Способ и устройство переработки полимерных отходов
METHOD AND DEVICE FOR PROCESSING POLYMER WASTES

Изобретение относится к переработке гетерогенных полимерных отходов путем термической деструкции. Предлагаемое решение преобразует полимерные отходы, в том числе армированные (изношенные шины, полимерная тара и т.п.), в товарные продукты, включая тепло и электроэнергию. Получаемые углеводородные и углеродные товарные продукты, используются непосредственно, либо как сырье.
Известны способы переработки резиносодержащих отходов и устройства для их осуществления по патентам РФ №2057012, МПК В29В 17/00, C08J 11/04, приоритет от 16.07.1993 и №2021127, МПК В29В 17/00, C08J 11/04, приоритет от 13.03.1992, включающие предварительную обработку и термодеструкцию резиносодержащих отходов в среде растворителей с образованием парогазовой смеси и суспензии деструктированной резины в них и их разделение. Принципиальным недостатком известных способов является невозможность переработки полимерных гетерогенных отходов, инерционность и крайне низкое качество получаемого углеводородного продукта, что фактически делает его неликвидным. Указанные недостатки препятствуют промышленной переработке гетерогенных полимерных отходов.
n
m
Аналогом является установка для переработки резиносодержащих отходов патент РФ на полезную модель №70659, МПК C10J 3/02, C10G 1/10, приоритет от 21.11.2007. Аналог реализует способ переработки резиносодержащих отходов повышением их температуры без доступа окислителей до перехода полимерной составляющей в газовую фазу с образованием наночастиц типа {CH} и твердой углеподобной фазы формируемой остальными молекулами, в том числе сшитыми системами с последующей конденсацией газовой фазы и выделении жидкого и газового продуктов.
Известная установка содержит реактор, сообщенный через конденсатор с устройством для перекачки газов, выход которого соединен как с блоком нагрева, так и с устройством сбора и хранения газообразного продукта, при этом выход жидкости конденсатора соединен с емкостью для сбора жидкого продукта, а выход твердой фазы реактора соединен с блоком сбора твердого продукта через механизм выгрузки, соединенный с выходом блока управления, второй выход которого соединен с блоком нагрева, а вход с датчиками температуры в реакторе.
Недостатком известного способа являются как инерционность деструкции полимерной составляющей, так и инерционность конденсации газовой фазы. Эти недостатки не позволяют обеспечить качество готовых продуктов, что и препятствует его промышленному применению.
n
m
Ближайшим по технической сущности и принятым за прототип решением являются способ, реализованный в устройстве по переработке отходов RU 84378 U1, 10.07.2009, включающий предварительную сортировку отходов по способности к ферментации для дальнейшей переработки путем биологической деструкции и путем термической деструкции, использование газа, образующегося в результате ферментации для нагрева отходов, перерабатываемых термической деструкцией, переводе полимерной составляющей в газовую фазу с образованием наночастиц типа {CH} и твердой углеподобной фазы формируемой остальными молекулами, в т.ч. сшитыми системами с последующей конденсацией газовой фазы предварительно охлажденного производимого жидкого продукта и разделением жидкого и газового продуктов, часть которых преобразуется в тепловую энергию обеспечивающую процесс.
К недостаткам данного способа в части переработки, например, изношенных автомобильных шин следует отнести непосредственный нагрев отходов, что может привести к неконтролируемому горению отходов, а также зависимость процесса переработки отходов на основе термической деструкции от эффективности процесса биологической деструкции.
Общим недостатком вышеуказанных технических решений является малая производительность, обусловленная нестабильностью процесса деструкции гетерогенных полимерных отходов в реакторе, в том числе неуправляемым горением отходов, что резко снижает как выход, так и качество углеводородных продуктов. Данный недостаток обусловлен размещением горелок в реакторе, что приводит к непосредственному контакту пламени с отходами и низкой скоростью конвективного теплообмена. Более того, характерным недостатком является нестабильность и инерционность деструкции полимерной составляющей, обусловленная передачей энергии при нестабильном конвективном теплообмене. Отмеченные недостатки являются препятствием для промышленного использования известных технических решений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение выхода и качества ценных углеводородных продуктов, что повышает эффективность процесса переработки полимерных отходов.
n
m
Указанный технический результат достигается нагревом полимерных отходов до перехода полимерной составляющая в газовую фазу с образованием наночастиц типа {CH} и твердой углеподобной фазы формируемой остальными молекулами, в том числе сшитыми системами с последующей конденсацией газовой фазы микрокапельным распылением предварительно охлажденного производимого жидкого продукта и разделением жидкого и газового продуктов, часть которых преобразуется в тепловую энергию, обеспечивающую процесс, причем повышение температуры полимерных отходов осуществляется посредством предварительно нагретой части углеводородного газового продукта образованного при конденсации газовой фазы.
Из экологических соображений нагрев части углеводородного газового продукта образованного при конденсации газовой фазы осуществляется, изолировано от атмосферы.
Способ реализуется устройством содержащим реактор сообщенный через конденсатор с устройством для перекачки газов, выход которого соединен как с блоком нагрева газового продукта, так и с блоком сбора и хранения газообразного продукта, при этом выход жидкости конденсатора соединен как со входом блока микрокапельного охлаждения, форсунка которого расположена в конденсаторе, так и с емкостью для сбора жидкого продукта, а выход твердой фазы реактора соединен с блоком сбора твердого продукта соединенным с выходом блока управления, второй выход которого соединен с блоком нагрева газового продукта, а вход с датчиками температуры в реакторе, причем выход блока перекачки газов одновременно соединен с реактором через блок нагрева газового продукта.
Устройство содержит сепаратор очистки газового продукта, в виде газового центробежного сепаратора, вход, которого соединен с газовым выходом конденсатора, а газовый выход с блоком сбора и хранения газообразного продукта, причем выход жидкого продукта соединен с емкостью для сбора жидкого продукта.
Устройство содержит энергоблок вырабатывающий электроэнергию, соединенный как с блоком сбора и хранения газообразного продукта, так и емкостью для сбора жидкого продукта. Блок электрического питания устройства соединен с энергоблоком.
На фиг. 1 представлена общая блок-схема способа и устройства переработки полимерных отходов.
Устройство, реализующее способ переработки полимерных отходов, содержит реактор 1 сообщенный через конденсатор 2 с блоком перекачки газов 3, выход которого соединен как с реактором 1 через блок нагрева газового продукта 4, так и через сепаратор 5 с блоком сбора и хранения газового продукта 6 и емкостью для сбора жидкого продукта 7, при этом выход жидкости конденсатора соединен как со входом блока микрокапельного охлаждения 8, форсунки 9 которого расположена в конденсаторе 2, так и емкостью для сбора жидкого продукта 7, а выход твердой фазы реактора оснащен блоком сбора твердого продукта 10 соединенным с выходом блока управления 11, второй выход которого соединен с блоком нагрева газового продукта 4, а вход с датчиками температуры 12 в реакторе, причем выход блока перекачки газов 3 одновременно соединен с реактором через блок нагрева газового продукта 4.
Устройство может содержать сепаратор очистки газового продукта 5 вход, которого соединен с газовым выходом с блоком перекачки газов 3, а газовый выход с блоком сбора и хранения газообразного продукта 6, причем выход жидкого продукта соединен с емкостью для сбора жидкого продукта 7.
Устройство может содержать энергоблок 13 вырабатывающий электроэнергию, соединенный как с блоком сбора и хранения газового продукта 6, так и емкостью для сбора жидкого продукта 7.
Устройство может содержать энергоблок 13 соединенный с блоком 14 электрического питания устройства. Другие связи блока 14 электропитания устройства на рисунке не отражены.
Конденсатор 2 с форсункой 9 и блоком микрокапельного охлаждения 8, блоком перекачки газов 3, могут быть выполнены в соответствии с реализованными и испытанными в прототипе. Блок нагрева газового продукта 4 может быть выполнен в виде традиционных теплообменников оснащенных горелками. Сепаратор 5 может быть выполнен в виде газожидкостного центробежного сепаратора. Энергоблок 13 для выработки электроэнергии может быть выполнено в виде газопоршневой установки с электрическим генератором. Блок электрического питания 14 может быть выполнен, например, в виде стандартного шкафа электропитания оборудования.
n
m
6
n
2
5
Основу переработки полимерных отходов составляет их деструкция, заключающаяся в переводе полимерной составляющей в конденсированную фазу с потерей межмолекулярного взаимодействия. В результате вещество переходит в газовую фазу с образованием наноразмерных частиц типа {CH} и твердую углеподобную фазу. Образовавшиеся наноразмерные частицы обладают повышенной реакционной способностью, что позволяет управлять процессом формирования (кинетикой реакций) товарного продукта. Таким образом, на молекулярном уровне полимерная составляющая конденсируется в жидкие углеводороды (С÷C) и газообразные (С÷С), а также твердый углеподобный остаток (С).
Баланс и качественные характеристики товарных продуктов определяются как параметрами нанодеструции, так и параметрами процесса формирования продукта (свойствами наночастиц их концентрацией, температурой и катализаторами и т.п.).
Устройство работает следующим образом.
n
m
Полимерные отходы, например, смесь фрагментов изношенных шин, полиэтиленовой упаковки и армированных шлангов поступают в реактор 1, где без доступа окислителей нагреваются до температуры деструкции полимерной составляющей в диапазоне до 700°С. Нагрев отходов в реакторе 1 осуществляется посредством теплопередачи от газового потока, нагреваемого блоком 4. Газовый поток циркулирует через реактор 1 и блоки 2, 3, 4. Пуск устройства осуществляется за счет внешнего источника энергии. Для пуска используется углеводородное жидкое топливо из отдельного бака на котором изначально работают горелки (на схеме не показано). По мере реализации процесса деструкции полимерной составляющей отходов образуется газовая фаза в виде термодинамически устойчивых наноразмерных частиц типа {CH} обладающих повышенной реакционной способностью и твердая фаза формируемая остальными молекулами, в т.ч. сшитыми системами и представляющая углеподобную фазу с металлическими фрагментами.
Газовая фаза за счет разряжения, создаваемого блоком перекачки газов 3, поступает в конденсатор 2. В конденсаторе 2 газовая фаза микрокапельным распылением форсункой 9 предварительно охлажденной углеводородной жидкости блоком 8 конденсируется образуя жидкий продукт и мелкодисперсную газожидкостную смесь. Выделенный жидкий продукт поступает в емкость для сбора жидкого продукта 7. Образовавшаяся газожидкостная смесь через блок перекачки газов 3 поступает в сепаратор 5, разделяющий ее на углеводородные газовый и жидкий продукты.
n
m
По мере образования газового углеводородного продукта часть его после нагрева в блоке 4, как минимум до температуры деструкции в диапазоне до 700°С, поступает в реактор 1 в виде наноразмерных частиц типа {CH} обладающих повышенной реакционной способностью, стабилизируя и активируя тем самым процесс деструкции отходов в реакторе 1. Другая часть газового продукта преобразуется, например, горелками блока 4, в тепло нагревая газовый поток поступающий в реактор 1. Оставшаяся часть газового углеводородного продукта поступает в блок сбора и хранения газового продукта 6.
Часть жидкого продукта из блока 2 поступает в топливный бак горелок, обеспечивая их работу на жидком топливе (на схеме не показано). Блоки горелок работают на жидком углеводородном продукте при пуске устройства до образования газового углеводородного продукта достаточного для обеспечения деструкции полимерной составляющей. Работа на жидком продукте происходит и в случае недостаточной калорийности газового продукта для обеспечения процесса деструкции.
Твердая углеподобная фаза с металлическими фрагментами из реактора 1, поступает в блок сбора твердого продукта 10 в соответствии с сигналами блока управления 11.
Управление процессом деструкции полимерных отходов осуществляется блоком 11 обеспечивающим параметры тепломассообмена деструкции в соответствии с сигналами датчиков температуры 12.
Часть жидкого и газового продуктов может быть преобразована энергоблоком 13 в товарные продукты: тепло и/или электроэнергию.
Энергоблок 13 может быть соединен с блоком 14 электрического питания устройства и обеспечивать его автономное электроснабжение.
Технический результат заключается в стабилизации процесса и увеличении, как выхода, так и качества ценных ликвидных углеводородных фракций, что повышает эффективность процесса переработки полимерных отходов.