PL236270B1 - Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, a także urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarzania komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych wykorzystujący hydrotermalną reakcję karbonizowania, którego rezultatem jest otrzymanie biopaliwa przeznaczonego do stosowania samodzielnie lub w mieszance z paliwami stałymi. Przedmiotem wynalazku jest także urządzenie umożliwiające realizację tego sposobu, tj. urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, które jest w istocie konwektorem ogrzewanym spalinami.

Z polskiego opisu patentowego 218117 (publ. BUP Nr 22/2012 z dnia 22 października 2012 r.) znane jest rozwiązanie pt. „Sposób wytwarzania biopaliwa z osadów pofermentacyjnych, zwłaszcza pościekowych”. Sposób ten polega na uśrednieniu wilgotnych osadów i odpadów komunalnych o charakterze organicznym i połączeniu ich z rozdrobnionymi poliolefinami, a następnie poddaniu ich obróbce termicznej w obecności tzw. „żywej pary wodnej”. Mieszanina może zostać wzbogacona poprzez wprowadzenie do niej glinokrzemianów wapnia i glinu, mułu węglowego względnie biomasy w postaci słomy lub trocin.

Z innego polskiego opisu patentowego 186310 (publ. WUP Nr 12/2003 z dnia 31 grudnia 2003 r.) znane jest rozwiązanie pt. „Sposób otrzymywania paliw płynnych z odpadów potiolefinowych”. Rozwiązanie to polega na ogrzewaniu rozdrobnionych odpadów poliolefinowych w temperaturze od 180°C do 620°C, w obecności krzemianów metali ciężkich jako katalizatora, stosowanych w ilości od 1 do 30% wag. w przeliczeniu na masę surowca poliolefinowego. Szczególnie korzystny przebieg reakcji uzyskuje się w zakresie temperatur od 380°C do 450°C, stosując jako katalizatory krzemian żelaza Fe3+, kobaltu Co2+, niklu Ni2+, manganu Mn2+, chromu Cr3+, miedzi Cu2+, cynku Zn2+, kadmu Cd2+. Zastosowany katalizator, po użyciu może być zawracany i ponownie używany do prowadzenia procesu.

Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego 381786 (publ. BUP Nr 18/2008) znane jest także rozwiązanie pt. „Paliwo alternatywne i sposób wytwarzania paliwa alternatywnego z osadów pościekowych i wydzielonych frakcji odpadów komunalnych”. W rozwiązaniu tym paliwo alternatywne składa się z osadów pościekowych odwodnionych o uwodnieniu około 80% w ilości od 25% do 50%, wysegregowanych frakcji odpadów komunalnych o charakterze organicznym w ilości od 10% do 20% oraz biomasy w postaci słomy rzepakowej i/lub trocin i/lub wiórów w ilości od 50% do 75%. Sposób wytwarzania paliwa alternatywnego polega na tym, iż odwodnione w procesie oczyszczania ścieków osady oraz rozdrobnione frakcje odpadów organicznych wysegregowane z odpadów komunalnych, po ich wstępnym podsuszeniu, miesza się z rozdrobnionym drugim półproduktem będącym biomasą. Mieszaninę tę poddaje się procesowi podsuszenia, mielenia i dalszemu odparowaniu. Po uzyskaniu jednorodnej sypkiej masy doprowadza się materiał do maszyny granulującej, a następnie poddaje się szybkiemu schłodzeniu.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie nowego sposobu produkcji biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, który nie wymagałby na żadnym etapie stosowania temperatury powyżej 600°C ani specjalnych warunków ciśnieniowych, ani też nie wymagałby wzbogacania tak powstałego paliwa odpadami kopalnymi. Celem wynalazku jest również opracowanie urządzenia, w którym możliwa byłaby realizacja opracowanego sposobu, i w którym medium o podwyższonej temperaturze - którym są spaliny - nie ekspirowałoby zbyt szybko i jego nieprzenikanie do atmosfery nie byłoby połączone ze zbędną utratą energii.

Istota opracowanego sposobu produkcji biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, gdzie przygotowuje się surowce wsadowe, które zawierają osady pościekowe, wodę i polimery i poddaje się je obróbce termicznej, polega na tym, że sporządza się wsad o zawartości wody od 5% do 27%, korzystnie 25% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji, zaś odpowiednio pozostałą część masy wsadu, tj. najkorzystniej 75% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji stanowią: komunalne osady pościekowe, wytłoki i inne odpady biologiczne (biodegradowalne) w ilości od 40% do 70%, korzystnie 50% tej części masy oraz polimery, korzystnie rozdrobnione poliolefiny stałe w ilości od 35% do 45%, korzystnie 40% tej części masy oraz inne dodatki w ilości od 1% do 15%, korzystnie 10% tej części masy. Następnie wsad miesza się, uśrednia się masę wsadu, po czym masę tę granuluje się, a następnie tak wytworzony granulat wprowadza się podajnikiem do konwektora, w którym stale mieszając gwałtownie ogrzewa się go do temperatury od 400 do 600°C, korzystnie około 400°C w czasie od 5 do 15 s i gotowe paliwo kieruje się do wysypu.

Zwykle, aby podnieść temperaturę w konwektorze wprowadza się do niego gorący gaz.

PL 236 270 B1

Najczęściej podawany podajnikiem granulat przesuwa się wzdłuż rynny w przeciwprądzie do ogrzewającego konwektor gorącego gazu, czynnikiem grzewczym w postaci gorącego gazu ogrzewa głównie dolną część rynny i granulat, który przesuwa się wzdłuż rynny w kierunku od podajnika do wysypu, rozchodząc się promieniście zgodnie z kształtem wewnętrznej spirali, przy czym część gorącego gazu kieruje się w stronę ścian rynny.

Korzystnie, poddawany obróbce termicznej granulat przesuwa się w konwektorze przeciwbieżnymi spiralami: zewnętrzną bezosiową spiralą i wewnętrzną spiralą obracającymi się w odwrotnych kierunkach i przesuwającymi granulat w odwrotnych kierunkach. Przy czym, podawany podajnikiem granulat przesuwa się zgodnie z kierunkiem zewnętrznej bezosiowej spirali, w kierunku od podajnika do wysypu wzdłuż rynny.

Zazwyczaj, jako jeden z surowców wsadowych dodaje się inne polimery, w tym PET, które nie zawierają w swoim składzie metali ciężkich, chloru, rtęci i dużego stężenia innych metali ciężkich.

Zwykle, jako jeden z surowców wsadowych dodaje się osady pofermentacyjne i stabilizowane z suszarni nisko- i wysokotemperaturowych, z suszarni słonecznych, z suszarni fluidalnych, z lagun lub z poletek ociekowych.

Najczęściej, surowce wsadowe, przed ich połączeniem, poddaje się wstępnej obróbce i rozdrabnia się je.

Korzystnie, poużytkowe poliolefiny stałe, które są jednym z surowców wsadowych, wprowadza się w postaci granulatu, względnie proszku do mieszanki wsadowej.

Przeważnie, jako inne dodatki, stanowiące jeden z surowców wsadowych - wprowadza się substancje zabezpieczające masę wsadową przed gniciem, w tym korzystnie wodorotlenek wapnia w ilości od 1% do 5% oraz śladowe ilości amin.

Na ogół, etap mieszania wsadu przeprowadza się w granulatorze z elektronicznym podajnikiem surowców, pracującym cyklicznie w okresach od 120 do 600 s, przy czym w trakcie jednego cyklu pracy granulatora wsypuje się do niego porcję surowców wsadowych, po czym wprowadzony materiał na początku cyklu miesza się z prędkością najkorzystniej od 800 do 1200 obrotów na minutę, a następnie obroty te zmniejsza się do prędkości od 30 do 40 obrotów na minutę, zaś cykl pracy granulatora zamyka się opróżnieniem granulatora i usunięciem z niego powstałych tu granul.

Najczęściej, ogrzewający konwektor gorący gaz - stanowią spaliny wytwarzane przez silnik.

Zazwyczaj, gorący gaz wprowadzany jest do konwektora przez dysze równolegle do spiral, do środkowej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali i wewnętrznej spirali.

Korzystnie, otrzymane paliwo podaje się przenośnikiem na trójpokładowe sito, część przeznaczoną do współspalania z innymi paliwami kieruje się do mieszalnika i miesza z paliwami stałymi, a pozostałą część pakuje się w worki lub składuje się luzem.

Istota opracowanego urządzenia do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, w którym prowadzi się proces obróbki termicznej granulatu zawierającego surowce wsadowe - polega na tym, że stanowi je konwektor z podajnikiem do wprowadzania granulatu oraz wysypem do wyprowadzania gotowego paliwa, pomiędzy podajnikiem a wysypem konwektor ma rynnę z górną pokrywą, przy czym rynna ma zewnętrzną bezosiową spiralę, którą stanowi skręcony pas z wewnętrzną, wzdłużną wolną przestrzenią w środku z wewnętrzną spiralą o przeciwnym skręcie.

Zwykle, szerokość wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali stanowi dwukrotność szerokości wstęgi wewnętrznej spirali i korzystnie obie spirale są połączone ze sobą na ich początku i końcu w miejscach stykania się wstęg (rysunek fig. 3).

Korzystnie, zewnętrzna bezosiowa spirala i wewnętrzna spirala są napędzane przez ten sam mechanizm napędowy.

Na ogół, mechanizm napędowy znajduje się po jednej stronie rynny, natomiast po przeciwległej jej stronie znajduje się wlot dyszy z gorącym powietrzem.

Przeważnie, zainstalowana w konwektorze rynna wykonana jest z dobrze zaizolowanej, korzystnie andaluzytowej ceramiki, jest ona od 8 do 15 metrowa i ma promień od 30 do 80 cm.

Sposób według wynalazku pozwala na wydajną i bezodpadową utylizację komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, zaś opracowany konwektor pozwala na przeprowadzenie tego procesu w sposób przyjazny dla środowiska w urządzeniu dostosowanym do realizacji opracowanego procesu.

PL 236 270 B1

W wyniku przetwarzania odpadów uzyskiwane jest biopaliwo możliwe do stosowania samodzielnie lub w mieszance z paliwami stałymi. Opracowana metoda przetwarzania nie wymaga dla przeprowadzenia reakcji hydrotermalnej prowadzenia jej w bardzo wysokich temperaturach, ani też w warunkach wysokiego ciśnienia. Wobec tego, koszty zapewnienia odpowiednich warunków przeprowadzenia reakcji są stosunkowo niewysokie, ponieważ większość znanych metod przewiduje przeprowadzanie zbliżonych procesów w temperaturze powyżej 900°C lub w warunkach punktu krytycznego wody, tj. w temperaturze powyżej 374°C i ciśnieniu 22,5 MPa.

W trakcie opracowanego procesu - mimo że nie jest on prowadzony w ekstremalnych warunkach - zanieczyszczenia zawarte w osadach przenikają do wody i podlegają w niej rozpadowi, ponieważ temperatura, w jakiej przebiega proces jest wystarczająca dla wywołania zjawiska termolizy. W jej wyniku i w tych warunkach w wodzie nie pozostają toksyny, które nie zostałyby zdegradowane w trakcie prowadzonego znanymi sposobami spalania niskotemperaturowego odpadów. W trakcie termolizy następuje też rozkład związków organicznych (skracanie łańcuchów organicznych), które są zawarte w odpadach (termoliza poliolefin oraz niektórych toksyn). W wyniku procesu powstają również nowe związki organiczne o krótkich łańcuchach, które nie wchodziły w skład mieszaniny surowców na początku reakcji.

Dotychczas podobnie skuteczny rozpad toksyn osiągano w trakcie spalania w temperaturze powyżej 900° do 1200°C (obrońcy przyrody krytykują paleniska niskotemperaturowe jako nieprzyjazne dla środowiska, ponieważ w nich niemożliwe jest przeprowadzenie rozkładu toksyn).

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania oraz na rysunkach, na których:

fig. 1 - przedstawia widok boczny konwektora z odsłoniętymi spiralami, a fig. 2 i fig. 3 - przedstawiają widoki aksonometryczne z różnym rozwiązaniem kształtów spirali.

Proces wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według wynalazku przebiega w czterech etapach, które stanowią:

• przygotowanie surowców wsadowych, • granulacja, • konwersja hydrotermalna granulatu oraz • sortowanie i pakowanie produktu.

Odpowiednie sporządzenie wsadu pozwala uzyskać właściwą zawartość wody w granulacie przetwarzanym w dalszych etapach opracowanego procesu, która wynosi od 5% do 27%, korzystnie 25% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji. Pozostałą, odpowiednią część masy wsadu, tj. korzystnie 75% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji stanowią:

- komunalne osady pościekowe, wytłoki i inne odpady biologiczne (biodegradowalne) w ilości od 40% do 70%, korzystnie 50% tej części masy,

- polimery (rozdrobnione poliolefiny stałe) w ilości 35% do 45%, korzystnie 40% tej części masy (w których co do zasady nie występuje woda, a jeżeli to śladowe jej ilości skupione na powierzchni rozdrobnionych poliolefin stałych) oraz

- inne dodatki w postaci substancji zabezpieczających masę wsadową przed zagniwaniem w ilości od 1% do 15%, korzystnie 10% tej części masy (w tym np.: od 1% do 3% wapna i śladowe ilości amin).

Wskazana na wstępie woda, jako składnik masy wsadowej wprowadzana do środowiska reakcji ułatwia, a właściwie umożliwia przebieg kolejnego etapu procesu (tj. granulacji), zaś później stanowi składnik granulatu powstałego z mieszaniny surowców, który to granulat jest bazą przeprowadzanego procesu produkcji paliwa.

Przy przygotowywaniu surowców wsadowych można zastosować inne polimery, na przykład PET, które nie zawierają w swoim składzie metali ciężkich, chloru, rtęci i dużego stężenia innych metali ciężkich. Opracowana metoda jest zgodna z normami CEN (Europejskiego Komitetu Normalizacyjnego CEN - European Committee for Standardization), które ograniczają dopuszczalne stężenia rtęci i chloru w paliwach.

Jak wyżej wskazano, realizacja pierwszego etapu procesu polega na przygotowaniu i wstępnym wymieszaniu surowców wsadowych, które stanowią przede wszystkim komunalne osady pościekowe, osady i wytłoki owocowe, poużytkowe poliolefiny stałe oraz dodatki chemiczne. Wszystkie ścieki komunalne zawierają od 1% do 3% osadów, których skład jest różny w zależności od lokalizacji oczyszczalni, w której zostały one zgromadzone. Osady takie z reguły tworzą koloidalną zawiesinę zawierającą białka,

PL 236 270 B1 cukry, detergenty, tłuszcze, metale ciężkie i inne związki chemiczne. Ich koloidalna postać utrudnia wydajne filtrowanie i suszenie, dlatego stosuje się w tym celu różne technologie. W sposobie według wynalazku mogą zostać wykorzystane także osady pofermentacyjne i stabilizowane z suszarni systemu Kleina (nisko- i wysokotemperaturowych), z suszarni słonecznych, z suszarni fluidalnych, z lagun i poletek ociekowych. Ponieważ osady i wytłoki owocowe cechują się wysoką wilgotnością, niewielką zawartością węgla i stosunkowo dużą zawartością popiołu, a niektóre z nich mogą zawierać płatki pektyn ze skórek owocowych, które utrudniałyby granulację w kolejnym etapie procesu - wobec tego w opisanym procesie surowce te są dodatkowo na wstępie rozdrabniane.

Poużytkowe poliolefiny stałe, które są jednym z surowców wsadowych, wprowadza się do wsadu w postaci granulatu, względnie proszku innych polimerów. Zawartość polimerów we wsadzie dobierana jest w zależności od wymaganej, docelowej kaloryczności produkowanego paliwa. Natomiast wprowadzane pośród innych surowców wsadowych dodatki chemiczne do wsadu to najczęściej wodorotlenek wapnia oraz śladowe ilości amin, które zapobiegają rozwojowi procesów gnilnych składników biologicznych.

Drugi etap procesu polega na - najpierw bardzo szybkim i intensywnym, a później wolnym - wymieszaniu wsadu, co powoduje jego uśrednienie i granulację. W czasie mieszania wsadu wykształcają się tzw. „agregaty, wokół których nabudowują się granule 1. Etap ten korzystnie przeprowadza się w granulatorze z elektronicznym podajnikiem surowców, pracującym cyklicznie w okresach od 120 do 600 s. W trakcie jednego cyklu pracy granulatora wsypuje się do niego porcję surowców wsadowych, po czym wprowadzony materiał na początku cyklu miesza się z prędkością najkorzystniej około od 800 do 1200 obrotów na minutę, a następnie obroty te zmniejsza się do prędkości najkorzystniej około od 30 do 40 obrotów na minutę. Cykl pracy granulatora zamyka opróżnienie granulatora i usunięcie z niego powstałych tu granul 1.

Otrzymany granulat zawiera najkorzystniej 25% wody oraz cechuje się wytrzymałością mechaniczną pozwalającą na transport przenośnikiem taśmowym i śrubowym do konwektora 2. W wyniku realizacji drugiego etapu procesu uzyskuje się granule 1 o właściwej gęstości od 0,2 do 0,6 masy innych paliw stałych oraz o średnicy od 0,1 do 20 mm.

Celem i zaletą wytworzenia granul 1 poddawanych następnie obróbce termicznej jest to, że w kolejnym etapie (konwersji) wszystkie reakcje jednostkowe zachodzą wewnątrz granuli 1, a każda z nich stanowi niejako oddzielny reaktor.

W trzecim etapie procesu granulat, który stanowią granule 1 jest wprowadzany do konwektora 2 i wystarczające jest utrzymywanie w trakcie procesu niewielkiego ciśnienia w środku granul 1 z uwagi na występowanie temperatury podkrytycznej wody w temperaturze reakcji konwersji.

Granule 1 zawierające surowce wsadowe w temperaturze panującej w konwektorze 2 są ogrzewane gwałtownie do temperatury około 400°C w całej objętości granulatu przez czas od 10 do 15 s. Czas działania gazów (spalin) wydłuża się dzięki temu, że są przetrzymywane dłużej przez wytwarzany w urządzeniu przeciwprąd. W wytworzonych, specyficznych warunkach woda wprowadzana jest w stan podkrytyczny, ma formę gazowo-parową, zaś w środku granuli 1 powstaje niewielkie ciśnienie, korzystnie 100 milibarów, które powoduje porowanie granul 1. W wyniku tego zjawiska ciężar właściwy paliwa uzyskanego w wyniku procesu wynosi korzystnie 0,2 do 0,6 ciężaru innych paliw stałych.

Opisany, trzeci etap procesu polega na konwersji, na którą składa się wiele reakcji chemicznych, które zachodzą, gdy granula 1 zostaje gwałtownie ogrzana do temperatury powyżej 400°C. W takich warunkach woda znacząco zmienia swoje właściwości - m.in. następuje zerwanie większości wiązań wodorowych, spadek wartości stałej dielektrycznej, wzrost iloczynu jonowego (a więc stężenia jonów hydroniowych H3O+ i jonów hydroksylowych OH^-), spadek lepkości i napięcia powierzchniowego, wzrost współczynnika dyfuzji. Dzięki temu, woda może być reagentem, rozpuszczalnikiem niepolarnym i katalizatorem równocześnie, co jest istotą reakcji hydrotermalnych. Wszystkie te reakcje trwają krótko i pozwalają na prowadzenie konwersji w systemie ciągłym. Korzystnie, proces konwersji jest przeprowadzany w konwektorze 2, wykonanym z dobrze zaizolowanej ceramicznej, około od 8 do 15 metrowej, o promieniu od 30 do 80 cm, korzystnie andaluzytowej rynny 3, osłoniętej górną przykrywą 4. W rynnie 3 zamontowana jest zewnętrzna bezosiowa spirala 5 o większym promieniu, którą stanowi niejako skręcony pas, w środku którego, wzdłużnie powstaje wolna przestrzeń, w której umieszczony jest także pas tworzący wewnętrzną spiralę 6 o mniejszym promieniu i skręconą w przeciwnym kierunku. Jeśli zewnętrzna bezosiowa spirala 5 ma skręt prawy, wówczas wewnętrzna spirala 6 ma skręt lewy i odwrotnie. Przy czym, najkorzystniej szerokość wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali 5 stanowi dwukrotność sze

PL 236 270 B1 rokości wstęgi wewnętrznej spirali 6. Wewnętrzna spirala 6 wydłuża znacznie czas przebywania granulatu w konwektorze 2. Obie spirale są napędzane przez ten sam mechanizm napędowy i są połączone ze sobą w miejscach stykania się wstęg, z których są wykonane.

Mniejszy promień wewnętrznej spirali 6 umożliwia jej swobodne umieszczenie w wolnej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali 5, umożliwiając ich bezkolizyjną pracę oraz przesuwanie znajdującej się wokół materii w przeciwnych kierunkach. Przy czym, zewnętrzna bezosiowa spirala 5 - swą większą powierzchnią płaszczyzny, a wobec tego swą większą płaszczyzną roboczą - narzuca finalny kierunek przesuwania się granulatu w kierunku od podajnika 7 do wysypu 8.

Podawany podajnikiem 7 granulat jest przesuwany głównie pracującą zewnętrzną bezosiową spiralą 5 wzdłuż rynny 3 w przeciwprądzie do ogrzewającego konwektor 2 gorącego gazu, korzystnie spalin (na przykład wytwarzanych przez silnik 9 lub pochodzących z innego źródła, na przykład wytwarzanych w palniku) wprowadzanych przez dyszę lub dysze równolegle do spiral. Istotny jest tutaj zastosowany sposób prowadzenia spalin w układzie, przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunkach, na których przedstawiono schemat obiegu spalin w konwektorze 2. Ogrzewające spaliny są wprowadzane do środkowej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali 5 i wewnętrznej spirali 6, co zapewnia równomierne ogrzewanie surowca wsadowego i tworzących się granuli 1. Czynnik grzewczy ogrzewa głównie dolną część rynny 3 i granulat, który przesuwa się wzdłuż rynny 3 w kierunku od podajnika 7 do wysypu 8. Rozchodząc się promieniście zgodnie z kształtem wewnętrznej spirali 6 część spalin skierowana zostaje w kierunku ścian rynny 3. Po przejściu przez konwektor 2 granulat stanowiący gotowe paliwo ma korzystnie temperaturę od 70 do 120°C i przybiera postać granuli 1 o średnicy od 0,1 do 20 mm.

W ostatnim, czwartym etapie procesu następuje podział produktu na frakcje. Otrzymane paliwo podawane jest przenośnikiem na trójpokładowe sito, gdzie jest frakcjonowane. Część przeznaczona do współspalania z innymi paliwami zostaje skierowana do mieszalnika i wymieszana z paliwami kopalnymi w proporcji żądanej przez nabywców. Pozostała część zostaje zapakowana w worki lub składowana jest luzem.

P r z y k ł a d wykonania I:

Proces wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, przeprowadzony zostaje w czterech etapach i są to:

• przygotowanie wsadu, • granulacja, • konwersja hydrotermalna granulatu, • sortowanie i pakowanie.

Na wstępie przygotowuje się wsad o zawartości wody 25% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji. Pozostałą część masy wsadu, tj. 75% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji stanowią:

- komunalne osady pościekowe, wytłoki i inne odpady biologiczne (biodegradowałne) w ilości 50% tej części masy,

- polimery (rozdrobnione poliolefiny stałe) w ilości 40% tej części masy (w których występują śladowe ilości wody skupione na powierzchni rozdrobnionych poliolefin stałych) oraz

- dodatek chemiczny w postaci substancji biobójczych, w tym przypadku wapna w ilości 10% tej części masy.

Materiały wsadowe miesza się, przy czym większe ich fragmenty (zwłaszcza wytłoki owocowe) wcześniej rozdrabnia się, poliolefiny proszkuje się, także rozdrabnia lub granuluje przed ich wprowadzeniem do masy wsadowej, zaś osady pościekowe osusza się wcześniej w suszarni niskotemperaturowej Kleina.

Drugi etap procesu polega na - najpierw bardzo szybkim i intensywnym, a później wolnym - wymieszaniu wsadu, co powoduje jego uśrednienie i granulację składu. W czasie mieszania wsadu wykształcają się tzw. „agregaty”, wokół których nabudowują się granule 1. Etap ten przeprowadza się w granulatorze z elektronicznym podajnikiem surowców, pracującym cyklicznie w okresach 400 s. W ramach jednego cyklu pracy granulatora wsypuje się do niego porcję surowców wsadowych, po czym wprowadzony materiał na początku cyklu miesza się z prędkością około 1000 obrotów na minutę, zaś następnie obroty te zwalnia się do prędkości około 35 obrotów na minutę. Cykl pracy granulatora zamyka opróżnienie granulatora i usunięcie z niego powstałych tu granul 1.

Otrzymany granulat zawiera około 27% wody oraz cechuje się wytrzymałością mechaniczną pozwalającą na transport przenośnikiem taśmowym i śrubowym do konwektora 2. W wyniku realizacji drugiego etapu procesu uzyskuje się granule 1 o właściwej gęstości 0,5 masy innych paliw stałych.

PL 236 270 B1

Celem i zaletą wytworzenia granul 1 poddawanych następnie obróbce termicznej jest to, że w kolejnym etapie (konwersji) wszystkie reakcje jednostkowe zachodzą wewnątrz granuli 1, a każda z nich stanowi niejako oddzielny reaktor.

W trzecim etapie procesu granulat w postaci granuli 1 wprowadzany jest do konwektora 2, dzięki czemu wystarczające jest utrzymywanie w trakcie procesu niewielkiego ciśnienia w środku granul 1 z uwagi na występowanie temperatury podkrytycznej wody w temperaturze reakcji konwersji.

Granule 1 zawierające surowce wyjściowe w temperaturze panującej w konwektorze 2 są ogrzewane gwałtownie do temperatury około 400°C w całej objętości granulatu w czasie 15 s. Tworzą się tu specyficzne warunki dla wody i powstaje wówczas woda w stanie podkrytycznym, która ma formę gazowo-parową, zaś w środku granuli 1 powstaje niewielkie ciśnienie, zwykle 100 milibarów, które powoduje porowanie granul 1. W wyniku tego ciężar właściwy paliwa uzyskanego w wyniku procesu wynosi korzystnie 0,5 ciężaru typowych innych paliw stałych.

Opisany proces konwersji jest przeprowadzany w konwektorze 2, wykonanym z dobrze zaizolowanej ceramicznej 10 metrowej i o promieniu około 70 mm, andaluzytowej rynny 3, osłoniętej górną przykrywą 4. W rynnie 3 zamontowana jest zewnętrzna bezosiowa spirala 5 o większym promieniu, którą stanowi niejako skręcony pas, w środku którego, wzdłużnie powstaje wolna przestrzeń, w której umieszczony jest także pas tworzący wewnętrzną spiralę 6 o mniejszym promieniu i skręconą w przeciwnym kierunku. Zewnętrzna spirala bezosiowa 5 ma skręt prawy, a wewnętrzna spirala 6 ma skręt lewy. Szerokość wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali 5 stanowi dwukrotność szerokości wstęgi wewnętrznej spirali 6. Wewnętrzna spirala 6 wydłuża znacznie czas przebywania granulatu w konwektorze 2. Obie spirale są napędzane przez ten sam mechanizm napędowy.

Mniejszy promień wewnętrznej spirali 6 umożliwia jej swobodne umieszczenie w wolnej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali 5, umożliwiając ich bezkolizyjną pracę oraz przesuwanie ma terii wokół w przeciwnych kierunkach. Przy czym, zewnętrzna bezosiowa spirala 5 - swą większą powierzchnią płaszczyzny, a wobec tego swą większą płaszczyzną roboczą - narzuca finalny kierunek przesuwania się granulatu oraz granul 1 w kierunku od podajnika 7 do wysypu 8.

Podawany podajnikiem 7 granulat jest przesuwany głównie pracującą zewnętrzną bezosiową spiralą 5 wzdłuż rynny 3 w przeciwprądzie do ogrzewających konwektor 2 spalin, wprowadzanych przez dysze równolegle do spiral. Ogrzewające spaliny są wprowadzane do środkowej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali 5 i wewnętrznej spirali 6, co zapewnia równomierne ogrzewanie granulatu. Czynnik grzewczy ogrzewa głównie dolną część rynny 3 i granulat, który przesuwa się wzdłuż osi rynny 3 w kierunku od podajnika 7 do wysypu 8. Rozchodząc się promieniście zgodnie z kształtem wewnętrznej spirali 6 część spalin skierowana zostaje w kierunku ścian rynny 3. Obrót wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali 5, a przede wszystkim wewnętrznej spirali 6 powoduje cykliczne skierowanie części strumienia spalin w kierunku ścian rynny 3. Po przejściu przez konwektor 2 granulat ma temperaturę od 70 do 120°C.

W ostatnim, czwartym etapie procesu następuje podział produktu na frakcje. Otrzymane paliwo podawane jest przenośnikiem na trójpokładowe sito. Część przeznaczona do współspalania z innymi paliwami zostaje skierowana do mieszalnika i wymieszana z paliwami stałymi w proporcji żądanej przez nabywców. Pozostała część zostaje zapakowana w worki lub składowana jest luzem.

P r z y k ł a d wykonania II:

Proces wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według wynalazku przebiega w czterech etapach, które stanowią:

- przygotowanie wsadu,

- granulacja,

- konwersja granulatu,

- sortowanie i pakowanie produktu.

Odpowiednie sporządzenie wsadu pozwala uzyskać właściwą zawartość wody w granulacie przetwarzanym w dalszych etapach opracowanego procesu, która wynosi 20% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji. Pozostałą część masy wsadu, tj. 80% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji stanowią:

- komunalne osady pościekowe, wytłoki i inne odpady biologiczne (biodegradowalne) w ilości 60% tej części masy,

PL 236 270 B1

- polimery (rozdrobnione poliolefiny stałe) w ilości 37% tej części masy (w których co do zasady nie występuje woda, a jeżeli to śladowe jej ilości skupione na powierzchni rozdrobnionych poliolefin stałych) oraz

- inne dodatki w postaci substancji zabezpieczających masę wsadową przed gniciem w ilości 3% tej części masy (w tym np.: od 1 do 3% wapna).

Do przygotowywania surowców wsadowych zastosowane zostają polimery w postaci zgranulowanych wcześniej odpadów PET, które nie zawierają w swoim składzie metali ciężkich, chloru, rtęci i dużego stężenia innych metali ciężkich. Podobnie wytłoki owocowe - stanowiące jeden z elementów surowców wsadowych - zostają wcześniej rozdrobnione.

W drugim etapie procesu - najpierw bardzo szybko i intensywnie, a później wolno - miesza się wsad, co powoduje jego uśrednienie i granulację. W czasie mieszania wsadu wykształcają się tzw. „agregaty”, wokół których nabudowują się granule 1. Etap ten przeprowadza się w granulatorze bębnowym, przystosowanym do bębnowej granulacji ciągłej, w którym powstają granule 1.

Otrzymany granulat zawiera około 20% wody oraz cechuje się wytrzymałością mechaniczną pozwalającą na transport przenośnikiem taśmowym i śrubowym do konwektora 2. W wynik u realizacji drugiego etapu procesu uzyskuje się granule 1 o właściwej gęstości od 0,2 do 0,6 masy innych paliw stałych oraz o średnicy od 0,1 do 20 mm.

W trzecim etapie procesu granulat (który stanowią granule 1) jest wprowadzany do konwektora 2 i wystarczające jest utrzymywanie w trakcie procesu niewielkiego ciśnienia w środku granul 1 z uwagi na występowanie temperatury podkrytycznej wody w temperaturze reakcji konwersji.

Granule 1 zawierające surowce wsadowe w temperaturze panującej w konwektorze 2 są ogrzewane gwałtownie do temperatury około 600°C w całej objętości granulatu przez 10 s. W tych specyficznych warunkach woda wprowadzana jest w stan podkrytyczny, ma postać gazowo-parową, zaś w środku granuli 1 powstaje niewielkie ciśnienie, korzystnie 100 milibarów, które powoduje porowanie granul 1. W wyniku tego zjawiska ciężar właściwy paliwa uzyskanego w wyniku procesu wynosi korzystnie od 0,2 do 0,8 ciężaru typowych paliw.

Korzystnie, proces konwersji jest przeprowadzany w konwektorze 2 wykonanym z dobrze zaizolowanej ceramicznej, około 8 metrowej, o promieniu 30 cm rynny 3, osłoniętej górną przykrywą 4. W rynnie 3 zamontowana jest zewnętrzna bezosiowa spirala 5 o większym promieniu, którą stanowi niejako skręcony pas, w środku którego, wzdłużnie powstaje wolna przestrzeń, w której umieszczony jest także pas tworzący wewnętrzną spiralę 8 o mniejszym promieniu i skręconą w przeciwnym kierunku. Zewnętrzna spirala bezosiowa 5 ma skręt lewy, a wewnętrzna spirala 6 ma skręt prawy. Przy czym, szerokość wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali 5 stanowi półtorakrotną szerokość wstęgi wewnętrznej spirali 8. Wewnętrzna spirala 6 wydłuża znacznie czas przebywania granulatu w konwektorze 2. Obie spirale są napędzane przez ten sam mechanizm napędowy.

Zewnętrzna bezosiowa spirala 5 - swą większą powierzchnią płaszczyzny, a wobec tego swą większą płaszczyzną roboczą - narzuca finalny kierunek przesuwania się granulatu w kierunku od podajnika 7 do wysypu 8.

Podawany podajnikiem 7 granulat jest przesuwany głównie pracującą zewnętrzną bezosiową spiralą 5 wzdłuż rynny 3 w przeciwprądzie do ogrzewającego konwektor 2 gorącego gazu, spalin wytwarzanych przez silnik 9 i wprowadzanych przez dysze równolegle do spiral.

W ostatnim, czwartym etapie procesu następuje podział produktu na frakcje. Paliwo podawane jest przenośnikiem na trójpokładowe sito. Część przeznaczona do współspalania z innymi paliwami zostaje skierowana do mieszalnika i wymieszana z paliwami stałymi w proporcji żądanej przez nabywców. Pozostała część zostaje zapakowana w worki lub składowana jest luzem.

Wykaz elementów:

1. granula;

2. konwektor;

3. rynna;

4. górna przykrywa;

5. zewnętrzna bezosiowa spirala;

6. wewnętrzna spirala;

7. podajnik;

8. wysyp;

9. silnik.

Claims (18)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, polegający na tym, że przygotowuje się surowce wsadowe, które zawierają osady pościekowe, wodę i polimery i poddaje się je obróbce termicznej, znamienny tym, że sporządza się wsad o zawartości wody od 5% do 27%, korzystnie 25% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji, zaś odpowiednio pozostałą część masy wsadu, tj. najkorzystniej 75% masy w składzie mieszaniny surowców na początku reakcji stanowią: komunalne osady pościekowe, wytłoki i inne odpady biologiczne (biodegradowalne) w ilości od 40% do 70%, korzystnie 50% tej części masy oraz polimery, korzystnie rozdrobnione poliolefiny stałe w ilości od 35% do 45%, korzystnie 40% tej części masy oraz inne dodatki w ilości od 1% do 15%, korzystnie 10% tej części masy, a następnie wsad miesza się, uśrednia się masę wsadu, po czym masę tę granuluje się, a następnie tak wytworzony granulat wprowadza się podajnikiem (7) do konwektora (2), w którym stale mieszając gwałtownie ogrzewa się go do temperatury od 400 do 600°C korzystnie około 400°C w czasie od 5 do 15 s i gotowe paliwo kieruje się do wysypu (8).
2. 2. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1, znamienny tym, że aby podnieść temperaturę w konwektorze (2) wprowadza się do niego gorący gaz.
3. 3. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że podawany podajnikiem (7) granulat przesuwa się wzdłuż rynny (3) w przeciwprądzie do ogrzewającego konwektor (2) gorącego gazu, czynnikiem grzewczym w postaci gorącego gazu ogrzewa się głównie dolną część rynny (3) i granulat, który przesuwa się wzdłuż rynny (3) w kierunku od podajnika (7) do wysypu (8), rozchodzi się promieniście zgodnie z kształtem wewnętrznej spirali (6), przy czym część gorącego gazu kieruje się w stronę ścian rynny (3).
4. 4. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że poddawany obróbce termicznej granulat przesuwa się w konwektorze (2) przeciwbieżnymi spiralami: zewnętrzną bezosiową spiralą (5) i wewnętrzną spiralą (6) obracającymi się w odwrotnych kierunkach i przesuwającymi granulat w odwrotnych kierunkach, przy czym podawany podajnikiem (7) granulat przesuwa się zgodnie z kierunkiem zewnętrznej bezosiowej spirali (5), w kierunku od podajnika (7) do wysypu (8) wzdłuż rynny (3).
5. 5. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako jeden z surowców wsadowych dodaje się polimery, w tym PET, które nie zawierają w swoim składzie metali ciężkich, chloru, rtęci i dużego stężenia innych metali ciężkich.
6. 6. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako jeden z surowców wsadowych dodaje się osady pofermentacyjne i stabilizowane z suszarni nisko- i wysokotemperaturowych, z suszarni słonecznych, z suszarni fluidalnych, z lagun lub z poletek ociekowych.
7. 7. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo 5 albo 6, znamienny tym, że surowce wsadowe, przed ich połączeniem poddaje się wstępnej obróbce i rozdrabnia się je.
8. 8. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo 5 albo 6 albo 7, znamienny tym, że poużytkowe poliolefiny stałe, które są jednym z surowców wsadowych, wprowadza się w postaci granulatu, względnie proszku do mieszanki wsadowej.
9. 9. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo 5 albo 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że jako inne dodatki, stanowiące jeden z surowców wsadowych wprowadza się substancje zabezpieczające masę wsadową przed gniciem, w tym korzystnie wodorotlenek wapnia w ilości od 1% do 5% oraz śladowe ilości amin.

   PL 236 270 B1
10. 10. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 1 albo jedne go z zastrz. od 5 do 9, znamienny tym, że etap mieszania wsadu przeprowadza się w granulatorze z elektronicznym podajnikiem surowców, pracującym cyklicznie w okresach od 120 do 600 s, przy czym w trakcie jednego cyklu pracy granulatora wsypuje się do niego porcję surowców wsadowych, po czym wprowadzony materiał na początku cyklu miesza się z prędkością najkorzystniej od 800 do 1200 obrotów na minutę, a następnie obroty te zmniejsza się do prędkości od 30 do 40 obrotów na minutę, zaś cykl pracy granulatora zamyka się opróżnieniem granulatora i usunięciem z niego powstałych tu granul (1).
11. 11. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że ogrzewający konwektor (2) gorący gaz, stanowią spaliny wytwarzane przez silnik (9).
12. 12. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według jednego z zastrz. od 1 do 4 albo 10, znamienny tym, że gorący gaz wprowadzany jest do konwektora (2) przez dysze równolegle do spiral, do środkowej przestrzeni zewnętrznej bezosiowej spirali (5) i wewnętrznej spirali (6).
13. 13. Sposób wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według jednego z zastrz. od 1 do 12, znamienny tym, że otrzymane paliwo podaje się przenośnikiem na trójpokładowe sito, część przeznaczoną do współspalania z innymi paliwami kieruje się do mieszalnika i miesza z paliwami stałymi, a pozostałą część pakuje się w worki lub składuje się luzem.
14. 14. Urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, w którym prowadzi się proces obróbki termicznej granulatu zawierającego surowce wsadowe, znamienne tym, że stanowi je konwektor (2) z podajnikiem (7) do wprowadzania granulatu oraz wysypem (8) do wyprowadzania gotowego paliwa, pomiędzy podajnikiem (7) a wysypem (8) konwektor (2) ma rynnę (3) z górną pokrywą (4), przy czym rynna (3) ma zewnętrzną bezosiową spiralę (5), którą stanowi skręcony pas, z wewnętrzną, wzdłużną wolną, przestrzenią w środku z wewnętrzną spiralą (6) o przeciwnym skręcie.
15. 15. Urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 14, znamienne tym, że szerokość wstęgi zewnętrznej bezosiowej spirali (5) stanowi dwukrotność szerokości wstęgi wewnętrznej spirali (6) i korzystnie obie spirale są połączone ze sobą na ich początku i końcu w miejscach stykania się wstęg.
16. 16. Urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 14 albo 15, znamienne tym, że zewnętrzna bezosiowa spirala (5) i wewnętrzna spirala (6) są napędzane przez ten sam mechanizm napędowy.
17. 17. Urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 14 albo 16, znamienne tym, że mechanizm napędowy znajduje się po jednej stronie rynny (3), natomiast po przeciwległej jej stronie znajduje się wlot dyszy z gorącym powietrzem.
18. 18. Urządzenie do wytwarzania biopaliwa z komunalnych osadów pościekowych, osadów i wytłoków owocowych oraz poużytkowych poliolefin stałych, według zastrz. 14, znamienne tym, że zainstalowana w konwektorze (2) rynna (3) wykonana jest z dobrze zaizolowanej, korzystnie andaluzytowej ceramiki, jest ona od 8 do 15 metrowa i ma promień od 30 do 80 cm.