EA005807B1 - Способ переработки резиносодержащих отходов - Google Patents

Abstract

Способ переработки резиносодержащих отходов, включающий термообработку резиносодержащих отходов углеводородным растворителем с последующим отделением жидкой фазы, в котором в качестве углеводородного растворителя используют жидкую фазу продукта пиролиза углеродсодержащего сырья, а перед отделением жидкой фазы на продукт термообработки воздействуют перегретым водяным паром и, по меньшей мере, однократно разделяют полученный продукт на жидкую и газообразную фазы. Способ предпочтительно осуществляют при температуре углеводородного растворителя от 110 до 300°С и температуре перегретого пара от 200 до 450°С. Полученные в качестве продукта переработки фракции-аналоги бензина, дизельного топлива применяют в качестве топлива для автомобилей.

Description

Изобретение относится к технологии переработки промышленных и бытовых отходов, прежде всего, к способу переработки и/или утилизации выработавших свой ресурс изделий из резины или резиносодержащих отходов, например изношенных автомобильных шин, в частности, к способу переработки таких изделий путем термодеструкции в среде углеводородного растворителя.

Заявляемый способ может быть использован в самых различных областях жизнедеятельности человека для получения топливных и сырьевых ресурсов, в частности, продукты, полученные в результате переработки резиносодержащих отходов заявляемым способом, могут быть использованы в качестве топлива для автомобилей, аналогичного бензину или дизельному топливу, а также в качестве сырья и/или добавок для строительных материалов и т. д.

Таким образом, изобретение относится также к применению продукта, полученного в результате переработки резиносодержащих отходов заявляемым способом, в качестве топлива для автомобилей, аналогичного бензину или дизельному топливу.

Проблема утилизации резиносодержащих отходов с каждым днем становится все более актуальной. Выброшенные на свалку или закопанные резиносодержащие отходы, в частности изношенные шины, отходы резинового покрытия спортивных сооружений и т.п., разлагаются в естественных условиях не менее 100 лет. Контакт резиносодержащих отходов с водой (осадки, грунтовые воды) сопровождается вымыванием из них целого ряда токсичных органических соединений, которые попадают в почву и загрязняют окружающую среду. С учетом ежегодного объема резиносодержащих отходов только в виде изношенных шин, который в мировых масштабах исчисляется сотнями тысяч, становится понятной актуальность проблемы эффективной и экологически чистой переработки таких отходов.

В настоящее время известно достаточное количество различных способов переработки резиносодержащих отходов, в частности с использованием свойства резины разлагаться в определенной, в том числе углеводородной, среде, в частности, под действием высокой температуры, с образованием различных фаз углеродсодержащих продуктов. При этом большинство из известных способов предполагают предварительную подготовку резиносодержащих отходов перед их переработкой (удаление нерезиновых компонентов, измельчение и т.п.) и/или подготовку специальной углеводородной среды.

Так, известен способ переработки резиносодержащих отходов, включающий перемешивание при 290-380°С раствора резиносодержащих отходов с концентрацией 1-80 мас.% в углеводородной среде и отгон низкокипящих фракций [1]. В качестве углеводородной среды используют продукт (асфальт) деасфальтизации пропаном нефтяного гудрона, содержащего 2,4-5,9 мас.% асфальтенов с температурой размягчения 34-45°С. Отгон низкокипящих фракций с температурой кипения 230-310°С проводят постоянно в течение всего процесса перемешивания.

К недостаткам данного способа относятся, прежде всего, ограничения по содержанию в углеводородной среде асфальтенов. Это трудно выполнить, учитывая тот факт, что добываемые в последние годы нефти и продукты их переработки характеризуются высоким содержанием асфальтенов, смолистых и сероорганических веществ. Следовательно, требуется увеличение циклов удаления перечисленных соединений. Кроме того, для получения растворителя необходима организация производства пропановой деасфальтации нефтяного гудрона, что требует дополнительных материальных затрат.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ переработки резиносодержащих отходов в моторное топливо и химическое сырье, включающий термообработку резиносодержащих отходов углеводородным растворителем при 270-420°С с последующим отделением жидкой фракции и ее дистилляцию с получением целевых продуктов [2]. В описанном способе в качестве углеводородного растворителя используют отходы производства синтетического каучука, представляющие собой углеводородную жидкость, содержащую ароматические углеводороды до 38 мас.%, нафтены до 20 мас.%, алканы до 42 мас.%, характеризующуюся степенью непредельности до 1,6-2,0 моль/моль, и процесс термообработки проводят в присутствии редкоземельного металла и интерметаллидов на основе редкоземельных металлов или гидрида титана в количестве 0,5-10,0% от массы реакционной смеси при давлении 1-6 МПа. В описанных способах были предприняты попытки повысить эффективность процесса термодеструкции резиносодержащего сырья в углеводородном растворителе, повысить выход и чистоту целевых продуктов, упростить технологический процесс, однако, в целом, эффективность способа остается все еще недостаточно высокой. Для реализации данного способа требуются значительные затраты на достижение и поддержание заданных режимов процесса с достаточно высокими значениями температуры и давления. Кроме того, способ требует использования различных катализаторов процесса термодеструкции.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание способа переработки резиносодержащих отходов путем термообработки углеводородным растворителем, с получением в качестве целевых продуктов, в том числе, углеводородных фракций-аналогов бензина, дизельного топлива, битума, некоторые из которых (бензин, дизельное топливо) могут быть использованы в качестве топлива для автомобилей. Заявляемый способ должен иметь более низкую энергоемкость, более низкую стоимость, обеспечивать полную, 100%-ую переработку резиносодержащих отходов, а также возможность повторного использования различных рабочих и технологических сред.

Поставленная задача решается способом переработки резиносодержащих отходов, включающим термообработку резиносодержащих отходов углеводородным растворителем с последующим отделением

- 1 005807 жидкой фазы, за счет того, что в качестве углеводородного растворителя используют жидкую фазу продукта пиролиза углеродсодержащего сырья, а перед отделением жидкой фазы на продукт термообработки воздействуют перегретым водяным паром и, по меньшей мере, однократно разделяют полученный продукт на жидкую и газообразную фазы. Как известно, в результате пиролиза углеродсодержащего сырья, в том числе резины и резиносодержащего сырья, в качестве одного из продуктов реакции получают жидкий(ие) углеводород(ы), который(ые) в основном используются в качестве источников тепловой энергии. В данном случае автор применил жидкую фазу продукта пиролиза углеродсодержащего сырья жидкий углеводород - в качестве углеводородного растворителя. При этом для активизации отгонки низкокипящих фракций из полученного в результате термообработки «раствора» и получения целевого углеводородного сырья, в частности аналогичного различным фракциям природной нефти, «раствор» подвергается воздействию перегретым паром. Образующаяся в результате парогазовая смесь далее направляется на охлаждение и конденсацию, которые выполняются, по меньшей мере, однократно. при этом могут быть использованы как известные специалистам подходящие способы и устройства, предназначенные для охлаждения и конденсации парогазовых смесей, так и способы и устройства оригинальной разработки. Сам по себе процесс образования парогазовой смеси при взаимодействии углеродсодержащего сырья и перегретого пара в определенных температурных условиях также хорошо известен специалистам в данной области и в рамках настоящего изобретения подробно рассматриваться не будет.

Автором был проведен ряд экспериментов, в ходе которых, в частности, изменялась (постепенно снижалась) температура растворителя, варьировались температура перегретого пара, давление в рабочей камере, объемные соотношения между перерабатываемыми отходами, углеводородным растворителем и перегретым паром.

В результате экспериментов было установлено, что предпочтительно отходы следует обрабатывать при температуре углеводородного растворителя от 110 до 300°С. Достаточно низкие для термодеструкции углеродсодержащего сырья, в частности резиносодержащего сырья, значения температуры углеводородного растворителя, при которых обеспечивается достаточная интенсивность процесса термодеструкции при условии полного разложения резиносодержащего материала, позволяют значительно снизить энергоемкость заявляемого способа, а следовательно, и его стоимость. Низкие температуры позволяют также обрабатывать резиносодержащее сырье, содержащее также другие материалы, имеющие гораздо более высокие температуры плавления, например металл, без их предварительного удаления. Более того, экспериментально было установлено, что процесс «растворения» протекает даже и при более низких температурах, даже близких к нормальной, но при этом значительно возрастает длительность процесса, что неприемлемо для промышленной переработки резиносодержащих отходов.

Также экспериментально было установлено, что продукт термообработки в виде «раствора» предпочтительно следует подвергать воздействию перегретым паром температурой от 200 до 450°С. Этот температурный диапазон позволяет отгонять целевые, летучие при таких температурах фракции, содержащиеся в «растворе», для их дальнейшего разделения. Разделение может быть осуществлено, например, путем одно- или многократного охлаждения и конденсации или любым другим подходящим способом, что в рамках настоящего изобретения не является существенным.

Как уже было упомянуто выше, полученную в результате жидкую фазу полученного продукта предпочтительно разделяют на отдельные фракции, которые являются фракциями-аналогами фракций природной нефти.

Так наиболее предпочтительно жидкую фазу полученного продукта разделяют с получением, по меньшей мере, фракций-аналогов бензина, дизельного топлива, битума.

В связи с вышесказанным, объектом настоящего изобретения является также применение жидкой фазы продукта, полученного описанным выше способом, в частности фракции-аналога бензина или дизельного топлива, в качестве топлива для автомобилей. В этой связи следует отметить, что фракциианалоги бензина и дизельного топлива полученного описанным выше способом продукта были успешно использованы автором изобретения для заправки автомобилей. При этом характеристики работы двигателей автомобиля не ухудшались.

Как уже неоднократно упоминалось выше, автором был проведен широкий ряд экспериментов, давших неожиданные для специалистов результаты. Так, в частности, в ходе экспериментов автору удалось значительно снизить температуру процесса активного «растворения» без использования каких-либо химических или физических катализаторов;

провести процесс переработки при атмосферном давлении или близком к атмосферному (1-1,2 атм.);

провести процесс при широком диапазоне объемных соотношений отходы: «растворитель»: перегретый пар;

получить высокочистое топливо для автомобилей, аналогичное бензину и дизельному топливу; добиться полного растворения резиносодержащих отходов.

Что оказалось еще более неожиданным, жидкая фаза продукта пиролиза углеродсодержащего сырья проявила большую активность в качестве «растворителя» в описанном способе, чем природный мазут,

- 2 005807 аналогом которого, по сути, он является. Таким образом, даже при еще недостаточно изученном химизме процессов, протекающих в результате «растворения» резины в жидкой фазе продукта пиролиза углеродсодержащего сырья, можно получить неожиданно высокие результаты.

Заявляемый способ переработки резиносодержащих отходов осуществляется следующим образом.

Процесс переработки резиносодержащих отходов проводят в среде углеводородного растворителя в камере, обеспечивающей поддержание температуры растворителя в диапазоне от 110 до 300°С, давления, близкого к атмосферному, а также подачу перегретого пара и отвод парогазовой смеси.

Резиносодержащие отходы (автомобильные шины, отходы резинового покрытия спортивных сооружений и т.д.) без специальной предварительной обработки (т.е. без измельчения, удаления нерезиновых элементов и т.п. операций) укладывают в специальные корзины (для удержания нерезиновых компонентов резиносодержащих отходов) и помещают в жидкий углеводородный растворитель. В качестве жидкого углеводородного растворителя используют жидкую фазу продукта пиролиза углеродсодержащего сырья. При этом пиролиз углеродсодержащего сырья может быть проведен любыми, известными специалистам в данной области, подходящими методами. В частности, пиролиз углеродсодержащего сырья может быть проведен способом, предложенным автором настоящего изобретения в евразийской заявке на изобретение № 200300117. При этом в качестве исходного углеродсодержащего сырья для получения путем пиролиза жидкого углеводорода, который в рамках заявляемого способа может быть использован в качестве растворителя, могут быть использованы резиновые или резиносодержащие отходы, отходы пластмасс, древесные отходы, а также углеродсодержащие отходы химических производств.

Для обеспечения процесса «растворения» любым подходящим способом устанавливают температуру углеводородного растворителя в диапазоне, предпочтительно от 110 до 300°С. Практика показала, что возможны и более низкие температуры углеводородного растворителя, однако в этом случае снижается интенсивность процесса «растворения».

Процесс «растворения» ведут, как правило, при атмосферном или близком к атмосферному давлении, которое составляет 1-1,2 атм.

В камеру подают перегретый пар с температурой в диапазоне предпочтительно от 200 до 450°С. В результате, в процессе нагрева растворителя с помещенными в него резиносодержащими отходами образуются летучие углеводороды, которые образуют с подаваемым в процесс перегретым паром парогазовую смесь и выводятся из камеры.

После вывода из камеры парогазовую смесь охлаждают и конденсируют предпочтительно в две ступени. При этом для конденсации могут быть использованы любые подходящие, известные специалистам в данной области или оригинальные способы и приемы. Таким образом, способы и режимы конденсации жидких углеводородов из парогазовой смеси не являются существенными в рамках настоящего изобретения при условии, что в результате предпочтительно многоступенчатой, например двухступенчатой, конденсации в качестве целевых продуктов получают фракции углеводородов, аналогичные, по меньшей мере, бензину и дизельному топливу, полученным из природной нефти. Как правило, заявляемым способом можно получить фракции углеводородов, по меньшей мере, аналогичные бензину, керосину, дизельному топливу.

Полный цикл переработки резиносодержащих отходов от момента загрузки до получения целевых продуктов завершается в течение 4-5 ч в зависимости от конкретных значений температур «растворителя» и перегретого пара и объемных соотношений отходы: «растворитель»: перегретый пар. В течение указанного периода происходит полное «растворение» резиновой составляющей резиносодержащих отходов в углеводородном «растворителе». При этом, в случае загрузки резиносодержащих отходов перед переработкой в специальные корзины, в корзинах остаются нерезиновые составляющие резиносодержащих отходов, как то металлический корд в случае автомобильных шин, неорганические наполнители в случае резинового покрытия спортивных сооружений и т.д, которые могут далее направлять на утилизацию соответствующими подходящими способами.

Экспериментально было установлено, что, как правило, процесс «растворения» резиносодержащих отходов в углеводородном «растворителе» протекает при любых соотношениях объемов отходов, растворителя и пара, однако максимальные выходы целевых продуктов при указанных выше режимах процесса можно получить при соотношении объемов отходы: «растворитель»: перегретый пар в диапазоне 1:2-4:0,002-0,003.

Кроме упомянутых выше жидких углеводородов фракций-аналогов бензина и дизельного топлива, получаемых в результате конденсации из парогазовой смеси, еще одним целевым продуктом является битумообразная масса черного цвета, образующаяся в результате растворения резиновой составляющей резиносодержащих отходов в углеводородном растворителе и последующей отгонки летучих углеводородов перегретым паром. По завершении процесса битумообразную массу выгружают из камеры и направляют на дельнейшее использование, например в качестве материала для дорожного строительства, аналогичного традиционному битуму.

Следует также учитывать, что несконденсированную парогазовую смесь, которая может еще содержать углеводородные составляющие, можно возвращать в процесс, например, путем направления ее

- 3 005807 на сжигание для получения тепловой энергии, необходимой для создания и/или поддержания заданных температурных режимов.

Таким образом, обеспечивается полная переработка резиносодержащих отходов до подлежащих использованию или дальнейшей утилизации целевых продуктов.

Кроме того, заявляемый способ переработки при использовании соответствующего оборудования может быть реализован в непрерывном режиме, с дополнительной герметизацией рабочей камеры (в частности, для предотвращения неконтролируемой утечки парогазовой смеси), с дополнительной теплоизоляцией рабочей камеры и т. д.

Существенной в рамках настоящего изобретения является возможность эффективного применения получаемого заявляемым способом целевого продукта - жидкого углеводорода типа бензина или дизельного топлива - в качестве автомобильного топлива. Положительные результаты такого применения будут ниже подтверждены примерами.

Ниже также приводятся примеры реализации заявляемого способа переработки резиносодержащих отходов. Данные примеры следует рассматривать в качестве иллюстративного материала, подтверждающего достоинства и преимущества заявляемого способа, а не в качестве ограничивающих притязания заявителя и единственно возможных вариантов реализации.

Пример 1.

Осуществляли переработку изношенных шин описанным выше способом.

В корзину загружали 10 кг изношенных автомобильных шин и погружали в реактор, содержащий 30 л углеродсодержащего растворителя, полученного в результате пиролиза резинотехнических отходов (автомобильные шины) в среде перегретого водяного пара. Температуру растворителя в реакторе доводили до 300°С. Процесс «растворения» вели при давлении 1 атм и температуре растворителя 300°С. В камеру подавали перегретый пар с температурой 300°С. Объемное соотношение отходы:растворитель:перегретый пар устанавливали 1:3:0,003.

Образующуюся в камере в процессе нагрева парогазовую смесь направляли на двухступенчатую конденсацию. Продукты конденсации - аналоги бензина (2 л после первой ступени конденсации) и дизельного топлива (3 л после второй ступени конденсации).

По истечении 5 ч в реакторе образовывалось 23 л битумообразной массы черного цвета, при этом неорганические компоненты автомобильных шин, в частности, корд остались в корзине.

По окончании цикла переработки содержимое корзины и реактора выгружали для дальнейшего использования или переработки. Перед выгрузкой содержимое охлаждалось до температуре 120°С.

Пример 2.

Осуществляли переработку изношенных автомобильных камер описанным выше способом.

В корзину загружали 10 кг изношенных камер и погружали в реактор, содержащий 30 л углеродсодержащего растворителя, полученного в результате пиролиза резинотехнических отходов (автомобильные шины) в среде перегретого водяного пара. Температуру растворителя в реакторе доводили до 110°С. Процесс «растворения» вели при давлении 1 атм и температуре растворителя 110°С. В камеру подавали перегретый пар с температурой 200°С. Объемное соотношение отходы:растворитель:перегретый пар устанавливали 1:3:0,002.

Образующуюся в камере в процессе нагрева парогазовую смесь направляли на двухступенчатую конденсацию. Продукты конденсации - аналоги бензина (1,5 л после первой ступени конденсации) и дизельного топлива (3 л после второй ступени конденсации).

По истечении 4 ч в реакторе образовывалось 25 л битумообразной массы черного цвета.

По окончании цикла переработки содержимое корзины и реактора выгружали для дальнейшего использования или переработки. Перед выгрузкой содержимое охлаждалось до температуре 120°С.

Пример 3.

Осуществляли переработку отходов резинового покрытия спортивных сооружений описанным выше способом.

В корзину загружали 10 кг отходов резинового покрытия спортивных сооружений и погружали в реактор, содержащий 30 л углеродсодержащего растворителя, полученного в результате пиролиза резинотехнических отходов (автомобильные шины) в среде перегретого водяного пара. Температуру растворителя в реакторе доводили до 300°С. Процесс «растворения» вели при давлении 1 атм и температуре растворителя 300°С. В камеру подавали перегретый пар с температурой 300°С. Объемное соотношение отходы:растворитель:перегретый пар составляют 1:3:0,003.

Образующуюся в камере в процессе нагрева парогазовую смесь направляли на двухступенчатую конденсацию. Продукты конденсации - аналоги бензина (2 л после первой ступени конденсации) и дизельного топлива (3 л после второй ступени конденсации).

По истечении 5 ч в реакторе образовывалось 24 л битумообразной массы черного цвета, при этом неорганический наполнитель отходов резинового покрытия спортивных сооружений остался в корзине.

По окончании цикла переработки содержимое корзины и реактора выгружали для дальнейшего использования или переработки. Перед выгрузкой содержимое охлаждалось до температуры 120°С.

- 4 005807

Пример 4.

В качестве добавки к топливу для автомобиля использовали жидкую углеводородную фракциюаналог дизельного топлива, полученный в условиях примера 1 (далее по тексту примера «добавка к дизельному топливу»).

Автомобиль марки МАЗ-500 заправляли «добавкой к дизельному топливу» в соотношении 20:100 в течение 3 месяцев. По результатам сопоставления количества километров пробега и объема израсходованного «дизельного топлива» был вычислен средний расход «дизельного топлива» на 100 км пробега, который составил 40л/100 км.

Сбоев в работе двигателя или сбоев и/или неисправностей топливной системы, которые возникают при использовании топлива ненадлежащего качества, при эксплуатации в условиях дорог с твердым покрытием, а также с гравийным покрытием и без покрытия выявлено не было.

Заявляемый способ переработки резиносодержащих отходов прошел испытания в условиях экспериментального производства. Результаты испытания показали, что заявляемый способ выгодно отличается от известных аналогичных улучшенными показателями по энергетическим затратам, а также по стоимости реализации. При этом способ обеспечивает эффективную, экологически безопасную и полную (100%-ую) утилизацию резиносодержащих отходов, а также повторное использование углеводородсодержащего сырья, в том числе и в качестве топлива для автомобилей.

Кроме того, заявляемый способ, при наличии соответствующих(его) устройств(а) для его осуществления, обеспечивает также возможность утилизации рабочих сред, а также тепловой энергии процесса переработки, что еще более повышает его эффективность и экологичность.

Литература

1. Авт. св. 8И № 1613455, кл. С 08 I 11/20, 1990.

2. Патент РФ № 2109770, кл. С 08 I 11/20, опубл. 27.04.1998 г.

Claims (6)

1. Способ переработки резиносодержащих отходов, включающий термообработку резиносодержащих отходов углеводородным растворителем с последующим отделением жидкой фазы, отличающийся тем, что в качестве углеводородного растворителя используют жидкую фазу продукта пиролиза углеродсодержащего сырья, а перед отделением жидкой фазы на продукт термообработки воздействуют перегретым водяным паром и, по меньшей мере, однократно разделяют полученный продукт на жидкую и газообразную фазы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы обрабатывают при температуре углеводородного растворителя от 110 до 300°С.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что воздействуют перегретым паром температурой от 200 до 450°С.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что жидкую фазу полученного продукта разделяют на отдельные фракции.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что жидкую фазу полученного продукта разделяют с получением, по меньшей мере, фракций-аналогов бензина, дизельного топлива, битума.

6. Применение жидкой фазы продукта, полученного способом по любому из пп.1 - 5, в качестве топлива для автомобилей.