FI126482B - Pyrolyysilaitteisto ja pyrolyysimenetelmä - Google Patents

Description

Pyrolyysilaitteisto ja pyrolyysimenetelmä

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on pyrolyysilaitteisto ja pyrolyysimenetelmä.

Pyrolyysissä orgaanisia kiinteitä aineita hajotetaan kuumentamalla hapen pääsemättä vaikuttamaan prosessiin. Pyrolyysia voidaan kutsua myös kuivatislaukseksi.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uuden tyyppinen pyrolyysilaitteisto ja uuden tyyppinen pyrolyysimenetelmä.

Keksinnön mukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön eräitä suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Esitetyssä ratkaisussa käytetään jatkuvatoimista pyrolyysilaitteistoa eli pyrolysoitavaa materiaalia syötetään jatkuvasti reaktoriin ja kuljetetaan laitteiston läpi. Laitteisto käsittää ainakin kaksi säätöosaa. Pyrolysoitava materiaali kuljetetaan kyseisten ainakin kahden säätöosan kautta. Ainakin kahdessa eri säätöosassa materiaaliin kohdistetaan erisuuruiset lämpövaikutukset. Edelleen ainakin kahdesta säätöosasta otetaan talteen materiaalista höyrystynyttä kaasua.

Kun laitteistossa on ainakin kaksi säätöosaa, voidaan prosessin eri vaiheiden lämpötilaa ohjata erikseen ottaen huomioon erilaisten pyrolysoita-vien materiaalien ominaisuudet. Materiaalista erotetut kaasut saadaan helposti kerättyä eri fraktioihin jo prosessin aikaisessa vaiheessa. Tarvittavien reakto-reiden koko saadaan pysymään kohtuullisen pienenä, jolloin laitteistot saadaan valmistettua kestäviksi ja pitkäikäisiksi. Kussakin eri lämpötilassa pyro-lysoituvat kaasut saadaan jaettua fraktioihin jo kaasun muodostumisvaiheessa. Näin eri säätöosissa muodostuneiden kaasujakeiden edelleen jakaminen saadaan toteutettua nopeasti ja yksinkertaisesti, mistä seuraa, että jatkojalostus tulee kustannuksiltaan edulliseksi. Erilaiset pyrolysoitavat materiaalit muodostuvat erilaisista hiilivetyjakeista, jotka höyrystyvät kullekin aineelle ominaisissa lämpötiloissa. Näitä tiedossa olevia lämpötiloja käyttäen voidaan määrätä kunkin säätöosan lämpötila erikseen ja muodostunut kaasu voidaan ottaa talteen kukin omassa säätöosassaan. Ensimmäisessä säätöosassa voidaan ottaa talteen matalimmassa lämpötilassa muodostuneet kaasut ja seuraavassa säätö-osassa sitä korkeammassa lämpötilassa muodostuneet kaasut ja niin edelleen niin kauan kun kaikki hiilivetykaasut ovat muodostuneet. Lopussa jatkuvatoimisesta pyrolyysilaitteistosta tulee ulos pyrolysoimattomat kiintoaineet.

Erään suoritusmuodon mukaisesti säätöosat on muodostettu jakamalla pyrolyysireaktori lohkoihin. Tällainen rakenne on yksinkertainen ja toimintavarma.

Erään toisen suoritusmuodon mukaisesti säätöosat on muodostettu peräkkäin sovitetuista pyrolyysireaktoreista. Tällöin laitteistossa ei tarvita pitkää kuljetinta. Edelleen lämpölaajenemat eivät aiheuta isoja ongelmia. Edelleen lämpötilakontrolli prosessin eri osissa saadaan hyväksi.

Erään kolmannen suoritusmuodon mukaisesti säätöosat on muodostettu peräkkäin sovitetuista pyrolyysireaktoreista, joista ainakin yksi on jaettu lohkoihin.

Vielä erään suoritusmuodon mukaisesti ainakin kahdessa eri säätö-osassa materiaalin kulkusuunta on sovitettu poikkeamaan toisistaan. Säätö-osien materiaalin kulkusuunta voi poiketa toisistaan esimerkiksi 90 astetta. Tällöin laitteisto saadaan sovitettua esimerkiksi lyhyempään tilaan tai muuten optimaalisesti. Laitteistosta saadaan muodostettua kompakti kokonaisuus.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksinnön eräitä sovellutusmuotoja esitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa:

Kuvio 1 esittää pyrolyysilaitteistoa sivultapäin katsottuna ja poikki- leikattuna,

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaista pyrolyysi laitteistoa sivultapäin katsottuna,

Kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaista pyrolyysi laitteistoa kuvion 2 linjaa A - A pitkin poikkileikattuna,

Kuvio 4 esittää kaavamaisesti erästä toista pyrolyysilaitteistoa sivultapäin katsottuna,

Kuvio 5 esittää kaavamaisesti erästä kolmatta pyrolyysilaitteistoa sivultapäin katsottuna ja

Kuvio 6 esittää kaavamaisesti erästä neljättä pyrolyysilaitteistoa ylhäältäpäin katsottuna.

Suoritusmuotojen yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on esitetty pyrolyysilaitteisto 1, joka käsittää tässä suoritusmuodossa yhden pyrolyysireaktorin 10. Pyrolyysilaitteistoon 1 pyrolysoitava materiaali syötetään sisäänsyötöstä 2. Pyrolyysilaitteisto 1 on jatkuvatoiminen eli pyrolysoitavaa materiaalia syötetään jatkuvasti laitteistoon ja kuljetetaan laitteiston läpi ja pyrolysoitu materiaali eli kiintojäämä poistetaan ulostulosta 3. Sisäänsyöttö 2 käsittää ilmatiiviin sulkusyöttimen. Vastaavasti ulostulo 3 on varustettu ilmasululla.

Pyrolysoitavaa materiaalia kuljetetaan pyrolyysin aikana pyrolyy-sikanavassa 4 kuljettimella 5. Kuljetin 5 voi olla esimerkiksi ruuvikuljetin. Kuljetin voi olla myös esimerkiksi kolakuljetin tai ketjukuljetin tai joku muu kuumuutta kestävä kuljetin.

Pyrolyysikanavan 4 yläpuolelle on sovitettu kaasunkeräyskanava 6. Kun pyrolyysikanavassa 4 olevaa materiaalia kuumennetaan, höyrystyy siitä kaasua, joka kulkeutuu kaasunkeräyskanavaan 6.

Pyrolyysireaktori 10 on jaettu kahteen tai useampaan lohkoon 7a -7c. Kuvion 1 suoritusmuodossa pyrolyysireaktori on jaettu lohkoihin 7a - 7c kaasunkeräyskanavaan 6 sovitetuilla väliseinillä 8. Väliseinä 8 voi olla kaasunkeräyskanavan 6 poikkileikkauksen suuruinen. Tällöin väliseinä 8 pitää höyrystyneen kaasun tehokkaasti tietyssä lohkossa. Samoin väliseinä 8 auttaa kohdistamaan lämmitysvaikutuksen haluttuun lohkoon. Väliseinä 8 voi haluttaessa olla myös kaasunkeräyskanavan 6 poikkileikkausta pienempi. Tällöin laitteisto on rakenteeltaan yksinkertainen ja samalla kestävä. Poikkileikkausta pienempikin väliseinä 8 kuitenkin ohjaa syntynyttä kaasua ja lämpövaikutusta.

Haluttaessa voidaan laitteisto jakaa lohkoihin myös ilman väliseiniä, jolloin lohkoihin jako voi seurata siitä, että laitteiston eri kohtiin kohdistetaan erilainen lämpövaikutus.

Kukin lohko 7a - 7c on varustettu kaasunpoistoyhteellä 9. Kaasun-poistoyhteen 9 kautta pystytään kustakin lohkosta 7a - 7c erikseen poistamaan kyseisessä vaiheessa prosessia pyrolysoitavasta materiaalista erotettu kaasu.

Kuten kuviosta 2 käy ilmi, on jokaista lohkoa 7a - 7c kohden sovitettu ainakin yksi lämmitin 15. Kuvion 2 suoristusmuodossa on lohkon 7a yhteydessä kaksi lämmitintä 15. Mikäli lohko on pidempi, voi lämmittimiä olla myös useampia kuin kaksi.

Kun jokaista lohkoa 7a - 7c kohden on sovitettu oma lämmitin 15, pystytään eri lohkoissa 7a - 7c pyrolysoitavaan materiaaliin kohdistamaan eri suuruiset lämpövaikutukset. Ensimmäisessä lohkossa 7a voidaan lämpötila sovittaa matalimmaksi, toisessa lohkossa 7b voidaan lämpötila sovittaa edellistä lohkoa korkeammaksi ja viimeisessä lohkossa 7c voidaan lämpötila sovittaa korkeimmaksi.

Kuvioiden 1 ja 2 suoritusmuodossa lohkot 7a-7c muodostavat pyro-lyysilaitteiston 1 säätöosat.

Pyrolysoitavasta materiaalista muodostuu erilaisia kaasuja eri lämpötiloissa. Niinpä ensimmäisestä lohkosta 7a saadaan otettua talteen mata-limmassa lämpötilassa muodostuvaa kaasua. Seuraavassa lohkossa taas saadaan otettua talteen kaasua, joka muodostuu hieman korkeammassa lämpötilassa jne.

Kaasujen muodostumislämpötila riippuu pyrolysoitavasta materiaalista. Niinpä kunkin lohkon 7a - 7c lämpötila voidaan määrittää halutuksi ottaen huomioon pyrolysoitavan materiaalin ominaisuudet.

Pyrolysoitava materiaali voi olla periaatteessa mitä tahansa orgaanista ainetta. Esimerkkejä pyrolysoitavasta materiaalista ovat kumi, kuten autonrenkaat, erilaiset muovit, kananlanta, puu, biomassa ja öljyn pilaama maaperä tai muu vastaava pyrolysoitavaksi soveltuva materiaali.

Kuviossa 2 on viitteenomaisesti esitetty ohjausyksikkö 11, jolla lämmittimiä 15 ohjataan. Ohjausyksikköön 11 luonnollisesti johdetaan lämpöti-latieto laitteiston 1 eri lohkojen 7a - 7c sisäpuolelta. Selvyyden vuoksi kyseistä järjestelyä ei kuitenkaan ole kuviossa 2 esitetty. Lämmitin 150 voi käsittää esimerkiksi lämmityslaitteen 12 ja lämmi-tysputkiston 13. Lämmityslaitteessa 12 voi olla esimerkiksi poltin, polttoaineen varastointi- ja syöttölaitteet ja kierrätyslaitteisto lämmitysputkistossa kiertävän väliaineen kierrättämiseksi. Selvyyden vuoksi oheisessa kuviossa lämmityslai-te 12 on esitetty kuitenkin ainoastaan viittellisesti. Käytettävä polttoaine voi olla esimerkiksi kaasua tai dieseliä tai jotain muuta sopivaa polttoainetta. Mikäli polttoaine on kaasua, voidaan polttoaineena hyödyntää pyrolyysilaitteistosta käytön aikana talteen otettavaa kaasua. Lämmitysputkistossa 13 kiertävä väliaine voi olla esimerkiksi kuumaa ilmaa. Edelleen väliaine voi olla esimerkiksi kuumaa suolaliuosta, jolloin päästään esimerkiksi ilmaan verrattuna parempaan hyötysuhteeseen. Suolaliuos saadaan aikaan nesteyttämällä suola kuumentamalla. Suolaliuoksella pystytään pääsemään esimerkiksi jopa lähes 600 °C lämpötilaan. Suola voi olla esimerkiksi kaliumnitraattia, natriumnitraattia, kaliumkloridia, natriumkloridia tai jotain muuta sopivaa suolaa tai suolaseosta. Suolaliuos siirtää lämpöä erittäin tehokkaasti hyvän lämmönluovutuskertoimensa ansiosta verrattuna esimerkiksi perinteisiin väliaineisiin, kuten ilma tai savukaasut.

Nestemäisen suolan lämpötilaa voidaan säätää tarkasti, eikä se aiheuta pistemäisiä lämpörasituksia reaktorin ulkopinnassa. Näin eri lohkojen 7a - 7c lämpötila saadaan säädettyä erittäin tarkasti. Edelleen käyttämällä suolaliuosta lämmittämiseen pystytään myös vähentämään esimerkiksi lämmityksessä mahdollisesti syntyvien savukaasujen sisältämien kiintoaineiden kiinnittymistä lämmitysputkistoon 13. Lämmitintä, jossa väliaineena käytetään suolaliuosta, voidaan käyttää myös sellaisessa pyrolyysilaitteistossa, jossa laitteistoa ei ole jaettu lohkoihin. Edelleen tällaista lämmitintä voidaan käyttää missä tahansa muussa laitteistossa tai prosessissa, koska tällaisella lämmittimellä saadaan aikaan tarkka epäsuora kuumennus. Niinpä tässä selityksessä on esitetty missä tahansa laitteistossa käytettäväksi soveltuva lämmitin, jossa on välineet suolaliuoksen lämmittämiseksi ja lämmitysputkisto lämmitetyn suolaliuoksen lämpövaikutuk-sen johtamiseksi lämmittämään lämmitettävää kohdetta. Edelleen tässä selityksessä on esitetty menetelmä, jossa lämmitettävää kohdetta lämmitetään lämmittämällä suolaliuosta ja kierrättämällä lämmitettyä suolaliuosta lämmitys-putkistossa lämmittämään lämmitettävää kohdetta. Lämmitin 15 voi haluttaessa olla myös esimerkiksi suoralla liekillä lämmittävä lämmitin tai välillisesti kuumalla ilmalla lämmittävä lämmitin tai jokin muu vastaava lämmitin. Lämmitysputkisto 13 sovitetaan kiinni kaasunkeräyskanavan 6 ja pyrolyysikanavan 4 vaippaan 14 kuvion 3 esittämällä tavalla. Näin lämmitys-putkistosta 13 saadaan lämpö siirrettyä tehokkaasti ja toisaalta myös toiminta-varmasti lämmittämään pyrolysoitavaa materiaalia.

Kuten kuviossa 3 on esitetty, voi pyrolyysikanavan 4 ja/tai kaasunkeräyskanavan 6 poikkileikkaus olla pyöreä. Tällöin pyrolyysikanavaa 4 voi kutsua pyrolyysiputkeksi ja kaasunkeräyskanavaa 6 kaasunkeräysputkeksi. Putkimaisen rakenteen avulla pystytään helposti saamaan aikaan haluttu läm-pötilajakauma kanavien sisälle. Edelleen rakenteellisesti tällainen ratkaisu on yksinkertainen ja tukeva. Silloin kun pyrolyysikanava on pyöreä eli pyrolyy-siputki on kuljetin 5 edullisesti ruuvikuljetin.

Kuvion 4 esittämässä suoritusmuodossa pyrolyysi laitteistossa 1 on kolme pyrolyysireaktoria 10a, 10b ja 10c.

Ensimmäisen pyrolyysireaktorin 10a sisäänsyöttö 2 on samalla py-rolyysilaitteiston 1 sisäänsyöttö. Ensimmäisen pyrolyysireaktorin 10a ulostulo on väliulostulo 3’. Ensimmäisen pyrolyysireaktorin 10a väliulostulo 3’ on yhdistetty toisen pyrolyysireaktorin 10b sisäänsyöttöön, joka on siis välisisäänsyöttö 2’. Vastaavasti toisen pyrolyysireaktorin 10b ulostulo on väliulostulo 3’, joka on yhdistetty kolmannen pyrolyysireaktorin 10c sisäänsyöttöön, joka on siis vastaavalla tavalla välisisäänsyöttö 2’. Kolmannen pyrolyysireaktorin 10c ulostulo on myös pyrolyysilaitteiston 1 ulostulo 3.

Pyrolyysireaktorit 10a, 10b ja 10c muodostavat pyrolyysi laitteiston 1 säätöosat. Tällaisessa ratkaisussa pyrolyysi laitteistossa ei tarvita yhtä pitkää kuljetinta. Tällöin kuljettimen lujuuden ja taipuman hallinta on helppoa, vaikka kuljetin sijaitsee kuumassa ympäristössä. Edelleen pyrolyysi laitteistossa ei ole yhtenäistä pitkää rakennetta, jonka lämpölaajeneman hallinta olisi hankalaa. Edelleen muodostettaessa pyrolyysilaitteisto useasta pyrolyysireaktorista saadaan lämpötila hallittua erittäin hyvin prosessin eri osissa.

Kuviossa 5 on esitetty muuten kuviota 4 vastaava ratkaisu, mutta kuvion 5 pyrolyysi laitteistossa 1 on kolmas pyrolyysireaktori 10c jaettu lohkoihin 7a-7c. Kuvion 5 suoritusmuodossa pyrolyysilaitteiston 1 säätöosat muodostavat ensimmäinen pyrolyysireaktori 10a, toinen pyrolyysireaktori 10b, kolmannen pyrolyysireaktorin 10c ensimmäinen lohko 7a, kolmannen pyrolyysireaktorin 10c toinen lohko 7b ja kolmannen pyrolyysireaktorin 10c kolmas lohko 7c. Näin pyrolyysilaitteisto 1 saadaan yksinkertaisella tavalla jaettua erittäin moneen säätöosaan.

Kuviossa 6 on eräs pyrolyysilaitteisto 1 esitetty ylhäältäpäin katsottuna. Kuvion 6 pyrolyysilaitteistossa on kolme säätöosaa. Ensimmäisen säätö-osan muodostaa ensimmäinen pyrolyysireaktori 10a, toisen säätöosan muodostaa toinen pyrolyysireaktori 10b ja kolmannen säätöosan muodostaa kolmas pyrolyysireaktori 10c. Ensimmäisessä pyrolyysireaktorissa 10a materiaali kulkee nuolen B havainnollistamassa suunnassa. Toisen pyrolyysireaktorin 10b materiaalin kulkusuunta C poikkeaa noin 90° ensimmäisen pyrolyysireaktorin 10a materiaalin kulkusuunnasta B. Edelleen kolmannessa pyrolyysireaktorissa 10c materiaalin kulkusuunta D poikkeaa noin 90° toisen pyrolyysireaktorin 10b materiaalin kulkusuunnasta C ja samalla noin 180° ensimmäisen pyrolyysireaktorin 10a materiaalin kulkusuunnasta B. Kun ainakin kahdessa eri säätöosassa materiaalin kulkusuunta sovitetaan poikkeamaan toisistaan, saadaan pyrolyysilaitteisto 1 muodostettua layoutiltaan halutun malliseksi. Näin laitteisto saadaan sovitettua optimaalisesti käytettävissä olevaan tilaan. Esimerkiksi kuviosta 6 käy havainnollisesti ilmi, että pyrolyysilaitteisto 1 tarvitsee huomattavasti lyhyemmän tilan kuin sellainen pyrolyysilaitteisto, jossa jokaisessa säätöosassa materiaalin kulkusuunta on sama toisiinsa nähden.

Erään suoritusmuodon mukaisesti kahdessa eri säätöosassa pyro-lysoitavan materiaalin kulkusuunta poikkeaa toisistaan vähintään 30 astetta.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (8)

1. Pyrolyysilaitteisto, johon kuuluu pyrolyysikanava, kaasunkeräys-kanava, sisäänsyöttö pyrolysoitavan materiaalin syöttämiseksi pyrolyysikana-vaan, ulostulo pyrolysoidun materiaalin poistamiseksi pyrolyysikanavasta ja kuljetin pyrolysoitavan materiaalin kuljettamiseksi pyrolyysikanavassa sisään-syötöstä ulostuloon, jolloin pyrolyysilaitteisto on jatkuvatoiminen, jossa laitteistossa on ainakin kaksi säätöosaa, ainakin yksi lämmitin kutakin säätöosaa kohden, jolloin ainakin kahdessa eri säätöosassa pyrolysoitavaan materiaaliin on kohdistettavissa eri suuruiset lämpövaikutukset ja ainakin kahdessa säätö-osassa on kaasunpoistoyhde pyrolysoitavasta materiaalista muodostuneen kaasun talteenottamiseksi, missä pyrolyysilaitteistossa on pyrolyysireaktori, joka on jaettu lohkoihin säätöosien muodostamiseksi ja missä kaasunkeräyska-navassa on väliseinä lohkojen välillä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen pyrolyysilaitteisto, jossa pyrolyy-silaitteistoon kuuluu ainakin kaksi pyrolyysireaktoria, jolloin pyrolyysireaktori muodostaa pyrolyysilaitteiston säätöosan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, missä ainakin kahdessa eri säätöosassa materiaalin kulkusuunta on sovitettu poikkeamaan toisistaan.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, missä lämmittimeen kuuluu välineet suolaliuoksen lämmittämiseksi ja lämmitysputkis-to lämmitetyn suolaliuoksen kierrättämiseksi lämmittämään lämmitettävää kohdetta.

5. Pyrolyysimenetelmä, jossa käytetään jatkuvatoimista pyrolyysilaitteistoa siten, että pyrolysoitavaa materiaalia kuljetetaan laitteiston läpi, joka laitteisto käsittää ainakin yhden pyrolyysireaktorin, jossa on pyrolyysikanava ja kaasunkeräyskanava, jossa laitteistossa on ainakin kaksi säätöosaa, joiden kautta pyrolysoitavaa materiaalia kuljetetaan, jolloin ainakin kahdessa eri säätöosassa materiaaliin kohdistetaan erisuuruiset lämpövaikutukset, kyseiset ainakin kaksi eri säätöosaa erotetaan toisistaan sovittamalla kaasunkeräyskana-vaan väliseinä säätöosien välille ja kyseisistä ainakin kahdesta eri säätöosasta otetaan talteen pyrolysoitavasta materiaalista muodostunutta kaasua.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, missä pyrolyysi laitteistoon kuuluu ainakin kaksi pyrolyysireaktoria, jotka sovitetaan muodostamaan pyrolyysilaitteiston säätöosat.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, missä ainakin kahdessa eri säätöosassa materiaalia kuljetetaan toisistaan poikkeavissa suunnissa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen menetelmä, missä materiaaliin kohdistetaan lämpövaikutusta lämmittämällä suolaliuosta ja sovittamalla suolaliuos kiertämään lämmitysputkistossa lämmittämään pyrolysoitavaa materiaalia. Patentkrav