CZ2014488A3

CZ2014488A3 - Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílu organických látek v odpadech

Info

Publication number: CZ2014488A3
Application number: CZ2014-488A
Authority: CZ
Inventors: Alois Vašíček
Original assignee: Alpajar Group S.R.O.
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-02-03
Also published as: BR112017000792A2; CZ306376B6; CN106574188A; EP3169751A1; US20170174997A1; EP3169751B1; ES2768726T3; EA201790197A1; JP2017529416A; WO2016008460A1; PL3169751T3; KR20170031158A; SI3169751T1

Abstract

Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílů organických látek v odpadech, zejména v odpadech průmyslových, zemědělských a komunálních včetně jejich směsí, spočívá v termickém rozkladu těchto odpadů na jako paliva využitelné nízkomolekulární uhlovodíky, jakož i na další zbytkové anorganické či jiné podíly, určené k recyklaci nebo k případnému uložení na skládku, při němž se tento odpad s obsahem organických látek, zvláště ve formě papíru, plastů, pryže včetně nedrcených ojetých pneumatik, dřevěných prvků, pilin, zbytků jídel a tuků a jejich obalů, v hermeticky uzavřeném reakčním prostoru za nepřístupu vzduchu termicky rozkládá vyhřátým plynným inertním médiem. Vlivem elektrostatického náboje, vznikajícího při rozkladu organických, zejména polymerních látek, přecházejí z nich rozložené nízkomolekulární látky ve formě uhlovodíků společně ve směsi s plynným inertním médiem jako nosným plynem do aerosolu, který se pak dále odvádí k jeho ochlazení, vysrážení a k vzájemnému oddělení v něm obsažených jak plynných, tak i kapalných nízkomolekulárních uhlovodíků. Po rozložení veškerých podílů organických látek z hermeticky uzavřeného reakčního prostoru odstraní i zbytkové anorganické či jiné podíly ze zpracovávaného odpadu.

Description

Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílu organických látek v odpadech

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílů organických látek v odpadech, zejména v odpadech průmyslových, zemědělských a komunálních včetně jejich směsí.

Dosavadní stav techniky

Civilizační expanze směřující ke stále vyššímu podílu využití energie spalovacích motorů nese s sebou logický důsledek ve formě konečných zásob ropy, uhlí a zemního plynu. Cesty využití pevných paliv jsou známy ještě zdob parních strojů a dodnes jsou prakticky využívány ve stabilních zařízeních jako jsou tepelné elektrárny a některé teplárny. Praktické využiti spalovacích motorů však, díky své mobilitě dané jednoduchostí konstrukcí a tím nízkou hmotností zaujímá dnes monopolní postavení. Ani v nejbujnějších fantaziích se dosud nepředpokládá, že po vyčerpání zásob ropy, tedy kapalných paliv, nastane návrat k energetický mobilním systémům využívajícím opět paliv tuhých jak tomu bylo v dobách parních strojů.

Výroba kapalných paliv z dostupných pevných látek není nikterak novým pojmem. Již za druhé světové války vyráběl německý průmysl benzín z hnědého uhlí. Stejně tak jsou známy systémy energetických rozvodů svítiplynu do domácností a průmyslových objektů. Procesy známé a popsané jsou však založeny na využití tepelného zpracování uhlí, z něhož odcházejí při ohřevu jak uhlovodíky, tak i oxid uhelnatý, které jsou buď kapalinami nebo plyny. Nejedná se o suroviny z obnovitelných zdrojů, proto jsou ve stejné aplikační oblasti jako zdroje na bázi ropy.

Jiným dosud známým postupem pro získávání kapalných paliv jsou biotechnologie, při nichž se využívá mikroorganismů pro výrobu methanu ci lihu. Biotechnologie - fermentace - využívají živin obsažených v rostlé hmotě, což jsou prakticky polymery cukrů - zejména D-glukózy. Tyto polysacharidy jsou enzymatickým či chemickým způsobem rozštěpeny na jednoduché cukry a potom podrobeny fermentaci. V poslední době lze do této kategorie zařadit i výroba ethanolu z obilí, což byla v minulosti metoda využívaná prakticky jen pro získání potravinářského lihu.

Výše popsané metody pro získání plynných a kapalných paliv jsou však omezeny tou skutečností, že jednotlivé technologie nemohou pracovat s jinými, než se selektovanými čistými surovinami. Pro využití organických podílů v odpadech, kde jsou zastoupeny hmoty různých chemických složení spolu jak hmoty organické tak i anorganické, dosud mnoho technologií není známo. Dosud známé postupy lze zařadit prakticky do dvou skupin. První žních metody pyrolýzní, při kterých se pomocí vysoké teploty získávají plynné a kapalné produkty a také vždy pyrolýzní zbytek ve formě zapečené polymemí hmoty nedefinovatelného složení. Produkty pyrolýzy vykazují v průběhu vlastní reakce proměnné složení. To způsobuje, že nelze tyto produkty používat univerzálně jak je tomu u paliv na bázi zemního plynu či jiných, výše popsaných surovin. Do této skupiny metod lze zařadit i postup, který sice nezanechává pyrolýzní zbytek, ale který je z praktického a ekonomického hlediska dosud nenašel širší využití. Tento způsob ve speciální komoře „plasmaticky odpaří“ veškerou hmotu a ve formě jejího plynu ji vede ke spálení. Plasma je vytvářena vysoce účinnými lasery, což činí tuto technologii ne snadno dostupnou, nehledě na energetické nároky těchto zařízení, které cenu produktu zatěžují svými vysokými vstupními investicemi.

Druhá skupina metod je tvořena metodami využívajícími parciální oxidace, jako například způsob podle patentu CZ 283812 „Způsob zpracování plastů z komunálních „odpadů“, při kterém je v redukční atmosféře žhnoucího uhlíku rozkládána tavenina plastu. Tato metoda je sice nezávislá na vlastním složení vstupních surovin, ale musí být vedena do reakčního prostředí ve formě taveniny. To činí metodu závislou na vytříděném odpadu.

Tyto a ostatní obdobné způsoby získávání kapalných a plynných paliv z podílů organických látek v průmyslových, zemědělských a komunálních odpadech jsou známé i z dalších patentových spisů, jako je např. řešení dle spisu US 2008182911, jehož předmětem je způsob a zařízení pro přeměnu organického odpadu na využitelná kapalná paliva, který je založen na konverzi oxidu uhličitého v redukčním prostředí vodíku, přičemž při vhodném poměru vzniká přednostně methanol. Jinak vznikají různé deriváty kapalných paliv.

Ze spisu WO 2012/095288 je dále známá metoda pro výrobu topného plynu a surového syntézního plynu, která je založena na hydrotermální karbonizaci uhlí spolu s biomasou nebo organickým odpadem. V tomto procesu je hmota zplyňována plamenem, přičemž se dbá na to, aby reakce endotermní a exotermní, které v tomto procesu probíhají, byly v rovnováze. Vznikající oxid uhličitý v tomto případě působí jako činidlo zplyňování a jako transportní činidlo pro odvádění par karbonizované hmoty. Reakce oxidu uhličitého s ostatními produkty karbonizace vedou podobně jako v předchozím způsobu dle spisu US 2008182911 ke vzniku methanolu a jiných paliv. Ani tato metoda však nezaznamenala širší uplatnění.

Z patentového spisu CZ 289471, přihlášeného na základě prioritní přihlášky US 1992965104, je dále známý způsob zužitkování odpadních plastů pro výrobu redukčního, syntézního nebo topného plynu, při kterém se rozemleté plasty smísí s anorganickými hmotami na bázi oxidu titaničitého, uhličitanu barnatého, talku, jílů, oxidu hlinitého nebo hlinitokřemičitanů. Stejně tak se v tomto případě postupuje, když na místo plastů jsou použity odpady z uhlí či kapalných uhlovodíků, přičemž tyto směsi jsou podrobeny oxidaci za vzniku redukčního plynu. Nevýhodou tohoto způsobu je však výstup plynu s obsahem oxidu uhelnatého, který díky své jedovatosti nedovolí, aby se tento způsob aplikoval v takovém měřítku, které by významně ovlivnilo ekologickou zátěž, jíž odpadní plasty dnes představují.

Podstata vynálezu

Nedostatky výše uvedených způsobů získávání plynných a kapalných paliv jsou odstraněny způsobem kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílů organických látek v odpadech, zejména v odpadech průmyslových, zemědělských a komunálních včetně jejich směsí, spočívajícím v termickém rozkladu těchto odpadů na jako paliva využitelné nízkomolekulární uhlovodíky, jakož i na další zbytkové anorganické či jiné podíly, určené k recyklaci nebo k případnému uložení na skládku, podle předkládaného vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zpracovávaný odpad s obsahem organických látek, zvláště ve formě papíru, plastů, pryže včetně i nedrcených ojetých pneumatik, dřevěných prvků, pilin, zbytků jídel a tuků a jejich obalů, se v hermeticky uzavřeném reakčním prostoru za nepřístupu vzduchu termicky rozkládá vyhřátým plynným inertním médiem, přičemž vlivem elektrostatického náboje, přirozeně vznikajícího při rozkladu organických, zejména polymemích látek, přecházejí žních rozložené nízkomolekulární látky ve formě uhlovodíků společně ve směsi s plynným inertním médiem jako nosným plynem do aerosolu. Vzniklý aerosol se pak dále odvádí k jeho ochlazení, vysrážení a k vzájemnému oddělení v něm obsažených jak plynných, tak i kapalných nízkomolekulárních uhlovodíků, načež se po rozložení veškerých podílů organických látek z hermeticky uzavřeného reakčního prostoru postupně odstraňují i zbytkové anorganické či jiné podíly ze zpracovávaného odpadu.

Podstata vynálezu spočívá dále v tom, že průchod plynného inertního média hermeticky uzavřeným reakčním prostorem a jeho následný odvod společně s rozloženými nízkomolekulárními látkami se s výhodou provádí snížením tlaku na výstupu z tohoto reakčního prostoru, přičemž řízeným poklesem jeho teplotního gradientu směrem k výstupu z reakčního prostoru se zajišťuje užší distribuční křivka chemického složení vznikajících nízkomolekulárních uhlovodíků. Snížení tlaku na výstupu z reakčního prostoru se přitom rovněž s výhodou provádí na hodnotu podtlaku 0,01 až 0,03 MPa, čímž se dosáhne optimální rychlosti proudění plynného inertního media v reakčním prostoru v rozmezí 0,001 až 0,02 m/s a teplotního gradientu 100 až 350 K/m.

Podstata vynálezu spočívá dále i v tom, že plynné inertní médium obsahuje v objemovém množství s výhodou 50 až 85 % dusíku, 13 až 25 % oxidu uhličitého a 1 až 5 % oxidu uhelnatého, přičemž zbytek tvoří přehřátá vodní pára. Spotřebované množství tohoto plynného inertního média se pak v optimálním provedení vynálezu pohybuje v množství 0,2 až 3 m /kg zpracovávaného odpadu, přičemž se jím působí na zpracovávaný odpad po dobu 10 až 80 sekund. Nicméně mohou být použita i jiná plynná inertní média, jako např. Helium, Argon a jejich směsi, avšak jejich praktické využití je limitováno jejich dostupností a cenou.

Při praktickém provádění tohoto způsobu dle vynálezu se odpad s obsahem organických látek termicky rozkládá v pěti za sebou následujících technologických stupních, kdy v prvním stupni se vytváří plynné inertní médium pro reakci o vstupní teplotě 350 až 900 °C, které ve druhém stupni proudí vreakčním prostoru proti směru postupu vněm zpracovávaného odpadu. Tím je v tomto druhém stupni zajištěno, že zpracovávaný odpad je termicky rozkládán rychlostí, která je úměrná teplotnímu gradientu, což znamená, že již částečně více a více rozložený zpracovávaný odpad je při svém postupu reakčním prostorem vyhříván stále na vyšší teplotu, čímž je zaručena vyšší konverze jeho rozkladu a užší distribuční křivka složení jeho výstupních produktů. Ve třetím stupni se vzniklý aerosol ochlazuje na teplotu pod 20°C, načež se z něho ve čtvrtém stupni odděluje kapalná část nízkomolekulárních uhlovodíků od plynných, které pak postupují spolu s plynným inertním médiem do pátého stupně, kde se ochlazují pod teplotu 40 °C nebo s výhodou zkapalňují stlačením na tlaky 0,5 až 4 MPa.

Reakční prostor je při takovémto praktickém provádění způsobu dle vynálezu vytvořen ve vertikálním nebo horizontálním reaktoru opatřeným na vstupu zpracovávaného odpadu plnící komorou a soustavou hermetických uzávěrů, které jsou rovněž uspořádány na výstupu z tohoto reaktoru určeného pro odstraňování zbytkových anorganických či jiných podílů ze zpracovávaného odpadu. Vyvíjení plynného inertního média se provádí ve speciálně upravené části reaktoru v blízkosti tohoto jeho výstupu, kde také dochází k oxidování posledních zbytků organických podílů, které se nerozložily předchozím procesem.

V reakčním prostoru vzniklý aerosol se k ochlazení odvádí do soustavy chladičů se vzduchovými a kapalinovými odvody tepla a následné vysrážení produktů z aerosolu se provádí buď průchodem vysokonapěťovým polem o potenciálu 10 až 45 kV a nebo výhodně v rotačním odstředivém odlučovači, kde se jednotlivé náboje částic rozkladných produktů vybíjejí kontaktem s mechanickými částmi odlučovače a již ve formě kapaliny se odvádějí potrubím do zásobníků.

Přínosem řešení dle předkládaného vynálezu je proti všem dosavadním obdobným způsobům výroby plynných a kapalných paliv z podílu organických látek v odpadech zejména skutečnost, že v tomto procesu je zaručen dokonalý přenos tepla na zpracovávaný odpad a zároveň je zaručen dokonalý odvod všech reakčních produktů z reakčního prostoru, a to i v jeho průběhu. Tím nedochází v tomto prostoru k akumulaci jednotlivých meziproduktů, která by jinak bránila celkovému rozložení zpracovávaného odpadu, což bývá zpravidla problémem u všech obdobných známých technologií.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

V prvním příkladném provedení způsobu podle vynálezu byl použit hermeticky uzavřený vertikálně postavený reaktor, se čtvercovou základnou o délce strany 1 metr a výšce 4,5 metru, ve kterém spodní část obsahovala vyvíječ plynného inertního média se zařízením pro odvod anorganických podílů a horní, plnící část je tvořena hermetickou komorou se dvěma uzávěry, jejíž objem činil 1 metr krychlový. Střední část reaktoru byla opatřena v horní části výstupním otvorem pro odvod reakčních produktů, který byl napojen na odlučovač pevných částic, chladič a odsávací odlučovač částic mikrokapének uhlovodíků z aerosolu. K odlučovači byl napojen sběrač tekutých podílů a výstup média procházel chladičem o teplotě chlazení -15 C. Výstup z tohoto chladiče byl vyveden rourou mimo pracoviště a byl opatřen hořákem pro dopálení zbytku.

Reakční prostor resp. hermetická komora reaktoru byla naplněna 150 kg směsného odpadu jež sestával z částic do velikosti 30 mm, obsahujícím v hmotnostním množství 32% papíru, 14% pilin, 27% PET lahví, 11% PS kelímky a 16% nedefinovaných odpadů ve formě zbytků jídel a obalů od nich. Po spuštění reakce, ve které vstupní teplota plynného inertního média činila 670 °C, podtlak činil 0,03 MPa a teplota aerosolu na výstupu z reaktoru činila 178 °C, byl spotřebovávaný odpad shora doplňován přes komoru plnícího zařízení a působením gravitace klesal do spodní části reaktoru. Rychlost proudění plynného inertního média v reakčním prostoru zde byla 0,011 m/s a teplotní gradient činil 145 K/m. Plynné inertní médium v tomto konkrétním příkladu provedení obsahovalo v objemovém množství 62% dusíku, 14,5 % oxidu uhličitého a 1 % oxidu uhelnatého, přičemž zbytek tvořila přehřátá vodní pára. Množství spotřebovaného plynného inertního média bylo na hodnotě 1,2 m³/kg zpracovávaného odpadu, přičemž se jím působilo na zpracovávaný odpad po dobu 45 sekund.

V tomto příkladném provedení byl reaktor v provozu po dobu 4 hodin, přičemž v něm bylo zpracováno 1250 kg odpadu. Produkty v tomto případě sestávaly z 726 kg kapalných produktů o výhřevnosti 36,4 MJ/kg, 130 kg zkapalněného plynu o výhřevnosti 37,1 MJ/kg a 75 kg anorganických odpadů.

Získané kapalné produkty po oddělení z aerosolu byly podrobeny analýze na zastoupení jednotlivých frakcí podle bodu varu. Metodou SOP 20/01 s přesností ±5% bylo stanoveno, že do 100°C předestiluje 2 % obj., do 200°C předestiluje 15 % obj., do 250°C předestiluje 41 % obj. a do 300°C předestiluje 81 % obj. Zbývajících 19 % obj. činil destilační zbytek.

Příklad 2:

Ve druhém příkladném provedení způsobu podle vynálezu bylo na zařízení popsaném v příkladu 1 zpracováváno 1426 kg ojetých pneumatik. Nedrcené pneumatiky byly postupně plněny do reaktoru přes plnící komoru a anorganická část, převážně tvořená ocelovými dráty, byla vyjímána přes zařízení odvodu tohoto materiálu. Teplota plynného inertního média na vstupu do reakce činila 620 °C, na výstupu pak 220 °C, přičemž podtlak činil 0,025 MPa.

Rychlost proudění plynného inertního média v reakčním prostoru zde byla 0,015 m/s a teplotní gradient činil 136 K/m. Plynné inertní médium v tomto konkrétním příkladu provedení obsahovalo v objemovém množství 64% dusíku, 13,5 % oxidu uhličitého a 0,1 % oxidu uhelnatého, přičemž zbytek tvořila přehřátá vodní pára. Množství spotřebovaného plynného inertního média bylo na hodnotě 0,7 m³/kg zpracovávaného odpadu, přičemž se jím působilo na zpracovávaný odpad po dobu 75 sekund.

Z celkového množství zpracovávaných pneumatik bylo získáno 626 litrů tekutých paliv o výhřevnosti 34,3 MJ/kg 170 kg zkapalněného plynu, 173 kg železa a 137 kg popelovin.

Získané kapalné produkty po oddělení z aerosolu byly podrobeny analýze na zastoupení jednotlivých frakcí podle bodu varu. Metodou SOP 20/01 s přesností ±5% bylo stanoveno, že do 100°C předestiluje 12 % obj., do 200°C předestiluje 35 % obj., do 250°C předestiluje 75 % obj. a do 300°C předestiluje 93 % obj. Zbývajících 7 % obj. činil destilační zbytek.

Průmyslová využitelnost

Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle vynálezu lze široce využít k účelnému nakládání s odpady a k jejich alespoň částečnému zhodnocení na produkty, vhodné pro pohon tepelných strojů a na výrobu tepla-

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv z podílů organických látek v odpadech, zejména v odpadech průmyslových, zemědělských a komunálních včetně jejich směsí, spočívající v termickém rozkladu těchto odpadů na jako paliva využitelné nízkomolekulární uhlovodíky, jakož i na další zbytkové anorganické či jiné podíly, určené k recyklaci nebo k případnému uložení na skládku, vyznačující se tím, že odpad s obsahem organických látek, zvláště ve formě papíru, plastů, pryže včetně i nedrcených ojetých pneumatik, dřevěných prvků, pilin, zbytků jídel, tuků a jejich obalů, se v hermeticky uzavřeném reakčním prostoru za nepřístupu vzduchu termicky rozkládá vyhřátým plynným inertním médiem, přičemž vlivem elektrostatického náboje, vznikajícího při rozkladu organických, zejména polymemích látek, přecházejí z nich rozložené nízkomolekulární látky ve formě uhlovodíků společně ve směsi s plynným inertním médiem jako nosným plynem do aerosolu, který se dále odvádí k jeho ochlazení, vysrážení a k vzájemnému oddělení v něm obsažených jak plynných, tak i kapalných nízkomolekulárních uhlovodíků, načež se po rozložení veškerých podílů organických látek z hermeticky uzavřeného reakčního prostoru se postupně odstraňují i zbytkové anorganické či jiné podíly ze zpracovávaného odpadu.
2. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle nároku 1, vyznačující se tím, že průchod plynného inertního média hermeticky uzavřeným reakčním prostorem a jeho následný odvod společně s rozloženými nízkomolekulárními látkami se provádí snížením tlaku na výstupu z tohoto reakčního prostoru, přičemž řízeným poklesem jeho teplotního gradientu směrem k výstupu z reakčního prostoru se zajišťuje užší distribuční křivka chemického složení vznikajících nízkomolekulárních uhlovodíků.
3. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle nároku 2, vyznačující s© tím, že snížením tlaku na výstupu z reakčního prostoru na hodnotu podtlaku 0,01 až 0,03 MPa se dosáhne rychlosti proudění plynného inertního media v reakčním prostoru v rozmezí 0,001 až 0,02 m/s a teplotního gradientu 100 až 350 K/m.
4. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že plynné inertní médium obsahuje v objemovém množství 50 až 85 % dusíku, 13 až 25 % oxidu uhličitého a 1 až 5 % oxidu uhelnatého, přičemž zbytek tvoří přehřátá vodní pára.
5. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle nároků 1 gž 4 vyznačující se tím, že množství spotřebovaného plynného inertního média se pohybuje v množství 0,2 až 3 m /kg zpracovávaného odpadu, přičemž se jím působí na zpracovávaný odpad po dobu 10 až 80 sekund.
6. Způsob kontinuální výroby kapalných a plynných paliv podle alespoň jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že odpad s obsahem organických látek se termicky rozkládá v pěti za sebou následujících technologických stupních, kdy v prvním stupni se vytváří plynné inertní médium pro reakci o vstupní teplotě 350 až 900 °C, které ve druhém stupni proudí v reakčním prostoru proti směru postupu v něm zpracovávaného odpadu, načež se ve třetím stupni vzniklý aerosol ochlazuje na teplotu pod 20 °C, z něhož se ve čtvrtém stupni odděluje kapalná část nízkomolekulárních uhlovodíků od plynných, které pak postupují spolu s plynným inertním médiem do pátého stupně, kde se ochlazují pod teplotu -40 °C nebo s výhodou zkapalňují stlačením na tlaky 0,5 až 4MPa.