CZ308259B6 - Zařízení pro termický rozklad a způsob provádění termického rozkladu - Google Patents

Abstract

Zařízení pro termický rozklad sestává z centrální části (1) zařízení, tvořené alespoň jednou retortou (11) a dále ze vstupní části (2) zařízení, z výstupní části (3) zařízení a z produktové části (4) zařízení, kde každá část sestává alespoň z jednoho modulu. Podstata vynálezu spočívá v tom, žekromě retorty (11) v centrální části (1) zařízení je ohřívacími prvky opatřen i nejméně jeden z modulů ve vstupní části (2) zařízení a/nebo ve výstupní části (3) zařízení a/nebo v produktové části (4) zařízení. Způsob provádění termického rozkladu v uvedeném zařízení pro termický rozklad, při kterém se rozkládaný materiál podrobuje působením tepla účinku chemicko-fyzikálního procesu termální depolymerizace, rozděleného do několika po sobě následujících fází, charakterizovaných příslušnými chemickými reakcemi, rozlišenými především dle teploty, při které příslušné reakce probíhají, a provázenými obvykle vznikem látek pro tyto fáze typických, přičemž proces termického rozkladu se řízeně rozděluje nastavením teploty ohřevu v jednotlivých částech zařízení pro termický rozklad na dvě nebo více množin po sobě následujících fází procesu s příslušnou odpovídající teplotou ohřevu, která se určuje v závislosti na druhu a složení materiálu, přičemž průběh každé množiny fází procesu se uskutečňuje v jiné části zařízení pro termický rozklad.

Description

Zařízení pro termický rozklad a způsob provádění termického rozkladu

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro termický rozklad zejména organických materiálů, nazývané též jako zařízení pro pyrolýzu a dále se týká způsobu provádění tohoto termického rozkladu.

Dosavadní stav techniky

Termický rozklad, označovaný také např. jako pyrolýza, nebo tepelná degradace, nebo termální depolymerizace, je proces, mj. využívaný např. již v 19. století, při němž se přeměňuje organický vstupní materiál působením tepla, v prostředí bez přístupu kyslíku, nebo dalších oxidačních činidel (tedy v prostředí, ve kterém nedochází ke spalování), na nízkomolekulámí látky a tuhý zbytek, což jsou potenciální suroviny, z nichž každá má, obvykle po následné úpravě, své možnosti dalšího využití.

V technologickém zařízení pro pyrolýzu, ve kterém se provádí termický rozklad, dochází k přeměně vstupního materiálu na jednak prchavou frakci neboli surový plyn, tzv. pyrolát (obsahující především olejové a plynné složky, označované též např. jako pyrolýzní, nebo procesní oleje a pyrolýzní, nebo procesní plyny a dále také pevné částice) a jednak pevný karbonizační zbytek (nazývaný též např. jen pevný zbytek), ve kterém mohou být obsaženy jiné nerozložitelné složky, jako např. kov, sklo, písek, popeloviny, atd. Pyrolát i pevný zbytek, což jsou meziprodukty v procesu pyrolýzy, se obvykle dále v zařízení upravují a výslednými produkty pyrolýzního procesu jsou tedy kapalná, plynná a pevná frakce, nazývané obvykle jako pyrolýzní olej, pyrolýzní plyn a pyrolýzní uhlík.

V poslední době výrazně vzrůstá význam termického rozkladu neboli pyrolýzy organických materiálů, (dále též jen materiál). Pyrolyticky se rozkládá např. biomasa, nebo různé druhy odpadů za účelem získávání dále využitelných surovin. Děje se tak nejen vzhledem k rostoucí potřebě zdrojů energie, ale také např. díky snaze nahradit část spotřeby fosilních paliv, při současné nutnosti ochrany životního prostředí, neboť při správném nastavení a provedení pyrolýzního procesu v příslušném technologickém zařízení neunikají během termického rozkladu do okolního prostředí žádné zplodiny hoření, ani emise, jako je tomu např. ve spalovnách, a rovněž není zatěžováno okolní prostředí žádným zápachem, nebo toxickými látkami, či jinými plyny jako se někdy děje při skládkování odpadů.

Průběh procesu pyrolýzy, jakožto chemicko-fýzikální proces je rozdělen do několika po sobě následujících fází, charakterizovaných příslušnými chemickými reakcemi provázenými obvykle vznikem látek, pro tyto fáze typických. Tyto fáze se většinou rozlišují především dle teploty, při které příslušné reakce probíhají. Jedná se obvykle o následující fáze: 1) Termické sušení, odpařování vody a uvolňování některých plynů - při teplotě cca 100 až 200 °C; 2) Dezoxidace, desulfurace, odštěpení CO2 a vázané vody, začátek depolymerace a odštěpování H2S, a některých dalších plynů - při teplotě kolem 250 °C; 3) Vznik metanu a jiných alifatických uhlovodíků - při teplotě cca 340 °C; 4) Karbonizační fáze - při teplotě cca 380 °C; 5) Štěpení vazeb uhlíku - při teplotě kolem 400 °C; 6) Tvorba pyrolýzního oleje a dehtu - při teplotě 400 až 600 °C; 7) Krakování, vznik plynů s krátkým C řetězcem, vznik aromátů - při teplotě cca 600 °C; 8) Dehydrogenace uhlovodíků a termická aromatizace - při teplotě 600 až 1000 °C.

Zařízení pro pyrolýzu neboli termický rozklad, bylo v minulosti ve světě zkonstruováno a testováno mnoho typů. Mají však vesměs podobné obecné schéma, ve kterém probíhá pyrolytický proces. Takové jednoduché a výstižné schéma je možno vyhledat na internetu např. pod heslem „schéma funkce pyrolýzní pece s vakuovou retortou“. Základní technologické části a moduly užívané v zařízeních pro pyrolýzu lze obecně zjednodušeně popsat jako:

- 1 CZ 308259 B6

a) Centrální neboli hlavní část zařízení, obsahující alespoň jedno těleso retorty neboli zplyňovací komory neboli pyrolýzního reaktoru, či pyrolýzní pece apod., je základem zařízení pro pyrolýzu, užívaná pro samotný tepelný rozklad materiálu.

b) Vstupní část zařízení, užívaná pro přípravu vstupního materiálu a jeho přesun do retorty v centrální části. Tato vstupní část obvykle obsahuje dílčí moduly, či sekce, jako např. zásobník materiálu, nazývaný též násypka materiálu neboli suroviny, nebo předretortová komora, nebo také vstup vsázky. Dále násypku retorty neboli vstupní hrdlo, a dopravník materiálu. Zásobník materiálu slouží ke shromáždění vstupního materiálu. Přesun materiálu se pak provádí buď přímo do násypky retorty, opatřené hermetickými uzávěry, nebo např. pomocí šnekového dopravníku, který tak může zároveň fungovat jako hermetický uzávěr proti vniknutí vzduchu do retorty.

c) Výstupní část zařízení tvořená výsypkou retorty neboli výstupním hrdlem, pro odvod pevného zbytku z retorty, které může být opatřeno hermetickými uzávěry a dále vývodem pyrolátu, což je potrubí pro odvod surového plynu z retorty k dalšímu zpracování v produktevé části zařízení.

d) Produktová část zařízení, určená k následnému zpracování, úpravě a uložení pyrolátu a pevného zbytku. Je tvořena dílčími moduly neboli sekcemi, jako např. cyklon, navazující na vývod pyrolátu a sloužící k jeho úpravě, při které dochází k zachycení pevných částic z pyrolátu. Další sekcí navazující na cyklon je obvykle odlučovač, nazývaný také jako kondenzátor oleje, nebo kondenzační výměník, ve kterém dochází k ochlazování pyrolátu a k oddělování kapalné frakce, tj. pyrolýzního oleje, který je poté odváděn do zásobníku, případně ještě předtím upravován. Na odlučovač pak navazuje obvykle další modul, tzv. chladič neboli pračka plynu, kde dochází k úpravě pyrolýzního plynu, který je poté obvykle odváděn do zásobníku, případně ještě předtím upravován. Na výsypku retorty pak navazuje obvykle další zařízení, ve kterém se ochlazuje, upravuje a čistí pevný karbonizační zbytek před jeho odvedením do zásobníku. Jednotlivé části a jejich moduly neboli sekce zařízení jsou propojeny potrubím pro přepravu meziproduktů, nebo produktů vznikajících při procesu pyrolýzy.

Zařízení pro pyrolýzu neboli termický rozklad se obecně dělí na vsázková čili diskontinuální, a kontinuální. Princip vsázkových zařízení využívá např. vyměnitelných (mobilních) kontejnerů, nebo nádob, ve kterých se vstupní materiál vkládá do pyrolýzní pece, jak je popsáno např. v dokumentu CZ 2014/641, nebo se pyrolýzní reaktor naplní jednorázově vstupním materiálem a po rozkladu se ochladí, vyčistí a proces se může znovu opakovat. Tato vsázková řešení jsou považována obecně za méně výhodné vzhledem k náročnosti na obsluhu, dále vzhledem k energetické náročnosti a ztrátovosti, způsobené jednotlivými cykly vkládání materiálu, rozkladu, chlazení atd. Kromě uvedeného jsou dalšími procesními nevýhodami např. zapékání a nerovnoměrné přehřívání nepromíchávaného materiálu v reaktoru, čímž dochází k prodloužení doby rozkladu a snížení účinnosti celého procesu.

U kontinuálních řešení probíhá přísun materiálu a jeho rozklad obvykle nepřetržitě od nastartování procesu pyrolýzy až do jeho ukončení obsluhou zařízení, což eliminuje některé nevýhody vsázkových zařízení. Takové zařízení je popsáno např. v dokumentu EP 1412673, kde zařízení pro pyrolýzu odpadního materiálu tvoří dopravník pro přísun materiálu, násypný zásobník s uzávěry pro vzduchotěsnost prostoru, dále horizontálně situovanou komoru pro pyrolýzu se shrnovacím systémem pro pohyb materiálu, ohřívanou topnými tělesy, uloženými mezi keramickými deskami a žáruvzdornými cihlami, dále zařízení pro shromažďování pevného zbytku a zařízení pro odvod a další zpracování plynu. Další řešení, popsané v dokumentu CZ 20120440 A3, resp. CZ 306173 B6, má v hlavní části zařízení dva reaktory neboli retorty, či komory, upravené pro tepelné zpracování materiálu bez přístupu vzduchu. V praktickém provozu byla v minulosti realizována v tuzemsku i v zahraničí některá kontinuální zařízení s jednou či více retortami, jako např. Pyromatik, s horizontálním reaktorem obsahujícím dva primární a jeden sekundární šnek pro posun materiálu v reaktoru. Nicméně i tato mají nevýhody, z nichž

-2CZ 308259 B6 některé jsou individuální dle typu zařízení a některé jsou společné pro všechny typy.

Společným znakem všech dosud realizovaných, nebo navržených zařízení pro termický rozklad je skutečnost, že všechny fáze procesu pyrolýzy probíhají v centrální části zařízení, tvořené jednou, nebo několika retortami. Nevýhodou uvedených zařízení je například obtížnost řízení procesu termického rozkladu vždy tak, aby byl na výstupu získán požadovaný poměr výsledných surovin s ohledem na druh a složení vstupního materiálu. Teplota ohřevu retorty se obvykle musí nastavit na takovou úroveň, aby došlo k bezpečnému rozkladu potenciálně toxických látek. Při tomto ohřevu retorty na vysokou teplotu dochází k rozkladu materiálu na jednoduché uhlíkové řetězce a výsledkem je převážně pyrolýzní plyn, který může být méně žádaným podílem výsledných surovin v procesu pyrolýzy. Dalším problémem bývají nežádoucí sekundární reakce mezi látkami, vznikajícími v retortě v průběhu jednotlivých fází chemicko-fyzikálního procesu pyrolýzy, které se mezi sebou mohou mísit.

Na složení a kvalitu produktů pyrolýzy má vliv mj. také rychlost a rovnoměrnost ohřevu a doba zdržení materiálu v retortě a konečná teplota pyrolýzního procesu. Způsob ohřevu tělesa retorty plamenem např. plynového, nebo olejového hořáku, obvykle používaný v mnoha zařízeních je prakticky méně výhodný z hlediska nežádoucího spékání rozkládaného materiálu na vnitřních stěnách retorty, což způsobuje těžkosti při výměně neboli přenosu tepla mezi stěnou tělesa retorty a materiálem uvnitř, kde pak spečený materiál působí jako izolace proti teplu a nastává obtížné prohřátí materiálu uvnitř retorty, dále od jejích stěn. Transport tepla v materiálu uvnitř retorty při tomto ohřevu je obvykle pomalý a nerovnoměrný. Rozklad probíhá nerovnoměrně a existují problémy s výtěžností a kvalitou následných produktů a dále též z hlediska vzniku a úniku emisí ze spalování hořlavého media, jímž je plyn, nebo olej, do okolního prostředí.

Zvýšenou energetickou náročnost provozu zařízení pro pyrolýzu může také způsobovat např. kontinuální přísun studeného materiálu z násypky do retorty, ohřívané na teplotu, potřebnou pro rozklad materiálu. Efektivitu provozu technologického zařízení pro pyrolýzu ovlivňují nejen složení a kvalita výsledných surovin, ale také např. poruchovost, nebo životnost částí a sekcí zařízení pro pyrolýzu, energetická náročnost jeho provozu, materiálová nákladnost, vznik emisí během provozu atd. Životnost zařízení výrazně ovlivňují a zkracují jak chemické reakce probíhající v retortě, tak i extrémní pH vnitřního prostředí a vysoké teploty ohřevu. To způsobuje např. erozi a abrazi tělesa retorty až do jeho proděravění a také poškození jejího vnitřního zařízení, např., šneku pro posuv materiálu, i když tyto části bývají obvykle zhotoveny z velmi odolného a tím i cenově vysoce nákladného materiálu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody a těžkosti do značné míry řeší a eliminuje navržené zařízení pro termický rozklad neboli pyrolýzu, a způsob provádění termického rozkladu v zařízení pro pyrolýzu.

Je navržena konstrukce zařízení k provádění termického rozkladu dle vynálezu, jejíž centrální část je tvořena nejméně jedním horizontálně situovaným tělesem retorty trubkového tvaru, kde uvnitř retorty je umístěno šnekové zařízení s regulovatelnými otáčkami, umožňující posun materiálu v retortě směrem od vstupní strany k výstupní straně tělesa.

Vstupní část zařízení pro termický rozklad je tvořena několika moduly, kterými jsou zásobník materiálu neboli předretortová komora, vývod plynů, dopravník materiálu a násypka retorty. Zásobník je konstruovaný jako hermeticky uzavíráteIná nádoba s víkem zásobníku neboli uzávěrem, která je s výhodou realizována alespoň ve trojím vyhotovení, zajišťujícím kontinuální a nepřetržitý přísun a přípravu materiálu v zařízení pro pyrolýzu. V horní části zásobníku, alternativně ve víku zásobníku je vyústěn vývod plynů pro odvod plynných látek ze zásobníku k jejich dalšímu zpracování v produktové části zařízení. Konstrukce tohoto modulu např. ve tvaru

-3 CZ 308259 B6 potrubí je s výhodou tvarována např. jako vzestupná spirála, nebo na principu ramen víceramenného schodiště. Ve spodní části je zásobník propojen s dopravníkem, zaústěným do násypky retorty, umístěné na vstupní horní straně tělesa retorty a propojující tak zásobník materiálu s tělesem retorty. S výhodou je dopravník konstruován jako šnekový dopravník, v němž materiál, přemisťovaný ze zásobníku do násypky retorty, vytvoří uvnitř šnekového dopravníku zátku, která funguje jako hermetický uzávěr proti vniknutí vzduchu do násypky retorty a tím i do tělesa retorty. Alternativně může být zásobník propojen přímo s násypkou retorty, která je pak opatřena hermetickými uzávěry proti vniknutí vzduchu do retorty při vkládání materiálu.

Výstupní část zařízení pro termický rozklad je tvořena dvěma moduly, a to výsypkou retorty, umístěnou na výstupní spodní straně tělesa retorty a modulem vývod pyrolátu, vyústěným na horní výstupní straně tělesa retorty. Konstrukce tohoto modulu např. ve tvaru potrubí je s výhodou tvarována např. jako vzestupná spirála, nebo na principu ramen víceramenného schodiště. Výsypka retorty, určená pro odvod pevného zbytku z tělesa retorty, je s výhodou napojena hermeticky na šnekový dopravník, kterým je přepravován pevný zbytek z výsypky retorty k dalšímu zařízení pro úpravu, či skladování pevného zbytku. Přepravovaný pevný zbytek vytvoří uvnitř šnekového dopravníku zátku, která zde funguje jako hermetický uzávěr proti vniknutí vzduchu do výsypky retorty a tím i do tělesa retorty. Zároveň může být na tomto dopravníku s výhodou instalováno chladicí zařízení, zajišťující chlazení pevného zbytku.

V produktové části zařízení pro termický rozklad navazuje modul vývod pyrolátu, vyústěný na horní výstupní straně tělesa retorty na modul cyklon, propojený dalším potrubím s modulem odlučovač neboli kondenzátor pyrolýzního oleje z pyrolátu, odkud je tento pyrolýzní olej odváděn potrubím, vyústěným ze spodní části odlučovače, do příslušného zásobníku oleje. Z boční strany odlučovače vyúsťuje modul plynová spojka pro odvod pyrolýzního plynu, vedené k modulu chladič plynu, ve kterém dochází k úpravě pyrolýzního plynu. Konstrukce tohoto modulu např. ve tvaru potrubí je s výhodou tvarována např. jako vzestupná spirála, nebo na principu ramen víceramenného schodiště. Z boční strany chladiče je vyústěno potrubí pro odvod pyrolýzního plynu do příslušného zásobníku plynu. Ze spodní strany chladiče vyúsťuje potrubí, pro odvod zbytků zachyceného oleje, vedoucí do zásobníku pyrolýzního oleje. Další potrubí, zde již konkrétně nespecifikovaná jsou určená např. k propojení některých dílčích částí neboli modulů zařízení na další následující části, jako např. na dmychadlo, fléru atd. Do boční strany cyklonu je zaústěn modul vývod pyrolátu a modul vývod plynů. Alternativně dle druhu a složení materiálu může být vývod plynů zaústěn přímo do odlučovače.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že v zařízení pro termický rozklad neboli pyrolýzu jsou moduly ve vstupní, výstupní a produktové části zařízení opatřeny ohřívacími prvky za účelem provádění některých fází termického rozkladu také v těchto částech a modulech zařízení, na rozdíl od dosavadního stavu techniky, kdy je prováděn termický rozklad v retortě, nebo retortách v centrální části zařízení.

Ve vstupní části zařízení pro termický rozklad jsou dle vynálezu s výhodou umístěny ohřívací prvky na vnější strany stěn a dna zásobníku, dále na víko zásobníku, dále také na stěny dopravníku a na stěny násypky retorty. Jako zdroj ohřevu zásobníku je s výhodou použito teplosměnné médium, přivádějící teplo, získané při chlazení jiných částí zařízení pro pyrolýzu, jako např. odlučovače, chladiče pyrolýzního plynu, dále z chladiče pevného zbytku odváděného z výsypky retorty, nebo z navazujících zařízení, jako je např. kogenerační jednotka, nebo turbína. Dalším zdrojem ohřevu zásobníku může být elektřina např. formou mikrovlnného, nebo indukčního, nebo odporového ohřevu. Alternativně může být případně jako zdroj ohřevu zásobníku využit plyn, nebo olej, nebo jiný vhodný zdroj. Jako zdroj ohřevu na víku zásobníku je s výhodou použita elektřina formou mikrovlnného ohřevu, přičemž je nutné, v případě obsahu vstupního materiálu s nízkou schopností absorpce mikrovlnné energie, příslušně upravit tuto schopnost absorpce použitím vhodných aktivátorů absorpce mikrovlnného záření. Alternativně může být jako zdroj ohřevu víka zásobníku použita elektřina např. formou indukčního, nebo

-4CZ 308259 B6 odporového ohřevu a/nebo jiný vhodný zdroj. Jako zdroj ohřevu dopravníku je s výhodou použit indukční ohřev. Indukční ohřev je u tohoto dopravníku vhodný zejména proto, že ohřívá jak kovové těleso dopravníku, tak i kovové těleso vnitřního šneku, což vede k rychlejšímu a rovnoměrnému přehřívání přepravovaného materiálu, při jeho současném promíchávání. Alternativně může být jako zdroj ohřevu dopravníku použita elektřina např. formou odporového ohřevu v kombinaci s teplosměnným médiem a/nebo jiný vhodný zdroj. Jako zdroj ohřevu násypky retorty je s výhodou použito teplosměnné médium a/nebo mikrovlnný ohřev a/nebo indukční ohřev, nebo kombinace uvedených zdrojů ohřevu. Alternativně může být jako zdroj ohřevu násypky retorty použita elektřina také např. formou odporového ohřevu a/nebo jiný vhodný zdroj.

Na modul vývod plynů, je s výhodou umístěn potřebný počet ohřívacích prvků na jednotlivá ramena vzestupného tvaru potrubí. Jako zdroj ohřevu je s výhodou použit zejména indukční ohřev, nebo jiný zdroj ohřevu, nebo kombinace více zdrojů ohřevu.

Ve výstupní části a v produktové části zařízení pro termický rozklad je dle vynálezu s výhodou opatřen jak modul vývod pyrolátu, tak modul plynová spojka, potřebným počtem ohřívacích prvků, s výhodou umístěných na jednotlivá ramena vzestupného tvaru potrubí, v počtu nejméně jeden ohřívací prvek na každý vyjmenovaný modul. Jako zdroj ohřevu je s výhodou použit indukční ohřev, nebo jiný zdroj ohřevu, nebo kombinace více zdrojů ohřevu.

V centrální části zařízení pro termický rozklad je dle vynálezu s výhodou použít k ohřevu retorty jako zdroj ohřevu elektrický indukční ohřev. Indukce rovnoměrně ohřívá přímo celý obvod tělesa retorty a zároveň i kovový šnek uvnitř retorty, který slouží k posunu materiálu. Tento ohřev tělesa retorty a vnitřního šneku indukcí zároveň vede k rychlejšímu a rovnoměrnému přehřívání materiálu v retortě, při jeho současném promíchávání. Indukční topné těleso je velmi efektivní pro ohřev retorty, neboť nevydává sálavé teplo směrem od retorty do okolní tepelné izolace kolem retorty, jako je tomu např. u odporového ohřevu, nebo ohřevu přímým plamenem, např. olejovým, nebo plynovým hořákem. Zároveň při indukčním ohřevu nedochází k vývinu a uvolňování zplodin hoření neboli emisí do okolního prostředí na rozdíl od ohřevu přímým plamenem.

Podstata vynálezu spočívá dále v tom, že průběh procesu termického rozkladu je řízené rozdělen nastavením příslušné teploty ohřevu, určené v závislosti na druhu a složení materiálu, na dvě, nebo více množin po sobě následujících fází procesu s příslušnou odpovídající teplotou ohřevu, přičemž průběh každé množiny fází se uskutečňuje v jiné části zařízení pro termický rozklad. Podstata vynálezu spočívá dále také v tom, že počáteční množiny fází probíhajícího procesu termického rozkladu se uskutečňují buď ve vstupní části zařízení pro termický rozklad a/nebo v centrální části zařízení pro termický rozklad. Podstata vynálezu spočívá dále také v tom, že závěrečné množiny fází probíhajícího procesu termického rozkladu se uskutečňují v centrální části a/nebo ve výstupní části zařízení a/nebo v produktové části zařízení pro termický rozklad. Podstata vynálezu spočívá dále také v tom, že meziprodukty procesu termického rozkladu, vznikající v jednom (předcházejícím) modulu zařízení mohou být v dalším (následujícím) modulu zařízení podrobeny ohřevu na vyšší teplotu množiny fází procesu termického rozkladu, následující po množině fází procesu, uskutečněné v předcházejícím modulu zařízení, za účelem rozložení na požadované jednodušší látky.

V zařízení pro termický rozklad, provedeném podle vynálezu, dochází po vložení vstupního materiálu do zásobníku k jeho hermetickému uzavření víkem zásobníku a po vytěsnění kyslíku je provedeno ohřívání vloženého materiálu na teplotu, potřebnou k dosažení požadované množiny fází procesu pyrolýzy. Podle druhu materiálu to je obvykle první, či druhá fáze, maximálně třetí fáze procesu. Podle vynálezu dále pokračuje ohřev, nebo udržování teploty materiálu v dopravníku materiálu a v násypce retorty. Pro zajištění kontinuálního provozu zařízení je výhodné použít alespoň tři zásobníky s dopravníkem, kdy příkladně do prázdného zásobníku probíhá vkládání vstupního materiálu. V dalším zásobníku naplněném vstupním materiálem

-5 CZ 308259 B6 probíhá jeho ohřev. Ze třetího zásobníku s ohřátým materiálem probíhá přesun materiálu dopravníkem do násypky retorty a dále do tělesa retorty.

V zásobníku vznikající vodní pára, zápach a výpary dalších látek uvolněných z materiálu při jeho ohřevu jsou odváděny modulem vývod plynů do produktové části zařízení k dalšímu zpracování a do okolního prostředí tak ze zásobníku neunikají žádné látky, emise, ani zápach. S výhodou mohou být tyto plynné látky podrobeny dalšímu ohřevu na vyšší teploty přímo v modulu vývod plynů, čímž lze dosáhnout např. bezpečného rozložení potenciálně toxických látek.

Teplota ohřevu materiálu v retortě je podle vynálezu řízena tak, aby zde bylo dosaženo požadovaných fází průběhu pyrolýzy s příslušnými chemickými reakcemi, typickými pro tyto fáze. Podle druhu a složení materiálu to je obvykle čtvrtá až sedmá fáze, kdy ze vstupního materiálu vzniká pyrolát, který je následně ihned odváděn z retorty k dalšímu zpracování. Tímto postupem je zkrácena doba působení chemických látek, vznikajících při termickém rozkladu v retortě a je tak lépe chráněno těleso retorty a vnitřního šnekového zařízení před vlivem agresivních chemikálií, extrémních hodnot pH, či působením vysokých teplot ohřevu. Zároveň se zkracuje doba zdržení materiálu v retortě, zrychluje se průběh procesu pyrolýzy a snižuje se energetická náročnost ohřevu relativně velkého tělesa retorty a šneku, spolu s materiálem uvnitř retorty. Řízený ohřev materiálu podle vynálezu může být s výhodou použit též v technologickém zařízení s více než jedním tělesem retorty.

Vzniklý pyrolát je odváděn modulem vývod pyrolátu a může být dále dle potřeby ohříván v tomto modulu při přepravě směrem k další části zařízení pro pyrolýzu. Takový ohřev pyrolátu v modulu vývod pyrolátu umožní dosáhnout požadované, konečné teploty ohřevu s nižšími náklady než při samotném ohřevu v retortě, jak je prováděno v dosavadním stavu techniky. Tím se výrazně snižuje zatížení a opotřebení retorty, zkracuje se doba potřebná pro rozklad materiálu v retortě atd. Přitom jako zdroj tepla pro ohřev tohoto modulu je s výhodou použit elektrický indukční ohřev, který poskytuje nejlepší možnosti ohřevu při vysoké efektivnosti provozu.

Po kondenzaci olejové složky pyrolátu neboli pyrolýzního oleje v odlučovači, je procesní plyn neboli plynná frakce pyrolátu, odváděn dalším modulem plynová spojka do chladiče plynu.

V tomto modulu plynová spojka může s výhodou docházet dle potřeby k dalšímu ohřevu procesního plynu, např. je-li nutné rozložit některé potenciálně toxické plynné látky obsažené v procesním plynu. Následně je procesní plyn zpracován v chladiči a odtud odváděn potrubím nazvaným vývod pyrolýzního plynu do zásobníku pyrolýzního plynu. Kondenzovaný pyrolýzní olej je odváděn z odlučovače a případně též z chladiče potrubím nazvaným vývod pyrolýzního oleje do zásobníku pyrolýzního oleje.

Z výsypky retorty je odváděn pevný zbytek dopravníkem, ve kterém dochází k jeho ochlazování, následně pak jsou v příslušném zařízení odseparovány nerozložitelné části z pevného zbytku a pyrolýzní uhlík je přepraven do příslušného zásobníku.

Zařízení pro řízený vícenásobný termický rozklad, provedené podle vynálezu, je provozně účinnější, ekonomicky efektivnější, s delší životností, dále také provozně méně náročné, šetrné k životnímu prostředí atd. Navržené způsoby ohřevu podle vynálezu mohou být s výhodou použity v různých typech zařízení pro termický rozklad a v jejich jednotlivých dílčích částech. Pro dosažení vysoké efektivnosti provozu se předpokládají provedené příslušné izolace v zařízení pro pyrolýzu tak, aby nedocházelo k úniku tepla do okolního prostředí. Zařízení lze konstruovat a provozovat ve stacionárním, nebo mobilním provedení, např. instalované v přepravních kontejnerech.

Primárně lze v takto konstruovaném zařízení dle vynálezu výhodně do značné míry řídit a regulovat získávání požadovaného poměru výsledných surovin procesu pyrolýzy při současném dodržení sumy, nebo výše potřebných teplot rozkladu dle druhu a složení vstupního materiálu, např. s ohledem na obsah potenciálně toxických látek, přičemž sekundárně dochází ke zvýšení

-6CZ 308259 B6 efektivity pyrolýzního procesu, prodloužení životnosti retorty, snížení nákladovosti provozu atd.

Významnou výhodou z hlediska efektivity provozu takto konstruovaného a provozovaného zařízení pro pyrolýzu je skutečnost, že produkce pyrolýzních plynů, olejů a jiných spalitelných složek, u většiny druhů vstupních materiálů, plně postačuje nejen k výrobě energie potřebné pro samotný provoz zařízení pro termický rozklad a v něm probíhající proces, ale umožňuje dodávat přebytek surovin, či energie i jiným subjektům.

Celý proces termického rozkladu probíhá dle vynálezu v uzavřeném prostředí pyrolýzního zařízení a do okolního prostředí tak neunikají žádné látky, emise, ani zápach. Případné navazující zařízení, které využívá produkty pyrolýzy, sice produkuje emise spalování při výrobě elektrické a tepelné energie, avšak tyto emise by produkovalo i v případě, že by toto zařízení využívalo jiných paliv pro svoji produkci energie. Vazba mezi těmito zařízeními, kdy pyrolýza probíhá jako předřazený proces k energetickému zdroji, který využívá produkty pyrolýzy je výhodnější, neboť pyrolýzní zařízení využije nejen elektrickou energii, produkovanou navazujícím zařízením, ale též tepelnou energii, která nutně při této výrobě elektřiny vzniká.

Objasnění výkresů

Připojené obrázky znázorňují schematické zobrazení jednoho z možných provedení zařízení pro pyrolýzu dle principu vynálezu a obsahují odlišně zvýrazněné plochy umístění ohřívacích prvků na jednotlivých modulech zařízení pro termický rozklad.

Obr. 1 představuje schéma vstupní části 2 zařízení, centrální části 1 zařízení a výstupní části 3 zařízení se znázorněním obsažených modulů a s odlišně znázorněným umístěním ohřívacích prvků na těchto modulech.

Obr. 2 představuje schéma produktové části 4 zařízení, se znázorněním obsažených modulů a s odlišně znázorněným umístěním ohřívacích prvků na těchto modulech.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné provedení zařízení pro termický rozklad neboli pyrolýzu organických materiálů dle vynálezu je tvořeno v centrální části 1 horizontálně situovaným modulem tělesa retorty 11 oboustranně uzavřeného trubkového tvaru, se šnekovým zařízením instalovaným uvnitř retorty 11, s regulovatelnými otáčkami, a umožňujícím posun materiálu v retortě 11 směrem od vstupní strany k výstupní straně retorty 11.

Zařízení dále sestává ve vstupní části 2 ze tří modulů zásobníků 21 materiálu, hermeticky uzavíratelných víkem 22 zásobníku. Z každého zásobníku 21 je v jeho horní části vyústěn modul vývod 25 plynů v podobě potrubí, tvarovaný na principu ramen víceramenného schodiště. Ve spodní části je každý zásobník 21 propojen se šnekovým dopravníkem 23, zaústěným do násypky 24 retorty, umístěné na vstupní horní straně tělesa retorty 11 a propojující tak prostor zásobníku 21 materiálu s prostorem v tělese retorty 11.

Zařízení dále sestává z výstupní části 3, tvořené výsypkou 32 retorty, umístěnou na výstupní spodní straně tělesa retorty 11. napojenou hermeticky na neznázoměný šnekový dopravník, určený pro přepravu a současné chlazení pevného zbytku z výsypky 32 retorty, k dalšímu zařízení pro případnou úpravu a/nebo skladování pevného zbytku. Dále je zařízení ve výstupní části 3 tvořeno modulem vývod 31 pyrolátu v podobě potrubí, vyústěným na horní výstupní straně tělesa retorty 11. tvarovaným na principu ramen víceramenného schodiště.

Zařízení dále sestává z produktové části 4, tvořené cyklonem 41 napojeným potrubím do horní

-7CZ 308259 B6 části odlučovače 42. Do cyklonu 41 je ve směru znázorněné šipky na obr. 2 zaústěn modul vývod 31 pyrolátu z retorty 11 a modul vývod 25 plynů ze zásobníku 21. Alternativně je modul vývod 25 plynů zaústěn přímo do odlučovače 42. Z boční strany odlučovače 42 vyúsťuje modul plynová spojka 43 ve tvaru potrubí, tvarovaný na principu ramen víceramenného schodiště, vedoucí do chladiče 44 plynu. Z boční strany chladiče 44 plynu je vyústěno potrubí vývod 46 pyrolýzního plynu vedené přes neznázoměné vakuové dmychadlo do neznázoměného zásobníku pyrolýzního plynu. Na spodní části je odlučovač 42 i chladič 44 plynu opatřen výstupem potrubí vývod 45 pyrolýzního oleje, vedeným do neznázoměného zásobníku pyrolýzního oleje. Alternativně může být zařízení opatřeno neznázoměnými prvky pro jímání nežádoucích látek případně obsažených v meziproduktech, či produktech procesu termického rozkladu.

V sestavě příkladného provedení zařízení pro termický rozklad jsou rozmístěny ohřívací prvky na jednotlivých modulech v každé části zařízení. Ve vstupní části 2 zařízení jsou dno a stěny zásobníku 21 opatřeny ohřívacími prvky, kde jako zdroj ohřevu je použito teplosměnné médium v kombinaci s elektřinou formou odporového ohřevu. Dále je ohřívacími prvky opatřeno víko 22 zásobníku, kde jako zdroj ohřevu je použita elektřina formou mikrovlnného ohřevu. Dále je ohřívacími prvky opatřen dopravník 23, kde jako zdroj ohřevu je použita elektřina formou indukčního ohřevu. Dále je ohřívacími prvky opatřena násypka 24 retorty, kde jako zdroj ohřevu je použito teplosměnné médium v kombinaci s elektřinou formou indukčního, nebo alternativně odporového ohřevu. Dále je ve vstupní části ohřívacími prvky opatřen modul vývod 25 plynů, kde jako zdroj ohřevu jednotlivých ramen potrubí je použita elektřina formou indukčního ohřevu.

V centrální části 1 zařízení je pro ohřev retorty 11 použit jako zdroj ohřevu elektrický indukční ohřev. Ve výstupní části 3 zařízení je ohřívacími prvky opatřen modul vývod 31 pyrolátu, kde jako zdroj ohřevu jednotlivých ramen tohoto potrubí je použita elektřina formou indukčního ohřevu. V produktevé části 4 zařízení je ohřívacími prvky opatřen modul plynová spojka 43, kde jako zdroj ohřevu jednotlivých ramen tohoto potrubí je použita elektřina formou indukčního ohřevu.

Zařízení je dále vybaveno v jednotlivých částech a modulech neznázoměnými vhodnými kontrolními prvky pro měření zejména teploty a tlaku, dále je opatřeno neznázoměnými výstupy pro odběr vzorků meziproduktů a produktů procesu termického rozkladu, dále je vybaveno neznázoměnými vhodnými prostředky pro ovládání a automatický provoz.

Dále zařízení v příkladném provedení zahrnuje neznázoměné příslušně realizované izolace tak, aby nedocházelo k úniku tepla do okolního prostředí. Dále zařízení obsahuje neznázoměné chladicí prvky v příslušných částech zařízení. Dále také zahrnuje neznázoměný zásobník inertního média.

Dále kromě příkladného provedení zařízení pro termický rozklad je vedle zařízení také umístěno neznázoměné navazující zařízení pro výrobu energie, obsahující mikroturbíny, alternativně kogenerační jednotky, využívající pro výrobu energie produkty procesu pyrolýzy. Vyrobenou elektrickou a také tepelnou energii dodává toto navazující zařízení pro provoz zařízení pro termický rozklad.

Vlastnímu způsobu provádění termického rozkladu v příkladném provedení zařízení pro pyrolýzu předchází příslušná příprava, která zahrnuje zejména zjištění druhu a složení vstupního materiálu, stanovení postupu přípravy a úpravy materiálu, jako např. drcení, případně vytřídění nerozložitelných podílů čili frakcí a dále určení zejména teplotních parametrů provádění termického rozkladu v jednotlivých částech a modulech zařízení s ohledem na případný obsah potenciálně toxických látek a požadovaný poměr výsledných produktů.

Připravený vstupní materiál, určený pro termický rozklad, je vkládán do zásobníku 21 neznázoměným např. buď pásovým nebo šnekovým dopravníkem apod. Po naplnění potřebného množství materiálu v zásobníku 21, je tento zásobník 21 hermeticky uzavřen víkem 22 zásobníku a je provedeno vytěsnění kyslíku inertním médiem. Poté je materiál v zásobníku 21 zahříván na

- 8 CZ 308259 B6 stanovenou teplotu.

Vznikající plynné látky uvolněné při ohřevu materiálu v zásobníku 21 jsou odváděny modulem vývod 25, plynů ze zásobníku 21 do produktové části 4 zařízení k dalšímu zpracování. Podle stanovených parametrů provádění termického rozkladu jsou případně tyto plynné látky podrobeny dalšímu ohřevu na vyšší teploty přímo v modulu vývod 25 plynů, čímž je dosaženo bezpečného rozložení potenciálně toxických složek, jako jsou např. sloučeniny chloru nebo styren apod. Pro zajištění kontinuálního provozu zařízení jsou využity tři zásobníky 21 s dopravníkem 23, kdy do jednoho zásobníku 21 probíhá vkládání vstupního materiálu. V dalším zásobníku 21 naplněném vstupním materiálem probíhá jeho ohřev. Ze třetího zásobníku 21 je ohřátý materiál přesouván dopravníkem 23 do násypky 24 retorty, přičemž jak v dopravníku 23, tak i v násypce 24 retorty dochází k dalšímu ohřevu za účelem udržení, nebo zvýšení teploty materiálu podle nastavených parametrů.

Z násypky 24 retorty je materiál přemisťován do tělesa retorty 11. ve kterém je posouván a zároveň promícháván pomocí vnitřního šnekového zařízení. V retortě 11 je materiál ohříván na nastavenou teplotu, při které dochází k přeměně materiálu na pyrolát a pevný zbytek.

Z retorty 11 je odváděn vyvíjený pyrolát modulem vývod 31 pyrolátu do cyklonu 41. Podle nastavených parametrů je pyrolát případně podroben dalšímu ohřevu na vyšší teploty přímo v modulu vývod 31 pyrolátu.

Při průchodu cyklonem 41 dochází k zachycení a oddělení pevných částic z pyrolátu, případně z látek dopravených sem modulem vývod 25 plynů. Za cyklonem 41 následuje odlučovač 42, v němž dochází k ochlazení pyrolátu a kondenzaci kapalných frakcí, které jsou buď podrobeny další úpravě, nebo shromažďovány v příslušném neznázoměném zásobníku pyrolýzního oleje.

Z odlučovače 42 je odváděn procesní plyn neboli plynná frakce pyrolátu modulem plynová spojka 43 do chladiče 44 plynu. Podle nastavených parametrů je tato plynná frakce pyrolátu podrobena dalšímu ohřevu na vyšší teploty přímo v modulu plynová spojka 43, zejména mají-li být bezpečně rozloženy potenciálně toxické složky, jako např. sloučeniny chloru. V chladiči 44 plynu upravený pyrolýzní plyn je shromažďován v neznázoměném zásobníku pyrolýzního plynu a dále využíván v navazujícím zařízení, pro výrobu energie potřebné pro zajištění provozu zařízení pro pyrolýzu. Navazující zařízení, kromě elektrické energie poskytuje také tepelnou energii využívanou pro ohřev modulů ve vstupní části 2 zařízení pro pyrolýzu. Z výsypky 32 retorty je odváděn pevný zbytek neznázoměným dopravníkem, kde dochází k jeho ochlazování, následně jsou v příslušném zařízení odseparovány nerozložitelné části z pevného zbytku a pyrolýzní uhlík je přepraven do příslušného neznázoměného zásobníku pyrolýzního uhlíku.

Průmyslová využitelnost

Produkty procesu pyrolýzy na výstupu jsou suroviny dále využitelné, obvykle po následné úpravě. Všechny produkty mohou být využity např. jako palivo k produkci kinetické, elektrické a tepelné energie. Pyrolýzní uhlík může být také využit např. jako surovina pro syntézu aktivního uhlí, či uhlíkových nanovláken, v gumárenství, nebo v jiných procesech. Pyrolýzní olej i plyn mohou být využity také např. jako suroviny pro jiné chemické výroby.

Kromě využitelných surovin, vznikajících při procesu pyrolýzy má velký význam právě využitelnost termického rozkladu ke zhodnocení jiných odpadů, dosud likvidovaných skládkováním, nebo spalováním. To přináší sekundární efekt provozovatelům zařízení pro pyrolýzu ve formě úspor, nebo příjmů poplatků vynakládaných dříve za ukládání odpadu na skládky.

Zvýšení efektivity provozu zařízení pro pyrolýzu a možnost účinněji řídit proces termického

-9CZ 308259 B6 rozkladu podle vynálezu umožní výraznější rozšíření využití procesu termického rozkladu oproti stávajícímu stavu.

Průmyslové podniky tak mohou své dosud, či dříve nevyužívané odpady efektivně zhodnotit a přeměnit na využitelné suroviny pro vlastní potřebu, nebo na prodej.

Města a obce, resp. jejich podniky služeb, dodávající teplo bytovým jednotkám, nebo jiným zařízením v obcích, mohou zpracovávat např. odpady, jejichž svoz, nebo sběr většinou každá obec zajišťuje a využít procesu pyrolýzy k přeměně těchto odpadů na suroviny, využitelné např. právě pro výrobu tepelné i elektrické energie.

Veřejné instituce, jako např. nemocnice, které produkují značné množství odpadu, jej mohou následně přeměňovat na suroviny, a tyto opět využít při výrobě elektrické a tepelné energie např. pro vlastní potřebu nemocnice.

Zemědělské podniky mohou zpracovávat např. odpadní biomasu s výhodou pomocí procesu pyrolýzy a získávat skladovatelné suroviny jako potenciální zdroje energie pro vlastní potřebu, nebo je dále prodávat.

Externí provozovatelé zařízení pro termický rozklad mohou jako dodavatelé poskytovat služby jiným subjektům např. v podobě likvidace odpadu na jedné straně, nebo v podobě dodávek surovin, či energie na straně druhé.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro termický rozklad, sestávající z centrální části (1) zařízení, tvořené alespoň jednou retortou (11) a dále ze vstupní části (2) zařízení, z výstupní části (3) zařízení a z produktové části (4) zařízení, kde každá část sestává alespoň z jednoho modulu, vyznačující se tím, že kromě retorty (11) v centrální části (1) zařízení je i nejméně jeden z modulů ve vstupní části (2) zařízení a/nebo ve výstupní části (3) zařízení a/nebo v produktové části (4) zařízení opatřen ohřívacími prvky.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve vstupní části (2) zařízení alespoň jeden z modulů, zásobník (21) a/nebo víko (22) zásobníku a/nebo dopravník (23) a/nebo násypka (24) retorty a/nebo vývod (25) plynů je opatřen ohřívacími prvky.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve výstupní části (3) zařízení je modul vývod (31) pyrolátu a/nebo v produktové části (4) zařízení je modul plynová spojka (43) opatřen ohřívacími prvky.
4. 4. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že v centrální části (1) zařízení je pro alespoň jeden ohřívací prvek, jímž je opatřeno těleso retorty (11), použit jako zdroj ohřevu elektrický indukční ohřev.
5. 5. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že ve vstupní části (2) zařízení je jako zdroje ohřevu pro alespoň jeden ohřívací prvek použito teplosměnné médium a/nebo elektřina a/nebo plyn a/nebo olej.
6. 6. Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že pro alespoň jeden ohřívací prvek modulů vývod (31) pyrolátu a/nebo vývod (25) plynů a/nebo plynová spojka (43), je použit elektrický indukční ohřev nebo jiný zdroj ohřevu, jako například elektrický odporový ohřev a/nebo teplosměnné médium a/nebo plyn a/nebo olej, nebo kombinace těchto zdrojů ohřevu.

   - 10 CZ 308259 B6
7. 7. Způsob provádění termického rozkladu v zařízení pro termický rozklad podle některého z nároků 1 až 6, při kterém se rozkládaný materiál podrobuje působením tepla účinku chemickofýzikálního procesu termální depolymerizace, rozděleného do několika po sobě následujících fází, charakterizovaných příslušnými chemickými reakcemi, rozlišenými především dle teploty, při které příslušné reakce probíhají, a provázenými obvykle vznikem látek pro tyto fáze typických, vyznačující se tím, že proces termického rozkladu se řízené rozděluje nastavením teploty ohřevu v jednotlivých částech zařízení pro termický rozklad na dvě nebo více množin po sobě následujících fází procesu s příslušnou odpovídající teplotou ohřevu, která se určuje v závislosti na druhu a složení materiálu, přičemž průběh každé množiny fází procesu se uskutečňuje v jiné části zařízení pro termický rozklad.
8. 8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že počáteční množiny fází probíhajícího procesu termického rozkladu se uskutečňují ve vstupní části (2) zařízení pro termický rozklad a/nebo v centrální části (1) zařízení pro termický rozklad.
9. 9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že závěrečné množiny fází probíhajícího procesu termického rozkladu se uskutečňují v centrální části (1) zařízení pro termický rozklad a/nebo ve výstupní části (3) zařízení pro termický rozklad a/nebo v produktové části (4) zařízení pro termický rozklad.
10. 10. Způsob podle nároku 7 nebo 8 nebo 9, vyznačující se tím, že látky, proudící v modulu vývod (31) pyrolátu a/nebo v modulu vývod (25) plynů a/nebo v modulu plynová spojka (43), se podrobují ohřevu v uvedeném modulu zařízení na teplotu množiny fází procesu termického rozkladu, následující po množině fází procesu, uskutečněné v předcházejícím modulu zařízení.