PL228362B1

PL228362B1 - Sposób termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy i instalacja do prowadzenia procesu

Info

Publication number: PL228362B1
Application number: PL408583A
Authority: PL
Inventors: Adam Hańderek; Adam Handerek
Original assignee: Adam Handerek
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2018-03-30
Also published as: CN106661457A; US20170121608A1; WO2015194978A1; EP3155069A1; PL408583A1

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228362 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 408583 (⁵¹) Int.CI.

C10G 1/10 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 16.06.2014

Sposób termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy i instalacja do prowadzenia procesu

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	HAŃDEREK ADAM, Bielsko-Biała, PL
21.12.2015 BUP 26/15	(72) Twórca(y) wynalazku:
	ADAM HAŃDEREK, Bielsko-Biała, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.03.2018 WUP 03/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Dorota Orlińska

CM co co

CM

Ω.

PL 228 362 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy i instalacja do prowadzenia procesu.

Spośród różnych procesów utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych procesy pirolizy uznaje się za najbardziej pożądane, gdyż prowadzą do uzyskania użytecznych substancji chemicznych takich jak gazy i oleje pirolityczne, a także do wytworzenia energii cieplnej. Procesy pirolizy mają też tę zaletę, że w zasadzie nie jest konieczne rozdzielanie surowców ze względu na rodzaj zawartego w nich polimeru. Przerabiane odpady z tworzyw sztucznych mogą też być zanieczyszczone np. różnymi rodzajami biomasy.

Do procesów rozkładu termicznego można także zaliczyć np. procesy depolimeryzacji termokatalitycznej, czy zgazowania.

Główne wymogi, do których spełnienia dąży się przy opracowywaniu technologii prowadzenia procesów pirolizy, to przede wszystkim zachowanie ciągłości procesu, zapewnienie odpowiedniej jakości uzyskiwanych produktów i zapewnienie dogodnego sposobu usuwania zanieczyszczeń poreakcyjnych z przestrzeni reakcyjnej.

Podstawowym problemem w procesach depolimeryzacji odpadowych tworzyw sztucznych, jest bardzo niski współczynnik przewodzenia ciepła, a w związku z tym trudności w dostarczeniu do przerabianego tworzywa ciepła w sposób gwarantujący jego równomierny rozkład w całej masie substratu. Prowadzi to najczęściej do lokalnego przegrzewania masy reakcyjnej i nadmiernego wytrącania się pierwiastkowego węgla mocno przylegającego do powierzchni grzewczych reaktora. Nadmierny proces zwęglania surowca generuje niepotrzebne przerwy w procesie, straty w ilościach uzyskiwanych produktów i zbyt dużą ilością gazów niekondensujących, co razem wpływa na dramatyczne obniżenie efektywności ekonomicznej całego przedsięwzięcia.

Znane są procesy pirolizy, w których obniżono ryzyko powstawania karbonizatu poprzez stosowanie, jako „rozpuszczalnika” tworzyw sztucznych przepracowanych olejów mineralnych, jednak problemem tej technologii jest wysoki stopień zasiarczenia produktów depolimeryzacji, gdyż siarka jest nieodzownym składnikiem smarnych olejów mineralnych.

Na drodze procesów pirolizy otrzymuje się szeroką frakcję produktów (KTS-f), będącą mieszaniną różnego rodzaju węglowodorów o długości łańcucha od C2 do C35 zawierającą trzy zasadnicze frakcje z punktu widzenia krzywej destylacji. Są to:

1) frakcja parafinowa wrząca w zakresie temperatur od 450 do 360°C o temp. płynięcia powyżej 40°C,

2) frakcja olejowa o temperaturze wrzenia w zakresie od 180 do 360°C; jest to najbardziej pożądana frakcja będąca po uwodornieniu produktem porównywalnym z olejem opałowym lekkim lub olejem napędowym,

3) frakcja benzynowa o temperaturze wrzenia w zakresie od 30 do 180°C; jest to frakcja o bardzo niskiej temperaturze zapłonu, mogąca stanowić komponent cięższych benzyn,

4) frakcja niekondensująca w warunkach normalnych, czyli gazy poreakcyjne mające najczęściej zastosowanie, jako nośnik energii wykorzystywany do ogrzewania reaktorów w procesie depolimeryzacji tworzyw sztucznych.

Frakcja parafinowa jest najbardziej problematyczna dla producentów KTS-f, gdyż całej mieszaninie KST-f nadaje charakter ciała stałego nawet w temperaturze 30°C.

W związku z powyższym, nadal poszukuje się udoskonalonych procesów pirolizy pozwalających ograniczyć powstawanie karbonizatu oraz prowadzących do depolimeryzacji frakcji parafin, aby w procesach przerobu odpadowych tworzyw sztucznych zminimalizować powstawanie tej frakcji. Istnieje także zapotrzebowanie na ciągłe sposoby prowadzenia procesu rozkładu tworzyw sztucznych.

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy, charakteryzujący się tym, że odpadowe tworzywa sztuczne i/lub biomasę poddaje się w reaktorze działaniu temperatury w obecności swobodnych elementów przestrzennych o rozwiniętej powierzchni własnej, odpornych na temperaturę procesu.

Stosunek powierzchni własnej elementów przestrzennych do masy poddawanych rozkładowi tworzyw sztucznych i/lub biomasy wynosi od 25 m² na 1000 kg surowca do 600 m² na 1000 kg surowca.

W reaktorze, w którym następuje proces termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy panuje gradient temperatury w pionowej osi tego reaktora w zakresie wynoszącym

PL 228 362 B1 od 450 do 550°C, korzystnie 500°C u jego podstawy i zmniejszającym się stopniowo do temperatury w zakresie wynoszącym od 320 do 400°C, korzystnie 360°C w części górnej.

Elementy przestrzenne dostarcza się do reaktora jednorazowo lub w sposób ciągły lub porcjami, a także odpadowe tworzywa sztuczne i/lub biomasę dostarcza się do reaktora w sposób ciągły lub porcjami.

Elementy przestrzenne dostarcza się do reaktora przed zasilaniem go odpadowymi tworzywami sztucznymi i/lub biomasą albo do reaktora dostarcza się mieszaninę elementów przestrzennych i odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy.

Elementy przestrzenne wykonane są z metalu lub są ceramiczne.

Zanieczyszczone elementy przestrzenne usuwa się z reaktora w sposób ciągły lub porcjami.

Przedmiotem wynalazku jest także instalacja do prowadzenia procesu termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy zawierająca zasobniki surowców, sekcję przygotowania surowców, reaktor, środki ogrzewające reaktor, środki transportu surowców do reaktora, i sekcję odprowadzania produktów termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy, znamienna tym, że reaktor jest co najmniej częściowo wypełniony swobodnymi elementami przestrzennymi o rozwiniętej powierzchni własnej, odpornymi na temperaturę procesu.

Reaktor zawiera taką ilość elementów przestrzennych, że stosunek powierzchni własnej elementów przestrzennych do masy poddawanych w reaktorze rozkładowi tworzyw sztucznych i/lub biomasy wynosi od 25 m² na 1000 kg surowca do 600 m² na 1000 kg surowca.

Zawarte w reaktorze elementy przestrzenne wykonane są z metalu lub są ceramiczne.

Sposób i instalacja według wynalazku pozwalają wyeliminować przywieranie karbonizatu do ścian powierzchni grzewczych reaktora i ogólnie zminimalizować ilość powstającego karbonizatu poprzez złagodzenie temperatury prowadzenia procesu. Zostaje także zwiększona powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy donorem energii cieplnej a depolimeryzowanym surowcem. Stosowany sposób prowadzenia procesu prowadzi do depolimeryzacji powstających niepożądanych parafin (ciężkich frakcji depolimeryzatu) w jednym procesie technologicznym. Zapewniony zostaje bezproblemowy i ciągły sposób usuwania pozostałości poreakcyjnych z reaktora. Sposób według wynalazku prowadzi do uzyskania wyłącznie produktów o temperaturze destylacji wynoszącej poniżej 360°C.

W procesach zgazowywania różnych substancji, szczególnie odpadów, a zwłaszcza odpadów tworzyw sztucznych czy biomasy napotyka się na problem przewodzenia ciepła w przestrzeni reakcyjnej. Substancje poddawane obróbce termicznej charakteryzują się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła a wiec nagrzanie ich do odpowiedniej temperatury w procesach przemysłowych spotyka się z koniecznością stosowania mieszadeł lub ruchomych reaktorów. Zazwyczaj nie jest w pełni możliwe rozwiązanie problemu usuwania resztek poreakcyjnych z obszaru reakcji i przywierania karbonizatu do powierzchni grzewczych reaktora. Dodatkowo w procesach termo-degradacji tworzyw sztucznych czy biomasy pojawia się problem usuwania z obszaru reakcji odpadów poreakcyjnych takich jak zanieczyszczenia mineralne, czy ciężkie smoły. Powstający w trakcie procesu karbonizat musi być okresowo usuwany z instalacji, co wymaga przerwania procesu i jest czasochłonne. Niektóre elementy instalacji mogą ulec nieodwracalnemu zniszczeniu.

Obecnie, nadal obserwuje się powyżej opisane problemy przy tradycyjnych sposobach ogrzewania wymienionych surowców (konwersja czy przewodzenie) w procesach rozkładu termicznego, takich jak piroliza, depolimeryzacja termo-katalityczna, czy zgazowanie biomasy.

Przy opracowywaniu niniejszego wynalazku, wzięto pod uwagę powyższe zastrzeżenia i właściwości materiałów poddawanych wymienionym procesom i zwrócono uwagę na następujące czynniki:

1) współczynnik przewodzenia ciepła w poddawanej obróbce masie reakcyjnej,

2) współczynnik pochłaniania promieniowania podczerwonego w tych surowcach oraz

3) współczynnik odbicia (emisyjności) promieniowania podczerwonego.

Współczynnik przewodzenia ciepła w surowcach typu tworzywa sztuczne kształtuje się na bardzo niskim poziomie i mieści się w granicach pomiędzy 0,18 a 0,4 W/mK, a w suchej biomasie pomiędzy 0,12 a 0,24 W/mK. Współczynnik przewodzenia ciepła na takim poziomie powoduje, ze powierzchnia nagrzewanego ciała jest już gorąca i ulega zwęgleniu a jego wnętrze nadal może być chłodne.

Korzystne jest więc ogrzewanie cząstek surowca o niewielkich wymiarach i grubościach takich jak zrębki drewna czy trociny albo przemiały lub płatki/skrawki w wypadku tworzyw sztucznych, nie dopuszczając do ich zespolenia w litą masę.

PL 228 362 B1

Z drugiej strony zauważono, że wymienione materiały mają wysoki współczynnik absorpcji promieniowania podczerwonego, który dla tworzyw sztucznych wynosi od 0,86 do 0,95, podobne wartości obserwuje się dla biomasy czy drewna.

Dla niniejszego wynalazku kluczowe też jest spostrzeżenie, że niektóre metale charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem emisyjności promieniowania podczerwonego. Najniższy współczynnik emisyjności ma polerowane złoto, ale w zastosowaniach przemysłowych najczęściej stosuje się polerowane aluminium.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładowym wykonaniu na rysunku.

Na fig. 1 przedstawiono przykładową konstrukcję pionowego, cylindrycznego reaktora, który stanowi element instalacji według wynalazku do prowadzenia procesów depolimeryzacji odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy.

Na fig. 2 przedstawiono przykładowy schemat blokowy instalacji do prowadzenia procesu termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy sposobem według wynalazku.

Na fig. 3 przedstawiono reaktor przeznaczony do prowadzenia ciągłego procesu termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy. Reaktor jest zaopatrzony w podajnik ślimakowy transportujący odpadowe tworzywa sztuczne do reaktora, a także podajnik ślimakowy odprowadzający z reaktora wypełnienie w postaci elementów przestrzennych zanieczyszczonych karbonizatem wraz z innymi nieprzereagowanymi pozostałościami.

Na fig. 4 przedstawiono objaśnienia do graficznych oznaczeń zastosowanych na fig. 3.

W przykładowym wykonaniu instalacja według wynalazku zawiera sekcję rozdrabniania 1 zawierającą różne, znane urządzenia rozdrabniające odpadowe tworzywa sztuczne na frakcję o wymiarach od 0,1 do 5000 cm kwadratowych w odniesieniu do folii oraz frakcję od 0,1 do 50 mm średnicy w odniesieniu do przemiałów. Za sekcją rozdrabniania opcjonalnie znajduje się połączona z nią łączem transportowym suszarnia 2 rozdrobnionego materiału tworzyw sztucznych, za którą umieszczony jest mieszalnik 3 osuszonego surowca (przerabiany surowiec na rysunkach oznaczono jako S) z opcjonalnie stosowanym katalizatorem i elementami przestrzennymi (na rysunkach oznaczone jako E) stanowiącymi razem wypełnienie reaktora. Instalacja zawiera także podajnik 4 transportujący surowiec S zmieszany z katalizatorem i elementami przestrzennymi E do zbiornika załadowczego 5 reaktora 6. Alternatywnie, instalacja może nie zawierać mieszalnika surowców lecz składniki mogą być dostarczane naprzemiennie partiami do reaktora z zasobnika 7 elementów przestrzennych, zasobnika 8 odpadowych tworzyw sztucznych i zasobnika 9 biomasy tj. w pierwszej kolejności do reaktora dostarczona jest porcja elementów przestrzennych, a następnie rozdrobnione, odpadowe tworzywa sztuczne, ewentualnie w mieszaninie z katalizatorem. Następnie, można kolejno naprzemiennie dostarczać elementy przestrzenne E i rozdrobnione odpadowe tworzywa sztuczne i/lub biomasę (S) lub też możliwe jest jednorazowe dostarczenie elementów przestrzennych, a następnie w sposób ciągły lub partiami dostarcza się surowce odpadowe z tworzyw sztucznych. Instalacja może też być zaopatrzona w zbiornik buforowy 10 reaktora. Reaktor jest wyposażony w system grzewczy 11. Instalacja zawiera także podajnik 12 z systemem chłodzenia dla odprowadzanego z reaktora wypełnienia w postaci elementów przestrzennych E wraz z zanieczyszczeniami pozostałymi po procesie depolimeryzacji i karbonizatem. Za podajnikiem 12 instalacja zawiera sekcję oczyszczania 13 elementów przestrzennych, gdzie możliwe jest odsiewanie zużytego katalizatora i karbonizatu. Oczyszczone elementy przestrzenne mogą być zawracane do zasobnika 7 lub bezpośrednio do reaktora 6. Instalacja zawiera także odbieralnik 14 par poreakcyjnych (produkty oznaczono na rysunkach jako P) z reaktora i kondensator 15 par poreakcyjnych, a także zbiornik 16 kondensatu. Ściany reaktora wyłożone są od wewnątrz wykładziną 17 tj. materiałem o niskiej emisyjności, korzystnie polerowanym aluminium.

Większość etapów procesu depolimeryzacji tworzyw sztucznych jest znana ze stanu techniki. W sposobie stosuje się znane etapy takie jak: przygotowanie surowca obejmujące jego rozdrabnianie i suszenie, wymieszanie surowców z tworzyw sztucznych różnego typu ewentualnie z katalizatorem i ewentualnie z biomasą, transportowanie surowca pomiędzy sekcjami rozdrabniania i suszenia, ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej w reaktorze prowadzące do depolimeryzacji przerabianych surowców, odprowadzanie par poreakcyjnych, odprowadzanie poreakcyjnych zanieczyszczeń.

W sposobie według wynalazku stosuje się nowy etap polegający na wprowadzeniu do przestrzeni reakcyjnej swobodnych elementów przestrzennych stanowiących kształtkowe, ruchome wypełnienie reaktora. Określenie, że elementy te są swobodne oznacza, że nie są one w żaden sposób zespolone z reaktorem, lecz stanowią elementy, które mogą się swobodnie przemieszczać w toku procesu tj. kiedy surowce poddawane obróbce topią się i podlegają rozkładowi, elementy te osuwają

PL 228 362 B1 się i zmieniają wzajemny układ przestrzenny. Elementy przestrzenne (kształtki) mają różną formę i charakteryzują się dużym stosunkiem powierzchni do swojej objętości nasypowej, a także dużą przepustowością dla gazów. Elementy przestrzenne cechują się niskim współczynnikiem emisyjności promieniowania podczerwonego.

Korzystnie, kształt elementów przestrzennych pozwala na osiągnięcie powierzchni własnej od 25 do 600 m² na 1 m³ masy nasypowej tych elementów, korzystnie od 60 do 440 m² na 1 m³. Elementy przestrzenne mają średnicę zewnętrzną (dla elementów pierścieniowych) lub ogólnie rozmiar od 1 do 100 mm, korzystnie od 15 do 25 mm i grubość ścianki od 1,5 do 10 mm. Elementy kształtowe wykonane są z materiałów odpornych na temperaturę prowadzonej reakcji np. z metalu, szkła, ceramiki. Korzystnie są one odporne na temperaturę w zakresie od 450 do 1650°C. Elementy przestrzenne mogą przedstawiać różne kształty np. mogą mieć postać pierścieni z otworami w ścianach bocznych lub bez, lub postać przestrzennych form uplecionych z wzdłużnych elementów takich jak metalowe wstęgi czy druciki. Mogą mieć formę fali, wycinka sfery lub mieć np. kształt litery C, V, M, N, S utworzony ze wstęgi metalowej. Tego typu elementy przestrzenne są znane z procesów destylacji, rektyfikacji, czy napowietrzania gdzie spełniają rolę zwiększania powierzchni kontaktu pomiędzy różnymi fazami substancji np. ciecz-gaz (kolumny destylacyjne, bioreaktory), ciecz-ciało stałe (pyły-woda w filtrach), gaz-gaz (w różnego rodzaju reaktorach syntezy chemicznej). Typowymi przykładami tego rodzaju elementów przestrzennych stanowiących wypełnienie kolumn reakcyjnych są powszechnie znane pierścienie Raschig'a, pierścienie Pall'a, pierścienie Białeckiego i inne.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że tego rodzaju elementy przestrzenne (kształtki) ułatwiają prowadzenie procesu depolimeryzacji (rozkładu termicznego, pirolizy).

Korzystnie, w sposobie według wynalazku rozdrobnioną masę tworzyw sztucznych o zakresie rozdrobnienia wynoszącym od 0,1 mm do 10 mm lub w wypadku odpadów folii o powierzchni płatka do 100 cm² miesza się z elementami przestrzennymi (kształtkami), korzystnie w kształcie pierścieni o różnej średnicy, korzystnie w przedziale pomiędzy 3 do 50 mm, z materiału o jak najniższym współczynniku emisyjności, korzystnie z aluminium. Tworzywo sztuczne miesza się z elementami przestrzennymi w różnym stosunku masowym, korzystnie przy nadmiarze elementów przestrzennych tj. w stosunku wynoszącym od 1:5 do 1:1. Wymieszaną masę rozdrobnionych tworzyw sztucznych, ewentualnie w mieszaninie z biomasą dostarcza się do reaktora, korzystnie cylindrycznego wyposażonego w wewnętrzne elementy grzewcze, korzystnie promienniki podczerwieni, usytuowane wewnątrz reaktora, korzystnie promieniście, jak pokazano na fig. 1. Ściany reaktora korzystnie wykonane są z materiału o niskiej emisyjności lub wyłożone od wewnątrz wykładziną tj. materiałem o niskiej emisyjności, korzystnie polerowanym aluminium.

Sposób według wynalazku może być realizowany w kilku wariantach. Najbardziej korzystne jest ciągłe prowadzenie procesu poprzez ciągłe dostarczanie do reaktora albo mieszaniny elementów przestrzennych i tworzyw sztucznych ewentualnie w połączeniu z biomasą i ewentualnie katalizatorem, albo ciągłe dostarczanie naprzemiennie porcjami elementów przestrzennych i przerabianego surowca. W innym wariancie, proces może nie być prowadzony w sposób ciągły, lecz reaktor może zostać napełniony elementami przestrzennymi, a następnie być albo porcjami albo w sposób ciągły napełniany poddawanymi obróbce tworzywami sztucznymi i/lub biomasą. Niezależnie od wybranego wariantu prowadzenia procesu korzystne jest, aby przed dostarczeniem do reaktora odpadowych tworzyw sztucznych został on, co najmniej częściowo wypełniony elementami przestrzennymi.

Reaktor do depolimeryzacji może mieć kształt cylindryczny lub inny np. prostopadłościenny. Na potrzeby procesu ciągłego korzystnie reaktor jest cylindrem o średnicy nie mniejszej niż 200 mm i wysokości będącej wielokrotnością średnicy, najlepiej, jeśli stosunek średnicy do wysokości wynosi 1 do 6. Optymalnie wymiary reaktora dla produkcji przemysłowej o wydajności 1400 kg na 1 godz. wynoszą: średnica - 1800 mm i wysokość - 10000 mm. Reaktor jest ogrzewany przeponowo lub zaopatrzony jest w elementy grzewcze korzystnie elektryczne, korzystnie promienniki IR umieszczone promieniście do wewnątrz reaktora na wielu poziomach. Przykładowo, elementy grzewcze umieszczone są na obwodzie reaktora, w płaszczyźnie pionowej od dołu do góry reaktora, w odległościach co 20 cm, tak aby suma energii cieplnej dostarczana przez wszystkie grzałki była równa lub większa niż 0,3 KW na 1 kg dostarczonego do reaktora surowca w postaci rozdrobnionego odpadowego tworzywa sztucznego lub biomasy na 1 godz.

Reaktor może też być ogrzewany od spodu reaktora, zwłaszcza, kiedy prowadzony proces nie jest procesem ciągłym i reaktor nie jest w dolnej części zaopatrzony w sekcję odbioru zanieczyszczonych elementów przestrzennych wraz z karbonizatem. Przy prowadzeniu procesu w sposób okresowy

PL 228 362 B1 (nieciągły) kształt reaktora w zasadzie może być dowolny, a sekcje grzewcze mogą być dowolnie, aczkolwiek równomiernie umieszczone na dnie reaktora i/lub jego ścianach bocznych.

W przypadku prowadzenia procesu w sposób ciągły surowiec w postaci rozdrobnionej, wymieszany z elementami kształtowymi i ewentualnie katalizatorem depolimeryzacji wsypywany jest w sposób ciągły do reaktora od góry i przesuwa się w osi pionowej w dół aż do otworu spustowego reaktora skąd usuwa się pozostałości poreakcyjne wraz z wypełnieniem reaktora. W trakcie drogi, jaką wykonuje wypełnienie reaktora (ruchome kształtki) wraz z surowcem pod wpływem dostarczonej energii (ciepła) następuje beztlenowe zgazowanie surowca a pary depolimeryzatu są odprowadzane kolektorem do skraplacza lub bezpośrednio do kolumny destylacyjnej gdzie następuje rozdział produktu na odpowiednie frakcje. Podczas procesu surowiec jest utrzymywany w luźnym przestrzennym układzie, co powoduje oddziaływanie ciepła na niewielkie i cienkie warstwy tworzywa sztucznego np. w postaci płatka lub przemiału albo biomasy np. w postaci zrębków, trocin, sieczki słomianej itp. Elementy kształtkowe nie dopuszczają do aglomerowania stopionych surowców w jednorodna masę. Nawet w fazie, kiedy tworzywo ulega już upłynnieniu to nie spływa ona swobodnie na dno reaktora tylko rozpływa się po dużej powierzchni pierścieni (przestrzennych elementów wypełnienia reaktora) pozostając w formie cienkiej powłoczki na powierzchni pierścieni aż do momentu całkowitego rozkładu i odparowania.

Elementy przestrzenne zawarte w reaktorze zajmują, co najmniej 1/5 jego wysokości, przy czym kiedy reaktor jest zasilany mieszaniną elementów kształtkowych i surowców poddawanych obróbce, to rozumie się, że stosunek objętości tych elementów do objętości surowca jest taki, aby opadające w toku procesu na dno elementy przestrzenne zajmowały docelowo co najmniej 1/5 jego wysokości.

Promieniowanie cieplne, podczerwone, które nie trafia dokładnie w depolimeryzowany surowiec lub nie jest przez surowiec absorbowane lub jest ponownie przez gorący surowiec emitowane jest odbijane od elementów wypełnienia reaktora lub okładziny ścian reaktora i ponownie absorbowane przez część surowca o niższej temperaturze lub ociekający kondensat. Taki układ gwarantuje równomierny rozkład temperatury w całej masie reakcyjnej. Ponieważ surowiec jest rozdrobniony nie dochodzi do miejscowego przegrzewania surowca a co za tym idzie nie dochodzi do nadmiernej karbonizacji. Układ taki pozwala na prowadzenie procesu zgazowania czy depolimeryzacji w łagodnych warunkach przy zachowaniu optymalnej temperatury powierzchni grzewczych i niskiego Δ t, na poziomie gwarantującym przepływ ciepła od powierzchni elementu grzewczego do przerabianego surowca między 30 a 50°C. Sposób obejmujący ciągły załadunek reaktora od góry zimnym surowcem i odbieranie u dołu reaktora elementów przestrzennych wypełnienia reaktora wraz z zanieczyszczeniami - pozostałościami poreakcyjnymi i karbonizatem - powoduje występowanie różnicy temperatur w górnej, środkowej i dolnej części reaktora. Taki naturalny rozkład temperatury w reaktorze powoduje, że cięższe frakcje depolimeryzatu kondensują na zimniejszym, podawanym od góry surowcu i elementach wypełnienia reaktora i ściekają w dół w cieplejszą strefę reaktora ulegając ponownemu ogrzaniu i dalszej depolimeryzacji aż do osiągnięcia pożądanej temperatury destylacji. Proces powtórnej (cyklicznie powtarzanej) depolimeryzacji wysoko wrzących składników depolimeryzatu odbywa się w sposób samoczynny dzięki naturalnemu rozkładowi temperatury w osi pionowej reaktora. Reaktor jest. w sposób ciągły załadowywany świeżymi porcjami surowca pomieszanymi z zimnymi przestrzennymi elementami wypełnienia reaktora. Tak więc, temperatura w górnej części reaktora jest niższa niż w jego środkowej i dolnej strefie. Dzięki temu pary ciężkich frakcji depolimeryzatu, których temperatura wrzenia jest wyższa niż temperatura panująca w górnej strefie reaktora ulegają kondensacji na zimniejszych cząstkach surowca i elementów wypełnienia reaktora nasączając surowiec i ściekają w cieplejsze partie reaktora gdzie są ponownie poddawane działaniu wyższej temperatury, co powoduje dalszy proces ich depolimeryzacji. To oznacza, że ich długie łańcuchy węglowe ulegają dalszemu podziałowi (depolimeryzacji) do krótszych związków węglowodorowych charakteryzujących się niższą temperaturą wrzenia umożliwiającą im opuszczenie przestrzeni reakcyjnej.

Odbiór par depolimeryzatu następuje w miejscu reaktora gdzie panuje temperatura około 360°C, charakterystyczna dla destylacji typowego oleju napędowego. Dzięki zastosowaniu elementów przestrzennych wypełniających reaktor następuje cyklicznie powtarzające się podgrzanie kondensatu cięższych frakcji i proces ich depolimeryzacji jest kontynuowany aż do takiego stopnia, że ich temperatura wrzenia spada poniżej temperatury 360°C i nie mogą już kondensować w obrębie reaktora depolimeryzacji uchodząc wraz z gazem inertnym do kolektora i dalej do skraplacza lub kolumny frakcjonującej gdzie następuje rozdział na frakcje wrzące w temperaturze do 180°C (frakcja benzynowa) i na frakcje wrzące do temperatury 360°C (frakcja olejowa).

PL 228 362 Β1

Pr z y k ł a d 1

Procesowi rozkładu termicznego poddano mieszaninę odpadowych tworzyw sztucznych zawierającą PE. Tworzywo sztuczne rozdrobniono do uzyskania fragmentów o rozmiarach nie przekraczających 50 cm². Surowiec wymieszano także z katalizatorem zeolitowym ZSM5 w stanie sypkim. Otrzymaną mieszaninę połączono i wymieszano z elementami przestrzennymi w postaci pierścieni aluminiowych o średnicy 12 mm i długości 15 mm oraz o grubości ścianek wynoszącej 1 mm. Stosunek masowy surowca poddawanego obróbce do elementów przestrzennych wynosił 1:5. Proces prowadzono w sposób ciągły w temperaturze wynoszącej 480°C w dolnej części reaktora i 360°C w górnej części reaktora. Reaktor zasilano od góry porcjami mieszaniny surowców i elementów przestrzennych. W dolnej części reaktora odbierano poprzez sekcję chłodzenia elementy pierścieniowe zanieczyszczone karbonizatem i nieprzereagowanymi pozostałościami. Uzyskano klarowny ciekły produkt o charakterystycznym zapachu o krzywej destylacji przedstawionej w poniższej Tabeli 1.

Tabela 1

Skład frakcyjny	Jednostka	Wynik badania	Metoda badania
początek wrzenia	°C	101,7	PN-EN ISO 3405
5% (m/m) destyluje	°C	126,6
10% (m/m) destyluje	’C	158,7
20% (m/m) destyluje	°c	190,3
30% (m/m) destyluje	°c	216,1
40% (m/m) destyluje	°c	240,9
50% (m/m) destyluje	°c	262,1
60% (m/m) destyluje	°c	282,2
70% (m/m) destyluje	°c	300,5
80% (m/m) destyluje	•c	317,7
90% (m/m) destyluje	°c	337,0
95% (m/m) destyluje	°C	349,7
koniec destylacji	°C	372,5
do 250°C destyluje	% (V/V)	44,2
do 35O°C destyluje	% (V/V)	95,1

• próbka nie zawierała depresatora

Przykład 2

W analogiczny sposób i w analogicznych warunkach poddano obróbce mieszaninę PP i PE (1:1 masowo) i do uzyskanej rozdrobnionej mieszaniny dodano 5% (masowo) biomasy stanowiącej odpad celulozowy (makulaturowy). Uzyskano podobne wyniki w odniesieniu do depolimeryzatu.

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Sposób termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy, znamienny tym, że odpadowe tworzywa sztuczne i/lub biomasę poddaje się w reaktorze działaniu temperatury w obecności swobodnych elementów przestrzennych o rozwiniętej powierzchni własnej, odpornych na temperaturę procesu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek powierzchni własnej elementów przestrzennych do masy poddawanych rozkładowi tworzyw sztucznych i/lub biomasy wynosi od 25 m² na 1000 kg surowca do 600 m² na 1000 kg surowca.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w reaktorze, w którym następuje proces termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy panuje gradient temperatury w pionowej osi tego reaktora w zakresie wynoszącym od 450 do 550°C, korzystnie 500°C u jego podstawy i zmniejszającym się stopniowo do temperatury w zakresie wynoszącym od 320 do 400°C, korzystnie 360°C w części górnej reaktora.

PL 228 362 B1

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że elementy przestrzenne dostarcza się do reaktora jednorazowo lub w sposób ciągły lub porcjami.

5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że odpadowe tworzywa sztuczne i/lub biomasę dostarcza się do reaktora w sposób ciągły lub porcjami.

6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że elementy przestrzenne dostarcza się do reaktora przed zasilaniem go odpadowymi tworzywami sztucznymi i/lub biomasą albo do reaktora dostarcza się mieszaninę elementów przestrzennych i odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy przestrzenne wykonane są z metalu lub są ceramiczne.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zanieczyszczone elementy przestrzenne usuwa się z reaktora w sposób ciągły lub porcjami.

9. Instalacja do prowadzenia procesu termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy zawierająca zasobniki surowców, sekcję przygotowania surowców, reaktor, środki ogrzewające reaktor, środki transportu surowców do reaktora, i sekcję odprowadzania produktów termicznego rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych i/lub biomasy, znamienna tym, że reaktor jest co najmniej częściowo wypełniony swobodnymi elementami przestrzennymi o rozwiniętej powierzchni własnej, odpornymi na temperaturę procesu.

10. Instalacja według zastrz. 9, znamienna tym, że reaktor zawiera taką ilość elementów przestrzennych, że stosunek powierzchni własnej elementów przestrzennych do masy poddawanych w reaktorze rozkładowi tworzyw sztucznych i/lub biomasy wynosi od 25 m² na 1000 kg surowca do 600 m² na 1000 kg surowca.

11. Instalacja według zastrz. 9 albo 10, znamienna tym, że zawarte w reaktorze elementy przestrzenne wykonane są z metalu lub są ceramiczne.