работе с взрывоопасным материалом.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления связаны между собой единым изобретательским замыслом. Это позволяет сделать вывод о соответствии требованию "Единство изобретения".

В науке и технике бесконтактная сушка материалов известна давно, однако предлагаемая нами совокупность существенных признаков позволяет добиться неочевидного результата - совместить высокую производительность процесса и его безопасность при работе с гидролизным лигнином. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "Изобретательский уровень".

Заявляемый способ прошел опытно-промышленную проверку на предприятии Заявителя и может быть реализован в промышленности с использованием существующего уровня техники.

Заявляемый способ и устройство для его осуществления иллюстрируются чертежом, на котором показаны барабанная сушилка, общий вид, разрез А-А и разрез Б-Б.

Барабанная сушилка содержит вращающийся вдоль продольной оси барабан 1 с полыми стенками, образованными кожухом 2, вращающимся совместно с барабаном, и глухой перегородкой 3, образующей рециркуляционный канал отвода отработанных газов 4. Барабан 1 с кожухом 2 установлены на опорах 5. Тепловой элемент в виде жаровой трубы 6 установлен соосно с барабаном 1 с возможностью совместного вращения. На входе жаровой трубы 6 размещена топка 7 с соплом, на выходе - глухой торец 8 и патрубки отвода отработанных газов 9. Межстеночный кольцевой зазор жаровой трубы 6 и барабана 1 образует кольцевую камеру сушки 10, в которой установлены направляющие 11, сообщенные с загрузочным узлом исходного материала 12. Топка 7 сообщена с узлом ввода теплоносителя 13, в качестве которого используют воздух. Канал вывода отработанных газов 4 соединен с узлом отвода теплоносителя 14. Глухой торец жаровой трубы 8 делит барабан на зону сушки, образованную кольцевой камерой сушки 10 и жаровой трубой 6, и зону досушивания и разгрузки 15. Барабан 1 снабжен съемным кожухом 16 с разгрузочным узлом готового материала 17 и узлом отвода паров влаги 18. Для предотвращения обрастания зоны досушивания и разгрузки 15 она дополнительно может быть снабжена подъемной насадкой, например, в виде полых полочек 19. Для улучшения теплообмена внутри жаровой трубы могут быть жестко установлены ребра, выполняющие функцию теплообменника 20.

Барабанная сушилка работает следующим образом.

После розжига топки 7 барабан 1 приводится во вращение посредством привода (не показан), а через загрузочный узел 12 влажный гидролизный лигнин подается в кольцевую камеру 10, распределяется в ней на направляющих 11 и перемещается вдоль жаровой трубы 6. В процессе перемещения влажного гидролизного лигнина происходит процесс его нагрева с выделением паров влаги, которые вместе в пылеобразной фракцией отводятся через вентилируемый узел отвода паров и пыли 18. Газы, образующиеся в процессе горения топки и состоящие из продуктов горения топлива, окисленной и неокисленной атмосферы и воздуха, проходят внутри жаровой трубы и через патрубки 9 поступают в канал 4, нагревая корпус барабана 1, поступают через узел отвода теплоносителя 14 в атмосферу. После прохождения кольцевой камеры сушки 10 частично высушенный гидролизный лигнин поступает в зону досушивания и разгрузки 15, где при вращательном движении барабана происходит процесс досушивания материала при его естественном перемешивании. Отходящие пары влаги и пылеобразная фракция лигнина отводятся через вентилируемый узел отвода паров и пыли 18. Высушенный материал через открытый разгрузочный узел 17 подается на транспортер (не показан), размещенный под естественным углом откоса.

Способ иллюстрируется примером конкретного выполнения.

Гидролизный лигнин Тавдинского гидролизного завода с исходной относительной влажностью 65-70%, представляющий собой отход гидролизного производства этилового спирта, кормовых дрожжей и технического фурфурола, порошок светло-коричневого цвета, насыпной вес 0,3 г/см³, теплотворная способность 3250 ккал/кг, T воспламенения 425^oC, T воспламенения 195^oC, T тления 185^oC, нижний концентрационный предел воспламенения 52,5 гм³, по транспортеру через загрузочный узел 12 подают во вращающийся барабан 1. Влажный материал распределяется на наклонных направляющих 11 в кольцевой камере 10 и нагревается от жаровой трубы 6, барабана 1 и дополнительно от направляющих 11. Нагрев ведут до достижения температуры в массе лигнина, не превышающей температуру его тления. Температура внутренней поверхности жаровой трубы не превышает 650^oC, температура стенок барабана, обогреваемого отходящими газами, не превышает 250^oC. В кольцевой камере сушки гидролизный лигнин перемещается вдоль жаровой трубы 6 путем пересыпания с наклонных направляющих в зону досушивания и разгрузки 15. Выделяющаяся влага и пылеобразная фракция гидролизного лигнина отсасывается через вентилируемый узел отвода паров и пыли 18. В зоне досушивания и разгрузки 15 теплопередача осуществляется через теплопроводные стенки барабана, гидролизный лигнин перемешивается за счет вращательного движения барабана и через открытый узел разгрузки выводится из сушилки с относительной влажностью, не превышающей 15%. Режим подачи гидролизного лигнина регулируется температурой отходящих газов. Степень сушки материала регулируется скоростью подачи влажного гидролизного лигнина. Производительность процесса сушки гидролизного лигнина в предлагаемом устройстве составляет 1 тонна/час.

Заявляемое изобретение позволяет в значительной степени решить проблему крупнотоннажного техногенного отхода с получением полезных материалов. Высушенный заявляемым способом гидролизный лигнин сохраняет присущие ему полезные свойства и пригоден в качестве связующего при производстве древесно-стружечных плит, других строительных материалов, в качестве наполнителя в составах, применяющихся при разработке нефтяных скважин, при производстве углеродных материалов, в качестве экзотермической составляющей теплоизолирующих смесей в черной металлургии и др.

Формула изобретения

1. Способ сушки гидролизного лигнина, включающий подачу влажного материала в сушилку, нагревание в сушильном пространстве при перемещении материала, выдерживание при температуре, превышающей температуру насыщения паров воды для выделения ее паров, отвод образующихся паров влаги из сушильного пространства и выгрузку сухого материала, отличающийся тем, что сушку ведут путем последовательной тепловой обработки во вращающемся барабане, на первой стадии влажный материал распределяют послойно в сушильном пространстве между двумя тепловыми элементами, выполненными в виде нагреваемых теплоносителем поверхностей для двусторонней сушки материала, нагрев ведут без прямого контакта материала с теплоносителем до температуры, обеспечивающей температуру в массе не выше температуры тления гидролизного лигнина, на второй стадии материал досушивают путем выдерживания в нагретом состоянии при естественном перемешиваний, обеспечиваемом вращением барабана, а выделяющиеся в процессе сушки материала и его досушивания пары влаги и пылеобразной фракции гидролизного лигнина отделяют путем их отсоса, выгрузку высушенного материала ведут через открытое разгрузочное устройство, проницаемое для воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку ведут при нагревании, обеспечивающим температуру в массе не выше 185°С.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, выполненное в виде барабанной сушилки, содержащей горизонтальный вращающийся вокруг продольной оси барабан с размещенным внутри и жестко с ним связанным нагревательным элементом, выполненным в виде жаровой трубы, снабженной на входе топливным узлом, загрузочный и разгрузочные узлы, размещенные по торцам барабана, узлы ввода и вывода теплоносителя, отличающееся тем, что жаровая труба размещена в барабане коаксиально, кольцевой зазор между стенками жаровой трубы и барабана образует кольцевую камеру сушки, жаровая труба выполнена с глухим выходным торцом, который делит барабан на зону сушки материала и зону его досушивания и разгрузки, в кольцевой камере сушки с возможностью теплового контакта с жаровой трубой установлен транспортирующий узел, выполненный в виде жестко дистанцированных друг от друга направляющих, стенки барабана выполнены полыми, со стороны глухого выходного торца жаровой трубы размещены патрубки вывода отработанного теплоносителя, сообщенные с полыми стенками барабана, при этом внутри полых стенок барабана на уровне глухого выходного торца жаровой трубы установлены перегородки, образующие канал вывода отработанного теплоносителя в направлении узла вывода теплоносителя, размещенного со стороны входного торца барабана, узел загрузки материала сообщен с направляющими кольцевой камеры сушки, зона досушивания и разгрузки материала снабжена вентилируемым узлом отвода паров влаги и пыли.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что транспортирующий узел выполнен в виде наклонно установленных перегородок.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что узел разгрузки высушенного материала выполнен в виде транспортирующего шнека.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полые стенки барабана образованы внешним жестко связанным с барабаном теплоизолированным кожухом.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что зона досушивания и разгрузки дополнительно снабжена жестко установленной на стенках барабана подъемной насадкой для предотвращения обрастания внутренней полости барабана высушенным материалом.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что внутри жаровой трубы для улучшения теплообмена жестко установлены ребра.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выходной торец барабана выполнен открытым и снабжен съемным кожухом.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.03.2002

Номер и год публикации бюллетеня: 11-2003

Извещение опубликовано: 20.04.2003        

---