УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к технологии переработки органических промышленных и бытовых отходов и может быть применена в жилищно-коммунальном хозяйстве для утилизации отходов, топливно-энергетическом комплексе, промышленности нефтеоргсинтеза, а также в резинотехнической промышленности.
Известно устройство для пиролиза шин, содержащее камеру загрузки в виде ванны с маслом, цилиндрическую реторту с огнеупорной футеровкой и решеткой для ввода топочных газов, газовые горелки, соединенные с рубашкой реторты, скребковый транспортер для выгрузки углеродистого остатка (1).
Недостатками устройства является большой расход масла при загрузке шин в реторту, высокие энергозатраты, сложность процесса отделения газообразных продуктов пиролиза шин от продуктов сгорания газа и твердого остатка, образование токсичных соединений в результате попадания масла из камеры загрузки в реторту.
Известно устройство (2), на котором реализуют способ переработки резиновых отходов, включающее реактор со шлюзовой камерой и решеткой, парогенератор с пароперегревателем, подключенным к реактору, конденсатор, соединенный с реактором, дробилку, соединенную с выходом твердых продуктов из реактора, охладитель твердых продуктов, подключенный к дробилке, сепаратор для отделения металла от углеродистого остатка, пресс для брикетирования углеродистого остатка.
Недостатками данного устройства являются большой расход водяного пара и обусловленные этим высокие энергозатраты, а также высокая материалоемкость, связанная с наличием специального оборудования для перегрева водяного пара до температуры 1600°С.
Известно устройство (3) для переработки резиновых отходов, содержащее топку со сводом и дымовой трубой, размещенную над топкой реторту, конструктивно связанную с камерой охлаждения, и конденсатор. Между сводом топки, ретортой и камерой охлаждения размещена дисперсная засыпка из огнеупорного материала с диаметром частиц 5-250 мм и образующая газоход из топки в дымовую трубу. В засыпке смонтирован испаритель, который посредством паропровода связан с ретортой; сепаратор для отделения воды от продуктов разложения отходов соединен водопроводом с камерой охлаждения и испарителем; теплообменник, который своим входом соединен с ретортой, а выход его подключен на вход конденсатора.
К недостаткам данного устройства относятся образующиеся большие объемы загрязненного продуктами разложения резины конденсата, для очистки которого требуются специальные устройства: сепаратор и специальный фильтр; большой расход охлаждающей воды.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для переработки резиновых отходов (4), которое содержит смонтированный на шасси заборный орган и установленный за ним перфорированный транспортер, бункер и паровой котел с печью кипящего слоя. Верхняя ветвь транспортера пропущена через бункер, верхняя часть которого сообщена с парогенератором парового котла, а нижняя, для сбора нефтепродуктов, сообщена с печью кипящего слоя.
Существенным недостатком данного устройства является выход парогазовой смеси в окружающую среду, что приводит к загрязнению окружающей среды газообразными продуктами разложения органических отходов.
Недостатком устройства является также ограничение по геометрическим размерам перерабатываемых отходов, т.е. устройство обеспечивает переработку только диспергированных отходов (измельченных). В свою очередь диспергирование отходов (особенно резиновых) требует больших энергозатрат, что с учетом потери рабочего пара из-за выхода его в
окружающую среду и приводит к большим энергозатратам на процесс переработки отходов.
Задачей предполагаемого технического решения является создание устройства, повышающего эффективность процесса переработки резиновых отходов.
Техническим результатом полезной модели является снижение энергоемкости устройства и уменьшение количества вредных выбросов в окружающую среду.
Технический результат достигается тем, что устройство для переработки органических отходов, содержащее парогенератор с печью и установленное перед входом в печь устройство для загрузки, снабжено камерой загрузки, размещенной перед печью, камерой охлаждения, печью термолиза, конденсатором со средством отвода тепловой энергии, сепаратором для разделения конденсата на воду и жидкую фракцию и средством ректификации жидкой фракции, вход конденсатора соединен с верхней зоной печи термолиза, выход конденсатора по жидкой фазе соединен со входом сепаратора, а выход его по газообразной фазе соединен с парогенератором, к выходу сепаратора по воде подсоединена емкость, соединенная через фильтр со входом воды парогенератора и с распылителем воды камеры охлаждения, а к выходу сепаратора по жидкой фракции подсоединено средство ректификации жидкой фракции.
Кроме того, на входе в камеру загрузки, между камерой загрузки и печью, между печью и камерой охлаждения и на выходе из камеры охлаждения расположены узлы герметизации, при этом узлы герметизации на входе в камеру загрузки и между камерой загрузки и печью выполнены в виде дверей, а узлы герметизации между печью и камерой охлаждения и на выходе из камеры охлаждения выполнены в виде шиберных заслонок.
Кроме того, средство ректификации жидкой фракции выполнено в виде ректификационной колонки, соединенной с емкостью для жидкой фазы с диапазоном температур кипения до 250°С и с емкостью для жидкой фазы с диапазоном температур кипения выше 250°С, которая соединена с горелкой
парогенератора.
Устройство также может быть снабжено дизельной электростанцией, соединенной с емкостью для жидкой фазы с диапазоном температур до 250°С, а ректификационная колонка имеет электрический нагреватель, подключенный к дизельной электростанции.
Кроме того, средство отвода тепловой энергии может быть выполнено в виде радиатора с вентилятором.
Устройство может быть снабжено шасси, на котором смонтированы все агрегаты устройства.
Снижение энергозатрат достигается за счет использования в парогенераторе энергии сжигания образующегося в камере термолиза и/или конденсаторе жидкого или газообразного носителя, а также за счет предварительного нагрева обрабатываемого продукта в камере загрузки теплом отводимых из печи продуктов сгорания.
Использование камеры загрузки, выполняющей роль шлюзовой камеры, позволяет снизить количество вредных выбросов в атмосферу. Дополнительно снизить количество выбросов позволяет использование узлов герметизации на камере загрузки и на камере охлаждения.
Использование перегретого пара одновременно в качестве теплоносителя и реагента в печи термолиза исключает образование токсинов, что обеспечивает экологическую чистоту процесса. Использование пара в замкнутом цикле позволяет исполнять установку в мобильном варианте, разместив ее на шасси.
Предложенная компоновка устройства позволяет создавать комплексы различной производительности.
На фиг. 1 приведен общий вид устройства.
Устройство для переработки органических отходов содержит устройство загрузки - транспортер в виде рольганга 1, проходящий через дверь 2, приводимый в движение двигателем 3 и входящий в камеру 4 загрузки. Парогенератор 5 имеет горелку 9, которая соединена с емкостью 6 с жидким топливом через краны 7 и 8, и дымовую трубу 10. Печь 13 имеет горелку 12, которая через кран 11 также
соединена с емкостью 6. Печь 13 соединена с рубашкой 14, на которой установлена дымовая труба 15. Кран 16 соединяет парогенератор 5 с теплообменником 17, расположенном в печи 13, имеющим датчик 18 температуры и соединенным через кран 19 с верхней зоной печи 20 термолиза, на которой установлен датчик 21 температуры и которая имеет дверь 22, соединяющую печь 20 термолиза с камерой 4 загрузки. Верхняя зона печи 20 термолиза соединена через кран 23 с конденсатором 24, который в свою очередь соединен с водяным насосом 25, установленным на емкости 26.
Емкость 26 соединена с радиатором 27, охлаждаемым вентилятором, и с датчиком 28 температуры. Конденсатор 24 через кран 29 соединен с сепаратором 30, который через кран 31 соединен со средством ректификации жидкой фракции, выполненным в виде ректификационной колонки 32.
Соединенная с сепаратором 30 накопительная емкость 33 для воды через фильтр 34 и кран 35 соединена с парогенератором. Электрический нагреватель 36 ректификационной колонки 32 подключен к дизельной электростанции 37. Дефлегматор 38, соединенный с ректификационной колонкой 32, через краны 39 и 40 и распределитель 41 соединен соответственно с конденсатором 24, водяным насосом 25 и конденсатором 42, который через кран 43 также соединен с водяным насосом 25.
Конденсатор 42 через приемник 44 и кран 45 соединен с дизельной электростанцией. Ректификационная колонка 32 через кран 46 соединена с накопительной емкостью 6, а конденсатор 24 соединен через кран 47 с горелкой 9. На линии, соединяющей конденсатор 24 с сепаратором 30, установлен датчик 48 концентрации в воде жидких продуктов разложения отходов. Под печью 20 термолиза размещена камера 49 охлаждения, герметично отделенная от печи шиберной заслонкой 50 и имеющая систему 51 распыления воды, соединенную с емкостью 33, клапан 52 и датчик 53 температуры твердых продуктов разложения. Под камерой 49 расположен накопительный контейнер 54 для твердых продуктов, герметично отделенный от нее шиберной заслонкой 55.
Устройство работает следующим образом.
На рольганге 1 формируют стопку из изношенных шин путем укладки
одной шины на другую. После формирования стопки открывают дверь 2, включают двигатель 3, который приводит в действие рольганг 1, и подают стопку шин в камеру 4 загрузки, а затем герметично закрывают дверь 2. После этого запускают в работу парогенератор 5. Для этого из емкости 6 с жидким топливом через краны 7 и 8 в горелку 9 парогенератора подают жидкое топливо и сжигают его. Продукты сгорания топлива выводят в дымовую трубу 10. Одновременно из емкости 6 через краны 7 и 11 в горелку 12 печи 13 подают жидкое топливо и сжигают его. Продукты сгорания топлива (температура до 700°С) выводят из печи 13 через рубашку 14 в дымовую трубу 15. От парогенератора 5 через кран 16 в теплообменник 17 подают водяной пар, который, проходя через теплообменник 17, нагревается до температуры 600-700°С. При этом температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика 18 температуры. Перегретый водяной пар из теплообменника 17 через кран 19 подают в печь 20 термолиза . В результате подачи перегретого до 600-700°С пара и теплообмена со стенкой печи 13 и стенкой рубашки 14 в печи 20 термолиза температура парогазовой среды поднимается до 500 С, что контролируют по показаниям датчика 21 температуры. После достижения в печи 20 термолиза температуры 500 С открывают дверь 22 и с помощью рольганга 1 стопку изношенных шин из камеры 4 загрузки подают в печь термолиза 20. Затем дверь 22 герметично закрывают.
В печи 20 термолиза в результате теплообмена с парогазовой средой происходит нагрев изношенных шин до температуры 450°С и протекает процесс термического разложения резины с образованием газообразных и твердых продуктов. Образующиеся газообразные продукты через кран 23 выводят в конденсатор 24. Одновременно с выводом газообразных продуктов через рубашку конденсатора 24 с помощью водяного насоса 25 из емкости 26 прокачивают охлаждающую воду. В результате теплообмена с газообразными продуктами разложения изношенных шин охлаждающая вода нагревается.
Нагретую воду из рубашки конденсатора 24 подают обратно в емкость 26. Затем нагретую воду из емкости 26 подают в радиатор 27 с вентилятором, где в результате теплообмена с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, воду охлаждают до температуры 15-20°С и возвращают в емкость 26. Температуру охлаждения воды контролируют по показаниям датчика 28 температуры.
В конденсаторе 24 газообразные продукты разложения изношенных шин и водяной пар охлаждают, в результате чего водяной пар и часть газообразных продуктов разложения конденсируются с образованием воды и жидкой фракции. Образующуюся смесь воды и жидкой фракции через кран 29 из конденсатора 24 выводят в сепаратор 30, где отделяют жидкую фракцию от воды. После этого жидкую фракцию из сепаратора 30 через кран 31 подают в ректификационную колонку 32, а воду подают в накопительную емкость 33. Из накопительной емкости 33 через фильтр 34 и кран 35 очищенную воду возвращают в парогенератор 5 для получения рабочего водяного пара. В ректификационной колонке 32 жидкую фракцию нагревают с помощью электрического нагревателя 36, подключенного к дизельной электростанции 37. Образующиеся в результате нагрева жидкой фракции пары из колонки 32 поступают в дефлегматор 38, где частично конденсируются в результате теплообмена с охлаждающей водой, подаваемой в рубашку дефлегматора 38 через кран 39 и выводимой из рубашки через кран 40. Часть конденсата паров (флегма) через распределитель 41 стекает .обратно в колонку 32, а другая часть (дистиллят) поступает в конденсатор 42, охлаждаемый водой, которая подается через кран 43. Из конденсатора 42 дистиллят с температурой кипения до 250 С поступает в приемник 44, из которого через кран 45 часть дистиллята подают в качестве топлива в двигатель дизельной электростанции 37.
Остаток жидкой фракции с температурой кипения выше 250°С через кран 46 сливают в емкость 6.
Неконденсирующиеся газообразные продукты термического разложения изношенных шин из конденсатора 24 через кран 47 подают в горелку 9
парогенератора 5 и сжигают.
После завершения процесса термического разложения изношенных шин (момент завершения процесса определяют с помощью датчика 48, контролирующего содержание жидких продуктов разложения в воде, поступающей в сепаратор 30) твердые продукты разложения из печи 20 термолиза выводят в камеру 49 охлаждения. Для этого открывают шиберную заслонку 50, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются из печи 20 термолиза в камеру 49 охлаждения. После этого шиберную заслонку 50 герметично закрывают. Открывают двери 22 и в печь 20 термолиза подают очередную стопку изношенных шин.
После выгрузки твердых продуктов разложения шин в камеру 49 охлаждения из емкости 33 через системы 51 распыления распыляют воду. Вода охлаждает твердые продукты до 100-120°С. Образующиеся водяные пары поднимают давление в камере 49 охлаждения и через клапан 52 выходят в печь 20 термолиза. Температуру охлаждения твердых продуктов контролируют по показаниям датчика 53 температуры.
После охлаждения твердые продукты выгружают из камеры 49 охлаждения в накопительный контейнер 54 . Для этого открывают шиберную заслонку 55, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются в контейнер 54. Шиберную заслонку 55 после выгрузки твердых продуктов закрывают.
Полезная модель иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
На рольганге 1 формируют стопки из изношенных шин весом 400 кг путем укладки одной шины на другую. При условии, что одна шина имеет вес 40 кг, необходимо сформировать две стопки по 5 шин каждая. Геометрические размеры одной стопки будут следующие: диаметр - 1м, высота - 1м. После формирования стопок открывают дверь 2, включают двигатель 3, который приводит в действие рольганг 1, и перемещают обе стопки шин в камеру 4 загрузки, а затем закрывают дверь 2. После перемещения стопок шин в камеру 4 загрузки запускают в работу парогенератор 5. Для этого из
емкости 6 с жидким топливом через краны 7 и 8 в горелку 9 парогенератора подают жидкое топливо с расходом 18 кг/ч и сжигают его для получения 200 кг/ч водяного пара при Т=140°С и давлении 3,6 атм (0,36 МПа). Продукты сгорания топлива в количестве 220 кг/ч (при сгорании 1 кг топлива образуется 12,2 кг продуктов сгорания) выводят в дымовую трубу 10.
Одновременно из емкости 6 через краны 7 и 11 в горелку 12 печи 13 подают жидкое топливо с расходом 13,5 кг/ч и сжигают его для перегрева 200 кг/ч водяного пара от Т=140°С до Т=655°С и нагрева рабочей среды в печи 20 термолиза.
Продукты сгорания топлива (температура до 800°С) в количестве 165 кг/ч выводят из печи 13 через рубашку 14 в дымовую трубу 15.
Проходя через рубашку 14 в печи 20 термолиза, продукты сгорания охлаждаются до температуры 500°С и далее, проходя через рубашку в камере 4 загрузки, они охлаждаются до 250 и выбрасываются в окружающую среду. При этом количество тепла, передаваемого от продуктов сгорания в печь 20 термолиза, составит величину:
прод. сгорания
прод. сгорания
прод. сгорания
Q 1 = М С (Т2-Т1) = 165 кг/ч. 1,34 кДж/кг С (80 С-500 С) = 66330 кДж/ч.
прод. сгорания
прод. сгорания
где М - количество продуктов сгорания, кг/ч ; С - удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг С; Т1 и Т2 - температура входа продуктов сгорания в рубашку 14 в печи 20 термолиза и температура выхода их из рубашки 14 в печи 20 термолиза.
В камере 4 загрузки тепло от продуктов сгорания передается резиновым отходам. Количество этого тепла следующее:
прод. сгорания
прод. сгорания
прод. сгорания
Q 2 = М С (Т4-Т3) = 165 кг/ч. 1,34 кДж/кг С (500 С-250 С) = 55275 кДж/ч,
где Т3 и Т4 - температура входа продуктов сгорания в рубашку 14 в камере 4 загрузки 4 и температура выхода их в окружающую среду.
Поскольку печь 13 имеет общую стенку с печью 20 термолиза, то тепло от стенки конвективным и радиационным путем (стенка нагрета до 800°С) передается изношенным шинам, и количество этого тепла составляет 25% от
выделяющегося в печи 13 тепла при сжигании 13,5 кг/ч жидкого топлива, т.е. данное количество тепла равно 0,25. 13,5 кг/ч. 44440 кДж/кг = 150000 кДж/ч. Принято, что 44440 кДж/кг - удельная теплота сгорания жидкого топлива.
Суммарное количество тепла, необходимого для термического разложения отходов в печи 20 термолиза, определяется следующим образом
Qобщ = Qнaгp. + Оразл. + Qпoтеpь, Т.е. Qобщ = 1,2 {(Ср отходов Мотх.(Т2-Т1) + qMoтx)}.
Qобщ. == 1,2{(1,4 кДж/кг 400 кг (500 С-100 С)+
+ 600 кДж/кг 400 кг)} = 556800 кДж
где Qобщ - общее количество тепла, которое необходимо для термического разложения ;QHarp. - тепло нагревания отходов до 500°С; Qразл. - тепло, затрачиваемое на разложение отходов; Qпoтepь - тепловые потери, составляющие 20% от тепла нагревания и разложения; q - удельное тепло разложения, равное для резиновых отходов 600 кДж/кг; Мотх. - масса отходов; Т1 и Т2 - начальная и конечная температура отходов. В нашем случае начальная температура отходов принята равной 100 С, т.к. уже в камере 4 загрузки отходы прогреваются от 20°С до 100°С за счет передачи тепла от нагретой до 200С поверхности двери 22 печи 20 термолиза и передачи тепла от нагретой рубашки 14.
Так как часть тепла в печь 20 термолиза подводится через стенку печи 13 (150000 кДж/ч), часть тепла подводится через рубашку 14 от продуктов сгорания топлива в печи 13 (66330 кДж /ч), и за 120 минут будет подведено (150000 кДж/ч + 66330 кДж/ч). 2 ч = 432660 кДж тепла, то с перегретым паром необходимо подвести следующее количество тепла: (556800 - 432660) кдж = 124140 кДж. Следовательно необходимое количество перегретого водяного пара Gпapa (Твхода= 700°С, Твыхода= 450°С, Спара= 2 кДж/кг С) составит величину:
Gпapa = {(124140 кДж)/ 2 кДж/кг С (655 С-500 С )}/2 ч = 200 кг/ч.
От парогенератора 5 через кран 16 в теплообменник 17 с расходом 200 кг/ч подают водяной пар, который, проходя через теплообменник 17,
нагревается до температуры 655°С. При этом температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика 18 температуры. Перегретый водяной пар из теплообменника 17 с расходом 200 кг/ч через кран 19 подают в печь 20 термолиза. В результате подачи перегретого до 655°С пара и теплообмена со стенкой печи 13 и стенкой рубашки 14 в печи 20 термолиза температура парогазовой среды поднимается до 500°С, что контролируют по показаниям датчика 21 температуры. После достижения в печи 20 термолиза температуры 500°С открывают дверь 22 и с помощью рольганга 1 две стопки изношенных шин из камеры 4 загрузки перемещают в печь 20 термолиза. Затем дверь 22 закрывают. В печи 20 термолиза в результате теплообмена с парогазовой средой в течение 60 минут происходит нагрев изношенных шин до температуры 300. С и начинается процесс термического разложения резины, который протекает 60 минут.
В нашем случае образуются газообразные (160 кг) и твердые (240 кг) продукты разложения изношенных шин. Газообразные продукты разложения через кран 23 выводят в конденсатор 24. Одновременно с выводом газообразных продуктов через рубашку конденсатора 24 с помощью водяного насоса 25 из емкости 26 прокачивают охлаждающую воду.
В результате теплообмена с газообразными продуктами разложения изношенных шин охлаждающая вода нагревается. Нагретую воду из рубашки конденсатора 24 подают обратно в. емкость 26. Затем нагретую воду из емкости 26 подают в радиатор 27 с вентилятором, где в результате теплообмена с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, воду охлаждают до температуры 30°С и возвращают в емкость 26. Температуру охлаждения воды контролируют по показаниям датчика 28 температуры 28 и устанавливают равной 30°С путем изменения оборотов вращения вентилятора и регулировки таким образом потока охлаждающего воздуха через радиатор.
В конденсаторе 24 газообразные продукты разложения изношенных шин и водяной пар охлаждают, в результате чего водяной пар и часть газообразных продуктов разложения конденсируются с образованием воды и жидкой фракции.
Пусть в нашем случае конденсируется 90% парогазовых продуктов, т.е. 0,9×160 кг/ч = 144 кг/ч (процесс конденсации парогазовых продуктов протекает 2 ч). Теплота конденсации данных продуктов составляет 300 кДж/кг, а теплоемкость их в газообразном состоянии 3 кДж/кг С. В этом случае в конденсаторе 24 в результате охлаждения и конденсации части парогазовых продуктов выделится следующее количество тепла Q = Сп.п. Мл.п.(Твх.п.п. + Твыхп.п.) + qконд.п.п. Mп.п.= 3 кДж/кгС. 72 кг/ч (500-100) С + 300 кДж/кг. 72 кг/ч = 108000 кДж/ч,
где Сп.п. - удельная теплоемкость парогазовых продуктов; Мп.п. - масса парогазовых продуктов; Твхп.п. и Твыхп.п. температура входа парогазовых продуктов в теплообменник и температуры выхода их из теплообменника; qкoнд.п.п. удельная теплота конденсации парогазовых продуктов.
Одновременно в конденсаторе 24 охлаждается и конденсируется водяной пар в количестве 200 кг/ч. При этом количество выделяющейся теплоты будет равно:
Q = СвпМвп. (Твхп.п. + Твыхп.п.) + гвп. Мвп. = 2 кДж/кг 200 кг/ч (500 С-100 С)+ 2500 кДж/кг. 200 кг/ч = 660000 кДж/ч,
где Св.п. - удельная теплоемкость водяного пара, 2 кДж/кг С; Мвп. - масса водяного пара; гв.п - удельная теплота конденсации водяного пара, 2500 кДж/кг.
Таким образом, в конденсаторе 24 необходимо отводить следующее количество тепла : 108000 кДж/ч + 660000 кДж/ч = 768000 кДж/ч .
Для отвода такого количества тепла потребуется следующее количество охлаждающей воды :
Мводы = Q/{Ср. воды (Твыхода - Твхода)} = 768000 кДж/ч/{4,18 кДж/кг С (80 С-30 С)} = 3674 кг/ч,
где Ср.воды - удельная теплоемкость воды, 4,18 кДж/кг С; Твхода, Твыхода - температура охлаждающей воды на входе в рубашку конденсатора 24 и на выходе из рубашки. Образующуюся смесь воды и жидкой фракции в количестве 72 кг/ч + 200 кг/ч = 272 кг/ч через кран 29 из конденсатора 24 выводят в сепаратор 30, где отделяют жидкую фракцию в количестве 72 кг/ч от воды.
После этого жидкую фракцию из сепаратора 30 через кран 31 в количестве 72 кг/ч подают в ректификационную колонку 32, а воду в количестве 200 кг/ч подают в накопительную емкость 33. Из .накопительной емкости 33 через фильтр 34 и кран 35 очищенную воду возвращают в парогенератор 5 для получения рабочего водяного пара.
В ректификационной колонке 32 жидкую фракцию нагревают с помощью электрического нагревателя 36, подключенного к дизельной электростанции 37. Образующиеся в результате нагрева жидкой фракции пары из колонки 32 поступают в дефлегматор 38, где частично конденсируются в результате теплообмена с охлаждающей водой, подаваемой в рубашку дефлегматора 38 через кран 39 и выводимой из рубашки через кран 40. Часть конденсата паров (флегма) через распределитель 41 стекает обратно в колонку 32, а другая часть (дистиллят) поступает в конденсатор 42, охлаждаемый водой, которая подается через кран 43. Из конденсатора 42 дистиллят с температурой кипения до 250 С в количестве 16 кг/ч поступает в приемник 44, из которого через кран 45 часть дистиллята в количестве 8 кг/ч подают в качестве топлива в двигатель дизельной электростанции 37.
Остаток жидкой фракции с температурой кипения выше 250°С в количестве 56 кг/ч через кран 46 сливают в емкость 6.
Неконденсирующиеся газообразные продукты термического разложения в количестве 16 кг/ч (теплота сгорания 22220 кДж/кг) из конденсатора 24 через кран 47 подают в горелку 9 парогенератора 5 и сжигают. При этом снижают расход топлива, подаваемого из емкости 6 в горелку 9 до (18 кг/ч-8 кг/ч) = 10 кг/ч.
После завершения процесса термического разложения изношенных шин (момент завершения процесса определяют с помощью датчика 48, контролирующего содержание жидких продуктов разложения в воде, поступающей в сепаратор 30) твердые продукты разложения из печи термолиза 20 выводят в камеру 49 охлаждения. Для этого открывают двери 50, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются из печи
20 термолиза в камеру 49 охлаждения. После этого двери 50 закрывают. Открывают двери 22 и в печь 20 термолиза подают очередную стопку изношенных шин.
После выгрузки твердых продуктов разложения шин в камеру 49 охлаждения из емкости 33 через системы 51 распыления распыляют воду. Вода охлаждает твердые продукты до 100°С. Образующиеся водяные пары поднимают давление в камере 49 охлаждения и через клапан 52 выходят в печь 20 термолиза.
С водяным паром в печь 20 термолиза возвращается тепло охлаждения твердого остатка, что приводит к снижению расхода энергоресурсов на процесс переработки резиновых отходов.
Температуру охлаждения твердых продуктов контролируют по показаниям датчика 53 температуры.
Для охлаждения твердых продуктов от 500°С до 100°С потребуется следующее количество воды:
Мводы - {Ст.п. Мт.п. (500 С-100 С)} : {Ср.вода (100 С-30 С) +
+ Гв.п.}-{0,8 кДж/кг С 120 кг/ч . 400 С}:{4.18 кДж/кгС. 70 С + 2500 кДж/кг} = 13, 7 кг/ч,
где Ст.п. - удельная теплоемкость твердых продуктов, 0,8 кДж/кг С; Мт.п. -количество охлаждаемых в час твердых продуктов, кг/; гв.п. - теплота испарения воды (равна теплоте конденсации пара), - 2500 кДж/кг. После охлаждения до 100°С твердые продукты выгружают из камеры 49 охлаждения в накопительный контейнер 54 . Для этого открывают шиберную заслонку 55, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются в контейнер 54. Шиберную заслонку 55 после выгрузки твердых продуктов закрывают.
Пример 2.
На рольганге 1 формируют стопки из изношенных шин весом 200 кг путем укладки одной шины на другую. При условии, что одна шина имеет вес 20 кг, необходимо сформировать две стопки по 5 шин каждая. Геометрические размеры одной стопки будут следующие: диаметр - 0,8 м, высота - 0,9 м.
После формирования стопок открывают дверь 2, включают двигатель 3, который приводит в действие рольганг 1, и перемещают обе стопки шин в камеру 4 загрузки, а затем закрывают дверь 2. После перемещения стопок шин в камеру 4 загрузки запускают в работу парогенератор 5. Для этого из емкости 6 с жидким топливом через краны 7 и 8 в горелку 9 парогенератора подают жидкое топливо с расходом 4 кг/ч и сжигают его для получения 19,1 кг/ч водяного пара при Т=140°С и давлении 3,6 атм. (0,36 МПа). Продукты сгорания топлива в количестве 48,8 кг/ч (при сгорании 1 кг топлива образуется 12,22 кг продуктов сгорания) выводят в дымовую трубу 10.
Одновременно из емкости 6 через краны 7 и 11 в горелку 12 печи 13 подают жидкое топливо с расходом 7 кг/ч и сжигают его для перегрева 19,1 кг/ч водяного пара от Т=140°С до Т=700°С и нагрева рабочей среды в печи 20 термолиза.
Продукты сгорания топлива (температура до 800°С) в количестве 85,5 кг/ч выводят из печи 13 через рубашку 14 в дымовую трубу 15. Проходя через рубашку 14 в печи 20 термолиза, продукты сгорания охлаждаются до температуры 450°С и далее, проходя через рубашку в камере 4 загрузки, они охлаждаются до 250 и выбрасываются в окружающую среду. При этом количество тепла, передаваемого от продуктов сгорания в печь 20 термолиза, составит величину:
Q прод.сгорания 1 = Мпрод.сгорания С прод.сгорания (Т2-Т1) =
85,5 кг/ч. 1,34 кДж/кг С (800 С-450 С) = 40099,5 кДж/ч.
где Мпрод.сгорания - количество продуктов сгорания, кг/ч ; Спрод.сгорания - удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/кг С; Т1 и Т2 - температура входа продуктов сгорания в рубашку 14 в печи 20 термолиза и температура выхода их из рубашки 14 в печи 20 термолиза.
В камере 4 загрузки тепло от продуктов сгорания передается резиновым отходам. Количество этого тепла следующее:
Q прод.сгорания 2 - Мпрод.сгорания С прод.сгорания (Т4-Т3) =
85,5 кг/ч . 1,34 кДж/кг С (450 С-250 С) = 22914 кДж/ч,
где Т3 и Т4 - температура входа продуктов сгорания в рубашку в камере 44
загрузки и температура выхода их в окружающую среду.
Поскольку печь 13 имеет общую стенку с печью 20 термолиза, то тепло от стенки конвективным и радиационным путем  (стенка нагрета до 800°С) передается изношенным шинам, и количество этого тепла составляет 25% от выделяющегося в печи 13 тепла при сжигании 7 кг/ч жидкого топлива, т.е. данное количество тепла равно 0,25. 7 кг/ч. 44440 кДж/кг = 77770 кДж/ч. Принято, что 44440 кДж/кг - удельная теплота сгорания жидкого топлива.
Суммарное количество тепла, необходимого для термического разложения отходов в печи 20 термолиза, определяется следующим образом. Qобщ = Qнaгp. + Qразл. + Qпoтepь,
т.е. Qобщ = 1,2 {(Ср отходов Мотх.(Т2-Т1) + qMoтx)}. Qобщ. = 1,2{(1,4 кДж/кг 200 кг (450 С-120 С)+ 600 кДж/кг 200 кг)} = 254880 кДж
где Qобщ - общее количество тепла, которое необходимо для термического разложения; Qнагр. - тепло нагревания отходов до 450°С; Qразл. - тепло, затрачиваемое на разложение отходов; Qпoтepь - тепловые потери, составляющие 20% от тепла нагревания и разложения; q - удельное тепло разложения, равное для резиновых  отходов 600 кДж/кг; Мотх. - масса отходов; Т1 и Т2 - начальная и конечная температура отходов. В нашем случае начальная температура отходов принята равной 120 С, т.к. уже в камере 4 загрузки отходы прогреваются от 20°С до 120°С за счет передачи тепла от нагретой до 200С поверхности двери 22 печи 20 термолиза и передачи тепла от нагретой рубашки 14.
Так как часть тепла в печь 20 термолиза подводится через стенку печи 13 (77770 кДж/ч), часть тепла подводится через рубашку от продуктов сгорания топлива в печи 13 (40099 кДж /ч) и за 120 минут будет подведено (77770 кДж/ч + 40099,5 кДж/ч). 2 ч = 235739 кДж тепла, то с перегретым паром необходимо подвести следующее количество тепла: (254880 - 235739) кДж = 19141 кДж. Следовательно необходимое количество перегретого водяного пара Gпapa (Твхода= 700 С, а Твыхода = 450°С, Спара = 2 кДж/кг С) составит величину: Gпapa={(19141 кДж)/2кДж/кгС(700 С-45О С)}/2 ч =
19,1 кг/ч.
От парогенератора 5 через кран 16 в теплообменник 17 с расходом 19,1 кг/ч подают водяной пар, который, проходя через теплообменник, нагревается до температуры 700°С. При этом температуру перегрева пара контролируют по показаниям датчика 18 температуры. Перегретый водяной пар из теплообменника 17 с расходом 19,1 кг/ч через кран 19 подают в печь 20 термолиза. В результате подачи перегретого до 700°С пара и теплообмена со стенкой печи 13 и стенкой рубашки 14 в печи 20 термолиза температура парогазовой среды поднимается до 450°С, что контролируют по показаниям датчика 21 температуры. После достижения в печи 20 термолиза температуры 450 С открывают дверь 22 и с помощью рольганга 1 две стопки изношенных шин из камеры загрузки 4 перемещают в печь 20 термолиза. Затем дверь 22 закрывают. В печи 20 термолиза в результате теплообмена с парогазовой средой в течение 60 минут происходит нагрев изношенных шин до температуры 300°С и начинается процесс термического разложения резины, который протекает 60 минут.
В нашем случае образуются газообразные (80 кг) и твердые (120 кг) продукты разложения изношенных шин. Газообразные продукты разложения через кран 23 выводят в конденсатор 24. Одновременно с выводом газообразных продуктов через рубашку конденсатора 24 с помощью водяного насоса 25 из емкости 26 прокачивают охлаждающую воду.
В результате теплообмена с газообразными продуктами разложения изношенных шин охлаждающая вода нагревается. Нагретую воду из рубашки конденсатора 24 подают обратно в емкость 26. Затем нагретую воду из емкости 26 подают в радиатор 27 с вентилятором, где в результате теплообмена с потоком воздуха, создаваемым вентилятором, воду охлаждают до температуры 30°С и возвращают в емкость 26. Температуру охлаждения воды контролируют по показаниям датчика 28 температуры и устанавливают равной 30°С путем изменения оборотов вращения вентилятора и регулировки таким образом потока охлаждающего воздуха через радиатор 27.
В конденсаторе 24 газообразные продукты разложения изношенных шин и водяной пар охлаждают, в результате чего водяной пар и часть газообразных
продуктов разложения конденсируются с образованием воды и жидкой фракции.
Пусть в нашем случае конденсируется 90% парогазовых продуктов, т.е. 0,9 × 80 кг/ч = 72 кг/ч (процесс конденсации парогазовых продуктов протекает 2 ч). Теплота конденсации данных продуктов составляет 300 кДж/кг, а теплоемкость их в газообразном состоянии 3 кДж/кг С.
В этом случае в конденсаторе 24 в результате охлаждения и конденсации части парогазовых продуктов выделится следующее количество тепла
Q = Сп.п. Мп.п.(Твх.п.п. + Твыхп.п.) + qкoнд.п.п. M п.п.= 3 кДж/кгС.36 кг/ч (450-100)С + 300 кДж/кг . 36 кг/ч = 48600 кДж/ч, где Сп.п. - удельная теплоемкость парогазовых продуктов; Мп.п. - масса парогазовых продуктов; Твх.п.п. и Твых.п.п. - температура входа парогазовых продуктов в теплообменник и температуры выхода их из теплообменника; qкoнд.п.п. удельная теплота конденсации парогазовых продуктов.
Одновременно в конденсаторе 24 охлаждается и конденсируется водяной пар в количестве 19,1 кг/ч. При этом количество выделяющейся теплоты будет равно:
Q = Св.п.Мв.п. (Твх.п.п. + Твых.п.п.) + гв.п. Мв.п. =
2 кДж/кг 19,1 кг/ч (450 С - 100 С)+ 2500 кДж/кг . 19,1 кг/ч = 61120кДж/ч,
где Св.п. - удельная теплоемкость водяного пара, 2 кДж/кг С; Мв.п. - масса водяного пара; гв.п. - удельная теплота конденсации водяного пара, 2500 кДж/кг.
Таким образом, в конденсаторе необходимо отводить следующее количество тепла: 48600 кДж/ч+ 61120 кДж/ч = 109720 кДж/ч.
Для отвода такого количества тепла потребуется следующее количество охлаждающей воды:
Мводы = Q/{Ср. вода (Твыхода - Твхода)}=
109720 кДж/ч/{4.18 кДж/кгС (80 С-30 С) = 525 кг/ч, где Ср.воды - удельная теплоемкость воды, 4,18 кДж/кг С; Твхода, Твыхода -температура охлаждающей воды на входе в рубашку конденсатора 24 и на выходе из рубашки.
Образующуюся смесь воды и жидкой фракции в количестве 36 кг/ч +19,1 кг/ч = 55,1 кг/ч через кран 29 из конденсатора 24 выводят в сепаратор 30, где отделяют жидкую фракцию в количестве 36 кг/ч от воды. После этого жидкую фракцию из сепаратора 30 через кран 31 в количестве 36 кг/ч подают в ректификационную колонку 32, а воду в количестве 19,1 кг/ч подают в накопительную емкость 33. Из накопительной емкости 33 через фильтр 34 и кран 35 очищенную воду возвращают в парогенератор 5 для получения рабочего водяного пара.
В ректификационной колонке 32 жидкую фракцию нагревают с помощью электрического нагревателя 36, подключенного к дизельной электростанции 37. Образующиеся в результате нагрева жидкой фракции пары из колонки 32 поступают в дефлегматор 38, где частично конденсируются в результате теплообмена с охлаждающей водой, подаваемой в рубашку дефлегматора 38 через кран 39 и выводимой из рубашки через кран 40. Часть конденсата паров (флегма) через распределитель 41 стекает обратно в колонку 32, а другая часть (дистиллят) поступает в конденсатор 42, охлаждаемый водой, которая подается через кран 43. Из конденсатора 42 дистиллят с температурой кипения до 250 С в количестве 7,2 кг/ч поступает в приемник 44, из которого через кран 45 часть дистиллята в количестве 5 кг/ч подают в качестве топлива в двигатель дизельной электростанции 37.
Остаток жидкой фракции с температурой кипения выше 250°С в количестве 28,8 кг/ч через кран 46 сливают в емкость 6.
Неконденсирующиеся газообразные продукты термического разложения в количестве 8 кг/ч (теплота сгорания 22220 кДж/кг) из конденсатора 24 через кран 47 подают в горелку 9 парогенератора 5 и сжигают. При этом снижают расход топлива, подаваемого из емкости 6 в горелку 9 до (4 кг/ч - 4 кг/ч) = О кг/ч, т.е. полностью прекращают подачу жидкого топлива в горелку 9 парогенератора 5. После завершения процесса термического разложения изношенных шин (момент завершения процесса определяют с помощью датчика 48, контролирующего содержание жидких продуктов разложения в воде, поступающей в сепаратор 30) твердые продукты разложения из печи 20
термолиза выводят в камеру 49 охлаждения. Для этого открывают двери 50, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются из печи 20 термолиза в камеру 49 охлаждения. После этого двери 50 закрывают. Открывают двери 22 и в печь 20 термолиза подают очередную стопку изношенных шин.
После выгрузки твердых продуктов разложения шин в камеру 49 охлаждения из емкости 33 через системы 51 распыления распыляют воду. Вода охлаждает твердые продукты до 100°С. Образующиеся водяные пары поднимают давление в камере охлаждения и через клапан 52 выходят в печь 20 термолиза.
С водяным паром в печь 20 термолиза возвращается тепло охлаждения твердого остатка, что приводит к снижению расхода энергоресурсов на процесс переработки резиновых отходов.
Температуру охлаждения твердых продуктов контролируют по показаниям датчика 53 температуры.
Для охлаждения твердых продуктов от 450°С до 100°С потребуется следующее количество воды:
Мводы = {С т.п.. Мт.п. (450 С-100 С)} : {Ср. воды (100 С-30 С) + гв.п.}= {0,8 кДж/кгС 60кг/ч.350С}: {4.18 кДж/кгС . 70С + + 2500 кДж/кг} = 6 кг/ч,
где Ст.п. - удельная теплоемкость твердых продуктов, 0,8 кДж/кг С; Мт.п. -количество охлаждаемых в час твердых продуктов, кг; гв.п. - теплота испарения воды (равна теплоте конденсации пара), 2500 кДж/кг.
После охлаждения до 100 С твердые продукты выгружают из камеры 49 охлаждения в накопительный контейнер 54 . Для этого открывают шиберную заслонку 55, и твердые продукты под действием собственного веса проваливаются в контейнер 54. Шиберную заслонку 55 после выгрузки твердых продуктов закрывают.
За счет использования части резиновых отходов для энергообеспечения процесса переработки достигается эффект снижения энергоемкости, так как в сравнении с известными технологиями переработки
(измельчение, пиролиз, термодеструкция в маслах и др.) отпадает необходимость в дополнительном топливе, что в свою очередь обеспечивает снижение выбросов продуктов сгорания в окружающую среду.
Источники информации:
1. Патент Франции №2279836, кл. С 08 J 1/10, 1976.
2. Патент Российской Федерации №2076501, Кл. 6В2917/11, C 08 J 11/14, 1997.
3. Патент Латвии №12890, Кл. С10В53/02, C 08 J 11/ОО, С08Л 1/14, 2002.
4. Авторское свидетельство СССР №1783038, Кл. Е 01 Н 12/00, 1992.