СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОСТАДИЙНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ ОТХОДОВ, В ЧАСТНОСТИ, ОТХОДОВ ШИН
METHOD AND APPARATUS FOR MULTI-STEP THERMAL TREATMENT OF RUBBER WASTES, PARTICULARLY WASTE TYRES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для извлечения полезных материалов из резиновых отходов, в частности из отходов шин.
Каждый год в странах Европейского союза образуется приблизительно 3,2 миллиона тонн отходов шин. В прошлом большую часть отходов шин сбрасывали в места для захоронения отходов. С 2003 года выброс отходов шин на свалки запрещено нормативами ЕС. В настоящее время отходы шин сжигают, используя их в качестве топлива для бойлеров, в частности, при производстве цемента. Остальные отработанные шины транспортных средств утилизируют при получении дорожных покрытий.
Пиролиз отходов шин применяют уже в течение многих лет. При пиролизе, который представляет собой эндотермический процесс и который выполняют в бескислородной атмосфере при температуре более 500°С, происходит разложение отходов шин. Таким образом, из отходов шин извлекают существенные количества углеродной сажи, стали, масел и газа. Тем не менее, способы пиролиза резиновых отходов не получили широкого распространения, в частности, из-за низкого качества продуктов пиролиза, не соответствующего коммерческим требованиям.
В патентном документе ЕР 1163092 В1 описан способ пиролиза отходов шин, который включает применение камеры пиролиза с тремя зонами нагрева, в которых поддерживают разные температуры. Отходы шин загружают в виде гранулята в камеру пиролиза, включающую разные зоны нагрева. Камера пиролиза вращается относительно става конвейера, по которому транспортируют гранулированные частицы шин. Температура в первой зоне нагрева камеры пиролиза составляет от 700 до 800°С. Температура во второй зоне нагрева камеры пиролиза составляет от 600 до 700°С. Температура в третьей зоне нагрева составляет от 500 до 600°С.
В патентном документе US 6835861 В2 описан способ пиролиза резинового материала, проводимый с низким расходом энергии. Согласно первому примеру осуществления резиновый материал загружают вместе с глинистым катализатором в устройство для пиролиза, в котором выполняют три различных этапа нагревания. При выполнении первого этапа, называемого фазой активации, резиновый материал нагревают до температуры от 68,3 до 287,8°С. При выполнении второго этапа температуру реакции поддерживают в диапазоне от 287,8°С до 454,4°С. При выполнении третьего этапа температуру поддерживают в том же диапазоне, продолжая нагревание. Согласно второму примеру осуществления также описанному в патентных документах US 6833485 В2 и US 7341646 В2, резиновый материал перемещают через три различные зоны, каждая из которых предпочтительно имеет температуру, приблизительно составляющую 287,8°С. В обоих способах по завершении пиролиза катализатор не удаляют.
Как отмечено выше, одной из проблем, связанных с известными способами переработки отходов шин, является несоответствие качества получаемой углеродной сажи техническим условиям для коммерческой углеродной сажи из-за того, что способ проводят либо при слишком низких, либо при слишком высоких температурах. Таким образом, получаемая углеродная сажа имеет лишь ограниченное коммерческое применение.
Итак, одна из задач настоящего изобретения состоит в создании способа термической обработки и устройства для термической обработки резиновых отходов, в частности отходов шин, которые позволяли бы получать извлекаемые материалы с чистотой, достаточной для их коммерческого применения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу многостадийной термической обработки резиновых отходов, в частности отходов шин, включающему следующие этапы:
- транспортировку гранулированного продукта, полученного из резиновых отходов, из источника гранулированного продукта в реактор пиролиза;
- нагревание гранулированного продукта при первой температуре, составляющей от 100 до 200°С, предпочтительно от 150 до 180°С, в первой зоне нагрева, находящейся в реакторе, до полного прекращения выделения легких масел;
- транспортировку гранулированного продукта из первой зоны во вторую зону нагрева, находящуюся в реакторе;
- нагревание гранулированного продукта при второй температуре, составляющей от 200 до 300°С, во второй зоне нагрева, находящейся в реакторе, до полного прекращения выделения среднетяжелых масел;
- транспортировку гранулированного продукта из второй зоны в третью зону нагрева, находящуюся в реакторе;
- нагревание гранулированного продукта при третьей температуре, составляющей от 300 до 600°С, предпочтительно от 400 до 550°С, в третьей зоне нагрева до полного прекращения выделения тяжелых масел;
- извлечение гранулированного продукта из реактора пиролиза и отделение целевых твердых материалов;
и при этом способ осуществляют при низком давлении.
В первой зоне нагрева выполняют деполимеризацию резиновых отходов. Настоящий способ отличается от известных способов пиролиза.
Заявителем было обнаружено, что при медленной и продолжительной термической обработке в первой зоне нагрева при низкой температуре легкие масла не образуют неизвлекаемые продукты, которые загрязняют углеродную сажу. Это верно и для других этапов, выполняемых в других зонах нагрева, находящихся в реакторе. Пиролиз осуществляют только в третьей зоне нагрева, когда уже удалены все возможные загрязняющие вещества, и в результате такой обработки углеродная сажа, получаемая на выходе из третьей зоны нагрева, имеет очень высокую степень чистоты. Кроме того, углеродная сажа имеет большую удельную площадь поверхности, обуславливающую ее адсорбционные свойства. Благодаря своему особому строению извлеченная углеродная сажа способна удерживаться на поверхности воды. Таким образом, получаемая на выходе из третьей зоны нагрева углеродная сажа может использоваться в качестве адсорбента, в частности, применяемого для адсорбции масел и жиров.
Зависимые пункты формулы изобретения содержат развитие и уточнение признаков пункта 1 формулы изобретения.
Способ многостадийной термической обработки осуществляют при низком давлении, предпочтительно при давлении, составляющем от 20 до 50 мбар (что соответствует давлению от 0,2 до 0,5 Па).
В каждой из зон нагрева обработку осуществляют очень медленно, в течение времени, составляющего от 2 до 4 часов. Такое медленное проведение термической обработки предотвращает образование неизвлекаемых продуктов, которые загрязняют целевые материалы.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления углеродную сажу, извлекаемую из третьей зоны нагрева, подвергают очистке (рафинированию) при высоких температурах в течение времени, составляющего приблизительно 2 часа. Углеродная сажа, получаемая после тонкой очистки, имеет очень высокую степень чистоты по сравнению с углеродной сажей коммерческих сортов. Таким образом, получаемая углеродная сажа может иметь коммерческое применение. В частности, получаемая углеродная сажа может быть повторно использована в промышленном производстве.
Преимуществом способа является то, что перемещение гранулированного продукта в реактор и через реактор выполняют медленно.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления продукт перемещают с помощью шнекового транспортера.
Реактор заполняют приблизительно до 60% его объема.
Этап очистки может быть выполнен приблизительно в течение 2 часов при высоких температурах в отсутствие подачи продукта.
Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству для многостадийной термической обработки резиновых отходов, в частности отходов шин, содержащему реактор, который включает:
- первую зону нагрева, которая может быть нагрета до первой температуры, составляющей от 100 до 200°С, предпочтительно от 150 до 180°С;
- вторую зону нагрева, которая может быть нагрета до второй температуры, составляющей от 200 до 300°С, и
- третью зону нагрева, которая может быть нагрета до температуры, составляющей от 300°С до 600°С, предпочтительно от 400 до 550°С, и
- конвейерные средства, которые транспортируют гранулированный продукт в реактор и через реактор.
Соответственно, гранулированный продукт транспортируют с помощью конвейерных средств через различные зоны нагрева, находящиеся в реакторе.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления конвейерные средства представляют собой работающий от привода шнековый транспортер.
Для создания разных скоростей перемещения внутри реактора шнековый транспортер может включать шнеки с разным шагом винтовой нарезки.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления для предотвращения осаждения продукта на деталях шнекового транспортера шнековый транспортер включает пазы, в которых расположены валики.
Также предпочтительно, чтобы валики располагались радиально в направлении периферии шнекового транспортера.
Согласно дополнительному примеру осуществления на внешнем периметре шнекового транспортера расположены опоры, изготовленные из цветного металла, поддерживающие внутреннюю стенку реактора.
Также предпочтительно реактор включает корпус, усиленный на участках, где располагаются изготовленные из цветного металла опоры шнекового транспортера.
Предпочтительно на усиленных участках реактора поддерживают пониженную температуру. Это вызывает конденсацию масел в реакторе, в результате которой шнековый транспортер в области опор, изготовленных из цветного металла, покрывается смазкой.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления реактор включает верхнюю часть, в которой установлен трубопровод для выпуска парообразных продуктов. Во время термической обработки в трубопровод для выпуска парообразных продуктов поступают газы и масла, извлеченные из гранулированного продукта способом согласно изобретению.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления трубопровод для выпуска парообразных продуктов включает кольцевую трубу, которая присоединена к конденсатору.
Также предпочтительно в трубопроводе для выпуска парообразных продуктов устанавливают средства для чистки.
Согласно одному из предпочтительных примеров осуществления средства для чистки представляют собой кольцеобразную цепь, перемещаемую приводом, на которой размещена щетка или щеточные элементы.
Согласно дополнительному примеру осуществления корпус реактора включает продольный желоб, включающий перфорированный лист, в месте размещения трубопровода для выпуска парообразных продуктов, в который направляют средства для чистки.
Предпочтительно перфорированный лист имеет продольные щелевидные отверстия. При введении щеточных элементов средств для чистки в продольные щелевидные отверстия осуществляется тщательная очистка кольцевой трубы.
На выходе из реактора размещен выпускной шнековый транспортер. Шнековый транспортер транспортирует пиролизованный гранулированный продукт из реактора.
В другом примере осуществления изобретения на внешней стороне корпуса реактора размещены нагревательные маты, предназначенные для нагревания зон нагрева.
Для лучшего понимания других отличительных признаков и преимуществ настоящего изобретения ниже приведено более подробное описание неограничивающих примеров осуществления, которые иллюстрируют принципы настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг.1 представлено схематическое изображение реактора, применяемого в многостадийном способе термической обработки согласно изобретению;
на Фиг.2 представлен вид реактора устройства согласно изобретению в частичном вертикальном разрезе;
на Фиг.3 представлен вид устройства, представленного на Фиг.2, в разрезе по линии III-III;
на Фиг.4 представлен вид реактора устройства согласно изобретению в частичном вертикальном разрезе;
на Фиг.5 представлен вид устройства, представленного на Фиг.4, в вертикальном разрезе по линии V-V;
на Фиг.6 представлено схематическое изображение трубопровода для выпуска парообразных продуктов реактора;
на Фиг.7 представлен вид устройства, представленного на Фиг.6, в вертикальном разрезе по линии VII-VII;
на Фиг.8 представлен вид устройства, представленного на Фиг.7, в вертикальном разрезе по линии VIII-VIII;
на Фиг.9 схематично представлен вид в разрезе подающего устройства для гранулята, установленного на впускном отверстии реактора; и
на Фиг.10 схематично представлен сепаратор, установленный на выпускном отверстии реактора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг.1 представлен общий вид устройства для многостадийной термической обработки согласно настоящему изобретению. Устройство включает реактор 10, имеющий цилиндрический корпус 19. Вдоль продольной оси реактора 10 размещены три разные зоны 11а, 11b, 11с нагрева. Первая зона 11а нагрева может быть нагрета до первой температуры, составляющей от 100 до 200°С, предпочтительно от 150 до 180°С. Вторая зона 11b нагрева может быть нагрета до второй температуры, составляющей от 200 до 300°С. Третья зона 11с нагрева может быть нагрета до температуры, составляющей от 300 до 600°С, предпочтительно от 440 до 550°С.
Реактор 10 дополнительно включает шнековый транспортер 20, работающий от привода (не показан). Шнековый транспортер 20 установлен в корпусе 19 реактора 10.
В контейнер 14 помещают гранулированный продукт, полученный из резиновых отходов, в частности отходов шин. Гранулированный продукт транспортируют из контейнера 14 во впускное отверстие 12 реактора 10. Гранулированный продукт транспортируют внутрь реактора 10 и через реактор 10 с помощью шнекового транспортера 20. Соответственно шнековый транспортер 20 перемещает гранулированный продукт через зоны 11а, 11b, 11с нагрева к выпускному отверстию 13. На выходе из реактора извлекают твердый гранулированный продукт, в частности, углеродную сажу 16.
Реактор 10 дополнительно включает трубопровод 15 для выпуска парообразных продуктов, в который поступает газообразная фаза, получаемая после термической обработки продуктов. Газообразная фаза включает так называемое пиролизное масло 17 и пиролизный газ 18.
Внутри реактора 10 поддерживают низкое давление, приблизительно составляющее от 20 до 50 мбар (0,2-0,5 Па). Реактор 10 заполняют гранулированным продуктом приблизительно до 60% его объема.
В первой зоне 11а нагрева в течение времени, составляющего от 2 до 4 часов, осуществляют первую обработку до полного прекращения выделения легких масел из гранулированного продукта. Медленное и длительное проведение обработки в первой зоне 11а нагрева при низких температурах позволяет избежать образования из легких масел неизвлекаемых продуктов, которые загрязняют углеродную сажу.
Во второй зоне 11b нагрева гранулированный продукт подвергают пиролизу при второй температуре до полного прекращения выделения среднетяжелых масел. В этом случае медленное и длительное проведение обработки также позволяет избежать образования неизвлекаемых продуктов, которые загрязняют углеродную сажу.
В третьей зоне 11с нагрева гранулированный продукт подвергают пиролизу при третьей температуре до полного прекращения выделения тяжелых масел.
Гранулированный продукт извлекают из реактора 10 через выпускное отверстие 13. Затем выполняют отделение целевых твердых материалов, в частности углеродной сажи и остаточного количества стали.
Углеродная сажа 16, получаемая на выходе из третьей зоны 11с нагрева, имеет очень высокую степень чистоты, особенно если температура в третьей зоне 11с нагрева превышает пороговое значение 500°С. Кроме того, углеродная сажа 16 имеет большую площадь поверхности, обуславливающую ее адсорбционные свойства. Благодаря своему строению углеродная сажа 16 способна удерживаться на поверхности воды. Таким образом, углеродная сажа 16 может использоваться в качестве адсорбента, в частности, применяемого для адсорбции масел и жиров.
Если в третьей зоне 11с нагрева поддерживают температуру ниже 500°С, то для получения углеродной сажи 16а коммерческих сортов углеродная сажа 16 может быть подвергнута очистке (рафинированию) при высоких температурах, составляющих приблизительно 800°С, и низких давлениях, в течение времени, составляющего приблизительно 2 часа. Чистота получаемой углеродной сажи сравнима с чистотой углеродной сажи коммерческих сортов, и, таким образом, сажа может иметь коммерческое применение.
Свойства углеродной сажи, получаемой после тонкой очистки и после выхода из третьей зоны 11с нагрева (Т>500°С), представлены в Таблице I (см. ниже).
Таблица I
Свойства углеродной сажи, получаемой после тонкой очистки или после нагревания при температурах, превышающих 500°С
Анализ углеродной сажи
Химический анализ/% атомные
Углерод
95,46-96,02
Кислород
2,38-2,90
Натрий
0,27-0,5
Магний
0,06-0,11
Алюминий
0,12-0,25
Кремний
0,66-1,48
Фосфор
0,02-0,04
Сера
0,24-0,61
Кальций
0,29-0,93
Структурный анализ
Размер частиц
~40 нм
Структура
«ежевичные гроздья»
Расположение образованных пор
Между частицами
Ниже приведено более подробное описание устройства для многостадийной термической обработки, сопровождаемое графическими материалами.
На Фиг.2 представлен вид реактора 10 в частичном разрезе. Как показано, реактор 10 включает цилиндрический корпус 19, расположенный вдоль продольной оси 30 реактора. Внутри корпуса 19 установлен шнековый транспортер 20, предназначенный для перемещения гранулированного продукта в реактор 10 и через реактор 10.
Шнековый транспортер 20 включает вал 21, который опирается на подшипники 22, расположенные у впускного отверстия 12 и выпускного отверстия 13 реактора 10. Шнековый транспортер 20 включает шнек 25, имеющий разные шаги винта, для создания разных скоростей перемещения внутри реактора 10. На внешнем периметре шнека 25 установлены изготовленные из цветного металла опоры 26, поддерживающие шнековый транспортер 20 и опирающиеся на внутреннюю сторону корпуса 19 реактора 10.
На корпусе 19, в области опор 26, установлены кольца 23 жесткости.
Нагревательные маты 24а и 24b размещены на внешнем периметре корпуса 19. Регулировка каждого из нагревательных матов 24а, 24b может быть произведена по отдельности, то есть в зонах 11а, 11b, 11с нагрева могут поддерживаться разные температуры.
В области колец 23 жесткости поддерживают пониженную температуру. Это вызывает конденсацию масел на участке в области опор 26, в результате чего шнек 20 конвейера покрывается смазкой. То же самое явление имеет место в области опор 22.
На Фиг.3 представлен вид в вертикальном разрезе по линии III-III устройства, изображенного на Фиг.2. Как показано, опоры 26 из цветного металла опираются на корпус 19, который в этом месте усилен кольцом 23 жесткости.
На Фиг.4 и Фиг. 5 изображен шнековый транспортер 20, который содержит валики 28, размещенные в шнеке 25 шнекового транспортера 20. Валики 28 предотвращают осаждение гранулированного продукта на шнековый транспортер 20.
Как показано на Фиг.5, шнек 25 имеет пазы 27, расположенные в радиальном направлении в лопастях шнекового транспортера 20. Внутри каждого паза 27 установлен вращающийся валик 28.
На Фиг.6 представлен трубопровод 15 для выпуска парообразных продуктов из реактора 10. Трубопровод 15 для выпуска парообразных продуктов включает кольцевую трубу 31, присоединенную к конденсатору 35. К кольцевой трубе 31 присоединены средства охлаждения (не показаны). Внутри кольцевой трубы 31 установлены средства 32 для чистки. Средства 32 для чистки включают цепь 33, приводимую в движение двигателем 34. На цепи 33 на расстоянии друг от друга размещены щеточные элементы 36. Когда средства 32 для чистки перемещаются в направлении стрелки 37, кольцевая труба 31 подвергается очистке. Кроме того, в конденсаторе 35 и в кольцевой трубе 31 установлены форсунки 38 для очистки щеточных элементов струей пиролизованного масла.
На Фиг.7 представлен вид в вертикальном разрезе по линии VII-VII устройства, изображенного на Фиг.6. Трубопровод 15 для выпуска парообразных продуктов расположен в верхней части реактора 10. На этом участке корпус 19 реактора 10 включает продольный желоб 15а, в который направляют и по которому перемещают щеточные элементы 36 средств 32 для чистки.
На Фиг.8 представлен вид в вертикальном разрезе по линии VIII-VIII устройства, изображенного на Фиг.7. В днище продольного желоба 15а, включающем множество продольных щелей 15с, размещен перфорированный лист 15b. При прохождении цепи 33 через кольцевую трубу 33 щеточные элементы 36 входят в продольные щели 15с, таким образом, тщательно очищая кольцевую трубу 31 трубопровода 15 для выпуска парообразных продуктов.
На Фиг.9 представлен контейнер 14 для гранулированного продукта; на выпускном отверстии контейнера 14 расположен конвейер 39 для прессования гранулированного продукта и его транспортировки к впускному отверстию 12 реактора 10. Конвейер 39 включает работающий от привода шнековый транспортер 40. Для предотвращения поступления в конвейер 39 кислорода контейнер 14 заполняют защитным газом, например аргоном. Это предотвращает поступление кислорода в реактор вместе с гранулированным продуктом.
На Фиг.10 представлен сепаратор 42, размещенный на выпускном отверстии 13 реактора 10. Гранулированный продукт транспортируют в сепаратор 42 с помощью конвейера 41. Сепаратор 42 включает бассейн-отстойник 43. В мельнице происходит измельчение гранулированного продукта до частиц, размеры которых составляют приблизительно от 1 до 10 мкм, и дополнительное разделение различных материалов. Твердые материалы отделяются в сепараторе 42. Сталь, содержащаяся в пиролизованном продукте, осаждается на дно бассейна-отстойника 43. Благодаря своей особой структуре углеродная сажа 16 скапливается на поверхности воды и может быть удалена съемником 44.
Список обозначений
10
Реактор
11а
Первая зона нагрева
11b
Вторая зона нагрева
11с
Третья зона нагрева
12
Впускное отверстие
13
Выпускное отверстие
14
Контейнер
15
Трубопровод для выпуска парообразных продуктов
15а
Продольный желоб
15b
Перфорированный лист
15с
Продольные щелевидные отверстия
16
Углеродная сажа
17
Пиролизное масло
18
Пиролизный газ
19
Корпус
20
Шнековый транспортер
21
Вал
22
Подшипники
23
Кольцо жесткости
24
Нагревательный мат
25
Шнек
26
Опора
27
Паз
28
Валик
29
Уровень заполнения
30
Продольная ось
31
Кольцевая труба
32
Средства для чистки
33
Цепь
34
Двигатель
35
Конденсатор
36
Щеточные элементы
37
Стрелка
38
Форсунка
39
Конвейер
40
Шнековый транспортер
41
Конвейер
42
Сепаратор
43
Бассейн-отстойник
44
Съемник