Установка пиролиза отходов
WASTE PYROLYSIS PLANT

Изобретение относится к утилизации отходов, содержащих вещества органического происхождения и может быть использовано в химической, нефтехимической, металлургической, коммунальной, сельскохозяйственной и других отраслях хозяйства. Установка не требует обеспечения от внешних источников энергии, может быть выполнена в мобильном варианте на автомобильной платформе.
Известны установки пиролиза органических веществ, которые содержат реактор в виде шахтной печи, устройства загрузки и разгрузки. Это установки Торакс, Пьюрокс, Лангард (см. П.П. Пильгунов, М.В. Сумароков, библиотечка «Охрана окружающей среды». Утилизация промышленных отходов, Стройиздат, 1990, с. 75).
Недостатком известных установок является низкая эффективность пиролиза органических веществ вследствие того, что не полностью используются физико-химические свойства отходов, а также остается опасность загрязнения окружающей среды продуктами пиролиза.
Наиболее близкой к заявленной, принятой за прототип, является установка пиролиза отходов (см. патент Украины №87162, МПК F23G 5/27 от 26.06.2009), которая содержит последовательно соединенные между собой бункер отходов, экструдер с зеером, воздухозаборником, вентилятором, емкостью загрязненной воды и насосом, дроссель, головку приводную с одним или более бесконечными тяговыми элементами, на которых с определенным шагом, в случае необходимости, закреплены поперечные скребки и электронагревателем, соединенным благодаря электрической сети с электрогенератором, который имеет кинематическую связь с двигателем тепловым, камеру сгорания, во внешней стенке которой расположены горелки пиролизного газа, генераторного газа, пиролизной углеводородной жидкости, штуцер подвода выхлопных газов и штуцер отвода дымовых газов, который соединен с фильтром дымовых газов, при этом, внутренняя стенка камеры сгорания является одновременно наружной стенкой реактора пиролиза, который оснащен штуцером отвода паров и газов продуктов пиролиза который соединен с ректификационной колонной, которая, в свою очередь, соединена с емкостями пиролизной жидкости, разделенной на фракции и насосом, емкостью пиролизной воды с насосом, а благодаря компрессору, с газгольдером, головку концевую, шлюз-дозатор выгрузки пирокарбона, соединенный с газогенератором и бункером пирокарбона, при этом, газогенератор соединен с бункером золы.
Экструдер через зеер, воздухозаборник и вентилятор дополнительно соединен с газогенератором, а через зеер, емкость загрязненной воды и насос дополнительно соединен с газогенератором.
Камера сгорания оснащена горелками пиролизного газа, генераторного газа, пиролизной углеводородной жидкости, которые, в свою очередь соединены с газгольдером и благодаря насосу, с емкостями пиролизной углеводородной жидкости и газогенератором, соответственно, с возможностью регулирования их теплопроизводительности.
Газогенератор с помощью насоса соединен с емкостью пиролизной воды.
Недостатком известной установки пиролиза отходов является то, что реактор оснащен цепным конвейером на барабанах приводной и концевой головок которого в процессе работы происходит налипание твердых продуктов пиролиза в виде пирокарбона, пропитанного смолами с высокой температурой кипения, которые со временем образовывают плотную массу, препятствующую нормальному зацеплению цепных тяговых элементов и скребков на зубьях звездочек и свободному продвижению через электронагреватель, что приводит к остановке процесса, потере энергии и времени на разборку и очистку.
Кроме того, в известной установке пиролиза, применение реактора в виде продольно расположенной камеры, усложняет процесс равномерного подвода тепла к отходам и управление их нагревом, а значит, и ходом реакции пиролиза, а также приводит к излишним потерям тепловой энергии,
К недостаткам известной установки можно отнести то, что в случае необходимости реверсировать направление движения тяговых элементов, возникает опасность попадания отходов в рабочую зону электронагревателя, что может привести к поломке последнего.
В основу изобретения поставлена задача создания установки пиролиза, которая обеспечивает непрерывную, полную, управляемую утилизацию промышленных и бытовых отходов, содержащих вещества органического происхождения, в режиме теплового удара с использованием эффекта абляционного тепло-массообмена без использования внешних энергоносителей путем выработки альтернативных энергоносителей, электрической, тепловой энергии, сырья для органического синтеза и разнообразных товарных продуктов без вредного воздействия на состояние окружающей среды при надежном взаимодействии всех узлов и механизмов с минимально возможным расходом тепловой энергии на осуществление процесса утилизации с возможностью компоновки в блочно-модульном мобильном варианте.
Решение поставленной задачи достигается тем, что установка пиролиза отходов, содержащая последовательно соединенные между собой бункер отходов, экструдер с зеером, воздухозаборником, вентилятором, емкостью загрязненной воды и насосом, дроссель, реактор, электронагреватель, соединенным благодаря электрической сети с электрогенератором, который имеет кинематическую связь с двигателем тепловым, камеру сгорания, во внешней стенке которой расположены горелки пиролизного газа, генераторного газа, пиролизной углеводородной жидкости, штуцер подвода выхлопных газов и штуцер отвода дымовых газов, который соединен с фильтром дымовых газов, реактор оснащен штуцером отвода паров и газов продуктов пиролиза который соединен с ректификационной колонной, которая, в свою очередь, соединена с емкостями пиролизной жидкости, разделенной на фракции и насосом, емкостью пиролизной воды с насосом, а благодаря компрессору, с газгольдером, шлюз-дозатор выгрузки пирокарбона, соединенный с газогенератором и бункером пирокарбона, при этом, газогенератор соединен с бункером золы, причем реактор, выполнен в виде цилиндра с опорным кольцом внутри, на опорное кольцо и стенку реактора, опираются подшипники качения с горизонтальными осями вращения и подшипники качения с вертикальными осями вращения, закрепленные на спиралевидном активаторе, установленном с возможностью вращения относительно вертикальной оси реактора, спиралевидный активатор снабжен жесткими и гибкими рабочими элементами, а так же шнеком отвода пирокарбона, который кинематически связан через храповик с гидроприводом активатора, камера сгорания, верхняя стенка, которой одновременно является днищем реактора, выполнена в виде спиралевидного канала, в днище реактора расположены электронагреватель и шлюз-дозатор выгрузки пирокарбона, выполненный в виде трубы, соосной шнеку отвода пирокарбона, и проходящий через камеру сгорания.
Предложенное изобретение, в отличие от прототипа, имеет следующие преимущества.
При использовании любых отходов органического происхождения исключает несанкционированное попадание вредных продуктов в окружающую среду благодаря герметизации всего технологического оборудования и системе аспирации с подачей вредных веществ на утилизацию в газогенератор.
Применение в процессе пиролиза принципа теплового удара, то есть скоростного нагрева, управляемого с помощью активатора и электронагревателя при возможности выбора необходимых температуры, скорости нагрева и времени воздействия на вещества отходов и перемещения отходов в корпусе реактора пиролиза относительно раскаленного днища, распложенными по спирали жесткими и гибкими рабочими элементами, позволяет легче достичь абляционного эффекта тепломассообмена, значительном сокращении габаритов массы реактора, что важно при получении продуктов пиролиза с заданными свойствами, а так же изменять соотношение между газом, жидкостью и пирокарбоном на выходе реакции пиролиза с максимальным получением альтернативных энергоносителей в виде пиролизного и генераторного газов, нефтеподобных углеводородных пиролизных жидкостей, топлива для двигателей тепловых и пирокарбона (полукокса). При этом, в случае заклинивания материала отходов между днищем и жесткими рабочими элементами активатора, возможно без опасности повреждения механизмов, осуществить реверс. Кроме того, применение гидропривода активатора позволяет плавно регулировать усилие, передаваемое на активатор от ноля до максимума и частоту его вращения, благодаря чему в широком диапазоне задается производительность установки пиролиза отходов.
Применение спиралевидной схемы транспортировки материала отходов внутри реактора пиролиза позволяет уменьшить внешнюю поверхность реактора, что приводит к сокращению потерь тепловой энергии и увеличению скорости реакции пиролиза.
Организация движения раскаленных газообразных продуктов сгорания после выхода из соответствующих горелок по более длинному спиралевидному каналу позволяет увеличить скорость их движения относительно теплообменной поверхности камеры сгорания, что способствует лучшей теплопередаче, сокращению потерь тепла и экономии энергии.
Спиралевидная компоновка реактора позволяет создать установку пиролиза с габаритами, соответствующими требованиям для мобильных установок, что позволит, выполнять работы по утилизации отходов в местах не обеспеченных централизованными источниками энергии: утечки и разливы нефтепродуктов, удаленные населенные пункты с небольшим количеством жителей, не позволяющем строить там установки утилизации отходов из-за экономической нецелесообразности и так далее.
В предложенном решении отличительные признаки не являются характеристикой целых частей целого объекта, которые могут сами быть целыми и самостоятельными объектами со своими функциями. Поэтому, в отрыве других частей (признаков) они не классифицируются, а совокупность признаков, изложенных в отличительной части формулы, не была выявлена в известных решениях, поэтому предложенное решение соответствует требованиям «изобретательского уровня».
Результатом изобретения является обеспечение непрерывной, полной и управляемой утилизации отходов в автоэнергетическом режиме с одновременным производством альтернативных энергоносителей, тепловой, электрической энергии и целой цепочки товарных продуктов с положительными экономическими, экологическими, санитарно-гигиеническими и социальными эффектами даже в местах, не обеспеченных централизованными источниками энергии, то есть, «в открытом поле».
Вся совокупность существенных признаков предложенного решения дает возможность осуществлять полную утилизацию отходов в местах, не обеспеченных централизованными источниками энергии, при максимальном получении полезных товарных продуктов из ненужных, вредных и опасных веществ с исключением негативного воздействия на окружающую среду при улучшении социальной обстановки в регионе.
Предложенная установка пиролиза отходов схематично представлена на:
Фиг. 1. представлен общий вид установки пиролиза отходов;
Фиг. 2. представлен активатор в разрезе;
Фиг. 3 - общий вид активатора, вид снизу (поз. 39 условно не показана).
Установка состоит из последовательно соединенных бункера отходов 1, экструдера 2, зеера 3, воздухозаборника 4, вентилятора системы аспирации 5, емкости загрязненной воды 6, насоса 7, дросселя 8, реактора 9, электронагревателя 10, соединенным через электрическую сеть 35 с электрогенератором 34, который имеет кинематическую связь с двигателем тепловым 33, спиралевидного активатора 11, шнека отвода пирокарбона 12, гидропривода активатора 13, штуцера отвода паров и газов продуктов пиролиза 14, камеры сгорания 15, шлюз-дозатора выгрузки пирокарбона 16, бункера пирокарбона 17, горелки пиролизного газа 18, горелки пиролизной углеводородной жидкости 19, горелки генераторного газа 20, штуцера подвода выхлопных газов двигателя теплового 21, штуцера отвода дымовых газов 22, фильтра дымовых газов 23, ректификационной колонны 24, компрессора 25, газгольдера 26, емкостей пиролизных углеводородных жидкостей 27, насоса 28, емкости пиролизной воды 29, насоса 30, газогенератора 31, бункера золы 32, двигателя теплового 33, электрогенератора 34, электрической сети 35.
Во внешней стенке камеры сгорания 15 расположены горелки пиролизного газа 18, пиролизной углеводородной жидкости 19, генераторного газа 20, штуцер подвода выхлопных газов 21 двигателя теплового 33 и штуцер отвода дымовых газов 22, который соединен с фильтром дымовых газов 23.
Реактор 9 оснащен штуцером отвода паров и газов продуктов пиролиза 14, который соединен с ректификационной колонной 24, которая, в свою очередь, соединена с емкостями пиролизных углеводородных жидкостей 27, разделенных на фракции и насосом 28, емкостью пиролизной воды 29 с насосом 30, а благодаря компрессору 25, с газгольдером 26. Шлюз-дозатор выгрузки пирокарбона 16 соединен с газогенератором 31 и бункером пирокарбона 17. Газогенератор 31 соединен с бункером золы 32.
На стенке реактора 9, выполненного в виде цилиндра, в его верхней части, расположено опорное кольцо 39, на которое, а также на стенку реактора 9, опираются подшипники качения 40 с горизонтальными осями вращения и вертикальными осями вращения 41, соответственно, закрепленные, в свою очередь, на спиралевидном активаторе 11.
Подшипники качения с горизонтальными осями вращения 40 обеспечивают вращение активатора относительно вертикальной оси реактора 9 за счет упора в опорное кольцо 39 под воздействием сил гравитации, а подшипники качения с вертикальными осями вращения 41 исключают смещение активатора относительно вертикальной оси реактора 9 за счет упора в стенку реактора 9
Спиралевидный активатор 11 снабжен жесткими 36 и гибкими 37 рабочими элементами. Шнек отвода пирокарбона 12 кинематически связан через храповик 42 с гидроприводом активатора 13. Камера сгорания 15, верхняя стенка которой одновременно является днищем реактора 9, выполнена в виде спиралевидного канала, в днище реактора 9 расположены электронагреватель 10 и шлюз-дозатор выгрузки пирокарбона 16, выполненный в виде трубы, соосной шнеку отвода пирокарбона 12, и проходящий через камеру сгорания 15.
Стрелкой с литерой «С» обозначены части установки пиролиза отходов, с которых продукты пиролиза отправляют потребителям.
Все технологические части установки соединяют между собой соответствующими трубопроводами, кабелями, оснащают необходимыми приборами контроля, защиты и теплоизоляцией.
Установка пиролиза отходов работает следующим образом.
Отходы через бункер отходов 1 подают в экструдер 2, прессуют, а после образования пробки из них, плотность которой и обтюрирующие свойства регулируют дросселем 8, направляют в реактор 9, чем исключают выход продуктов пиролиза навстречу отходам. При этом практически, большую часть загрязненной воды и воздуха, которые содержатся в отходах, отводят через щели зеера 3, подают в воздухозаборник 4 и емкость загрязненной воды 6.
Далее отходы, попадая в реактор 9, благодаря гидроприводу активатора 13 с храповиком 42 и вращению вокруг вертикальной оси спиралевидного активатора 11 при опирании, через подшипники качения 40 и 41 на стенку 38 реактора 9 и опорное кольцо 39 реактора 9, с помощью жестких 36 и гибких 37 рабочих элементов спиралевидного активатора 11, перемещают от стенки 38 реактора 9 к его вертикальной оси над разогретым до заданной температуры с помощью электронагревателя 10 или(и) продуктами сгорания камеры сгорания 15, днищем реактора 9, благодаря чему передают отходам тепловую энергию и обеспечивают разложение сложных углеводородных веществ на более простые вещества, при этом, протекание реакций пиролиза в режиме теплового удара, практически, мгновенно.
При вращения спиралевидного активатора 11, его жесткие 36 и гибкие 37 рабочие элементы раздавливают, растирают и перемещают отходы, а после образования пирокарбона перемещают и его к оси реактора 9, а потом и на лопасти шнека отвода пирокарбона 12, по раскаленной поверхности днища реактора 9, с увеличением скорости реакции пиролиза благодаря возникающему абляционному эффекту тепломассообмена к шлюз-дозатору выгрузки пирокарбона 16, проходящего через камеру сгорания 15, а затем пирокарбон подают в газогенератор 31 или бункер пирокарбона 17.
Полученный пирокарбон из бункера пирокарбона 17 направляют потребителям или подают на газификацию в газогенератор 31, в который подают, кроме того, загрязненный воздух из воздухозаборника 3 через вентилятор системы аспирации 5, жидкость из емкости загрязненной воды 4 через насос 7, воду из емкости пиролизной воды 29 через насос 30. В газогенераторе 31, используя возможности процесса газификации углерода, вырабатывают горючий генераторный газ и целую цепочку полезных продуктов для органического синтеза, металлургии цветных и редких металлов и прочее. Твердые продукты газификации в виде золы выводят в бункер золы 32.
В то же время, пользуясь тем, что в реактор 9 подводят тепловую энергию как с помощью электронагревателя 10, так и за счет управляемого сжигания соответствующих продуктов пиролиза в горелках пиролизного газа 18, углеводородной пиролизной жидкости 19, генераторного газа 20, и, кроме того, дополнительно подводят через штуцер подвода выхлопных газов 21 горячие выхлопные газы двигателя теплового 33, вследствие чего, управляют скоростью проведения реакций пиролиза в целом, а образовавшиеся в при этом в реакторе 9 пары и газ пиролиза, через штуцер отвода паров и газов пиролиза 14, направляют в ректификационную колонну 24.
В ректификационной колонне 24 осуществляют разделение парогазовой смеси на газ и жидкие фракции по температурам кипения и испарения, откуда пиролизный газ компрессором 25 через газгольдер 26 направляют потребителям, или к горелке пиролизного газа 18, светлые фракции углеводородной жидкости, например, бензол, толуол, ксилол, сольвент направляют потребителям, а фракции, на которые нет текущего спроса на рынке, через насос 28 направляют в горелку углеводородной жидкости 19 или подвергают газификации в газогенераторе 31.
Полученный генераторный газ направляют потребителям, используют в качестве топлива в горелке генераторного газа 20 или в двигателе тепловом 33 с целью получения электроэнергии с помощью электрогенератора 34, чем обеспечивают питание электроэнергией электронагреватель 10 и других потребителей. Кроме того, тепловую энергию выхлопных газов двигателя теплового 33 используют для проведения реакции пиролиза, для чего их подают через штуцер подвода выхлопных газов 21 в камеру сгорания 15.
Дымовые газы, содержащие продукты сгорания соответствующих горелок 18, 19, 20 и выхлопные газы двигателя теплового 33, подают через штуцер отвода дымовых газов 22 в фильтр дымовых газов 23, где обезвреживают, очищают, а потом сбрасывают в атмосферу.
Спиралевидная компоновка реактора позволяет создать установку пиролиза с габаритами, соответствующими требованиям для мобильных установок, что позволит выполнять работы по утилизации отходов в местах, не обеспеченных централизованными источниками энергии: утечки и разливы нефтепродуктов, удаленные населенные пункты с небольшим количеством жителей, не позволяющем строить там установки утилизации отходов из-за экономической нецелесообразности и так далее.
Все вышеизложенное, дает возможность даже в полевых условиях осуществить непрерывную, полную, скоростную и управляемую пиролизную утилизацию отходов в местах, не обеспеченных централизованными источниками энергии, с выработкой разнообразных альтернативных энергоносителей, топлива для котлоагрегатов и двигателей, сырья и материалов для металлургической, химической, нефтеперерабатывающей, машиностроительной, коммунальной, сельскохозяйственной и других отраслей промышленности при полном исключении негативного влияния на экологию, санитарно-гигиенические условия и социальную сферу региона применения.