PL234963B1 - Urządzenie do pirolizy odpadów - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pirolizy. Urządzenie według wynalazku może służyć w szczególności do pirolizy substancji odpadowych stałych, w tym tworzyw sztucznych, osadów ściekowych oraz biomasy.

Większość odpadów z tworzyw sztucznych jest nierozdzielona na poszczególne tworzywa, dlatego konieczne staje się zagospodarowanie ich na cele energetyczne.

Proces pirolizy jest procesem wymagającym dużych nakładów energetycznych. Z tego powodu znane dotychczas reaktory do pirolizy ogrzewane są przeponowo spalinami poprzez zewnętrzny płaszcz grzejny, rzadziej elektrycznie.

Znane jest z polskiego opisu patentowego nr 194973 urządzenie do pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych posiadające zamontowany wewnątrz komory reakcyjnej, co najmniej jeden element grzejny w postaci rury grzejnej o kształcie krzywoliniowym o stosunku długości do średnicy co najmniej 10, korzystnie 50-250, charakteryzujące się tym, że na wlocie rury grzejnej, w jej wnętrzu, zamontowany jest palnik, przy czym korzystnie rura grzejna podparta jest co najmniej jedną podporą. Reaktor ten wyposażony jest tylko w rurę grzejną, rozwiązanie według wynalazku jest wyposażone w celkowy podajnik ogrzewany przeponowy.

Dokument patentowy US 2012/0043194 A1 ujawnia sposób pirolizy odpadów stałych polegający na ogrzewaniu materiału wsadowego od 300 do 850°C w wyniku przekazywania ciepła do materiału wsadowego przez oporową spiralę grzejną, która równocześnie spełnia rolę przenośnika wsadu.

Dokument patentowy PL 191275 ujawnia sposób wytwarzania małocząsteczkowych olefin przez pirolizę węglowodorów, w którym doprowadzany początkowy surowiec podgrzewa się i odparowuje, następnie początkowy surowiec miesza się z parowym rozcieńczalnikiem, a otrzymaną mieszaninę ogrzewa się do temperatury pirolizy w łopatkowym reaktorze obrotowym, następnie krakowany gaz ochładza się, po czym gaz ten rozdziela się, zaś mieszaninę ogrzewa się do temperatury pirolizy przez mieszanie z gorącym gazem z pirolizy, cyrkulującym w komorze roboczej łopatkowego obrotowego reaktora, przez czas pomijalnie mały w porównaniu z czasem trwania reakcji pirolizy. Wynalazek dotyczy przemysłu petrochemicznego, zwłaszcza wytwarzania małocząsteczkowych olefin przez krakowanie termiczne (pirolizę) węglowodorów pochodzenia ropopochodnego.

Ze stanu techniki znane jest rozwiązanie reaktora do pirolizy ciągłej pod nazwą „Pyrogen opisane w dokumencie patentowym US 2010/0275823, w którym zastosowano ogrzewanie palnikiem reaktora typu Auger. Wytwarzany syngaz służy jako paliwo do generowania energii elektrycznej i cieplnej.

W reaktorach znanych ze stanu techniki dąży się do uzyskania jak największej powierzchni grzejnej w celu jak najszybszego ogrzania mieszaniny tworzyw sztucznych do wysokiej temperatury. Proces rozkładu węglowodorów jest endotermiczny. Przekroczenie temperatury 500°C sprzyja tworzeniu się koksu i tendencja ta nasila się ze wzrostem temperatury i wydłużeniem czasu przebywania. Urządzenie według wynalazku zapobiega temu zjawisku.

Istotą wynalazku jest urządzenie do pirolizy zawierające komorę reakcyjną oraz zespół do ogrzewania komory reakcyjnej, połączony z nią za pośrednictwem szczelnego łącza, dozownik odpadowych tworzyw sztucznych, odbiornik karbonizatu oraz wylot produktów pirolizy i wylot karbonizatu, charakteryzujące się tym, że komora reakcyjna składa się z korpusu w kształcie rury o przekroju okrągłym. Wewnątrz niego umieszczony jest nieruchomy ślimak, w którego wnętrzu ukształtowane są celki. W korpusie znajduje się umieszczony z nim współosiowo podajnik łopatkowy, na którego wale umocowane są na tulejach co najmniej trzy łopatki pozycjonujące i jedna łopatka robocza dla każdej celki. Celki rozciągają się na maksymalnie 4/5 długości wału podajnika łopatkowego od strony wlotu karbonizatu i znajdują się w dolnej połowie nieruchomego ślimaka, od strony jego wnętrza. Wszystkie celki są otwarte od góry. Objętość robocza celek zmniejsza się w kierunku wylotu karbonizatu. Celki połączone są ze sobą krawędziami pochylonymi do wylotu karbonizatu pod kątem. Na pozostałej części wału znajduje się pierwszy podajnik ślimakowy. Komora reakcyjna znajduje się pod kątem w zakresie od 20 do 45 stopni do podłoża, przy czym część urządzenia od podajnika łopatkowego znajduje się bliżej podłoża.

Korzystnie, tuleje znajdują się w pozycji, w której łopatki pozycjonujące na poszczególnych tulejach przesunięte są o te same kąty.

Tuleje mogą też znajdować się w pozycji, w której łopatki pozycjonujące na poszczególnych tulejach przesunięte są o różne kąty.

Łopatki pozycjonujące na każdej tulei mogą być przesunięte względem siebie o równe kąty.

Korzystnie, na końcu korpusu bliższym podłożu znajduje się kompensator.

PL 234 963 B1

Korzystnie, kompensator jest zbudowany w kształcie dwóch ściętych stożków odwróconych do siebie podstawami.

Korpus może posiadać izolację termiczną zewnętrzną oraz izolację termiczną wewnętrzną.

Urządzenie może posiadać co najmniej jeden radiator w postaci aluminiowej tarczy.

Konstrukcja celkowa komory reakcyjnej charakteryzuje się dużą powierzchnią wymiany ciepła na drodze przeponowej pomiędzy spalinami i wsadem, a tym samym czas przebywania wsadu w reaktorze jest krótki. Zastosowane rozwiązanie przyczynia się do zwiększenia czasu przebywania gorących spalin w urządzeniu i tym samym zachodzi efektywniejszy odzysk ciepła ze spalin przez wymuszenie ich przepływu burzliwego. W przeciwieństwie do dotychczas stosowanego układu spiralnego, w którym przenikanie ciepła odbywa się przez rurę bądź spiralę, układ celkowy zapewnia znacznie większą powierzchnię wymiany ciepła, a co za tym idzie - szybkość reakcji pirolizy. Wsad jest ogrzewany zarówno od dołu, jak i z boków.

Główną zaletą przedmiotu wynalazku jest eliminacja problemu osadzania się koksu. Urządzenie według wynalazku umożliwia również powiększenie powierzchni grzejnej dla jak najszybszego ogrzania mieszaniny tworzyw sztucznych do wysokiej temperatury.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku w ujęciu schematycznym, na którym fig. 1 przedstawia całość urządzenia w widoku aksonometrycznym, fig 2 - urządzenie w widoku bocznym, fig. 3 - urządzenie w widoku z góry, fig. 4 - przekrój wzdłużny reaktora, fig. 5 - przekrój wzdłużny celek, fig. 6 - przekrój poprzeczny urządzenia.

Wynalazek w przykładzie wykonania według fig. 1-6 dotyczy procesu pirolizy. W rozwiązaniu według wynalazku paliwo (odpady, biomasa), dostarcza się bezpośrednio do reaktora wykorzystując przenośnik ślimakowy 1. Odpady przed podaniem do reaktora są rozdrabniane. Paliwo dostarczane jest do celki 8 pierwszej z trzynastu, o największej objętości, poprzez wlot paliwa 5, skąd poprzez łopatki podajnika łopatkowego 10 jest ono przesypywane do drugiej i kolejnych celek 8, o coraz mniejszej objętości. Rozstawienie celek zajmuje na wale 1,7 m jego długości.

Urządzenie posiada uszczelnienie 10 przy pomocy sznura 19, odsunięte od jego części roboczej 18. Dodatkowo, w celu obniżenia temperatury pracy uszczelnienia 10, urządzenie posiada radiatory 21 w postaci aluminiowych tarcz, obmywane powietrzem z dodatkowych wentylatorów.

Celka 8 składa się z kanału spalin 15 oraz przestrzeni reakcyjnej 14. Spaliny opływają przestrzeń reakcyjną 14 z boków, poprzez kanały spalin 15 oraz od dołu. Wsad wpada do pierwszej celki 8, gdzie ulega częściowej pirolizie w czasie od kilku sekund do kilku minut. Następnie łopatka robocza 9 podajnika 10 wygarnia go z celki 8. Komora reakcyjna jest ustawiona pod kątem 20°, przez co uniesiony częściowo spirolizowany wsad przesypuje się z łopatki 9 przez krawędź 16 celki 8 do celki 8 następnej. Wraz z czasem przebywania w reaktorze rośnie stopień przereagowania i zmniejsza się objętość wsadu, dlatego celki 8 mają coraz mniejszą objętość. Łopatki robocze 9 i łopatki pozycjonujące 12 umieszczone są na tulejach 17 z lekką możliwością ruchu i przesunięte względem każdej kolejnej łopatki 12 o 180°.

Objętość robocza kolejnych celek 8 ulega stopniowej redukcji w kierunku wylotu karbonizatu 7. Następnie poprzez pierwszy podajnik ślimakowy 13 oraz wylot karbonizatu 7, karbonizat trafia na drugi podajnik ślimakowy 4 znajdujący się poza komorą reakcyjną i zostaje usunięty z reaktora. Poprzez wylot gazu pirolitycznego 6 wypływa produkowany w procesie gaz. Podajnik łopatkowy 10 zamknięty jest w korpusie 3 o długości 2,1 m i posiada łopatki robocze 9 oraz łopatki pozycjonujące 12, które uniemożliwiają wysunięcie łopatek roboczych 9 poza celki 8 przy nagrzewaniu urządzenia. W celu zwiększenia efektywności wymiany ciepła miedzy spalinami a reaktorem zastosowano nieruchomy ślimak 11, którego zwoje przechodzą przez celki 8, dzięki czemu strumień spalin opływa każdą celkę 8.

Każda celka 8 w podajniku łopatkowym 10 posiada łopatkę roboczą 9. W trakcie prowadzenia procesu łopatki robocze 9 zapobiegają osadzaniu się koksu na wewnętrznej powierzchni celek 8.

W celu kompensacji rozszerzeń termicznych zastosowano kompensator 20 w formie dwóch ściętych stożków złączonych podstawami. Dodatkowo, korpus 3 posiada izolację termiczną zewnętrzną 23 i wewnętrzną 22.

Rozkład temperatury w reaktorze mieści się w przedziale około 500-1200°C. Komora reakcyjna ogrzewana jest przeponowo spalinami z palnika, w którym paliwo stanowi gaz LPG (w fazie rozruchu) oraz do 70% masowych gazu z procesu pirolizy (dla składu mieszanki w palniku 30% LPG + 70% GP). Powstający w procesie gaz charakteryzuje się niską zawartością substancji smolistych oraz pyłów.

PL 234 963 B1

Wytwarzany gaz stanowi od 60 do 75% masowych początkowego wsadu i może służyć jako paliwo gazowe dla jednostki kogeneracyjnej z wewnętrznym spalaniem, w wyniku czego może być wytwarzana energia elektryczna i cieplna. Produktem ubocznym wytwarzanym w wyniku pirolizy jest karbonizat o wartości kalorycznej około 15 MJ/kg, który w zależności od stosowanego surowca stanowi 5-30%.

Przeponowy wymiennik ciepła zasilany jest spalinami z palnika wysokotemperaturowego 2, zasilanego w fazie rozruchu LPG oraz gorącym gazem z procesu pirolizy, przy czym wylot spalin znajduje się na przeciwnym skraju części roboczej 18 urządzenia. Zastosowanie tego typu palnika umożliwia bezpośrednie spalanie gazu bez procesu oczyszczania.

Urządzenie zaprojektowane jest zarówno do pracy w warunkach współprądowych, jak i przeciwprądowych.

Urządzenie według przykładu wykonania pracowało 48 godzin w warunkach współprądowych, przy czym na urządzeniach grzejnych nie osadził się koks, a czas uzyskania temperatury 1000°C wynosił ok. 1 godziny. Dzięki zastosowaniu urządzenia według wynalazku, czas uzyskania wysokiej temperatury znacznie się skrócił, jako że do tej pory osiągnięcie temperatury 850°C wymagało nawet od 6 do 7 godzin.

Claims (8)

1. Urządzenie do pirolizy, zawierające komorę reakcyjną oraz zespół do ogrzewania komory reakcyjnej, połączony z nią za pośrednictwem szczelnego łącza, dozownik odpadowych tworzyw sztucznych, odbiornik karbonizatu oraz wylot produktów pirolizy i wylot karbonizatu, znamienne tym, że komora reakcyjna składa się z korpusu (3) w kształcie rury o przekroju okrągłym, wewnątrz którego umieszczony jest nieruchomy ślimak (11), w którego wnętrzu ukształtowane są celki (8), zaś w korpusie (3) znajduje się umieszczony z nim współosiowo podajnik łopatkowy (10), na którego wale umocowane są na tulejach (17) co najmniej trzy łopatki pozycjonujące (12) i jedna łopatka robocza (9) dla każdej celki (8), przy czym celki (8) rozciągają się na maksymalnie 4/5 długości wału podajnika łopatkowego (10) od strony wlotu karbonizatu (7) i znajdują się w dolnej połowie nieruchomego ślimaka (11), od strony jego wnętrza oraz wszystkie celki (8) są otwarte od góry, przy czym objętość robocza celek (8) zmniejsza się w kierunku wylotu karbonizatu (7) i celki (8) połączone są ze sobą krawędziami (16) pochylonymi do wylotu karbonizatu (7) pod kątem, zaś na pozostałej części wału znajduje się pierwszy podajnik ślimakowy (13), a komora reakcyjna znajduje się pod kątem w zakresie od 20 do 45 stopni do podłoża, przy czym część urządzenia od podajnika łopatkowego (10) znajduje się bliżej podłoża.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tuleje (17) znajdują się w pozycji, w której łopatki pozycjonujące (12) na poszczególnych tulejach (17) przesunięte są o te same kąty.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tuleje (17) znajdują się w pozycji, w której łopatki pozycjonujące (12) na poszczególnych tulejach (17) przesunięte są o różne kąty.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że łopatki pozycjonujące (12) na każdej tulei (17) są przesunięte względem siebie o równe kąty.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na końcu korpusu (3) bliższym podłożu znajduje się kompensator (20).

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kompensator (20) jest zbudowany w kształcie dwóch ściętych stożków odwróconych do siebie podstawami.

7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że korpus (3) posiada izolację termiczną zewnętrzną (23) oraz izolację termiczną wewnętrzną (22).

8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada co najmniej jeden radiator w postaci aluminiowej tarczy.