Устройство для утилизации отходов на органической основе
DEVICE FOR WASTE DISPOSAL ON ORGANIC BASIS

Изобретение относится к устройствам для утилизации твердых органических отходов из пластика, резины и полимеров.
Известен способ переработки резинотехнических и органических отходов и устройство для его реализации [Патент РФ на изобретение № 2321492, МПК B29B 17/00, C10G 1/10, B02C 23/24, C08J 11/14, Способ переработки резинотехнических и органических отходов и устройство для его реализации, Опубл. 10.04.2008, Бюл. № 10]. Устройство содержит теплоизолированный реактор и источник излучения, смонтированный вертикально в центре реактора или по его центральной оси, а на расстоянии 30-1000 мм от источника излучения смонтирован перфорированный трубопровод, с изменяемой геометрией сечения, в котором соотношение диаметров входного D1 и выходного D2 отверстий изменяются в пределах D1/D2=1/1,1-1/10. Диаметр трубы плавно увеличивается по всей длине трубопровода от входа в реактор к его концевой части, это позволяет при практически атмосферном давлении получить водяной пар с температурой до 600°С. Экспериментально установлена зависимость температуры, скорости потока водяного пара и/или газа и скорости деструкции в парогазовой среде от состава и вида органических материалов. На основании диаграмм, полученных экспериментальным путем, выбирается расстояние трубопровода пара от источника инфракрасного излучения и размер увеличения диаметра трубы, которые соответствуют оптимальному режиму деструкции для конкретных видов резинотехнических и органических отходов. С целью равномерного распределения перегретого водяного пара по объему реактора и улучшения масса-теплообмена концевая часть трубопровода перфорируется. Перфорация трубопровода выполнена на поверхности трубы на расстоянии 25-75 мм от конца трубопровода.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и загрязнение получаемых продуктов конденсатом водяного пара.
Известен способ переработки органических отходов и устройство для переработки органических отходов [Патент РФ на изобретение № 2422478, МПК C08J 11/04, B29B 17/00, Способ переработки органических отходов и устройство для переработки органических отходов, Опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18]. Устройство содержит реактор с теплообменником и вентилятором, камеру с затворами, контейнер, сообщенный с накопителем отходов, бункер для твердых отходов, сообщенный с контейнером и подсоединенный к ленточному транспортеру, связанному последовательно с мельницей и магнитным сепаратором, при этом реактор сообщен с парогенератором, топкой и конденсатором, а контейнер имеет возможность перемещения в реактор и из реактора через затворы камеры, дополнительно содержит газоход для вывода из контейнера воздуха в реактор, теплообменник выполнен в виде двойных боковых стенок реактора и сообщен с топкой, в качестве теплоносителя используют газообразную смесь из продуктов сгорания, поступающих в теплообменник, и воздуха в реакторе, при этом газоход выходом расположен в реакторе и имеет возможность герметичного соединения по входу с верхней частью контейнера при размещении контейнера в реакторе, вентилятор размещен в верхней части реактора, контейнер выполнен с перфорированным дном и с возможностью перемещения сначала в камеру, а затем в реактор помощи устройства для перемещения.
Недостатком известного устройства является, повышенный расход энергии на переработку, т.к. необходим нагрев газовоздушной смеси до 750-1150 °С.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент US [Патент US № 9,446,376, Apparatus for pyrolysis using molten metal, CPC B01J 19/26; B01J 19/0006; C01B 49/14; С10B 53/00, Опубл. 20.09.2016]. Устройство включает в себя реактор с расплавленным металлом, циркуляционный насос, соединенный с реактором, буферный резервуар, расположенный на верхней части реактора, сопло, обеспечивающее разбрызгивание жидкого металла во внутренней полости реактора, подключенное к циркуляционному насосу, узел для разделения продуктов пиролиза (полукокса и шлака), а также огневую печь, соединенную с реактором для сжигания полукокса, поступающего из реактора, внутри печи расположен теплообменник соединенный с внутренним объемом реактора для нагрева жидкого металла за счет тепла образующегося в результате сжигания полукокса. В известном устройстве в качестве жидкого металла используют олово, висмут или их сплавы. Известное устройство позволяет перерабатывать отходы биомассы, угля, пластмасс и резин.
Недостатками известного устройства являются невозможность утилизировать органические отходы с армирующим каркасом неподвергающимся пиролизу (например, автомобильные шины), образование токсичных соединений в результате попадания олова, висмута или их сплава в огневую печь вместе с полукоксом в процессе работы.
Задача, решаемая предложенным техническим решением, состоит в исключении указанного недостатка известного устройства, а именно расширение спектра перерабатываемых отходов, повышение качества получаемых продуктов за счет исключения контакта теплоносителя с открытым пламенем.
Технический результат – повышение качества получаемых продуктов при утилизации отходов на органической основе.
Для исключения указанных недостатков в устройстве по утилизации отходов на органической основе предлагается:
- устройство снабдить реакционной емкостью со съемной крышкой с вытеснителем и извлекаемой корзиной, сливным баком, соединительным, газовым и отводящим трубопроводами, трубопроводом сжатого газа, механическим фильтром со сменным фильтр-элементом, конденсатором, сепаратором, горелочными устройствами и теплоизоляцией;
- реакционную емкость и сливной бак выполнить с возможностью заполнения теплоносителем;
- сливной бак снабдить змеевиком с горелочными устройствами;
- извлекаемую корзину выполнить с возможностью свободно пропускать теплоноситель и газообразные продукты утилизации отходов;
-  реакционную емкость в области днища соединить с внутренним объемом сливного бака соединительным трубопроводом;
- реакционную емкость в верхней части соединить газовым трубопроводом с сепаратором через механический фильтр со сменным фильтр-элементом и конденсатор;
-  сепаратор соединить отводящим трубопроводом с горелочными устройствами;
- сливной бак в верхней части соединить с баллоном со сжатым газом через редуктор;
- сливной бак, реакционная емкость, соединительный трубопровод, газовый трубопровод на участке от механического фильтра со сменным фильтр-элементом до конденсатора снабдить теплоизоляцией.
В частных случаях реализации устройства для утилизации отходов на органической основе предлагается:
- во-первых, в качестве теплоносителя используется сплав тяжелых легкоплавких металлов, например, свинец-висмут-олово.
- во-вторых, для обогрева устройства используется газ, получаемый в процессе утилизации.
- в-третьих, в качестве фильтр-элемента используется стеклоткань марки МКТ.
- в-четвертых, сливной бак снабдить металлическим змеевиком обогреваемым горелочным устройством.
- в-пятых, вытеснитель крышки реакционной емкости снабдить быстросъемной теплоизоляцию.
- в-шестых, на соединительном трубопроводе установить вентиль.
- в-седьмых, сливной бак установить ниже уровня реакционной емкости.
Сущность устройства для утилизации отходов на органической основе состоит в следующем.
На фигуре представлена схема одного из возможных вариантов исполнения устройства. На фигуре приняты следующие позиционные обозначения: 1- реакционная емкость; 2 – сливной бак; 3 – извлекаемая корзина; 4 – съемная крышка с вытеснителем; 5 – быстросъемная теплоизоляция; 6 – теплоизоляция; 7 – баллон со сжатым газом; 8 – теплоноситель; 9 – соединительный трубопровод;10 – трубопровод сжатого газа; 11 – вентиль; 12 – змеевик; 13 –горелочные устройства; 14 – отводящий трубопровод; 15 – механический фильтр со сменным фильтр-элементом; 16 – конденсатор; 17 – сепаратор; 18 – газовый трубопровод.
Устройство содержит, по меньшей мере, одну реакционную емкость 1 и извлекаемую корзину 3, сливной бак 2, соединительный 9, газовый 18 и отводящий 14 трубопроводы, трубопровод сжатого газа 10, механический фильтр со сменным фильтр-элементом 15, конденсатор 16, сепаратор 17, горелочные устройства 13 и теплоизоляцию 6.
Для повышения скорости процесса утилизации отходов на органической основе за счет снижения времени нагрева реакционная емкость 1 предусматривает возможность её заполнения теплоносителем 8. Уплотнение реакционной ёмкости 1 обеспечивается съемной крышкой с вытеснителем 4, в который установлена быстросъемная теплоизоляция 5. Быстросъемная теплоизоляция 5 извлекается из вытеснителя в период охлаждения реакционной ёмкости 1 для снижения времени охлаждения.
Извлекаемая корзина 3 служит для размещения в ней утилизируемых отходов на органической основе. Конструкция извлекаемой корзины 3 позволяет свободно пропускать теплоноситель 8 и газообразные продукты утилизации, при этом твердые отходы утилизации остаются внутри ней.
Сливной бак 2 служит для хранения в нем теплоносителя 8 в процессе загрузки/выгрузки извлекаемой корзины 3. Для нагрева теплоносителя 8 в сливном баке 2 предусмотрен змеевик 12, обогреваемый горелочными устройствами 13.
Для обеспечения возможности перемещения теплоносителя из реакционной емкости 1 в сливной бак 2 предусмотрен соединительный трубопровод 9 с вентилем 11. Соединительный трубопровод 9 соединяет дно реакционной емкости 1 с внутренней полостью сливного бака 2 таким образом, что соединительный трубопровод опускается внутри сливного бака до уровня 10 мм от дна.
Газовый трубопровод 18 соединяет реакционную ёмкость 1, в верхней её части, с сепаратором 17 через механический фильтр со сменным фильтр-элементом 15 и конденсатор 16. На участке от реакционной ёмкости 1 до конденсатора 16 газовый трубопровод 18 снабжён теплоизоляцией 6 для предотвращения конденсации продуктов утилизации до конденсатора 16.
Механический фильтр со сменным фильтр-элементом 15 препятствует попаданию капель теплоносителя 8, частиц твердых продуктов и прочих нежелательных включений в конденсатор 16.
Конденсатор 16 предназначен для конденсации жидких продуктов утилизации находящихся в газообразной форме.
Сепаратор 17 разделяет неконденсированные газообразные продукты утилизации от жидкости и накапливает её.
Для подачи неконденсированных газов на горелочные устройства 13 предусмотрен отводящий трубопровод 14. Горелочные устройства 13 предназначены для сжигания неконденсированных газообразных продуктов утилизации с целью обогрева сливного бака 2 и реакционной ёмкости 1.
Для создания избыточного давления в сливном баке 2 в процессе перемещения теплоносителя 8 в реакционную емкость 1 сливной бак 2 в верхней части соединен трубопроводом сжатого газа 10 с баллоном со сжатым газом 7.
С целью снижения тепловых потерь в процессе утилизации реакционная емкость 1 и сливной бак 2 снабжены теплоизоляцией 6.
Устройство работает следующим образом.
В реакционную емкость 1 устанавливается извлекаемая корзина с предварительно загруженными в неё отходами на органической основе. На реакционную емкость 1 устанавливают съемную крышку с вытеснителем 4, в вытеснитель устанавливают теплоизоляцию 5. Открывают вентиль 11, и предварительно разогретый до температуры 400-500˚С теплоноситель 8 перемещают за счет создания избыточного давления в сливном баке 2 из баллона со сжатым газом 7 в реакционную емкость 1. Вентиль 11 закрывают. Давление в сливном баке сбрасывают. Начинается процесс утилизации. Вводят в работу горелочные устройства 13 для поддержания температуры в реакционной емкости 1 и сливном баке 2.
Продукты утилизации, находящиеся в паровой фазе, поступают по газовому трубопроводу 18 через механический фильтр со сменным фильтр-элементом 15 в конденсатор 16. В конденсаторе 16 часть полученных продуктов конденсируются и далее смесь жидких и газообразных продуктов поступает в сепаратор 17. В сепараторе 17 происходит накопление жидких продуктов утилизации, а газообразные неконденсированные продукты поступают по отводящему трубопроводу 14 в горелочные устройства 13 для сжигания и обогрева реакционной емкости 1 и сливного бака 2.
По завершении процесса утилизации открывают вентиль 11. Теплоноситель самотеком перемещают в сливной бак 2. Горелочные устройства останавливают. Из съемной крышки с вытеснителем 4 извлекают быстросъемную теплоизоляцию. Проводят выдержку до достижения температуры внутри реакционной емкости ниже 150 °С. Снимают съемную крышку, и извлекают извлекаемую корзину 3 с твердыми продуктами утилизации. Производят отбор твердых продуктов утилизации и загружают в извлекаемая корзину 3 новую партию отходов для утилизации.
Далее цикл повторяется.
Пример конкретного исполнения устройства.
Устройство состоит из реакционной емкости 1. Высота реакционной емкости составляет 700 мм, внутренний диаметр 300 мм, толщина стенки – 4 мм. На реакционной емкости использовано фланцевое уплотнение крышки Ду 300 с углеграфитовой или асбестовой прокладкой.
Съемная крышка 5 выполнена в виде плоского приварного фланца Ду300 с вытеснителем наружный диаметр которого составляет 280 мм, высота – 250 мм, толщина стенки – 2 мм.
Извлекаемая корзина 3 выполнены в виде перфорированных цилиндров из нержавеющей стали со съемной верхней частью. Диаметр извлекаемых корзин составляет 280 мм, высота 450 мм, толщина стенки – 2 мм.
Сливной бак выполнен в виде цилиндрического сосуда с двумя эллиптическими днищами. Высота сливного бака составляет 500 мм, наружный диаметр – 325 мм, толщина стенки – 6 мм. Сливной бак устанавливается вертикально, в верхнее эллиптическое днище вварен соединительный трубопровод наружным диаметром 32 мм, который опускается внутри сливного бака до уровня 10 мм от нижнего днища, трубка 10×1 мм соединяющая сливной бак с редуктором баллона со сжатым газом и сбросной газовый вентиль, предназначенный для сброса газа в атмосферу. К обечайке сливного бака в верхней и нижней её части приварен змеевик 12, выполненный из трубы 32×3 мм и навитый с шагом витка 75 мм, диаметр витка – 200 мм, количество витков – 10 шт.
Механический фильтр со сменным фильтр-элементом 15 представляет собой цилиндр с фланцевым уплотнением в верхней части. Диаметром обечайки 100 мм, толщиной – 2 мм и высотой 200 мм. Толщина днища составляет 2 мм. К обечайке и днищу приварен газовый трубопровод выполненный из трубы 28×2. Вход в фильтр располагается со стороны обечайки, выход – со стороны днища. Сменный фильтр-элемент представляет собой стеклоткань марки МКТ-5,0, слоями уложенную внутрь фильтра.
Конденсатор 16 представляет собой теплообменный аппарат с длинной трубного пучка 650 мм, количеством трубок 7 шт, размер трубок – 10×0,8 мм, относительный шаг – 1,25. Охлаждение конденсатора 16 производится проточной водой с температурой 9÷18°С.
Сепаратор 17 представляет собой цилиндр диаметром 168 мм и высотой 300 мм. В днище сепаратора вварен вентиль для слива жидких продуктов утилизации. В верхнюю часть сепаратора вварены газовый 18 и отводящий 14 трубопроводы.
Отводящий трубопровод 14 выполнен из трубы 16×2 мм.
Теплоизоляция 6 выполнена из кремнеземной ваты и стеклоткани.
В качестве сжатого газа использован азот в сорока литровом баллоне 7.
Температура теплоносителя 8 в процессе утилизации находится в диапазоне 350-500°С, избыточное давление, создаваемое с помощью баллона со сжатым газом 7, при передавливании теплоносителя 8 из сливного бака в реакционную емкость составляет 1 атм.
Горелочные устройства 13 выполнены в виде газовых горелок с принудительной подачей воздуха.
Реакционная емкость 1, сливной бак 2, извлекаемая корзина 3, съемная крышка с вытеснителем 4, соединительный трубопровод 9, газовый трубопровод 18, отводящий трубопровод 14, механический фильтр 15, конденсатор 16, сепаратор 17 изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.