Способ экологичной утилизации полимерных отходов и устройство для его осуществления
METHOD FOR ENVIRONMENTALLY SUSTAINABLE DISPOSAL OF POLYMER WASTE AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для переработки и утилизации полимерных компонентов коммунальных и промышленных отходов, а именно производства элементов строительных конструкций.
Известен способ эффективной утилизации органических компонентов городских и промышленных отходов, включающий: измельчение и смешивание органических компонентов городского и промышленного мусора с добавкой торфа или древесных отходов; нагревание шихты в шнековом подогревателе дымовыми газами, поступающими из тепловой рубашки реактора, в результате чего шихта приобретает вид пасты, дегазацию шихты в дегазаторе с выделением первичного газа, непрерывную подачу шнековым питателем гранулированной шихты в реактор для проведения процесса пиролиза с одновременной подачей на горение в горелку камеры сгорания очищенного пиролизного газа, первичного газа и горячего воздуха, в результате горения которых получают горячие дымовые газы, деструкцию гранулированной шихты в пиролизной трубе с образованием пиролизного газа и полукокса, охлаждение и очистку горячего пиролизного газа, после чего очищенный и охлажденный пиролизный газ подается на сжигание в камеру сгорания, его избыток направляют к потребителю или в газгольдер, а дымовые газы из шнекового подогревателя подают в подогреватель сетевой воды.
Устройство, реализующее способ, включает в себя соединенные между собой по выходу и входу перерабатываемых отходов измельчитель, усреднитель, установленные друг над другом по вертикали, шнековый подогреватель, дегазатор, экструдер, охладитель-гранулятор, шнековый питатель, кожухотрубчатый реактор, покрытый тепловой рубашкой с патрубком выхода дымовых газов, соединенной с камерой сгорания, сборник продуктов пиролиза, соединенный по полукоксу с разгрузочно-охладительным шнеком, охлаждаемым сетевой водой, а по газу последовательно с вертикальным холодильником, ротационным адсорбером, по дымовым газам, соединенным со шнековым подогревателем и подогревателем сетевой воды [Патент РФ № 2556645, МПК F23G 5/027, 2015].
Основными недостатками известного способа являются сложность технологического процесса, необходимость цикла оборотной воды для осуществления процесса очистки пиролизного газа, утилизации его тепла и его составляющих компонентов, невозможность отдельной утилизации полимерных компонентов с получением элементов строительных конструкций, что снижает надежность и экономическую эффективность известного способа.
Основными недостатками известного устройства являются сложность его конструкции, необходимость оборудования для цикла оборотной воды (насосной станции, градирен и т.п.) и невозможность производства элементов строительных конструкций, что снижает надежность и экономическую эффективность известного устройства.
Более близким к предлагаемому изобретению является способ утилизации полимерных компонентов коммунальных и промышленных отходов, содержащий измельчение и смешивание полимерных компонентов (пластмассовых пленки, отрезков труб и бутылок); нагревание полученной шихты до жидкого состояния при ее медленном перемещении сверху вниз по шнековому подогревателю через стенку дымовыми газами до температуры 150-200°С дымовыми газами с температурой 500-600°С, поступающими из камеры сгорания шнекового подогревателя в его тепловую рубашку и охлаждающихся в ней до температуры 250-300°С, в результате чего в шихте образуются водяной пар, легкокипящие углеводороды, твердые полимерные компоненты становятся пластичной, повышается давление, а сама шихта приобретает вид жидкой пасты, которая поступает в дегазатор; удаление охлажденных дымовых газов из шнекового подогревателя, поступающих в подогреватель сетевой воды, которая нагревается до температуры 80-90°С, а газы охлаждаются там до температуры 140-150°С, в результате чего осуществляется дополнительная утилизация их тепла, после чего направляются на газоочистку и очищенные от вредных примесей, выбрасываются в атмосферу; одновременное выделение из шихты в дегазаторе, в результате увеличения объема и снижения давления, пиролизного газа с температурой 120-170°С, представляющего собой смесь паров воды, азота, двуокиси углерода, легкокипящих углеводородов и незначительного количества кислорода, который отводится в горелку камеры сгорания шнекового подогревателя, а дегазированная шихта под действием силы тяжести поступает в поддон дегазатора; одновременное подача доз наполнителя из бункера для наполнителя в формы, движущиеся на ленточном транспортере (вариант: в формы предварительно помещают арматуру при закрытии затвора-мигалки бункера для наполнителя); заполнение, в результате движения ленточного транспортера, свободной части внутреннего пространства форм дозами расплавленной шихты из дегазатора; поступление форм, заполненных элементами строительной конструкции в сборе, в камеру охлаждения, где происходит их охлаждение и затвердевание.
Устройство для осуществления способа утилизации полимерных компонентов коммунальных и промышленных отходов содержит: соединенные между собой по входу и выходу перерабатываемых полимерных компонентов, измельчитель, усреднитель представляющий собой аппарат с мешалкой, установленные друг над другом по вертикали, шнековый подогреватель, состоящий из шнека, помещенного в тепловую рубашку, снабженную камерой сгорания с газомазутной горелкой, соединенной трубопроводом пиролизного газа с дегазатором и трубопроводом дымовых газов с подогревателем сетевой воды, при этом дегазатор представляет собой цилиндрическую обечайку, соединенную со шнековым подогревателем, снабженную патрубком с затвором-мигалкой; помещенный слева от шнекового подогревателя бункер для наполнителя, снабженный выходным патрубком с затвором-мигалкой; ленточный транспортер, расположенный под патрубками дегазатора и бункера для наполнителя; формы с элементами строительных конструкций, помещенные на ленточном транспортере; камеру охлаждения, расположенную после ленточного транспортера [Патент РФ № 2700862, МПК F23G 5/027, 2019].
Основными недостатками известного способа являются невозможность получения теплоизоляционных материалов с использованием в качестве наполнителя дымовых газов, полученных при сжигании пиролизного газа и необходимость их очистки, т.к. они содержат значительное количество вредных примесей, что снижает экологическую и экономическую эффективность известного способа.
Основными недостатками известного устройства являются отсутствие оборудования для использования дымовых газов в качестве наполнителя для теплоизоляционного материала, что снижает экологическую и экономическую эффективность известного устройства.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение экологической и экономической эффективности способа утилизации полимерных отходов и устройства для его осуществления.
1
0
2
0
0
2
x
x
2
2
Технический результат достигается тем, что способ утилизации полимерных отходов содержит: измельчение и смешивание полимерных компонентов (пластмассовых пленки, отрезков труб и бутылок); нагревание полученной шихты до жидкого состояния при ее медленном перемещении сверху вниз по шнековому подогревателю через стенку дымовыми газами до температуры 150-200°С при давлении P несколько большим атмосферного Р дымовыми газами с температурой 500-600°С, поступающими из камеры сгорания шнекового подогревателя в его тепловую рубашку и охлаждающихся в ней до температуры 250-300°С, в результате чего в шихте образуются водяной пар, легкокипящие углеводороды, твердые полимерные компоненты становятся пластичными, повышается давление, а сама шихта приобретает вид пасты, которая поступает в дегазатор; дымовые газы с температурой 250-300°С удаляются из шнекового подогревателя по трубопроводу дымовых газов и поступают в газовую зону газонаполнителя с давлением Р, величина которого больше атмосферного Р; одновременно в дегазаторе, в результате увеличения объема и некоторого снижения давления, из шихты выделяется пиролизный газ с температурой 120-170°С, представляющий собой смесь паров воды, азота, двуокиси углерода, легкокипящих углеводородов и незначительного количества кислорода, который отводится в горелку камеры сгорания шнекового подогревателя, а дегазированная шихта, имеющая вид пасты под действием силы тяжести поступает в наклонный конический поддон дегазатора; по выходному патрубку дегазатора под действием разности давлений паста поступает в контактную зону газонаполнителя, давление в которой равно атмосферному Р, на контактную решетку, где происходит контакт пасты с дымовыми газами, поступающими из газовой зоны под действием давления Р при температуре 200-250°, в результате которого вредные компоненты дымовых газов (NO, SO, СО, и другие) вступают в химические реакции с функциональными группами полимеров, значительная часть нейтральных газов (N, СО) насыщают пасту, образовав полимерогазовую эмульсию; последняя под действием силы тяжести по наклонной контактной решетке через щелевое отверстие поступает в щелевой канал, куда также частично поступают дымовые газы из газовой зоны через перфорированную стенку; готовая полимерогазовая эмульсия из выходного отверстия щелевого канала, сливается на движущееся полотно транспортера и при подходе к его концу, по мере застывания, приобретает вид газонаполненной гибкой полосы толщиной Δ и шириной равной расстоянию между боковыми бортами, которая поступает в камеру охлаждения, где происходит ее окончательное охлаждение и затвердевание; одновременно, очищенная от вредных компонентов, часть дымовых газов не заполнившая полимерную пасту, наполняет контактную камеру, освобождается от уносимых капель в каплеотбойнике, после чего через выхлопной патрубок очищенные дымовые газы поступают в подогреватель сетевой воды, которая нагревается до температуры 80-90°С, а дымовые газы охлаждаются до температуры 140-150°С, в результате чего осуществляется дополнительная утилизация их тепла, после чего они могут направляться на дополнительную газоочистку и окончательно очищенные от вредных примесей, выбрасываются в атмосферу.
Устройство для осуществления способа экологичной утилизации полимерных отходов содержит, соединенные между собой по входу и выходу перерабатываемых полимерных отходов, измельчитель, усреднитель, представляющий собой аппарат с мешалкой, установленные друг над другом по вертикали; шнековый подогреватель, состоящий из шнека, помещенного в тепловую рубашку, снабженную камерой сгорания с газомазутной горелкой, соединенной трубопроводом пиролизного газа с дегазатором и трубопроводом дымовых газов с газонаполнителем; дегазатор представляет собой цилиндрическую обечайку, соединенную сверху со шнековым подогревателем, снабженную снизу наклонным коническим днищем с выходным патрубком, соединенным с газонаполнителем; газонаполнитель состоит из прямоугольного корпуса с пирамидальной крышкой, снабженной выхлопным патрубком и наклонным днищем, внутри которого размещена наклонная контактная решетка, делящая газонаполнитель на газовую зону, которая снабжена патрубком входа дымовых газов и перфорированной стенкой, и зону контакта, в которой расположен каплеотбойник, соединенную через выхлопной патрубок с подогревателем сетевой воды, причем углы наклона α контактной решетки и наклонного днища равны углу естественного откоса расплава полимерной шихты; над нижней частью контактной решетки в стенке корпуса газонаполнителя имеется прямоугольное выходное щелевое отверстие, соединенное с прямоугольным щелевым каналом, сообщающимся с газовой зоной через перфорированную стенку, выходное отверстие которого расположено над транспортером, на уровне его бортов, высота которых относительно ленты транспортера, равна Δ, а за концом ленточного транспортера расположена камера охлаждения, представляющая собой помещение с комнатной температурой.
Общий вид устройства для осуществления способа экологичной утилизации полимерных отходов (СЭУПО) приведен на фиг. 1, на фиг 2 - разрез газонаполнителя, на фиг. 3 - узел стыковки контактной решетки с прямоугольным щелевым каналом.
Устройство для осуществления способа экологичной утилизации полимерных отходов содержит, соединенные между собой по входу и выходу перерабатываемых полимерных отходов, измельчитель 1, усреднитель 2, представляющий собой аппарат с мешалкой, установленные друг над другом по вертикали; шнековый подогреватель 3, состоящий из шнека 4, помещенного в тепловую рубашку 5, снабженную камерой сгорания 6 с газомазутной горелкой (на фиг. 1 не показана), соединенной трубопроводом пиролизного газа 7 с дегазатором 8 и трубопроводом дымовых газов 9 с газонаполнителем 10, при этом дегазатор 8 представляет собой цилиндрическую обечайку, соединенную сверху со шнековым подогревателем 3, снабженную снизу наклонным коническим днищем 11 с выходным патрубком 12, соединенным с газонаполнителем 10, который состоит из прямоугольного корпуса 13 с пирамидальной крышкой 14, снабженной выхлопным патрубком 15, и наклонным днищем 16, внутри которого размещена наклонная контактная решетка 17, делящая газонаполнитель 10 на газовую зону 18, которая снабжена патрубком входа дымовых газов 19 и перфорированной стенкой 20, и зону контакта 21, в которой расположен каплеотбойник 22, соединенную через выхлопной патрубок 15 с подогревателем сетевой воды 23, причем углы наклона α контактной решетки 17 и наклонного днища 16 равны углу естественного откоса расплава полимерной шихты, над нижней частью контактной решетки 17 в стенке корпуса 13 имеется прямоугольное выходное щелевое отверстие 24, соединенное с прямоугольным щелевым каналом 25, сообщающимся с газовой зоной 18 через перфорированную стенку 20, выходное отверстие которого расположено над транспортером 26, на уровне его бортов 27, высота которых относительно ленты транспортера 26, равна Δ, а за концом ленточного транспортера 26 расположена камера охлаждения (на фиг. 1 не показана), представляющая собой помещение с комнатной температурой.
1
0
2
0
0
2
x
x
2
2
Способ экологичной утилизации полимерных отходов осуществляется в предлагаемом устройстве следующим образом. Предварительно отсортированные полимерные отходы (остатки пластмассовых изделий - полиэтиленовая пленка, отрезки труб, пластмассовые бутылки) загружаются в измельчитель 1, где происходит измельчение вышеупомянутых полимерных компонентов, после чего полученная неоднородная шихта подается в усреднитель 2, где в результате перемешивания образуется более однородная шихта, которая поступает в приемный патрубок (на фиг. 1 не показан) шнекового подогревателя 3. В шнековом подогревателе 3, при давлении P несколько большим атмосферного Р, при медленном перемещении шихты сверху вниз по шнеку 4, происходит ее нагревание через стенку до температуры 150-200°С дымовыми газами с температурой 500-600°С (относительно невысокая температура дымовых газов объясняется низким содержанием горючих компонентов в пиролизном газе), поступающими из камеры сгорания 6 в тепловую рубашку 5 и охлаждающихся в ней до температуры 250-300°С, в результате чего в шихте образуются водяной пар, легкокипящие углеводороды, значительная часть твердых органических компонентов (пластмасс и полиэтиленовой пленки) становится пластичной, повышается давление, а сама шихта приобретает вид пасты, которая поступает в дегазатор 8. Дымовые газы с температурой 250-300°С удаляются из шнекового подогревателя 3 по трубопроводу дымовых газов 9 и поступают газовую зону 18 газонаполнителя 10 с давлением Р, величина которого больше атмосферного Р. Одновременно, в дегазаторе 8, в результате увеличения объема и некоторого снижения давления, из шихты выделяется пиролизный газ с температурой 120-170°С, представляющий собой смесь паров воды, азота, двуокиси углерода, легкокипящих углеводородов и незначительного количества кислорода (точный состав пиролизного газа определяется составом шихты и температурой ее нагрева в шнековом подогревателе 3, который отводится в горелку камеры сгорания 6 шнекового подогревателя 3, а дегазированная шихта, имеющая вид пасты под действием силы тяжести поступает в наклонный конический поддон 11 дегазатора 8, откуда по выходному патрубку 12 под действием разности давлений поступает в контактную зону 21 газонаполнителя 10, давление в которой равно атмосферному Р, на контактную решетку 17, где происходит контакт полимерной пасты с дымовыми газами, поступающими из газовой зоны 18 под действием давления Р при температуре 200-250°С. При этом, в результате этого контакта вредные компоненты дымовых газов (NO, SO, СО и другие вступают в химические реакции с функциональными группами полимеров [П.В. Зуев, М.В. Успенская, А.О. Олехович. Физика и химия полимеров. Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010, с. 20; Неницеску К. Общая химия - М.: Мир, 1968, с. 476], значительная часть нейтральных газов (N, СО) насыщают пасту 28, образовав полимерогазовую эмульсию, которая под действием силы тяжести по наклонной контактной решетке 17 через щелевое отверстие 23 поступает в щелевой канал 24, куда также частично поступают дымовые газы из газовой зоны 18 через перфорированную стенку 20, после чего готовая полимерогазовая эмульсия из выходного отверстия щелевого канала 25, расположенного над траспортером 26 на уровне его боковых бортов 27, сливается на его движущееся полотно и при подходе к концу транспортера 26, по мере застывания приобретает вид газонаполненной гибкой полосы толщиной Δ и шириной равной расстоянию между боковыми бортами 27, которая поступает в камеру охлаждения (на фиг. 1 не показана), где происходит ее окончательное охлаждение и затвердевание. Одновременно, очищенная от вредных компонентов, часть дымовых газов не заполнившая пасту 28, наполняет контактную камеру 21, освобождается от уносимых капель в каплеотбойнике 22, после чего через выхлопной патрубок 15 очищенные дымовые газы поступают в подогреватель сетевой воды 23, которая нагревается до температуры 80-90°С, а дымовые газы охлаждаются до температуры 140-150°С, в результате чего осуществляется дополнительная утилизация их тепла, после чего направляются на газоочистку, если требуется доочистка (на фиг. 1 не показана) и очищенные от вредных примесей (оксидов серы, оксидов азота и пр.), выбрасываются в атмосферу.
Размеры газонаполненной полосы, представляющей собой элемент строительной конструкции - теплоизоляционный материал, регулируются шириной транспортера 26 и высотой боковых бортов 27 Δ, а ее газонаполненность - временем пребывания газонаполненной эмульсии на контактной решетке 17 и ее температурой.
Таким образом, предлагаемый способ экологичной утилизации полимерных отходов и устройство для его осуществления, наряду с улучшением экологической ситуации в месте обезвреживания отходов, обеспечивает полную утилизацию их наиболее опасной (органической) части с одновременным получением топливного газа, обеспечивающего собственные нужды утилизации, элементов строительных конструкций (теплоизоляционных материалов) и горячей воды для отопления и горячего водоснабжения.