Способ получения синтетического топлива из изношенных шин и установка для его осуществления
METHOD OF PRODUCING SYNTHETIC FUEL FROM WEARED TIRES AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологии переработки промышленных и бытовых отходов резины, в частности изношенных шин, и может быть использовано для получения жидкого синтетического топлива в топливно-энергетическом комплексе, в резиновой промышленности и на предприятиях по переработке и утилизации изношенных шин и резинотехнических изделий.
Известен способ переработки резиносодержащих отходов в синтетическое топливо, включающий термическое разложение их при 400-980°C с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, охлаждение их до 40-50°C, разделение на жидкую и парообразную фазы и твердый углеродный остаток. При этом жидкую фракцию пиролиза используют в качестве синтетического котельного топлива. Газы, образующиеся в процессе термического разложения полимеров, сжигают в топке реактора (печи) (Авторское свидетельство №1201294, опубл. Бюл. №48 от 30.12.85 г.). Описанный способ обладает рядом недостатков: большие энергозатраты на измельчение сырья, неполное использование получаемых продуктов, загрязнение атмосферы отходящими газами процесса.
Известно устройство для термической переработки полимерных отходов, в том числе изношенных шин, предназначенное для получения жидкого синтетического топлива. В этом устройстве сырье загружают в обогреваемый дымовыми газами цилиндрический аппарат, оборудованный загрузочным люком и штуцерами для выхода газа и жидких продуктов разложения сырья. После завершения процесса пиролиза синтетическое топливо сливают в емкость для его дальнейшего использования (Авторское свидетельство №1713921, опубл. 23.02.1992). Недостатком этого устройства является то, что при пиролизе автомобильных шин требуется остановка всего устройства на длительный срок для удаления металлического корда шин через верхнее загрузочное отверстие.
Известно устройство печи для пиролиза углеводородного сырья, содержащее герметичную пиролизную камеру с каналами отбора газа из пиролизной камеры и подвода теплоносителя в рубашку пиролизной камеры, средство для отбора продуктов пиролиза, устройства нагрева и охлаждения пиролизного газа (Патент РФ №2078111, опубл. Бюл. №12 от 27.04.97). Недостатком данного технического решения является то, что верхняя часть печи (крышка) и нижняя часть печи соединены между собой с помощью конического разъемного соединения с уплотнительными кольцами, повреждение которых при работе печи может привести к проникновению воздуха и аварийному взрыву.
Известен способ переработки изношенных шин, содержащий их термическое разложение при 400-600°C с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, охлаждение их до 40-50°C, разделение их на жидкие и парообразные фазы и твердый углеродный остаток, при этом охлаждение углеродного остатка ведут с испарением пиролизной воды и добавлением в зону охлаждения газообразного аммиака (Патент РФ №2142357, опубл. 10.12.99). Недостатком данного технического решения является то, что для процесса охлаждения зольного остатка применяют аммиак, который является опасным веществом и требует специального оборудования для его хранения и применения.
Известен способ получения синтетического топлива из изношенных шин, включающий в себя подачу изношенных шин в реактор через загрузочное устройство, пиролиз изношенных шин, последующее отделение твердой фазы (металлического корда и твердого углеродистого остатка), разделение продуктов пиролиза на жидкое синтетическое топливо и газообразную фазу, со сжиганием последней для поддержания процесса пиролиза, удаление из реактора твердой фазы через разгрузочное устройство, при этом загрузочное и разгрузочные устройства заполняют водой с возможностью образования водяного гидравлического затвора, а жидкое синтетическое топливо, полученное при разделении продуктов пиролиза, в небольшом количестве сжигают в реакторе, а оставшуюся часть жидкого синтетического топлива направляют внешним потребителям.
Установка для осуществления данного способа содержит реактор с теплоизолированными стенками, горелками для термического нагрева реактора и конусной частью для фиксации шин в реакторе, загрузочное устройство шин, отделенное от реактора гидравлическим затвором, разгрузочное устройство реактора с водяной ванной для твердых остатков процесса пиролиза, конденсатор для конденсации газообразных продуктов процесса пиролиза, емкость отстойник для жидкого синтетического топлива и дымоходы с дымовой трубой, ленточные загрузочные и разгрузочные транспортеры для перемещения шин в реактор и удаления твердых отходов пиролиза, а шины при подготовке рассекают в поперечном кольцевом сечении в радиальном направлении (Патент РФ №2251483, опубл. Бюл. №13 от 10.05.2005). Недостатки данного способа и установки для его осуществления является то, что процесс пиролиза в реакторе идет при отрицательном давлении, что может привести к засасыванию воздуха через неплотности из окружающей среды и последующему взрыву при смешивании воздуха и пиролизных газов, наличие высокоэнергоемких процессов на измельчение шин и привод большого количества ленточных загрузочных и разгрузочных транспортеров для перемещения шин и твердых отходов пиролиза, что приводит к значительному расходу электроэнергии, а также значительное загрязнение атмосферы дымовыми газами, удаляемых из установки в процессе пиролиза шин.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в повышении надежности и безопасности работы реактора за счет организации процесса пиролиза при небольшом избыточном давлении и использования инертного газа (азота) при аварийном режиме, а также повышение экологической чистоты процесса пиролиза за счет дожигания дымовых газов и твердого углеродистого остатка, повышении эффективности процесса пиролиза за счет использования тепла от дожигания твердого углеродистого остатка для разогрева теплоизолированных стенок реактора до высокой температуры с целью уменьшения расхода запального топлива при пиролизе следующей партии изношенных шин, а также снижении расхода электроэнергии на подготовку, загрузку шин и выгрузку несгоревшего твердого остатка (например, металлического корда).
Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе получения синтетического топлива из изношенных шин, включающего в себя подачу изношенных шин в реактор с теплоизолированными стенками через загрузочное устройство, пиролиз изношенных шин, последующее отделение твердой фазы (металлического корда и твердого углеродистого остатка), разделение продуктов пиролиза на жидкое синтетическое топливо и газообразную фазу, со сжиганием последней для поддержания процесса пиролиза, удаление из реактора твердой фазы через разгрузочное устройство, при этом загрузочное и разгрузочные устройства заполняют водой с возможностью образования водяного гидравлического затвора, а жидкое синтетическое топливо, полученное при разделении продуктов пиролиза, в небольшом количестве сжигают в реакторе, а оставшуюся часть жидкого синтетического топливо направляют внешним потребителям, согласно изобретению, реактор выполняется с внешним и внутренним контурами, пиролиз проводится при небольшом избыточном давлении во внутреннем контуре реактора при первоначальном разогреве изношенных шин от тепла за счет сжигания запасенного запального жидкого топлива, например, дизельного, во внутреннем и внешних контурах реактора, затем процесс пиролиза поддерживается за счет тепла от сжигания несконденсировавшегося пиролизного газа и смеси жидкого дизельного и синтетического топлива во внешнем контуре реактора, после окончания процесса пиролиза одновременно осуществляется дожигание твердого углеродистого остатка во внутреннем контуре реактора и дымовых газов в камере дожигания дымовых газов за счет сжигания смеси жидкого дизельного и синтетического топлива при избыточном количестве воздуха, при этом за счет сжигания твердого углеродистого остатка во внутреннем контуре реактора осуществляется прогрев теплоизолирующих стенок реактора до высокой температуры для экономии запального жидкого топлива на разогрев реактора при пиролизе следующей партии изношенных шин, а в случае разгерметизации реактора или аварийной ситуации во внутренний контур реактора подается инертный газ - азот, при этом процесс загрузки изношенных шин и выгрузки несгоревших твердых остатков из реактора осуществляется за счет естественной силы тяжести без применения транспортеров с электродвигателями.
Введение в предлагаемый способ получения синтетического топлива из изношенных шин процесса пиролиза при небольшом избыточном давлении во внутреннем контуре реактора с теплоизолированными стенками при первоначальном разогреве изношенных шин от тепла за счет сжигания запасенного жидкого топлива, например, дизельного, во внутреннем и внешних контурах реактора, затем процесс пиролиза поддерживается за счет тепла от сжигания несконденсировавшегося пиролизного газа и смеси жидкого дизельного и синтетического топлива во внешнем контуре реактора, после окончания процесса пиролиза одновременного осуществления дожигания твердого углеродистого остатка и дымовых газов за счет сжигания смеси жидкого дизельного и синтетического топлива во внутреннем контуре реактора и камере дожигания дымовых газов, соответственно, при избыточном количестве воздуха, а в случае разгерметизации реактора или аварийной ситуации во внутренний контур реактора введение инертного газа - азота, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности повышении надежности и безопасности работы реактора за счет организации процесса пиролиза при небольшом избыточном давлении, исключающим взрывоопасную ситуацию от попадания воздуха в процессе пиролиза из окружающей среды, использования инертного газа - азота при аварийном режиме или разгерметизации реактора, а также повышение экологической чистоты процесса пиролиза за счет дожигания дымовых газов и твердого углеродистого остатка за счет тепла от сжигания смеси жидкого дизельного и синтетического топлива при избытке воздуха, повышении эффективности процесса пиролиза, во-первых, за счет использования тепла, полученного при дожигании твердого углеродистого остатка в реакторе для прогрева теплоизолирующих стенок реактора до высокой температуры, что приводит к экономии запального жидкого топлива, которое было бы необходимо сжечь для поднятии температуры при пиролизе следующей партии изношенных шин, во-вторых, за счет снижения расхода электроэнергии на подготовку, загрузку шин и выгрузку несгоревшего твердого остатка (металлического корда) путем исключения ленточных загрузочных и разгрузочных транспортеров с электродвигателями.
Предлагаемый способ получения синтетического топлива из изношенных шин может быть осуществлен в описываемой ниже установке.
Установка для получения синтетического топлива из изношенных шин, содержащая реактор с теплоизолированными стенками и горелками для термического нагрева реактора, устройство для загрузки шин, отделенное от реактора гидравлическим затвором с возможностью герметизации реактора, устройство разгрузки реактора с водяной ванной для твердых остатков процесса пиролиза, конденсатор для конденсации пиролизных газов, емкость для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива, систему подачи жидкого синтетического топлива в горелки, дымоходы с дымовой трубой, снабжена реактором, внутренний контур которого выполнен в виде горизонтальной камеры с гидроплотной крышей, внешний контур реактора выполнен в виде полостей для внешнего термического нагрева горизонтальной камеры, в которых установлены горелки для сжигания несконденсировавшегося пиролизного газа и смеси жидкого топлива (дизельного и синтетического топлива), с внешней стороны верхней части реактора расположено устройство гидравлического затвора, обеспечивающий герметизацию крыши и горизонтальной камеры реактора, крыша камеры снабжена поворотным устройством для открывания и загрузки шин, а нижняя часть горизонтальной камеры снабжена открывающимися створками с устройством гидравлического затвора для выгрузки твердого остатка в водяную ванну для твердых остатков процесса пиролиза, а также горелками с гидрозатворами для подачи жидкого топлива непосредственно в горизонтальную камеру реактора, отдельно вынесенными за пределы реактора камерой дожигания дымовых газов, металло-стружечным фильтром, конденсатором для конденсации пиролизных газов с замкнутой системой охлаждения, сепараторами тяжелого и легкого топлива, связанных с емкостью для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива, системой подвода воздуха с трубопроводами и компрессором для подачи воздуха в горизонтальную камеру реактора и камеру дожигания дымовых газов, азотной станцией с баллонами газообразного азота высокого давления и трубопроводами для подачи азота в горизонтальную камеру реактора и камеру дожигания дымовых газов в аварийном режиме, системой отбора пиролизного газа из горизонтальной камеры реактора с трубопроводом, проходящим через камеру дожигания дымовых газов, металло-стружечный фильтр и конденсатор пиролизных газов в сепараторы тяжелого и легкого топлива, дымоходами, соединяющими полости для внешнего термического нагрева камеры ректора с дымовыми трубами, емкостью с запальным топливом, при этом система подачи жидкого топлива в горелки реактора и камеру дожигания дымовых газов из емкости с запальным топливом снабжена трубопроводом с насосом, емкость с запальным топливом и емкость для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива соединены между собой трубопроводом с насосом, газовые полости сепараторов тяжелого и легкого топлива снабжены трубопроводом с компрессором, обеспечивающим подачу несконденсировавшегося пиролизного газа в горелки, расположенные в полостях для внешнего термического нагрева горизонтальной камеры реактора, а камера дожигания дымовых газов снабжена дымоходом с закрывающимся шибером для обеспечения связи с окружающей средой в период дожигания дымовых газов.
На фиг. 1 изображена установка для получения синтетического топлива из изношенных шин.
Установка для получения синтетического топлива из изношенных шин включает реактор 1 с теплоизолированными стенками, внутренний контур которого выполнен в виде горизонтальной камеры 2 с верхней гидроплотной крышей 3. Внешний контур реактора 1 выполнен в виде полостей 4 для внешнего термического нагрева горизонтальной камеры 2, в которых установлены горелки 5 и 6 для сжигания газообразного топлива (несконденсировавшихся пиролизных газов) и горелки 7 и 8 для сжигания жидкого топлива (дизельного топлива или смеси дизельного и синтетического топлив). С внешней стороны верхней части реактора 1 расположено устройство гидравлического затвора 9, обеспечивающее герметизацию соединения крыши 3 и горизонтальной камеры 2 реактора 1. Крыша 3 снабжена устройством для открывания и загрузки шин 10, а нижняя часть горизонтальной камеры 2 снабжена открывающимися створками 11 для выгрузки несгоревшего твердого остатка в водяную ванну 12 для твердых остатков процесса пиролиза.
Такое устройство горизонтальной камеры 2 с крышей 3, содержащей устройство для открывания и загрузки шин 10, и нижней часть, снабженной открывающимися створками 11 для выгрузки несгоревшего твердого остатка (металлического корда) в водяную ванну 12 для твердых остатков процесса пиролиза, позволяет повысить эффективность процесса пиролиза за счет упрощения операции загрузки изношенных шин и выгрузки твердого остатка и исключения расхода электроэнергии на привод ленточных транспортеров по загрузке изношенных шин и выгрузки твердого остатка.
Реактор 1 снабжен горелками 13 и 14 для подачи жидкого топлива непосредственно во внутренний контур - горизонтальную камеру 2. Установка для получения синтетического топлива из изношенных шин также включает в себя вынесенные за пределы реактора 1 камеру дожигания дымовых газов 15, металло-стружечный фильтр 16, конденсатор для конденсации пиролизных газов 17 с замкнутой системой охлаждения 18, сепараторами тяжелого 19 и легкого топлива 20, связанных с емкостью для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива 21, систему подвода воздуха с трубопроводами 22 и компрессором 23 для подачи воздуха в горизонтальную камеру 2 реактора 1 и камеру дожигания дымовых газов 15, азотную станцию с баллонами газообразного азота высокого давления 24 и трубопроводами 25 для подачи азота в горизонтальную камеру 2 реактора 1 и камеру дожигания дымовых газов 15 в аварийном режиме, систему отбора пиролизного газа из горизонтальной камеры 2 с трубопроводом 26, проходящим через камеру дожигания дымовых газов 15, металло-стружечный фильтр 17, конденсатор пиролизных газов 17, сепараторы тяжелого 19 и легкого топлива 20 в емкость для жидкого синтетического топлива 21, дымоходами 27 и 28, соединяющими полости 4 для внешнего термического нагрева камеры 2 с дымовыми трубами 29 и 30, емкостью с запальным топливом 31, при этом система подачи жидкого синтетического топлива в горелки 7, 8, 13 и 14 реактора 1 и горелку 32 камеру дожигания дымовых газов 15 из емкости с запальным топливом 31 снабжена трубопроводом 33 с насосом 34, емкость с запальным топливом 31 и емкость для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива 21 соединены между собой трубопроводом 35 с насосом 36, а газовые полости сепараторов тяжелого 19 и легкого топлива 20 снабжены трубопроводом 37 с компрессором 38, обеспечивающим подачу пиролизного газа в горелки 5 и 6, расположенных в полостях 4 для внешнего термического нагрева камеры 2. Выдача жидкого синтетического топлива потребителям, полученного в результате процесса пиролиза изношенных шин осуществляется из емкости 21 по трубопроводу 39 с помощью насоса 40. Замкнутая система охлаждения конденсатора 17 включает в себя теплообменник 41 и циркуляционный насос 42. Камера дожигания дымовых газов 15 снабжена дымоходом 43 с закрывающимся шибером 44 для обеспечения связи с окружающей средой в период дожигания домовых газов.
Между нижней частью горизонтальной камеры 2 и водяной ванной 12 размещено устройство гидрозатвора 45, обеспечивающее герметизацию камеры 2 от окружающей среды при открытии створок 11 для выгрузки зольного остатка в водяную ванну 12, а горелки 13 и 14 для подачи жидкого топлива непосредственно в горизонтальную камеру 2 снабжены, соответственно, гидрозатворами 46 и 47.
Предлагаемый способ получения синтетического топлива из изношенных шин осуществляют в описанной установке следующим образом.
Запуск установки для получения синтетического топлива из изношенных шин производится после загрузки шин через открытую с помощью устройства 10 крушу 3 в холодную горизонтальную камеру 2 реактора 1. Все гидравлические затворы 9, 45, 46 и 47 должны быть заполнены водой. Возможность загрузки целых изношенных шин через устройство для загрузки шин 10, расположенное в крыше камеры 2, позволяет снизить эксплуатационные затрат при загрузке шин в реактор за счет исключения процесса рассечения и измельчения шин.
Первоначальный прогрев камеры 2 реактора 1 осуществляется горелками 7 и 8, установленных в полостях 4, и горелками 13 и 14, установленными непосредственно в горизонтальной камере 2. Для этого дизельное топливо из емкости с запальным топливом 31 по трубопроводу 33 с помощью насоса 34 подается к горелкам 7, 8, 13 и 14.
В первые 10 минут прогрев осуществляется при открытом шибере 44 дымохода 43, размещенного на камере дожигания дымовых газов 15. Из камеры 2 реактора 1 дымовые газы по трубопроводу 26 поступают в камеру дожигания дымовых газов 15. После появления дыма из дымохода 43, шибер 44 закрывается, а образовавшиеся дымовые, пиролизные газы и водяные пары направляются через металло-стружечный фильтр 16 в конденсатор для конденсации пиролизных газов 17 и далее в сепараторы тяжелого 19 и легкого топлива 20. Первые грязные и обводненные стоки из камеры дожигания дымовых газов 15, металло-стружечного фильтра 16, сепараторов тяжелого 19 и легкого топлива 20 сливаются в грязовую емкость.
После 2,5-3 часов прогрева при температуре около 300°C в сепараторах тяжелого 19 и легкого топлива 20 появляются первые порции синтетического топлива, а несконденсировавшиеся пиролизные газы по трубопроводу 37 с помощью компрессора 38 подаются в горелки 5 и 6, расположенных в полостях 4 для внешнего термического нагрева камеры 2. В дальнейшем процесс пиролиза в камере 2 протекает при температурах 450-500°C. Пиролизные газы из камеры 2 по трубопроводу 26 через камеру дожигания дымовых газов 15 и металло-стружечный фильтр 16, где очищаются от механических примесей, поступают в конденсатор 17 для охлаждения и частичной конденсации пиролизных газов, далее жидкая фракция сепарируются в сепараторах тяжелого 19 и легкого топлива 20 в виде синтетического топлива. Из сепараторов тяжелого 19 и легкого топлива 20 жидкое синтетическое топливо поступает в емкость для сбора и выдачи жидкого синтетического топлива 21. Выдача жидкого синтетического топлива потребителям, полученного в результате процесса пиролиза изношенных шин осуществляется из емкости 21 по трубопроводу 39 с помощью насоса 40. Также из емкости 21 жидкое синтетическое топливо частично подается по трубопроводу 35 с помощью насоса 36 в емкость с запальным топливом 31 для постоянного поддержания запаса топлива для горелок 7, 8, 13 и 14. После прогрева грелки 13 и 14 отключаются.
Для охлаждения пиролизных газов конденсатор 17 снабжен замкнутой система охлаждения 18, которая включает в себя теплообменник 41 и циркуляционный насос 42. Через теплообменник 41 происходит сброс тепла от пиролизных газов в окружающую среду.
Газообразные несконденсировавшиеся пиролизные газы из сепараторов тяжелого 19 и легкого топлива 20 по трубопроводу 37 с помощью компрессора 38 подаются в горелки 5 и 6, расположенных в полостях 4, для поддержания температуры и процесса пиролиза изношенных шин в камере 2. Количество пиролизных газов к горелкам 5 и 6 изменяется в зависимости от интенсивности пиролизных процессов в реакторе 1.
Для организации процесса горения во всех горелках в реактор 1 и камеру дожигания дымовых газов 15 воздух подводится по системе подвода воздуха с трубопроводами 22 и компрессором 23.
Из полостей 4 дымовые газы от сгорания топлива через дымоходы 27 и 28 подаются в дымовые трубы 29 и 30 для удаления в окружающую среду.
За счет горения пиролизного газа в горелках 7 и 8 в полостях 4 поддерживается температура 700-750°C, при достижении повышении этой температуры осуществляется гашение горелок жидкостных горелок 7 и 8, а в случае дальнейшего повышения температуры подается добавочный воздух.
При прекращении пиролизного процесса в реакторе 1, гаснут горелки 5 и 6 в полостях 4 для внешнего термического нагрева камеры 2, в результате чего падает температура. При температуре 400°C, открывается шибер 44 на дымоходе 43 камеры дожигания дымовых газов 15 и запускается горелка 32. Одновременно с запуском горелки 32 происходит подача воздуха по трубопроводу 22 в камеру 2, что приводит к воспламенению зольного остатка в камере 2 и повышению температуры. Температуру в камере 2 необходимо регулировать с помощью подачи воздуха, и она не должна превышать величины 650-700°C.
При дожигании твердого углеродистого остатка в камере 2 реактора 1 осуществляется прогрев теплоизолирующих стенок реактора 1 до высокой температуры для экономии запального жидкого топлива, которое было бы необходимо сжечь для поднятия температуры при пиролизе следующей партии изношенных шин.
Дымовые газы, образовавшиеся от дожигания зольного остатка в камере 2 поступают по трубопроводу 26 в камеру дожигания дымовых газов 15, где дожигаются за счет горения горелки 32 и удаляются по дымоходу 43 через открытый шибер 44.
Зольный остаток в камере 2 необходимо дожигать около 1,5 часов. После его дожигания несгоревший твердый остаток (металлический код) удаляется из нижней части горизонтальной камеры 2 в водяную ванну 12 при открытии створок 11. Устройство гидрозатвора 45 обеспечивает герметизацию камеры 2 от окружающей среды для выгрузки твердого остатка в водяную ванну 12.
Для полной изоляции камеры 2 в процессе пиролиза и выгрузки зольного остаткам от окружающей среды реактор 1 снабжен гидрозатворами 9, 45, 46 и 47, которые герметизируют, соответственно, крышку 3, открывающиеся створки 11, и горелки 13 и 14, что позволяет повысить надежности и безопасности работы реактора 1 за счет герметизации внутреннего пространства камеры 2 от окружающей среды.
В случае аварийной ситуации, происходит автоматическое погасание всех горелок, открытие шибера 44 и подача азота (инертного газа) из азотной станции с баллонами газообразного азота высокого давления 24 по трубопроводам 25 в горизонтальную камеру 2 реактора 1 и камеру дожигания дымовых газов 15, что позволяет повысить надежность и безопасность работы реактора 1 в аварийных режимах и уменьшить периоды остановки реактора 1.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Авторское свидетельство №1201294, опубл. Бюл. №48 от 30.12.85 г.
2. Авторское свидетельство №1713921, опубл. 23.02.1992.
3. Патент РФ №2078111, опубл. Бюл. №12 от 27.04.97.
4. Патент РФ №2142357, опубл. 10.12.99.
5. Патент РФ №2251483, опубл. Бюл. №13 от 10.05.2005 - прототип.