ЭЛЕМЕНТ РОТОРА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РЕАКТОРЕ АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА, РЕАКТОР АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА И СПОСОБ ПИРОЛИЗА
ROTOR ELEMENT FOR USE IN AN ABLATIVE PYROLYSIS REACTOR, AN ABLATIVE PYROLYSIS REACTOR AND A PYROLYSIS METHOD

Область техники
[0001] Изобретение относится к области переработки в полезные продукты жидких и/или твердых углеводородных отходов, таких как нефтяной шлам, отработанное масло, шины, древесина и любые виды пластика. Изобретение относится, в частности, к элементу ротора для использования в реакторе абляционного пиролиза, реактору и способу абляционного пиролиза, и их использованию в процессе переработки отходов в топливо (WTF - waste to fuel), в частности, к процессу переработки пластика в топливо (PTF - plastic to fuel).
Описание предшествующего уровня техники
[0002] Процесс пиролиза WTF на начальных стадиях обычно включает стадию предварительной обработки отходов, на которой отходы обрабатывают для преобразования их в подходящее сырье для пиролиза. Эта стадия может включать один или несколько этапов очистки, сортировки, сушки, измельчения, уплотнения, нагревания, дегазации, плавления. Второй значительной стадией процесса является стадия пиролиза, во время которой сырье для пиролиза нагревают в отсутствие воздуха, в частности, в отсутствие кислорода, до примерно 400-600°C для получения в основном пиролизного газа или пара и жидкого частично пиролизованного сырья, которое может содержать кокс или деготь. Третья стадия представляет собой стадию конденсации, на которой пиролизный газ, образовавшийся в процессе пиролиза, разделяется на конденсируемую жидкую фазу и неконденсирующуюся газовую фазу продуктов пиролиза. Следует отметить, что термин пиролизный газ в данном документе охватывает как пиролизный газ, так и пар. Кроме того, одним или несколькими дополнительными стадиями процесса WTF могут быть дистилляция, конденсация, разделение, рафинирование, очистка, фильтрация и т.д. На этих стадиях происходит образование полезных продуктов пиролиза, а также преобразование в электрическую энергию, охлаждение, нагревание, хранение и т.д.
[0003] Типичные отходы, используемые в качестве сырья в процессе пиролиза, представляют собой органический материал, отобранный из группы, состоящей из биомассы, сельскохозяйственных отходов и отходов лесного хозяйства, твердых бытовых отходов, строительных отходов и остатков от сноса зданий, разливов нефти, загрязненных масел и различных видов пластика. Типичными первичными продуктами, получаемыми в процессе пиролиза WTF, являются легкое, среднее и тяжелое дистиллятное топливо (бензин и дизельное топливо), а также вторичные продукты, такие как древесный уголь, синтетический горючий газ и смесь твердых углеводородов. Следует отметить, что, хотя этот процесс упоминается как процесс превращения отходов в топливо (WTF), конечный продукт не обязательно должен представлять собой топливо, однако полезные конечные продукты обычно включают топливо. Другой важной целью процесса переработки WTF может быть восстановление из пластика мономеров, из которых он был изначально произведен. Что касается топлива, задача состоит в том, чтобы производить высокосортное топливо со сверхнизким содержанием серы.
[0004] Предпочтительным исходным типом отходов является пластик. По оценкам, к 2025 году мировое производство твердых бытовых отходов (ТБО) составит 2,2 миллиарда метрических тонн в год, из которых различные виды пластика составят примерно 13% от общего объема ТБО. Из всего производимого пластика только около 9% перерабатывается, 12% сжигается и 79% отправляется на свалки или загрязняют мировой океан. Поэтому возникает сложнейшая задача - увеличить процент вторичного использования полезных продуктов. Технологии переработки различных видов пластика в топливо, в частности процессы пиролиза, стали одним из возможных решений для сокращения количества пластикового морского мусора и захоронения пластика с истекшим сроком службы.
[0005] Общие цели в процессах пиролиза WTF, а также в процессе по настоящему изобретению, заключаются в том, чтобы преобразовать органические отходы в полезные продукты с максимальным выходом полезного продукта при минимальном потреблении энергии и минимальном количестве непригодных остатков продукта, а также при минимальном выбросе образующихся выхлопных газов в окружающую среду. Другая проблема превращения отходов в полезные продукты в целом заключается в том, что отходы необходимо доставлять на завод, что создает логистические проблемы, а также приводит к загрязнению. Таким образом, еще одной общей целью является разработка мобильных систем по переработке отходов, которые были бы компактными и автономными (не зависящими от местной инфраструктуры), чтобы их можно было легко транспортировать к источнику отходов. Сопутствующей проблемой для автономного процесса является уменьшение проектной мощности для переработки меньшего количества отходов. Типичный небольшой объем составляет от 10 до 60 тонн пластиковых отходов в день.
[0006] В WO 2013064864, например, описана мобильная модульная система для использования энергии лесосечных отходов в местах их образования путем производства жидкого биотоплива. Комплексная пиролизная установка может быть размещена на двух или более грузовых автомобилях, которые доставляют оборудование к источнику отходов, где компоненты оборудования оперативно соединяются между собой. Пиролизная установка включает в себя в том числе сушильный блок, пиролизный блок, конденсационный блок, блок хранения биотоплива и блок хранения неконденсируемого газа. Пиролиз осуществляется в пиролизаторе с псевдоожиженным слоем. Эта пиролизная установка имеет большой объем, обладает относительно низкой производительностью, обеспечивает низкий выход и низкое качество бионефти, а также слишком много отходов.
[0007] В пиролизе скорость теплопередачи играет важную роль для качественного и количественного распределения твердых и жидких выходов. В зависимости от скорости нагрева частиц и времени пребывания паров в условиях пиролиза, пиролиз дополнительно классифицируется как медленный, средний и быстрый пиролиз. Быстрое нагревание приводит к повышенному высвобождению летучих веществ, тогда как медленная скорость нагрева приводит к увеличению образования твердых веществ, что нежелательно, поскольку обычно эти вещества представляют собой отходы, уменьшающие выход полезных продуктов, снижающие качество конечного продукта и усложняющие технологический процесс.
[0008] Было предложено множество конфигураций реакторов для быстрого пиролиза с целью достижения высоких скоростей теплопередачи. Известные конфигурации включают вихревой циклонный центробежный пиролиз, пиролиз с мелким подвижным слоем катализатора или транспортируемым слоем, вакуумный пиролиз, псевдоожиженные слои. Несмотря на простоту конструкции, недостатком реакторов, в которых используется этот подход, является потребность в больших объемах газов-носителей по сравнению с количеством исходного сырья. Помимо увеличения стоимости, большой объем газов требует сложной процедуры разделения газов, а также приводит к термодинамическим потерям. Одним из перспективных способов быстрого пиролиза является абляционный пиролиз, в котором теплопередача происходит с помощью прямого контакта твердых частиц с нагретой теплопередающей поверхностью реактора. Этот вид пиролиза имеет потенциал для создания реактора с высокой удельной производительностью, уменьшенными размерами, пониженными затратами и улучшенной возможностью управления процессом.
[0009] В WO 20146945 описан горизонтальный реактор и способ абляционного пиролиза твердого органического сырья, такого как биомасса, включающий реактор с цилиндрической емкостью, нагретую поверхность, цилиндрический концентрический ротор с лопастями, сконфигурированный для обеспечения центробежной силы и осевого горизонтального распространения твердого сырья, при этом нагретая поверхность имеет температуру не менее 300°C и не более 650°C, а цилиндрический ротор предназначен для вращения со скоростью не менее 500 об/мин и не более 20000 об/мин. Лопасти ротора вытянуты вдоль оси ротора на оси в осевом направлении, что позволяет транспортировать твердую массу горизонтально, как в шнеке/экструдере. Недостатком этого реактора является то, что эффективность и скорость теплопередачи все еще не так высоки, как хотелось бы, и трудно добиться равномерного распределения температуры. Кроме того, такой реактор подходит только для твердых отходов.
[0010] В US 2010077711 описан абляционный термохимический реактор, в котором высушенная биомасса прижимается к внешней стороне вращающейся цилиндрической нагретой поверхности, которая снабжена отверстиями, позволяющими образовавшемуся пиролизному газу проникать во внутреннюю часть цилиндра. Прижимное устройство уплотняет и предварительно нагревает сухие отходы, продавливая их через сужающиеся нагретые каналы так, чтобы воздушные карманы не доходили до поверхности колец теплообменника и пиролизатора, и обеспечивает контакт, достаточный для эффективной теплопередачи. Такое оборудование отличается сложностью, большими размерами и дороговизной, но, тем не менее, не обладает высокой эффективностью и производительностью и подходит только для твердых отходов.
[0011] В EP 1879980 также описана мобильная установка для сбора биомассы с участка роста и производства продуктов пиролиза. Также описан специальный абляционный термохимический центробежный реактор, в котором высушенная твердая биомасса, подаваемая в реактор, центробежным способом направляется наружу и прижимается к внутренней поверхности нагретой стенки реактора с использованием ротора, размещенного по оси, с перегородками вдоль направления его оси, который представляет собой цилиндр с отверстиями, позволяющими образовавшемуся пиролизному газу поступать во внутреннюю часть цилиндра, причем ротор также расположен по оси в роторном цилиндре и конденсаторе. Такое оборудование очень сложное и дорогое, подвержено проблемам с непрерывностью производства, особенно в отношении обработки твердых частиц, образующихся в реакторе, и, тем не менее, не обладает высокой эффективностью и производительностью.
[0012] В WO 2015/150265 описан ротор для центробежного реактора абляционного пиролиза и реактор, содержащий его. Упомянутый ротор включает в себя корпус ротора, имеющий продольную центральную ось, и по меньшей мере одну установленную на шарнире лопасть, приспособленную для свободного вращения вокруг оси вращения при вращении корпуса ротора вокруг продольной центральной оси, что обеспечивает хороший контакт с твердыми отходами, имеющими различный размер частиц. Корпус ротора имеет большой диаметр, что позволяет уменьшить объем реактора, чтобы свести к минимуму время пребывания, обычно менее чем до 2 секунд, что позволяет обеспечить максимальный выход жидкости после охлаждения. Скорость вращения ротора может составлять менее 1000 об/мин.
[0013] В RU 2688568 описан реактор абляционного пиролиза для газификации сухих твердых отходов, который представляет собой цилиндр со спиральными желобами внутри и изготовленный из нержавеющей никельсодержащей жаропрочной стали, стенки которого первоначально нагреваются внешним электрическим индуктором до температуры 750 градусов по Цельсию, при этом сырье в виде сухих твердых отходов подается в верхнюю часть вертикального реактора на вращающийся конический диск и рассеивается вдоль нагретых стенок реактора, снабженных спиральными желобами, по которым сырье движется вниз под действием силы тяжести, во время чего оно разлагается на парогазовую фракцию и пиролизный кокс.
[0014] В US 8,128,717 B2 описан абляционный пиролиз в вертикальном цилиндрическом резервуаре с вращающимся ротором внутри него, который расположен соосно с резервуаром и имеет лопасти, обеспечивающие нагрев сырья за счет контакта с нагретыми стенками резервуара.
[0015] В US 2020/0291301 описан недостаток вертикально расположенного пиролизатора, описанного в US 8,128,717 B2, заключающийся в невозможности обеспечить одинаковое время пребывания частиц сырья в зоне реакции, то есть обеспечение одинаковой степени разрушения сырья и стабильного качества продукции, получаемой в результате попадания частиц сырья в реактор с образованием восходящих потоков парогазовых продуктов разложения и частичной конденсации этих паров на частицах сырья, засорения пространства между лопастями и ротором, плохого контакта сырья с нагретыми стенками резервуара и проблем с бесперебойной работой оборудования и стабильным качеством получаемой продукции.
[0016] В US 2020/0291301 эти проблемы решаются за счет создания горизонтального пиролизатора, предварительного нагрева сырья до температур, близких к температуре пиролиза, после сушки, но перед подачей в пиролизатор, и термического разложения на последовательных стадиях в нескольких зонах пиролизатора, оборудованных независимыми системами контроля температуры. Ротор снабжен лопастями для механической абляции, которые закреплены на шарнирах на вращающейся поверхности пиролизатора и имеют не менее одной степени свободы при упругой регулировке угла наклона лопастей, позволяющей обеспечивать упругое давление с необходимой периодичностью и силой в направлении абляционной поверхности. Упругая регулировка угла наклона лопастей осуществляется пневматическим, механическим, электромагнитным и другими способами. Лопасти расположены по спирали для обеспечения осевого перемещения загружаемой массы.
[0017] В US 2015/0001061 описан процесс переработки отходов PTF, основанный на реакторе предварительного плавления, предназначенном для плавления различных видов пластика перед пиролизом.
[0018] В US 2012/0261247 отходы пластикового материала перерабатываются в гранулы или хлопья и нагреваются до расплавления перед подачей в камеру пиролиза, оборудованную мешалкой, представляющей собой двойной винтовой смесительный винт со спиральными лопастями, движущимися на расстоянии примерно 5 мм от внутренней поверхности камеры для улучшения теплопередачи.
[0019] В US 7758729 описан низкотемпературный процесс WTF, состоящий из вакуумного процесса удаления пара из камеры пиролитической термообработки, включающего в себя серию градуированных заданных значений температуры, где каждая градуированная заданная температура соответствует температуре испарения отдельного побочного продукта указанного вида пластика, и создание вакуума инертного газа в камере обработки при каждой заданной температуре для выборочного удаления отдельного побочного продукта, соответствующего заданной температуре.
[0020] В US 2005/0173237, выбранном в качестве прототипа, описан реактор для абляционного пиролиза, содержащий реакционный сосуд, снабженный цилиндрической стенкой реактора с внутренней нагретой поверхностью и осевым ротором, расположенным в осевом направлении в указанном цилиндрическом реакторе. Ротор, который снабжен лопастями так, что сырье прижимается между поверхностью вращающейся лопасти и упомянутой абляционной поверхностью и перемещается по нагретой абляционной поверхности при помощи поверхности вращающейся лопасти. Свободные концы лопастей отстоят от внутренней стенки реакционного сосуда, образующего абляционную поверхность, примерно на 1 мм или меньше. В известном реакторе не представляется возможным обеспечить одинаковое время пребывания всех частиц сырья в процессе пиролиза, что особенно важно при производстве целевых продуктов с низкой молекулярной массой.
[0021] Таким образом, существует потребность в улучшенном способе пиролиза и улучшенном реакторе абляционного пиролиза, который обладает улучшенной теплопередачей, обеспечивает более высокий выход жидких и газовых продуктов пиролиза, но меньшее образование кокса, одинаковое время пребывания всех элементов сырья в реакторе и, предпочтительно, обладает высокой компактностью, поскольку при этом обеспечивается более высокая пропускная способность на единицу объема реактора, и, желательно, обладает полной операционной автономностью.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0022] Настоящее изобретение решает обозначенные проблемы путем создания элемента ротора для использования в реакторе абляционного пиролиза, который содержит центральный продольный вал и абляционные лопасти, имеющие фиксированный конец и свободный конец, выполненный с возможностью находится в контакте с внутренней стенкой корпуса реактора, а также одну или несколько винтовых лопастей, проходящих в радиальном направлении от центрального продольного вала, при этом абляционные лопасти расположены в пространстве между витками винтовой лопасти или в пространстве между соседними винтовыми лопастями. Реактор абляционного пиролиза (APR) содержит корпус реактора, снабженный входным отверстием для подачи сырья для пиролиза, выходным отверстием для продуктов пиролиза, и ротор, который содержит элемент ротора.
[0023] Заявленный реактор абляционного пиролиза обеспечивает очень эффективную теплопередачу с выровненным временем пребывания сырья в процессе пиролиза, высокий выход жидких и газовых продуктов пиролиза с меньшим образованием кокса, и может быть очень компактным, обладая, тем не менее, высокой пропускной способностью на единицу объема реактора.
[0024] Еще один аспект изобретения относится к способу пиролиза, включающему стадии a) приготовления сырья для пиролиза из отходов, b) подачи сырья для пиролиза в реактор абляционного пиролиза согласно изобретению и пиролиза сырья с получением продуктов пиролиза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Сущность заявленного изобретения поясняется с помощью чертежей.
[0026] ФИГ. 1 представляет собой вид сбоку одного варианта осуществления изобретения, на котором показано поперечное сечение цилиндрического корпуса реактора абляционного пиролиза в вертикальном положении.
[0027] ФИГ. 2а и 2b представляют собой виды роторного элемента, которые могут быть представлены в разрезе I на Фиг. 1 при различных углах обзора.
[0028] ФИГ. 3 представляет собой вид реактора абляционного пиролиза в разрезе вдоль линии A-A', обозначенной на Фиг. 1.
[0029] ФИГ. 4 представляет собой вид сбоку другого варианта реализации изобретения, на котором показано поперечное сечение реактора абляционного пиролиза в горизонтальном положении, содержащего 7 элементов ротора в цилиндрическом корпусе реактора.
[0030] ФИГ. 5 представляет собой схему процесса, отражающего заявленный способ.
[0031] На фигурах обозначены 10 - входное отверстие для подачи сырья для пиролиза, 20 - выходное отверстие для продуктов пиролиза, 30 - корпус реактора, 40 - ротор, 45 - роторный элемент, 50 - винтовая лопасть, 55 - пространство между витками винтовой лопасти, 60 - абляционная лопасть, 61 - верхняя кромка абляционной лопасти, 62 - нижняя кромка абляционной лопасти, 63 - фиксированный конец абляционной лопасти, 64 - свободный конец абляционной лопасти, 65 - внешний край винтовой лопасти, 70 - стержень, 80 - нижняя пластина элемента ротора, 90 - верхняя пластина элемента ротора, 100 - дополнительный вход для продувочного газа, 110 - двигатель, 115 - конец корпуса реактора, противоположный концу, на котором расположено входное отверстие, 120 - центральный продольный вал ротора, 130 - угол наклона винтовой лопасти к плоскости, перпендикулярной оси центрального продольного вала ротора, 140 - углубления в винтовой лопасти, 150 - соединительный элемент, 160 - сборный резервуар, 165 - вход сборного резервуара, 166 - выпускное отверстие сборного резервуара, 170 - выпускное отверстие реактора, 175 - блок очистки, 180 - насос, 185 - нагреватель, 200 - смесительная установка, I - поток отходов, II - поток смеси отходов и очищенного рециркулирующего сырья, III - поток сырья для пиролиза, IV - поток продуктов пиролиза, V - поток очищенного рециркулирующего сырья, VI - внутренний поток загрязненного рециркулирующего сырья, VII - внешний поток рециркулирующего сырья..
ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНОГО ВАРИАНТА осуществления
[0032] Варианты осуществления изобретения описаны со ссылками на чертежи. Тем не менее, следует понимать, что описанные варианты осуществления данного изобретения приведены исключительно в качестве примеров, которые могут быть осуществлены в различных формах. Фигуры необязательно приведены в масштабе, и некоторые признаки могут быть увеличены или уменьшены с целью изображения деталей конкретных элементов. Конкретные конструкционные и функциональные особенности, изложенные в настоящем описании изобретения, не могут быть истолкованы как ограничивающие, и приведены лишь в качестве наглядного примера для ознакомления специалистов в данной области техники с вариантами применения раскрытой сущности изобретения.
[0033] Если обратиться к ФИГ. 1, реактор абляционного пиролиза (APR) показан в вертикальном положении и включает корпус (30) реактора, предпочтительно цилиндрический, снабженный входным отверстием (10) для подачи сырья для пиролиза, выходным отверстием (20) для продуктов пиролиза и дополнительным входом (100) для продувочного газа, расположенном на конце (115) корпуса реактора, противоположном концу, на котором расположено входное отверстие (10). В корпусе (30) реактора ротор (40) расположен так, что его продольная ось находится на продольной оси корпуса (30) реактора. Ротор (40) соединен с двигателем (110), который может вращать ротор внутри реактора. Расположение входного (10) и выходного (20) отверстий, а также выпускного отверстия (170) для частично пиролизованного сырья выбирают, исходя из формы выполнения и/или расположения реактора и наличия в продуктах пиролиза газообразных, жидких и твердых продуктов. Выходное отверстие (20) для конденсируемых и неконденсируемых газообразных продуктов пиролиза может быть расположено как рядом с входным (10), так и на противоположном конце реактора. При вертикальном расположении реактора входное отверстие (10) располагают в верхней части и там же может быть выполнено выходное отверстие (20) для пиролизных газов, образовавшихся во всем объеме реактора, для жидких продуктов пиролиза выходное отверстие (20) может быть выполнено в нижней части реактора. Кроме того, возможно выполнение выходного отверстия (20), через которое выводятся как газообразная, так и жидкая фаза продуктов пиролиза, включая частично пиролизованное сырье.
[0034] Ротор (40) содержит центральный продольный вал (120), оборудованный винтовой лопастью (50), проходящей радиально от центрального продольного вала (120) до внутренней стенки цилиндрического корпуса (30) реактора. Винтовая лопасть (50) имеет угол наклона (130) к перпендикулярной плоскости поперечного сечения (A-A'). В пространстве (55) между витками винтовой лопасти (50) расположены абляционные лопасти (60). Винтовая лопасть (50) проходит в радиальном направлении от центрального продольного вала (120) до внутренней стенки цилиндрического корпуса (30) реактора, оставляя расстояние между внешним краем (65) винтовых лопастей (50) и внутренней поверхностью стенки корпуса (30) реактора. Указанное расстояние составляет от 0,1 до 3 мм, предпочтительно 1-2 мм.
[0035] Обратимся далее к фигурам 2а и 2b, на которых представлено два варианта исполнения элемента (45) ротора. Фиг. 2а демонстрирует элемент (45) ротора, который содержит одну винтовую лопасть (50) в пространстве (55) между витками которой расположены абляционные лопасти (60). Фиг. 2b демонстрирует элемент (45) ротора, который содержит несколько винтовых лопастей (50) в пространстве (55) между витками которых и между которыми расположены абляционные лопасти (60). Следует отметить также, что возможен такой вариант осуществления элемента (45) ротора, при котором между винтовыми лопастями (50) расположено несколько абляционных лопастей (60), предпочтительно до 6 в каждом пространстве между винтовыми лопастями (50).
[0036] Абляционные лопасти (60) имеют один фиксированный конец (63) и свободный противоположный конец (64), который во время работы соприкасается с внутренней стенкой корпуса (30) реактора за счет силы упругости и/или за счет центробежной силы. Абляционная лопасть (60) может иметь любую форму, но важно выбрать такую форму, чтобы максимально увеличить площадь контакта абляционной лопасти (60) с внутренней стенкой корпуса (30) реактора. Например, верхняя (61) и нижняя (62) кромки могут проходить параллельно винтовой лопасти (50). Однако для удобства абляционная лопасть (60) предпочтительно имеет прямоугольную форму. По меньшей мере свободный конец (64) абляционной лопасти (60) представляет собой гибкую металлическую пластину, предпочтительно из конструкционной пружинной стали. Лопасть (60) предназначена для обновления материала на поверхности внутренней стенки корпуса (30) реактора во избежание его перегрева и интенсификации теплопередачи. Кроме того, лопасти (60) предназначены для удаления кокса в случае его отложения на греющей поверхности. Упругие свойства лопасти позволяют избежать чрезмерного воздействия лопасти на поверхность. Предпочтительно усилие воздействия составляет примерно от 10 до 50 Н. Меньшие усилия (менее 10 Н) прижатия могут приводить к отгибанию лопасти от поверхности гидродинамическими силами при набегании лопасти на жидкую среду с образованием зазора. Большие усилия (более 50 Н) прижима приведут к повышению скорости износа лопасти и корпуса аппарата.
[0037] Фиксированный конец (63) абляционной лопасти (60) может быть закреплен в пространстве между витками винтовой лопасти (50) и/или в пространстве между соседними винтовыми лопастями (50) посредством элемента, выполненного с возможностью регулирования усилия прижима. В частности, усилие прижима может изменяться посредством поворота и фиксации указанного элемента или отклонением на заданный угол. Изображенный на Фиг. 2а и 2b элемент (45) ротора состоит из верхней пластины (90) и нижней пластины (80) и двух стержней (70) для закрепления фиксированного конца (63) абляционной лопасти (60), расположенных в продольном направлении параллельно центральному продольному валу (120), соединенных с верхней и нижней пластинами (80, 90) и проходящих через отверстия или углубления (140) в винтовой лопасти (50). Вместо стержней (70) возможно использование иных элементов, выполненных с возможностью регулирования усилия прижима, например, пластин, уголков и т.п. Для регулирования усилия прижима на конце стержня (70) предпочтительно выполняют головку болта для поворота ключом, на которой имеется шейка с отверстием, в которое после натяжения лопасти (60) вставляют штифт, исключающий возможность возврата стержня (70) и лопасти (60) в исходное положение после снятия нагрузки ключом. На ФИГ. 3 показан вид APR в разрезе по линии A-A', показанной на Фиг. 1, на котором видно, что абляционные лопасти (60) проходят от ротора до внутренней стенки корпуса (30) реактора. Абляционные лопасти (60) также могут быть закреплены в пространстве (55) между винтовыми лопастями (50) другими способами, например, при помощи болтов.
[0038] Элемент (45) ротора снабжен соединительным элементом (150) для соединения во вращательном движении с соединительным элементом (150) соседнего элемента (45) ротора или для соединения с двигателем (110). Ротор может содержать один или более элемент (45) ротора. В варианте реализации, показанном на Фиг. 1, ротор (40) содержит 2 последовательно соединенных элемента (45) ротора. На Фиг. 4 ротор (40) содержит 7 последовательно соединенных элементов (45) ротора.
[0039] Расстояние между внешним краем (65) винтовых лопастей (50) и внутренней поверхностью стенки корпуса (30) реактора составляет от 0,1 до 3 мм, предпочтительно 1-2 мм, и выбирается, например, в зависимости от характера подаваемых отходов. При подаче расплавленных пластиковых отходов предпочтительно, чтобы это расстояние было очень мало, например, от 0,1 до 1 мм, а для сырья, содержащего твердые частицы, предпочтительное расстояние может составлять от 0,5 до 3 мм. Конструкция ротора с малым расстоянием между внешним краем (65) винтовых лопастей (50) и внутренней поверхностью стенки корпуса (30) реактора гарантирует, что все сырье будет следовать по определенному пути через реактор абляционного пиролиза, что обратное смешивание пиролизованного сырья со свежим сырьем будет минимальным, что будет обеспечивать четко определенное контролируемое время пребывания пиролизного сырья в реакторе с небольшими вариациями времени пребывания. Благодаря незначительному влиянию силы тяжести на распределение времени пребывания, реактор абляционного пиролиза может работать в вертикальном положении, что может обеспечить значительную экономию места. Так как элемент (45) ротора включает абляционные лопасти (60), берущие на себя функцию предотвращения образования кокса на стенках корпуса (30), зазор между винтовой лопастью (50) и корпусом (30) обеспечивает отсутствие заклинивания вала. Значения менее 0,1 мм повышают риск заклинивания вала из-за недостаточной компенсации радиальных биений и не соосности вала и корпуса реактора. При больших значениях зазора (более 3 мм) винтовые лопасти (50) в меньшей степени препятствуют продольному перемешиванию, что приводит к разбросу времени пребывания сырья в реакционной зоне.
[0040] Винтовая лопасть (50) предпочтительно имеет угол наклона (130) к плоскости, перпендикулярной оси центрального продольного вала, в интервале от 0,1 до 45 градусов. Угол наклона (130) может быть минимальным, но не меньше значения, обеспечивающего свободное прохождение твердых частиц между соседними витками винтовой лопасти (50). В этом случае можно говорить об одной винтовой лопасти или о нескольких винтовых лопастях с продольным размером в один шаг, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Если участок спирали винтовой лопасти (50) менее 360 градусов (например, 350 градусов), соседние витки не создают препятствия свободному прохождению твердых частиц, угол наклона (130) может быть минимальным - 0.1 градуса, спираль вырождается в практически плоскую перегородку, выполняя функцию секционирования реакционного объема при минимальном уровне транспортной функции, в этом случае абляционные лопасти (60) располагают в пространстве между соседними винтовыми лопастями (50). В случае необходимости усиления транспортной функции угол наклона (130) может быть увеличен до значений в 45 градусов, в этом случае абляционные лопасти (60) располагаются в свободном промежутке между витками винтовой лопасти (50).
[0041] При обосновании конфигурации реакционной зоны и ее конструктивных параметров следует руководствоваться выполнением следующих условий и функций: а) эффективный теплосъем; б) транспортирование обрабатываемого сырья от входа к выходу; в) отсутствие или минимальное отложение кокса на теплопередающей поверхности; г) одинаковое время пребывания всех элементов потока в реакционной зоне. Эффективный теплосъем, отсутствие отложений кокса обеспечивают длительное функционирование устройства без остановки при максимальной производительности. Непрерывное транспортирование обрабатываемого сырья от входа к выходу является необходимым условием работы устройства в непрерывном режиме. Одинаковое время пребывания способствует получению на выходе продуктов пиролиза с небольшим разбросом фракционного состава (молекулярной массой).
[0042] Абляционный пиролиз предполагает эффективное взаимодействие сырья с греющей поверхностью реактора в процессе пиролиза. Под эффективностью в данном случае понимают коэффициент теплоотдачи и равные для всего объема сырья условия взаимодействия с греющей поверхностью. Коэффициент теплоотдачи равен тепловому потоку, выраженному в Ваттах, приходящемуся на единицу поверхности и на единицу движущей силы процесса теплоотдачи и определяет (вместе с величинами поверхности и движущей силы процесса теплопередачи) общее количество переданного тепла и общую производительность реактора. Интенсивное перемешивание обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи.
[0043] Другим аспектом эффективности являются равные условия для всего объема сырья в реакторе. Поскольку в определенный момент времени отдельные участки сырья находятся на разном удалении от стенки корпуса (30), то, с учетом низкой теплопроводности сырья, удаленные от стенки участки в рассматриваемый момент времени получают меньшее количество тепловой энергии, чем непосредственно прилегающие к стенке корпуса (30) объемы сырья. Неизбежно в непосредственной близости от греющей поверхности непрерывно образуется перегретый слой (пристенный слой) сырья, что приводит к неравным условиям и, как следствие, к разной степени конверсии сырья и снижению коэффициента теплоотдачи. Неравномерность подвода тепла в пространстве может быть компенсирована усреднением условий передачи тепла сырью во времени за счет непрерывной замены перегретого слоя на новый, менее нагретый слой и отводом нагретого сырья от стенки. Данную функцию выполняют лопасти.
[0044] С учетом необходимости обеспечения равного и определенного времени нахождения сырья в зоне реакции, использование только винтовой лопасти, которая выполняет как транспортную функцию, так и функцию перемешивания материала в радиальном направлении, не обеспечивает данное условие. Перемешивание в радиальном направлении требует высокой частоты вращения вала. При этом, транспортная функция винтовой лопасти может оказаться избыточной. В предлагаемом реакторе кроме винтовой лопасти (50) имеются радиальные абляционные лопасти (60), обеспечивающие прижим и радиальное перемешивание сырья, следовательно, необходимость в выполнении данной функции винтовой лопастью отпадает. С целью понизить избыточный уровень транспортной функции при высоких скоростях вращения ротора (40) винтовая лопасть (50) может быть выполнена с минимальным углом наклона (130) и с большой степенью прерывистости - как уже было описано выше, в этом случае винтовая лопасть (50) представляет участки шнека длиной в один шаг с минимальным углом подъема винтовой линии, расположенные на расстоянии друг от друга в несколько шагов.
[0045] Особенно важно обеспечение данного условия, когда целевыми продуктами пиролиза являются высокомолекулярные продукты, например, парафин. Равное время пребывания дает возможность обеспечить на выходе из реактора отсутствие остатков неразложившегося сырья (пластика) при минимальном содержании продуктов с более низкой, чем парафин молекулярной массой. Пиролиз проводится при этом при пониженных температурах (300-350 С), а целевой продукт реакции покидает зону реакции в жидком виде. Низкомолекулярные продукты с более низкой, чем парафин молекулярной массой, покидают зону реакции в газовой фазе.
[0046] Для обеспечения равного времени пребывания сырья в зоне реакции режим движения в реакторе должен приближаться к режиму полного вытеснения, что трудно реализовать в условиях интенсивного перемешивания. Выход из этого положения состоит в секционировании зоны реакции - то есть в разбиении зоны реакции на ячейки полного перемешивания, следующие вдоль оси реактора друг за другом. При этом сохраняется интенсивное перемешивание в пределах каждой ячейки, но продольное (вдоль оси реактора в направлении от входа к выходу) перемешивание почти отсутствует. Распределение времени пребывания в этом случае соответствует ячеечной модели, параметром которой является число ячеек, на которые разбита зона реакции. При числе ячеек, приближающимся к бесконечности, режим движения становится близким к режиму полного вытеснения, а время пребывания отдельных элементов потока (молекул, микрообъемов вещества) становится одинаковым. Однако бесконечное количество ячеек трудно осуществить на практике. С практической точки зрения достаточно иметь от 3 до 10 ячеек, более предпочтительно от 5 до 10 ячеек, для удовлетворительного распределения времени пребывания. Меньшее значение параметра приведет к значительному разбросу времени пребывания, повышение числа ячеек более 10 не приводит к значительному улучшению условий работы с точки зрения времени пребывания, вместе с тем, усложняет конструкцию.
[0047] В качестве элементов, разделяющих зону реакции на ячейки, могут служить участки винтовой лопасти (50), отстоящие друг от друга на некотором расстоянии (на расстоянии одного или нескольких шагов винтовой линии), либо витки сплошной спирали без разрывов (шнек). Как было указано выше, отсутствие винтовой лопасти (50) на отдельных участках ротора (40) применяется для того, чтобы исключить избыточную транспортную функцию. Оставшиеся витки, представляющие участки винтовой лопасти (50) длиной в один шаг и отстоящие друг от друга на несколько шагов при малом угле наклона (130) представляют перегородки, секционирующие зону реакции и препятствующие продольному перемешиванию вещества. Переток вещества между ячейками происходит в результате подъема уровня жидкости в одной ячейке по отношению к уровню в другой ячейке, а не в следствие заброса массы мешалкой. Таким образом, эффект продольного перемешивания сводится к минимуму, а распределение времени пребывания становится более равномерным, что способствует повышению качества целевого продукта с точки зрения однородности молекулярного состава.
[0048] Таким образом, по сравнению с реакторами, использующими только шнек (винтовую лопасть), удается обеспечить отсутствие зазора между корпусом и лопастями благодаря наличию радиальных абляционных лопастей (60). При этом винтовые лопасти (50) отстоят от греющей поверхности на расстоянии гарантированного зазора и освобождены от выполнения функции удаления кокса с греющей поверхности. В то же время, по сравнению с реакторами, использующими только плоские абляционные лопасти, участки винтовой лопасти (50) дополнительно способствуют секционированию объема реакционной зоны, выравниванию времени пребывания за счет снижения эффекта продольного перемешивания.
[0049] Размеры реактора в принципе могут широко варьироваться, но, принимая во внимание стремление к мобильности и компактности, предпочтительно, чтобы реактор был по размеру как можно меньше. Благодаря эффективной конструкции ротора APR может быть компактным, то есть иметь небольшой внутренний объем пиролизации, обеспечивая при этом высокий выход продуктов переработки. Внутренний объем пиролизации - это объем пространства, в котором происходит пиролизация, включая объем, включающий входное отверстие (10) и ротор (40), снабженный винтовыми лопастями (50) и абляционными лопастями (60), и не включая двигатель, дополнительные резервуары и т.д. Соотношение длины и диаметра реактора выбирается из конструктивных соображений и необходимости обеспечить большую производительность. Реактор большей длины и соответственно большим отношением длины к диаметру имеет больший объем, большую поверхность нагрева и соответственно обеспечит большую производительность или при равной производительности обеспечит большую степень конверсии сырья в конечные продукты. При этом длина реактора ограничена сложностью изготовления, сборки и обслуживания при эксплуатации. Относительный свободный объем реактора связан со степенью его заполнения и равен отношению свободного от продуктов объема реактора к его полному объему. Величина данного параметра выбирается исходя из цели обработки и условий процесса пиролиза, приводящих к поставленной цели. Изменение данного параметра может повлиять как на производительность устройства, так и на качество конечного продукта.
[0050] В случае избыточного количества сырья в реакторе, перемешивание его лопастями ухудшается. При полном заполнении внутреннего пространства корпуса (30) реактора сырьем, его движение может перейти в режим, называемый квазитвердым вращением, при этом траектории отдельных частиц подобны траекториям частиц во вращающемся твердом теле. В этих условиях перемешивание в радиальном направлении прекращается, прогрев внутренних слоев сырья невозможен в нужной для целей пиролиза степени, достижение равных условий нагрева в этих условиях невозможно. Эффективное радиальное перемешивание и обмен масс сырья вблизи стенки достигается при достаточно тонком слое материала и соответственно значительном относительном свободном объеме реактора. То есть сырье должно быть только вблизи стенки, а остальной внутренний объем корпуса (30) должен быть свободным от сырья. Однако, приближение значения относительного свободного параметра к единице или к 100% снижает реакционный объем и общее время пребывания сырья в зоне реакции. Поэтому оптимальными значениями относительного свободного объема можно считать значения, близкие, но меньшие 100%. Например, 70%, еще более предпочтительно 90%, и 99%. Точные значения для каждого конкретного случая могут быть определены при пуско-наладке оборудования с учетом необходимой степени конверсии и размеров реактора. Большему значению параметра соответствуют равные условия нагрева сырья, меньшему значению - больший реакционный объем и большее время пребывания при равной подаче исходного материала -производительности по исходному сырью.
[0051] С учетом изложенных выше условий и в результате практических испытаний выбраны следующие параметры. APR обычно имеет цилиндрическую форму и внутреннее пространство пиролизации продольной длиной от 50 до 200 см, предпочтительно от 75 до 150 cм и обычно около 100 см, и внутренний диаметр реактора предпочтительно от 5 до 50 см, более предпочтительно от 10 до 40 см и обычно около 30 см. Отношение длины к диаметру предпочтительно составляет от 2 до 10. Реактор можно легко увеличивать и уменьшать в зависимости от потребностей в переработке потока отходов. Внутри реактора свободный объем изменяется от 50 до 99%, предпочтительно от 70 до 99%, в зависимости от конструкции ротора.
[0052] Реактор оборудован средствами нагрева (на фигурах не показаны), расположенными на внешней стенке корпуса (30) реактора. APR работает при температуре от обычно не менее 300°C и не более 650°C в зависимости от природы подаваемых отходов. Принимая во внимание однородность температуры, средства нагрева наиболее предпочтительно нагревают всю поверхность реактора, предпочтительно по всей длине части ротора (40), содержащей винтовые лопасти (50) и абляционные лопасти (60). Средство нагрева может содержать секции, создающие различные температурные зоны в продольном направлении. Средством нагрева может быть котельное топливо, горелки или электрический нагреватель, предпочтительно, чтобы это было средство электрического нагрева с учетом однородности температуры и контроля.
[0053] В предпочтительной реализации изобретения внутренняя поверхность стенки корпуса (30) реактора по меньшей мере частично имеет металлокерамическое покрытие, предпочтительно из борида никеля, оксида циркония, нитрида бора, нитрида титана, оксида титана или карбида титана. Покрытие препятствует контакту сырья с железом и никелем на внутренней стенке корпуса (30) реактора, так как эти материалы, как обнаружено, действуют как катализаторы образования кокса. Нитрид титана наиболее предпочтителен для изготовления внутренней стенки корпуса (30) реактора ввиду оптимального сопротивления абляционным силам, прилагаемым абляционными лопастями (60) на ротор, и минимального образования кокса. Предпочтительно, чтобы покрытие было нанесено по крайней мере на те части внутренней стенки корпуса (30) реактора, которые соприкасаются с абляционными лопастями (60). Предпочтительно они должны покрывать части поверхности, которые находятся в контакте с сырьем для горячего пиролиза, включая абляционные лопасти (60), а также винтовые лопасти (50). Толщину слоя покрытия выбирают, исходя из используемого сырья, параметров эксплуатации реактора и пр. Слой покрытия может быть нанесен методом вакуумного плазменного напыления. Возможно также нанесение модифицированного слоя, в частности, путем модифицирования поверхности алюминия или дюралюминия оксидом алюминия. Слой покрытия внутренней стенки корпуса (30) значительно снижает образование кокса. Это изобретение можно успешно использовать в любом реакторе, в котором углеводородное сырье контактирует с поверхностью горячего металла при высоких температурах, в частности, при температуре выше 400°C.
[0054] Реактор абляционного пиролиза оборудован датчиками и компонентами управления, включая, помимо прочего, датчики давления или датчики температуры, которые предоставляют контроллеру различные данные, касающиеся работы системы. Контроллер APR может изменять рабочие параметры APR в ответ на данные, полученные от датчиков, в соответствии с запрограммированными функциями системы управления. Главная система управления сконфигурирована для связи с контроллером APR, а также для связи с дополнительными контроллерами, каждый из которых может быть выделен для других подсистем системы переработки WTF.
[0055] В предпочтительном варианте, как показано на Фиг. 5, реактор абляционного пиролиза дополнительно содержит выпускное отверстие (170) в корпусе (30) реактора для удаления частично пиролизованного загрязненного рециркулирующего сырья, расположенное на конце (115), противоположном входному отверстию (10) для подачи сырья для пиролиза. Выпускное отверстие (170) в корпусе реактора предпочтительно соединено с резервуаром (160) для сбора частично пиролизованного загрязненного рециркулирующего сырья.
[0056] Сборный резервуар (160), соединенный с выпускным отверстием (170) APR, предпочтительно соединен также со смесительной установкой (200) для приготовления смеси (II) из потока отходов (I) и потока очищенного рециркулирующего сырья (V), при этом смесительная установка (200) соединена с входом (165) сборного резервуара (160) для подачи этой смеси (II) в резервуар (160), в котором он смешивается с загрязненным частично пиролизованным сырьем из APR для получения потока загрязненного рециркулирующего сырья для пиролиза (VI), которое перекачивается из выпускного отверстия (166).
[0057] Изобретение также относится к способу пиролиза, включающему стадии a) подготовки сырья для пиролиза из отходов, b) подачи сырья для пиролиза в реактор абляционного пиролиза согласно изобретению и пиролиза сырья с получением продуктов пиролиза.
[0058] Способ пиролиза в качестве первой стадии включает в себя стадию предварительной обработки потока (I) исходных отходов, на которой отходы обрабатываются для преобразования их в подходящее сырье для стадии пиролиза в APR. Этот этап может включать один или несколько этапов промывки, очистки, сортировки, сушки, измельчения, уплотнения, нагревания, плавления и дегазации для снижения содержания кислорода.
[0059] Отходы для подготовки сырья для пиролиза могут представлять собой биомассу, сельскохозяйственные отходы и отходы лесного хозяйства, твердые бытовые отходы, строительные отходы и остатки от сноса зданий, разливы нефти, загрязненные масла и различные виды пластика, в частности, полиолефины. Предпочтительным сырьем из отходов для способа, описываемого данным изобретением, является пластик. Различные виды пластика изготавливаются из множества различных полимеров, наиболее распространенными из которых являются: ПЭТ, ПП, ПС, поливинилхлорид (ПВХ), ПЭВП, ЛПЭНП, ПЭНП и нейлон. Предпочтительными видами пластика для использования в заявляемом способе пиролиза являются полиолефины, например, ПЭВП, ПЭНП, ПП и ПС, поскольку они не содержат гетероатомов (атомов, отличных от C и H). Кислородсодержащие виды пластика, такие как ПЭТ, менее предпочтительны, поскольку они имеют низкий выход масла и содержат кислород, который может подтолкнуть реакцию пиролиза к реакции сгорания и может быть причиной образования ряда диоксинов. Следовательно, их предпочтительно извлекать из сырья из отходов перед осуществлением способа пиролиза и перерабатывать. Кроме того, ПЭТ можно легко и экономически целесообразно переработать для получения чистого ПЭТ. ПВХ и другие хлорсодержащие смолы менее предпочтительны, поскольку из них образуется соляная кислота, поэтому они также предпочтительно удаляются из потока пластиковых отходов.
[0060] Сырье из отходов может содержать следовые количества непластиковых загрязнений или примесей. Например, примеси могут иметь внешнюю природу (например, вода, продукты питания, средства маркировки, почва, бумага или целлюлозные отходы) или могут возникать в результате внутренних изменений (например, стекло, металл, железо, бром и/или хлор). Исходные отходы могут быть в измельченной, дробленой, гранулированной или иной форме, которая может способствовать передаче им тепла. Уровни загрязнения предпочтительно должны быть как можно более низкими, поскольку они напрямую связаны с образованием кокса и снижением экономичности процесса.
[0061] Таким образом, из потока пластиковых отходов предпочтительно сначала удалять ПЭТ, ПВХ, целлюлозу, металлические, минеральные и пищевые отходы. Отходы ПВХ и целлюлозы можно перерабатывать в отдельном реакторе той же конфигурации или в ходе отдельного цикла в том же реакторе. В случае переработки отходов ПВХ и целлюлозы дальнейшее преобразование в продукты пиролиза будет происходить по-другому. Из шин желательно удалить корд.
[0062] Наличие в сырье серы и азота не является предпочтительным, но не представляет проблемы. Сырье с высоким содержанием серы и азота может быть подвергнуто пиролизу при относительно высоких температурах, предпочтительно выше 450 или 500°C, так что сера и азот преимущественно останутся в пиролизном газе, который при сжигании окисляется до NOx и SOx, содержащих выхлопной газ, который может относительно легко удаляться. В качестве альтернативы также могут использоваться более низкие температуры пиролиза, при этом азот и сера присутствуют также в конденсированном жидком продукте пиролиза, из которого сера или азот могут быть удалены фильтрами, например, мембранами.
[0063] Деревянные шпалы и химически обработанная древесина в целом являются полезным сырьем для пиролиза, поскольку пиролиз не вызывает экологических проблем, связанных со сгоранием, которое приводит к образованию токсичных выхлопных газов и фенола. Предпочтительно, деревянные шпалы и химически обработанная древесина подвергаются пиролизу при высоких температурах от 500°C, при которой древесина почти полностью превращается в пиролизный газ, и жидкие продукты пиролиза фактически не образуются.
[0064] Поток сырья для пиролиза, согласно заявленному способу, может представлять собой жидкость или твердые частицы. Поток жидких отходов, например, может представлять собой поток загрязненного масла. Поток твердых частиц отходов представляет собой, например, измельченный пластик, шины или древесину. Твердые отходы предпочтительно измельчают до размера от 5 до 50 мм, более предпочтительно от 10 до 30 мм, еще более предпочтительно от 15 до 20 мм. Размер, до которого производят измельчение, определяют исходя из видов отхода, сложности деполимеризации, температурного режима процесса и пр. Если поток отходов представляет собой твердый органический материал, он может быть измельчен и переработан непосредственно в APR.
[0065] Поток сырья для пиролиза может подаваться непосредственно в APR через впускное отверстие (10). Поток (IV) продуктов пиролиза выходит через выходное отверстие (20) для продуктов пиролиза. Продукты пиролиза могут быть как в жидкой фазе, так и в газообразной.
[0066] Однако с точки зрения эффективности теплопередачи, выхода и производительности APR, предпочтительно, чтобы поток сырья для пиролиза представлял собой жидкую смесь отходов, растворенных и/или диспергированных в органическом растворителе, так чтобы твердый органический материал измельчался и смешивался с органическим растворителем для создания жидкого сырья для пиролиза, которое представляет собой раствор, дисперсию или эмульсию отработанного сырья в органическом растворителе. Следует отметить, что термин «растворитель» здесь также подразумевает диспергирующее вещество в случае, если исходное сырье содержит материал, который не может быть растворен или может только частично. Опционально жидкое сырье для пиролиза получают путем смешивания предварительно нагретого исходного сырья с горячим органическим растворителем. В случае нерастворимых отходов, таких как древесина или шины, их процентное содержание в общей массе сырья для пиролиза относительно невелико; обычно от 10 до 60% массы, тогда как в случае пластиковых отходов количество может быть выше, предпочтительно от 50 или даже от 60 до 90% массы. При использовании органического растворителя температуру жидкого сырья для пиролиза, которое подается в APR, выбирают, исходя из характера используемого сырья и растворителя, предпочтительно оно имеет температуру в диапазоне от 250 до 400°C, более предпочтительно от 300 до 375°C, обычно около 350°C. При таких температурах большая часть пластика плавится или растворяется. Температуру можно установить, выбрав достаточно высокую температуру горячего органического растворителя для достижения желаемой температуры после смешивания.
[0067] В качестве органического растворителя могут быть использованы высококипящие растворители, например, сланцевое масло, каменноугольное масло, вакуумный газойль. Однако предпочтительно использовать в качестве органического растворителя очищенное рециркулирующее сырье (V), получаемое в результате отбора из реактора и очистки загрязненного рециркулирующего сырья (VI), представляющего собой частично пиролизованное сырье, прошедшее через реактор.
[0068] На Фиг. 5 показан предпочтительный вариант осуществления изобретения, включающий подачу отходов (I) в смесительную установку (200), где они смешиваются с внутренним потоком очищенного рециркулирующего сырья (V). Измельченные отходы (I) могут подаваться в смесительную установку (200) непрерывно с помощью устройства для подачи отходов, которое может включать бункеры, накопители, конвейеры, смесители, нагреватели и уплотнители, предназначенные для обеспечения непрерывной подачи материала. Смесительная установка (200) может дополнительно содержать средства смешивания, измельчения, уплотнения и нагрева. Смесительная установка (200) может включать мешалки, поточные миксеры с большим усилием сдвига, экструдеры и т.д. и производить непрерывный поток смеси отходов и очищенного рециркулирующего сырья с низкой вязкостью.
[0069] В предпочтительном варианте реализации способ пиролиза включает стадию a), на которой сырье для пиролиза (III) представляет собой жидкую смесь отходов, которую получают растворением и/или диспергированием отходов в органическом растворителе, добавлением к указанной жидкой смеси (II) отходов и органического растворителя загрязненного частично пиролизованного сырья, поступающего из реактора абляционного пиролиза, получением загрязненного рециркулирующего сырья для пиролиза (VI), которое затем очищают от примесей. Полученное сырье для пиролиза (III) далее на стадии b) подают в реактор абляционного пиролиза. При этом, предпочтительно, часть сырья для пиролиза в виде потока (V) очищенного рециркулирующего сырья используют в качестве органического растворителя на стадии a). Частично пиролизованное сырье из APR обычно представляет собой тяжелую нефть, загрязненную примесями, такими как кокс, древесный уголь и, возможно, неорганические или металлические примеси. Добавляя это частично пиролизованное сырье при подготовке сырья для пиролиза, его можно подвергнуть дальнейшему пиролизу.
[0070] На Фиг. 5 также показан блок очистки (175), который может принимать и очищать поток загрязненного рециркулирующего сырья (VI) путем удаления примесей. Блок очистки (175) может представлять собой фильтр или циклонную систему очистки. Опционально другие внешние потоки рециркулирующего сырья (VII) также могут быть смешаны и пропущены через блок очистки (175). Поток (VI) рециркулирующего сырья после очистки в блоке (175) и/или внешний поток (VII) рециркулирующего сырья формируют поток сырья для пиролиза (III), который подают насосом (180) к входному отверстию (10) APR и/или через опциональный нагреватель (185) на вход смесительной установки (200) в виде потока (V) очищенного рециркулирующего сырья.
[0071] Жидкое сырье для пиролиза предпочтительно имеет вязкость в диапазоне от 0,1 до 10, более предпочтительно от 0,2 до 5, еще более предпочтительно от 0,3 до 3 Па*с, обычно около 0,5 Па*с, согласно измерениям, выполненным с помощью ASTM D445 при 40°C. На стадии b) APR предпочтительно работает при температуре стенок реактора Tr между 300°C и 650°C, более предпочтительно между 350°C и 500°C, а подаваемое в APR сырье для пиролиза предпочтительно имеет температуру Tf в диапазоне от 250 до 400°C, предпочтительно от 300 до 375°C, где Tf ниже Tr, предпочтительно менее чем на 50-100°C. Температура работы реактора и сырья, подаваемого в реактор, выбирают, исходя из состава сырья и условий проведения пиролиза. Если сырье для пиролиза является пластиком, температура предпочтительно составляет выше 400°C и может быть выше 500°C, при которой одновременно могут газифицироваться множество различных молекулярных частиц. Предпочтительно перед подачей в реактор нагревать подаваемое сырье до максимальной температуры, при которой процесс пиролиза еще не начался либо протекает с пренебрежительно малой скоростью. Это условие важно для того, чтобы уменьшить или полностью исключить коксоотложение внутри реактора. Это также позволяет повысить производительность линии в целом, поскольку исключается необходимость передавать сырью энергию, необходимую для нагрева до температуры начала пиролиза. Вся энергия в реакторе в этом случае расходуется на разрушение полимерных цепочек. Верхний и нижний пределы определяют приспособленностью оборудования предварительного нагрева и условиями работы реактора. Температуру сырья для пиролиза, поступающего в реактор, возможно обеспечить, в частности, путем нагревания рециркулирующего потока V в нагревателе (185) до температуры примерно от 200 до 400°C. Рабочее давление может изменяться от 0,15 до 0,8 атм. изб.
[0072] Сырье для высокотемпературного жидкого пиролиза с относительно низкой вязкостью позволяет получить более однородное сырье для пиролиза, меньшую разницу температур сырья и внутренней стенки реактора и более высокую эффективность теплопередачи, что приводит к меньшему образованию кокса на стенках реактора APR и более высокому выходу пиролизного газа и конечных продуктов пиролиза. Еще одним преимуществом подачи жидкого пиролизного сырья в APR является то, что его легче удалить и избежать образования кислорода перед загрузкой в APR, и то, что это обеспечивает лучший контроль и постоянство объема на выходе. Это существенное преимущество с точки зрения обслуживания и ремонта оборудования, а также затрат на его эксплуатацию. В способе пиролиза в соответствии с изобретением от 80 до 95% массы отходов превращается в продукты пиролиза и количество образующегося кокса составляет менее 5% массы. При этом пиролизный газ, получаемый в процессе пиролиза, содержит водород в количестве от 25 до 50% объема.
[0073] Количество подаваемого для пиролиза сырья, поступающего в APR, предпочтительно находится в диапазоне от примерно 0,25 до примерно 2,5 метрических тонн в час. Время пребывания сырья для пиролиза в реакторе и рабочую температуру пиролиза выбирают с учетом желаемой конверсии пиролиза для данных отходов и сырья для пиролиза и предполагаемых продуктов пиролиза. Время пребывания сырья в зоне реакции в реакторе APR заданной длины можно варьировать, путем изменения скорости вращения ротора (40) и угла наклона (130) винтовой лопасти (50). Скорость вращения ротора обычно составляет от 6 до 300 об/мин, а время пребывания сырья обычно составляет от 10 до 300 секунд. Преимущество роторных элементов в соответствии с изобретением заключается в том, что конструкция ротора может быть изменена и может обеспечивать как короткое время пребывания благодаря эффективности, так и длительное время пребывания, в случаях, когда это необходимо. Другое преимущество APR в соответствии с изобретением заключается в том, что APR, благодаря эффективности и хорошему контролю температуры, может работать при относительно более низких температурах и использует меньшее количество энергии при приемлемом выходе. Более низкие температуры пиролиза могут быть полезными для более чувствительного к температуре сырья для пиролиза, что позволит избежать образования кокса. В сочетании с жидким сырьем для горячего пиролиза рабочие температуры пиролиза могут составлять всего около 340°C. Предпочтительно, чтобы время пребывания было невелико. В предпочтительном варианте реализации, в котором сырье для пиролиза представляет собой горячую жидкую смесь пластика и органического растворителя, время пребывания может быть меньше, предпочтительно от 0,5 до 30 с, более предпочтительно от 0,5 до 10 с.
[0074] Реактор абляционного пиролиза в соответствии с изобретением производит очень небольшое количество кокса и гудрона. Однако образующийся кокс и смолу желательно удалять. При вертикальном расположении реактора, как показано на Фиг. 1 и 5, APR снабжен отверстием (170) на другом конце (115), которое предпочтительно ведет в резервуар (160). Частично пиролизованное сырье, загрязненное коксом и/или смолой, перемещается винтовыми лопастями (50) в резервуар (160). При горизонтальном расположении APR, как показано на Фиг. 4, APR предпочтительно снабжен выпускным отверстием (170) для удаления загрязненного частично пиролизованного сырья, которое может собираться в резервуар (160).
[0075] Осуществление заявленного способа пиролиза продемонстрировано на фиг. 5 в виде предпочтительного варианта осуществления. Однако, как было отмечено ранее, этот вариант не ограничивает объем возможных реализаций способа и не является единственно возможным. Поток сырья для пиролиза может подаваться и непосредственно в APR через впускное отверстие (10), а поток (IV) продуктов пиролиза выходить через выходное отверстие (20) для продуктов пиролиза, без использования рециркулирующего сырья.
[0076] В общем виде схема процесса может выглядеть следующим образом. Поток (I) отходов, предпочтительно предварительно очищенных и измельченных, подают в смесительную установку (200), где они смешиваются с потоком (V) очищенного рециркулирующего сырья. Далее смесь (II) отходов (I) и очищенного рециркулирующего сырья (V) подают на вход (165) сборного резервуара (160), где к нему дополнительно подмешивают загрязненное частично пиролизованное сырье, поступающее в сборный резервуар (160) через выпускное отверстие (170) реактора пиролиза. Полученный внутренний поток (VI) загрязненного рециркулирующего сырья через выпускное отверстие (166) сборного резервуара (160) подают далее на блок (175) очистки, в котором поток (VI) загрязненного рециркулирующего сырья очищают путем удаления примесей. Опционально другие внешние потоки (VII) рециркулирующего сырья также могут подавать на блок (175) очистки. На выходе блока (175) очистки из внутреннего потока (VI) рециркулирующего сырья и/или внешнего потока (VII) рециркулирующего сырья формируют поток (III) сырья для пиролиза, который подают насосом (180) к входному отверстию (10) APR. Предпочтительно, чтобы часть данного потока через нагреватель (185) поступала на вход смесительной установки (200) в виде потока (V) очищенного рециркулирующего сырья для смешивания с потоком (I) отходов.
[0077] При холодном запуске реактора предпочтительно использовать технический керосин со сверхнизким содержанием серы. После холодного запуска в качестве органического растворителя возможно использовать жидкий продукт пиролиза, предпочтительно в результате пиролиза различных видов пластика, в частности, рециркулирующий поток фракций тяжелой нефти, отбираемый после APR. Наиболее предпочтительно рециркулирующий поток (V) представляет собой частично пиролизованный продукт, взятый непосредственно из APR, или фракцию тяжелой нефти, полученную после конденсации пиролизного газа. Рабочие условия внутри реактора предпочтительно устанавливаются так, что сырье для пиролиза частично пиролизируется до тяжелой углеводородной жидкости, которую можно рециркулировать для смешивания в качестве растворителя с потоком отходов на стадии подготовки сырья для пиролиза в смесительной установке (200).
[0078] В процессе работы реактора вращение ротора (40) заставляет винтовые лопасти (50) перемещать сырье для пиролиза в продольном направлении через реактор от входного отверстия (10) реактора к его другому концу (115). Сырье для пиролиза центробежным способом направляется радиально наружу к горячей внутренней стенке корпуса (30) реактора, а абляционные лопасти (60), расположенные, в частности, в пространстве (55) между винтовыми лопастями (50) толкают и размазывают сырье для пиролиза по стенке корпуса (30) реактора.
[0079] Тепло, обеспечиваемое нагревательными средствами, расщепляет или деполимеризует сырье для пиролиза и превращает его в пиролизный газ и прочие продукты пиролиза. В реакторе абляционного пиролиза при осуществлении заявленного способа образуется мало кокса. 3-5% массы отходов сырья превращается в кокс, а оставшееся количество продуктов пиролиза подвергается дальнейшей переработке для извлечения пиролизного газа, а также легких, средних и тяжелых нефтепродуктов. Образующиеся пиролизные газы и/или иные продукты пиролиза направляются к выходному отверстию (20) через пространство между винтовыми лопастями (50) и отверстия в винтовых лопастях (например, 140 на Фиг. 2а). Газы вытесняются из APR создаваемым давлением, но также (опционально) могут вытесняться потоком продувочного газа через дополнительный вход (100) для продувочного газа. Поток продувочного газа через вход (100) также может быть использован для удаления кислорода из системы перед запуском, например, при помощи азота. Остаточное непиролизованное сырье (тяжелая нефть), загрязненное коксом, гудроном или другими примесями, отбирается с другого конца (115) через выпускное отверстие (170) для дальнейшей переработки.
[0080] Пиролизный газ может включать деполимеризованные ненасыщенные пары, которые могут быть полезны, если их собрать и очистить. Пиролизный газ может включать один или несколько парафинов, олефинов, нафтенов, ароматических углеводородов или других классов углеводородных материалов и может включать примеси, такие как неорганические кислоты, захваченные металлы или металлоиды (например, кадмий, железо, сурьму), органические кислоты. Если в сырье присутствует кислород, пиролизный газ может включать один или несколько спиртов, кетонов, простых эфиров, фенолов, карбоновых кислот или других полярных органических молекул. Пиролизный газ из APR богат водородом, содержание которого составляет от 25% до 50% (по объему), и имеет низкое содержание ароматических соединений.
[0081] Реактор снабжен датчиками, средствами компьютерного управления, клапанами и т.д. для управления потоками I-VII, температурой и т.д. Поток (IV) продуктов пиролиза выходит через выходное отверстие (20) и далее его направляют в конденсатор для производства рециркулирующей нефти.
[0082] Реактор абляционного пиролиза предпочтительно работает в постоянном высокотемпературном режиме, что позволяет максимизировать выход и производить большое количество продуктов пиролиза. В качестве альтернативы, реактор также может работать в режиме последовательного нагрева, в котором система нагрева и сырье для пиролиза проходят через серию последовательных этапов нагрева, при этом система нагрева увеличивает температуру реактора, а нагрев, возможно, иногда прерывается для поддержания дискретных уровней температуры, позволяющих последовательно газифицировать отдельные молекулярные частицы. Это предпочтительно делается в варианте реализации APR, описанном выше и проиллюстрированном на Фиг. 5, где APR снабжен контуром рециркуляции, в котором рециркулирующий поток VI, содержащий частично пиролизованное сырье, направляют в смесительную установку (рециркулирующий поток исходного сырья V) для смешивания в качестве органического растворителя на стадии приготовления исходного сырья для пиролиза.
[0083] Способ обеспечивает выход из отходов более 80% массы синтетического топлива и более 10% массы неконденсируемого газа. Энергия, необходимая для переработки отходов в жидкое топливо, составляет около 0,2 кВт на литр произведенного жидкого топлива, и эта энергия может быть полностью выработана из неконденсируемого газа. Неконденсируемый пиролизный газ имеет очень высокое содержание энергии от примерно 40 до 60 МДж/кг. При осуществлении заявленного способа реактор может непрерывно производить жидкое топливо в течение 3 часов с момента холодного запуска. Это обеспечивает компактность и простоту устройства по сравнению с промышленными аналогами. Конденсируемый жидкий продукт пиролиза имеет высокую прозрачность и светло-желтоватый цвет.
[0084] Накопленные загрязняющие вещества из блока (175) очистки непрерывно или периодически удаляют, например, путем периодической замены загрязненных фильтров чистыми фильтрами или путем очистки линии. При использовании потока рециркулирующего сырья в качестве растворителя для приготовления жидкого сырья для пиролиза, как описано выше, во время работы может накапливаться кокс. Если в рециркулирующем потоке (VI) имеется избыточное содержание коксовой золы, жидкость предпочтительно фильтровать, а твердые загрязнения удалять через блок (175) очистки. Когда концентрация кокса в блоке (175) очистки достигает уровня выше примерно 10% массы, концентрированная фракция кокса выгружается в резервуар, а выгруженное количество заменяется чистой пиролизной нефтью. Концентрированная фракция кокса может обрабатываться отдельно для концентрирования кокса до полезных продуктов или, в качестве альтернативного варианта, направляться обратно в реактор или в отдельный пиролизатор.
3
3
3
[0085] Производительность реактора абляционного пиролиза зависит от его выбранного размера. Удельная производительность на м внутреннего объема реактора составляет не менее 5-20 метрических тонн (мт) пластиковых отходов в час на м внутреннего объема реактора. Для варианта, когда сырье для пиролиза является жидкой смесью отходов, растворенных и/или диспергированных в рециркулирующем сырье, общая производительность в самом реакторе составляет 1-2 метрических тонн (мт) сырья для пиролиза в час на м внутреннего объема реактора. Производительность переработки 2 метрических тонн отходов в день была получена на APR длиной всего 1 метр и внутренним диаметром 30 см (внутренний объем около 70 литров). В дополнение к высокой производительности, время простоя оборудования при обслуживании невелико. Это связано не только с низким уровнем образования кокса и очень хорошим контролем и стабильностью процесса, но и с тем, что компактный реактор легче обслуживать.
[0086] Пиролизный газ может быть направлен в систему обработки пиролизного газа (конденсатор), в которой происходит фазовый переход по меньшей мере части паров, так что определенные молекулы переходят из газообразного в жидкое состояние. Пар может включать компоненты, которые не конденсируются в системе обработки пара. Такие неконденсирующиеся газы могут быть удалены из системы обработки пара отдельно и могут использоваться в качестве топлива для электрогенератора, обеспечивая как необходимую мощность, так и тепло для автономной работы оборудования по переработке отходов. Таким образом, изобретение также относится к способу пиролиза в соответствии с изобретением, который включает стадии a) приготовления сырья для пиролиза из отходов, b) подачи сырья для пиролиза в реактор абляционного пиролиза в соответствии с изобретением и пиролиза для получения продуктов пиролиза, как описано выше, и дополнительно включает стадии c) конденсации и разделения пиролизного газа на конденсированный жидкий продукт пиролиза и неконденсированный газовый продукт пиролиза и d) опционально включает одну или несколько дополнительных стадий, среди которых могут быть стадии дистилляции, конденсации, сепарации, рафинирования, очистки, фильтрации, преобразования в электрическую энергию, охлаждения, нагрева, хранения.
[0087] Изобретение может быть использовано в установке по переработке отходов в топливо, содержащей реактор абляционного пиролиза, снабженный элементом ротора, для реализации способа согласно описанному выше изобретению. Установка может быть автономной, компактной и мобильной установкой по переработке отходов в топливо, включающей 1) установку предварительной обработки отходов 2) реактор в соответствии с изобретением и 3) блок конденсации и один или несколько дополнительных опциональных блоков для дистилляции, сепарации, рафинирования, очистки, фильтрации, выработки электроэнергии и тепла, охлаждения, нагрева и хранения. Установку по переработке отходов в топливо легко транспортировать, например, на грузовике, и она не зависит от местной инфраструктуры в плане обеспечения энергией или продуктами.
Эксперименты
[0088] Пример 1. В реакторе абляционного пиролиза, изображенном на Фигуре 1, испытания проводились с использованием раствора городских пластиковых отходов (municipal plastic waste - MPW), содержащего множество различных видов бытового пластика. MPW были очищены, высушены и измельчены до размера около 20 мм и растворены в 5% фракции рециркулируемой нефти, поступающей из сборного резервуара APR (после запуска при помощи керосина). Поток сырья для пиролиза имел температуру 250°C и вводился в реактор через входное отверстие. Стенка корпуса реактора имела температуру 350°C. Ротор содержал один элемент ротора, который включал 10 витков (шагов) винтовой лопасти и по 2 абляционных лопасти на каждый виток, угол наклона винтовой лопасти составлял 25 градусов. Усилие прижима абляционных лопастей к поверхности корпуса реактора составляло 40 Н. Скорость вращения ротора составляла 250 об/мин. Пиролизные газы отбирались из верхней части реактора и анализировались с помощью газового хроматографа, оборудованного детектором теплопроводности. Пиролизный газ имел состав, приведенный в таблице 1.
Таблица 1. Результат анализа пиролизного газа.
Компонент
% (v)
Н2
43,85
метан
16,74
CO
2,12
CO2
1,21
этан + этен
14,31
пропан
5,33
пропен
8,19
изобутан
1,04
n-бутан
0,29
изобутен + 1-бутен
3,99
транс-2-бутен
0,17
цис-2-бутен
0,10
1.3-бутадиен + изопентан
0,03
n-пентан
0,92
пентен
1,30
изопрен
0,06
Тяжелые фракции
0,36
[0089] Пиролизный газ имеет очень высокое содержание водорода, а тяжелые фракции составляют не более 0,36% объема.
2
[0090] Парогазовая смесь продуктов пиролиза конденсировалась с помощью теплообменников и отделялась от неконденсируемых газов в сепараторе. Конденсат представлял собой пиролизную нефть, фракцию парафинов, то есть широкую фракцию углеводородов с температурой кипения выше 30°C. Данные по преобразованию исходного сырья MWP приведены в таблице 2. Количество непригодного для использования продукта (CO и CO) минимально. Поток неконденсируемого газа использовался в качестве топлива для всего процесса пиролиза без использования внешнего источника энергии.
Таблица 2. Результат анализа преобразования MPW:
Сырье
Количество, %
Список продуктов
Количество, %
Пластиковые отходы
100
Пиролизная нефть
61,08
Полимерный воск
19,03
Неконденсируемые газы
15,00
Кокс и зола
1,20
Вода
2,90
Потери
0,79
Всего
100
Всего
100
[0091] Пример 2. Испытания абляционного пиролиза проводились с целью переработки раствора городских пластиковых отходов (municipal plastic waste - MPW), содержащего различные виды бытового пластика. Отходы MPW были очищены, высушены и измельчены до размера около 10 мм и растворены в 50% фракции рециркулирующего сырья, поступающего из сборного резервуара APR. Для запуска линии в качестве растворителя использовалось отработанное масло. Поток сырья для пиролиза имел температуру 300°C. Стенка корпуса реактора имела температуру 400°C. Ротор содержал шесть винтовых лопастей. Между соседними винтовыми лопастями были расположены по 2 группы уравновешивающих друг друга абляционных лопастей, отстоящих друг от друга на 180 градусов в угловом направлении. Каждая группа включала 6 абляционных лопастей между каждой парой соседних винтовых лопастей. Абляционные лопасти закреплялись на осях, имеющих возможность поворота и фиксации. Оси, несущие абляционные лопасти, крепились к двум расположенным на противоположных сторонах винтовым лопастям. Усилие прижима абляционных лопастей к поверхности корпуса реактора составляло 20 Н. Угол наклона винтовой лопасти составлял 5 градусов. Скорость вращения ротора составляла 120 об/мин. Пиролизные газы отбирались из верхней части реактора и анализировались с помощью газового хроматографа, оборудованного детектором теплопроводности. Пиролизный газ имел состав, приведенный в таблице 3.
[0092] Таблица 3. Результат анализа пиролизного газа.
Компонент
% (v)
Н2
33,65
метан
14,04
CO
2,12
CO2
1,21
этан + этен
14,31
пропан
10,33
пропен
13,19
изобутан
2,04
n-бутан
0,29
изобутен + 1-бутен
3,99
транс-2-бутен
0,17
цис-2-бутен
0,10
1.3-бутадиен + изопентан
0,03
n-пентан
0,92
пентен
1,30
изопрен
0,06
Тяжелые фракции
2,36
[0093] Пиролизный газ имеет очень высокое содержание водорода, а тяжелые фракции составляют не более 2,36% объема.
2
Парогазовая смесь продуктов пиролиза конденсировалась с помощью теплообменников и отделялась от неконденсируемых газов в сепараторе. Конденсат представлял собой пиролизную нефть, фракцию парафинов, то есть широкую фракцию углеводородов с температурой кипения выше 30°C. Данные по преобразованию исходного сырья MWP приведены в таблице 4. Количество непригодного для использования продукта (CO и CO) минимально. Поток неконденсируемого газа использовался в качестве топлива для всего процесса пиролиза без использования внешнего источника энергии.
Таблица 4. Результат анализа преобразования MPW:
Сырье
Количество, %
Список продуктов
Количество, %
Пластиковые отходы
100
Пиролизная нефть
66,08
Полимерный воск
15,03
Неконденсируемые газы
14,50
Кокс и зола
1,20
Вода
2,90
Потери
1,29
Всего
100
Всего
100
[0094] Следует понимать, что варианты реализации, описанные выше, приведены исключительно в качестве примеров, допускают различные модификации и альтернативные формы, хорошо известные специалистам в данной области техники.
[0095] В описанные конструкции и методы могут быть внесены дальнейшие модификации, без отклонения от сущности и объема изобретения. Соответственно, хотя были описаны конкретные варианты реализации, это только примеры, которые не ограничивают объем изобретения.