UA52840C2 - Спосіб утилізації органічних відходів - Google Patents

Abstract

Спосіб включає піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при температурі 400-980°С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші, подальше її охолодження в багатоконтурній циркуляційній системі охолодження з розрахунковими кількістю контурів і температурами охолоджувачів, відбір важкої рідкої фракції та отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою, контроль значень молекулярної маси М рідкої фракції, отриманої на кінцевому контурі системи охолодження, при М>150 температуру охолоджувачів кожного контура, починаючи з першого, зменшують від розрахункової максимум на 50°С, а при М<150 - збільшують на 50°С, починаючи з останнього контура, а якщо значення М<150 не змінилось, тоді зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання температур сусідніх контурів, починаючи з температури першого контура.

Description

Винахід стосується методів термічної утилізації органічних побутових відходів, високомолекулярних органічних промислових та сільськогосподарських відходів і може бути використаний у комунальному господарстві, хімічній, нафтохімічній та інших галузях промисловості для регенерації вуглеводнів у рідкі, газоподібні та тверді палива.

Відомий "Спосіб утилізації відходів полімерних матеріалів" (див. авт. свід. СРСР Ме1201294 МКІ: СТО 1/10, опублік. 30.12.85 БВ Мо48), який включає піроліз без доступу повітря при температурі 400 - 98072 з отриманням багатокомпонентної парогазової суміші та твердого вуглецевого залишку, подальше охолодження парогазової суміші, розподіл її на компоненти у вигляді рідкої та газоподібної фракції, а твердий вуглецевий залишок подрібнюють і гранулюють разом зі змочувальною рідиною, потім висушують гранули, при цьому рідку фазу розділяють при допомозі відстоювання на легкі вуглеводні і суміш важких вуглеводнів та води, цю суміш використовують як змочувальну рідину для гранулювання.

Ознаки, що збігаються з суттєвими ознаками заявленого способу: процес термічного розкладу органічних відходів методом піролізу при температурі 400 - 9807С з утворенням багатокомпонентної паро газової суміші та твердого вуглецевого залишку; охолодження багатокомпонентної парогазової суміші та подальший розподіл її на рідку та газоподібну фракції.

Причини, які перешкоджають отриманню необхідного технічного результату:

Відомий спосіб передбачає первинний піроліз високомолекулярних відходів та одноступеневе охолодження багатокомпонентної парогазової суміші, при цьому продукти неповного розкладу потрапляють у парогазову суміш та вихідні продукти, в результаті цього неможливо досягти потрібного ступеню термічного розкладу. Згідно з відомим способом, можливе отримання рідкої фракції з молекулярною масою 300 методом відстоювання, але кількість її при цьому не перебільшує 495. Тому цей метод малоефективний і не дозволяє селективно управляти процесом піролізу для збільшення ступеня розкладу відходів і відповідно проценту виходу низькомолекулярної легкої фракції рідини.

Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого способу є "Спосіб утилізації органічних твердих побутових відходів" (див. заявку на патент України Ме99126630 від 07.12.99р. з рішенням про видачу патенту від 2.03.2000р), який включає первинний піроліз без доступу повітря при температурі 400 - 98072 з отриманням первинної багатокомпонентної парогазової суміші та твердого вуглецевого залишку, подальше охолодження парогазової суміші, та розподіл її на компоненти у вигляді рідкої та газоподібної фракцій, при цьому первинну парогазову суміш піддають послідовному багатоступеневому охолодженню з пониженням температури кожного ступеня, починаючи з початкової температури первинної парогазової суміші, на 70 - 100"С; отриману на кожному ступеню рідку фракцію окремих компонентів парогазової суміші повертають самопливом у реактор на рівень їй - у - Тр - сопві, де: її- температура п-го ступеня охолодження, "С; у - температура реактора на зазначеному рівні, "С; Тр - максимальна температура реактора, "С; забезпечуючи поєднання первинного піролізу з повторним піролізом окремих компонентів парогазової суміші, а залишену частину парогазової суміші направляють на наступний ступінь охолодження, процес ведуть до отримання на кінцевому ступені рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою в діапазоні 100 - 200, при цьому кількість ступенів охолодження знаходять за залежністю:

М- Їпгс - с (700-100рС де: М - кількість ступенів охолодження;

Ілес- початкова температура первинної парогазової суміші, "С; їс - температура кінцевого ступеня охолодження, "0.

Ознаки, які збігаються з суттєвими ознаками запропонованого способу: піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при температурі 400 - 980"С з утворенням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші; подача парогазової суміші на послідовну багатоступеневу систему охолодження (багатоконтурну циркуляційну систему охолодження) з розрахунковими кількостями контурів та температурами їх охолоджувачів, відбір важкої рідкої фракції на кожному контурі та подача її на піроліз у реактор до отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою в діапазоні 100 - 200.

Причини, які перешкоджають отриманню потрібного технічного результату:

Відомий спосіб забезпечує високий ступінь термічного розкладу органічних відходів з молекулярною масою достатньо високих значень - 100000 і більше. Але, як показала практика експлуатації установок, які використовують даний спосіб, при утилізації окремих партій відходів з невисокими молекулярними масами виникає так званий "перепал" вихідних продуктів. Це відбувається тому, що при утилізації відходів з молекулярною масою, наприклад, 10000, на установці з зазначеною кількістю контурів та їх температур, ступінь термічного розкладу набагато перевищує потрібний. А це, в свою чергу, приводить до появи в паливі великої кількості твердих вуглецевих часток, які забивають форсунки при використанні цього палмва, як котельного. Причому, такий недолік приводить до штучного зниження продуктивності відомого способу. В зазначених випадках виникає потреба в управлінні ступенем термічного розкладу.

В основу запропонованого винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб утилізації органічних відходів шляхом регулювання температури охолодження контурів, що дозволить управляти ступенем термічного розкладу органічних відходів з широким початковим діапазоном молекулярних мас, а це забезпечить зниження експлуатаційних затрат і підніме продуктивність установок на 2095 при отриманні якісного товарного рідкого палива.

Суть винаходу полягає у тому, що в способі утилізації органічних відходів, який включає піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при температурі 400 - 980"С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші, подальше її охолодження в багатоконтурній циркуляційній системі охолодження з розрахунковими кількістю контурів і температурами їх охолоджувачів, відбір важкої рідкої фракції та отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною молеклярною масою, згідно винаходу, здійснюють контроль значень молекулярної маси (М) рідкої фракції, отриманої на кінцевому контурі системи охолодження; при М » 150 температуру охолоджувачів кожного контуру, починаючи з першого, зменшують від розрахункової максимум на 50"С, а при М « 150 - збільшують на 50"С, починаючи з останнього контура, а якщо значення М « 150 не змінилося, тоді зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання температур сусідніх контурів, починаючи з температури першого контура.

Експлуатація піролізних установок, які використовують відомий спосіб, підтвердила, що основним чинником ефективності багатоконтурного піролізу є молекулярна маса вихідного рідкого палива, яка не повинна бути більше 200.

Проте, при утилізації органічних відходів з початковою малою молекулярною масою, наприклад 10000, ступінь їх розкладу повинен бути меншим, чим відходів з молекулярною масою 100000. Але якщо їх утилізувати на відомій установці з розрахованою кількістю контурів та їх температур, які визначають конструкцію піролізної установки, то при малих значеннях молекулярних мас відходів можливо отримати на виході паливо з М «« 100. У даному випадку утворюється "перепал" і невиправдано зменшується продуктивність установки, тому що спостерігається зайвий рух рідкої фракції по контурам і повернення її у реактор.

Зважаючи на вище викладене, незалежно від відходів, які подаються в реактор, та їх широкого діапазону молекулярних мас, наприклад, від 10000 до 100000 і більше, на виході молекулярну масу рідкої фракції контролюють. | якщо її значення М » 150, то температуру охолоджувачів кожного контуру, починаючи з першого, понижують від розрахункової максимум на 50"С при зазначеній кількості контурів. У цьому випадку кількість важкої рідкої фракції, яку відбирають на кожному контурі, збільшиться і відповідно буде збільшуватися ступінь розкладу продуктів піролізу. Якщо на виході рідка фракція палива буде мати М «150, температуру охолоджувачів кожного контуру, починаючи з останнього, збільшують від розрахункової максимум на 507"С. У цьому випадку відбирається важка рідка фракція менше, а відповідно і ступінь розкладу продуктів піролізу буде зменшуватися. Якщо ж і після цього значення М « 150 не змінюється, то зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання температур сусідніх контурів, починаючи з температури першого контуру. Наприклад, температура першого контуру має 350 ї- 50 - 400"С, і якщо температуру другого контуру також підняти до 400"С, то два контури стануть, як один контур. Тоді кількість відібраної важкої рідкої фракції на першому та другому контурах в сумі буде дорівнювати кількості рідини, відібраної на першому контурі, і відповідно ступінь розкладу продуктів піролізу ще більше зменшиться, що виключає "перепал", а значить, продуктивність способу збільшиться.

Таким чином, сукупність істотних ознак забезпечить можливість управління ступенем термічного розкладу початкових органічних відходів з широким діапазоном молекулярних мас, що дозволить зменшити енерговитрати, збільшити продуктивність способу на 2095 та отримати якісне рідке паливо.

Суть винаходу пояснюється кресленням (фіг.), де показана схема установки для реалізації запропонованого способу (стрілками позначені потоки):

В - відходи; С - пірокарбон; ПГС - парогазова суміш; Ік, Іїк, Пк - багатоконтурна циркуляційна система;

ВО - водяна система охолодження; ПГ - піролізний газ; РП - вихідна рідка фракція палива; т)- функція зміни молекулярної маси; Ці), (2), Кіз) - функції зміни температури охолоджувачів на контурах.

Установка для реалізації способу складається з реактора 1, бункера 2 для завантаження відходів та бункера З для відвантаження пірокарбону, патрубок 4 для відведення парогазової суміші з реактора 1 в багатоконтурну циркуляційну систему, яка має, наприклад, три контури Ік, Пк, Шк. Кожний контур має охолоджувачі 5, 6, 7 з повітряним охолодженням за рахунок вентиляторів відповідно 8, 9, 10 з індивідуальними електроприводами, які дають направлений потік холодного повітря на охолоджувачі, а також трубопроводами 11, 12, 13 для повернення у реактор 1 важкої рідкої фракції.

Охолоджувачі кожного контура мають датчики температури 14, 15, 16, при цьому параметр функції зміни температури Я) від кожного контура передається на блок управління 17 по зв'язкам 18, 19, 20.

Останній охолоджувач 7 з'єднаний з вихідним конденсатором 21 з водяним охолодженням. Індикатор 22 виробляє сигнал пропорційно параметру функції зміни молекулярної маси вихідного рідкого палива Кт) і передає на блок управління 17 по зв'язку 23, а електроприводи повітряного охолодження 8, 9, 10 управляються з блоку управління 17 по зв'язкам 24, 25, 26. Реактор 1 постачається шнеком 27 з приводом 28.

Спосіб здійснюють наступним чином:

Подрібнені органічні відходи (В) завантажують у бункер 2 з наступною подачею їх у реакторі, в якому вони пересуваються шнеком 27 з приводом 28. Відходи в реакторі 1 піддаються піролізу без доступу повітря при температурі 400 - 9807С з отриманням багатокомпонентної парогазової суміші (ПГС) та твердого вуглецевого залишку - пірокарбону (С), який відвантажується у бункер 3. Отриману ПГС через патрубок 4 з реактора 1 подають в багатоконтурну циркуляційну систему з охолоджувачами 5, 6, 7, в яких підтримується розрахункова температура, наприклад, на першому контурі Ік - 350"С, на Іїк - 2507С, на Пк - 15026.

Поскільки піроліз відходів проводять при температурі 8507"С, то ПГС на виході з реактору має температуру 600 - 700С і, проходячи через трьохконтурну систему охолоджувачів 5, 6, 7, нагріває їх, тому для підтримання розрахункових температур охолоджувачі необхідно постійно охолоджувати. Для цього звичайно використовують повітряне охолодження; відповідно 8, 9, 10. Таким чином, на 1-му контурі конденсуються у рідку фракцію найбільш важкі, висококиплячі складові, які неповністю розклалися і мають молекулярну масу набагато вищу за потрібну 200. Отриману важку фракцію рідини по трубопроводу 11 подають у реактор 1. Залишену більш легку частину ПГСО подають на 2-ий контур системи охолодження з температурою 250"С. Тут теж утворюються важкі фракції, але більш легкі, чим на 1-ому контурі, і не задовольняють вихідним вимогам. Далі їх подають по трубопроводу 12 у реактор, а залишену більш легку фракцію ПГС - на 3-іїй контур з температурою 150"С. Утворену рідку фракцію по трубопроводу 13 повертають у реактор 1, потім легку ПГСО подають на вихідний конденсатор 21, який охолоджується водою до температури не більше 50"С, звідки виходить рідка фракція - рідке паливо з зазначеною молекулярною масою 100 - 200. Постійний контроль молекулярної маси виконують за допомогою індикатора 22, який виробляє сигнал пропорційно параметру функції Кт) зміни молекулярної маси рідкого палива; сигнал передається на блок управління 17 по зв'язку 23.

Принцип роботи індикатора 22 заснований на періодичних вимірюваннях в'язкості вихідного рідкого палива. Так названий візкозиметричний метод дозволяє визначити середньо - в'язкістне значення молекулярної маси, пояснюється формулою:

М. тя Ї

УММ,; де: Мі - кількість молекул з молекулярною масою Мі ос - константа в рівнянні Марка-Хувінка |п| - КМУ, яке установлює залежність між характеристичною в'язкістю |п| та молекулярною масою М рідкого палива. (див. книгу: С. Мадорський «Термічний розклад органічних полімерів», переклад з англійського під редакцією С.Р. Рафікова «Мир», М, 1967, 3286.)

Іншими словами, робота індикатора 22 побудована на принципі пропорційної залежності в'язкості рідини від молекулярної маси |п| - М при зазначеній температурі.

Таким чином, при отриманні вихідної рідкої фракції з молекулярною масою М » 150 індикатор 22 видає сигнал (т) на блок управління 17, який збільшує напругу на приводі вентилятора 8, збільшуючи при цьому його оберти та інтенсивність обдування. В результаті цього температура його зменшується від розрахункової 3507С до 300"С. У цьому випадку кількість відібраної важкої рідкої фракції на першому контурі більша і відповідно збільшується ступінь розкладу продуктів піролізу.

Якщо при цьому значення М » 150 не змінюється, тоді блок управління збільшує напругу на приводі вентилятора 9, зменшуючи тим самим температуру охолоджувача б від 2507"С до 200"С. При цьому кількість важкої рідкої фракції, яка відбирається на другому контурі, теж збільшується, відповідно збільшується і ступінь розкладу продуктів піролізу.

Якщо і це не змінить співвідношення М » 150, тоді аналогічним чином знижують температуру на охолоджувачі 7 від 1507С до 100"С.

У цьому випадку збільшується кількість відібраної важкої рідкої фракції і на 3З-ому контурі, що також збільшить ступінь розкладу продуктів піролізу. Кожний охолоджувач 5, 6, 7 постачається температурним датчиком 14, 15, 16, який міряє температуру охолоджувача та видає сигнал Кі), Кг), (Із) по зв'язкам 18, 19, на блок управління 17, що є зворотним зв'язком по температурі для корегування швидкості обертів відповідного вентилятора системи повітряного охолодження охолоджувачів. Це достатньо для зміни співвідношення М » 150, при максимальних значеннях молекулярних мас відходів, що і підтвердилось у процесі експлуатації.

У випадку отримання рідкої фракції з М « 150 індикатор 22 видає відповідний сигнал (т) на блок управління 17, який зменшує напругу на приводі вентилятора, починаючи з 10-го, знижуючи при цьому його оберти. В результаті інтенсивність обдування охолоджувача 7 зменшують, а температуру підвищують від 1507С до 20070. У цьому випадку кількість відібраної важкої рідкої фракції на З-му контурі зменшується, відповідно рівень розкладу продуктів піролізу буде знижуватися. Якщо умова М « 150 не змінюється, тоді блок управління 17 послідовно підвищує температуру на охолоджувачі б від 2507"С до З00"С, Її на охолоджувачі 5 - від 3507С до 400"С, аналогічним чином, зменшуючи, відповідно, рівень розкладу продуктів піролізу.

Але якщо і ці дії не змінять значення М « 150, то зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання температур на сусідніх контурах, починаючи з температури першого контура. У цьому випадку зменшують оберти вентилятора 9 до поступового підвищення температури другого контура до 400"С (такої, як і в першого), тоді перший і другий контури стануть, як один контур. Відповідно кількість відібраної важкої рідкої фракції на обох контурах в сумі буде рівна кількості рідини, яку відбирають на першому контурі і т.д.

Відповідно рівень розкладу продуктів піролізу значно зменшиться.

Дослідження впливу залежності кількості виходу товарного рідкого палива від температурних залежностей кожного контуру і відповідно розподілу температури по довжині зон реактору та можливості, у зв'язку з цим, регулювання молекулярної маси вихідних продуктів піролізу, дозволили знайти кількісні закономірності і розробити кількісний критерій (індекс) с, який характеризує цю залежність.

Цей критерій представляє собою середню інтегральну температуру в кожній зоні реактору, починаючи з надходження важкої рідкої фракції від п-ного контура, модифіковану множником, який підсилює значення останньої (за ходом відходів, що утилізуються) по зонам реактора з підняттям температури в кожній наступній зоні до максимальної температури 7507С. Чим більше числове значення індекса с, тим більша довжина зони високих температур у реакторі.

Індекс С для реактора богатоконтурної циркуляційної системи приймає вигляд: в вк ко бокова лихо)

І а п 2 де Кк - фактор твердості, який ураховує відношення довжини зони реактора піролізу, що має температуру від 3507С до 750"С, до всієї довжини робочої зони реактора (для даної конструкції реактора Кк змінюється в межах 1,1 - 1,35); а, в - початок і кінець реактора; 9-середня інтегральна температура в зоні піролізу, "С; І -довжина реактора, м; п - число зон у реакторі, рівне кількості контурів багатоконтурної циркуляційної системи ; Її - температура, "С; ю..л - температури реактора в точках надходження важкої рідкої фракції від контурів, "С; х - поточна координата по довжині реактора.

Виходи основних продуктів (піролізного газу та рідкого палива) добре відображаються в представленій залежності: при збільшенні індексу С кількість піролізного газу зростає, а вихід рідкого палива зменшується і, навпаки, при зменшенні С кількість рідкого палива збільшується, а газу - зменшується.

Таким чином, запропонований спосіб дозволить управляти ступенем термічного розкладу початкових органічних відходів з широким діапазоном молекулярних мас і при цьому стабільно отримувати рідке паливо з оптимальною молекулярною масою 100 - 200, тим самим забезпечити зниження енерговитрат, підняти продуктивність способу на 20 відсотків та отримати якісне рідке паливо.

Запропонований спосіб має велике народногосподарське значення як у плані покращання екології, так і в економіці. Він дозволяє утилізувати відходи, які в природних умовах практично не розкладаються,

наприклад, гума, полімери, та забруднюють навколишнє середовище. Крім цього, з даних відходів можна отримати енергоресурси у вигляді рідкого палива для двигунів внутрішнього згоряння або котельне паливо, які являються гостродефіцитними у період енергетичної кризи. 17 го ю 18 -7- 23 ча п 16 Й їй пс я зи ши пом -|) це г

Я) її -0 оце й «- 21 я ри і 24 и --- л (З я / -- меч - 14 РП в що А 4-- ях | | - Ятв) 22 12 4--

І Шк 8

Сх ІЙ пгс 4

Пк

Ік

В Я з Кк г (Фі 27 1

Фіг.

Claims (1)

1. Спосіб утилізації органічних відходів, який включає піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при температурі 400-9807С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші, подальше її охолодження в багатоконтурній циркуляційній системі охолодження з розрахунковими кількістю контурів і температурами охолоджувачів, відбір важкої рідкої фракції та отримання на кінцевому контурі рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою, який відрізняється тим, що здійснюють контроль значень молекулярної маси М рідкої фракції, отриманої на кінцевому контурі системи охолодження, при М»150 температуру охолоджувачів кожного контура, починаючи з першого, зменшують від розрахункової максимум на 50"С, а при Ме150 - збільшують на 50"С, починаючи з останнього контура, а якщо значення Ме150 не змінилось, тоді зменшують кількість контурів шляхом вирівнювання температур сусідніх контурів, починаючи з температури першого контура.