СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF RUBBER WASTES PROCESSING

Изобретение относится к технологии переработки органических отходов и может быть применено в химической и резинотехнической отраслях промышленности, для получения из отходов нефтехимического сырья, аналогов топлив, ингредиентов резиновых смесей.
Известен способ переработки резиновых отходов (см. патент Российской Федерации №2245247, опубл. 27.01.2005, бюл. №3).
Способ переработки резиновых отходов включает их термическое разложение в печи, разделение продуктов разложения на твердые и газообразные, выделение жидкой фазы из газообразных продуктов и отвод последних на сжигание для поддержания процесса разложения. Предварительно перед термическим разложением отходы смешивают с 5-15 мас.% воды, а затем повторно их смешивают с водой путем распыления ее в печи в 50-150 мас.% от массы отходов, а твердые продукты разложения орошают водой в количестве 10-20% от массы резиновых отходов. В качестве воды используют конденсат, который получают путем сепарации из жидкой фазы.
Недостатками данного способа являются:
1. Высокие затраты энергии, обусловленные необходимостью нагревать и испарять значительное количество воды (около 150% от массы отходов), в результате чего время переработки увеличивается в сравнении с известными технологиями пиролизной переработки отходов, что, в свою очередь, приводит к росту тепловых потерь из реактора.
2. Большие выбросы вредных продуктов сгорания топлива в окружающую среду из-за длительной выдержки отходов в печи для их полной переработки, что связано с необходимостью не только нагрева самих отходов, но и нагрева и испарения большого количества воды.
3. Высокое содержание воды в жидких продуктах, а также большое содержание в твердых продуктах переработки вредных компонентов (серы, непредельных углеводородов, золы), что требует дополнительной очистки данных продуктов от воды и вредных соединений.
Известен способ переработки изношенных шин (см. патент Республики Беларусь №11589, опубл. 30.08.2008).
Способ переработки изношенных шин включает их пиролиз в реакторе, получение углеводородсодержащего газа и твердого углеродсодержащего материала, вывод твердого углеродсодержащего материала из реактора, подачу углеводородсодержащего газа в реактор-фильтр, обработку его теплоносителем, выделение неконденсирующегося газа и его сжигание.
Твердый углеродсодержащий материал подают в реактор-газификатор, где получают водяной газ и золу путем фильтрации перегретого водяного пара через слой материала при 800-900°С, одну часть водяного газа используют в качестве теплоносителя, который подают в реактор-фильтр и при 400-600°С смешивают с углеводородсодержащим газом при их массовом соотношении (0,2-1,0):1, другую часть водяного газа смешивают с водяным паром при массовом соотношении 1:(1-10) и подают в реактор в количестве (0,20-0,62) кг на 1 кг шин, а остаток водяного газа сжигают в парогенераторе для получения водяного пара, золу гранулируют до размеров частиц 3-30 мм и используют в качестве засыпки в реакторе-фильтре, из полученной в реакторе фильтре смеси водяного и углеводородсодержащего газов путем конденсации вначале выделяют битумную фракцию с температурой кипения 300-390°С, которую подают в реактор в количестве 0,05-0,1 кг битумной фракции на 1 кг изношенных шин, а затем - фракцию с температурой кипения 190-299°С, которую сжигают в парогенераторе для получения водяного пара.
К недостаткам данного способа относятся:
1. Высокий расход энергии на перегрев водяного пара до температуры 800-900°С, а также большие затраты энергии на обогрев реактора-газификатора и реактора-фильтра.
2. Большие выбросы в окружающую среду продуктов сгорания топлива, расходуемого на обогрев реактора-газификатора и перегрев водяного пара.
3. Низкое качество получаемых жидких продуктов (битумной фракции и фракции с температурой кипения 80-189° С) переработки отходов из-за наличия соединений серы и воды.
Известен способ и устройство для переработки резиновых отходов (см. патент Российской Федерации №. 2356731, опубл. 27.05.2009, бюл. №15). Способ включает пиролиз отходов в реакторе в среде теплоносителя, разделение продуктов пиролиза на газообразную и твердую фазы, охлаждение твердой фазы путем подачи воды, выделение из газообразной фазы путем конденсации жидкой фазы и сжигание газообразной фазы для нагрева теплоносителя в теплообменнике. Твердую фракцию подают в мельницу, куда одновременно распыляют воду для осуществления мокрого размола с получением суспензии, а из газообразной фракции путем конденсации выделяют первую и вторую фракции жидкой фазы, а затем из второй фракции выделяют воду, а первую фракцию смешивают с суспензией и путем возбуждения кавитации смесь подвергают механохимической активации. После выделения второй фракции жидкой фазы сжигают часть газообразной фазы, а остальную часть газообразной фазы смешивают с перегретым водяным паром и используют в качестве теплоносителя. В качестве воды для получения суспензии используют выделенную из второй фракции воду.
К недостаткам данного способа относятся:
1. Высокий расход энергии на процесс переработки отходов из-за низкой энергетической эффективности кавитации, используемой для обработки продуктов с целью повышения их качественных показателей, а также большой расход электрической энергии, необходимой для работы специального насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя.
2. Низкие качественные показатели получаемой топливной суспензии из-за повышенного содержания воды, что не позволяет использовать данное топливо при отрицательных температурах из-за замерзания воды и расслоения суспензии.
Известен способ переработки органических отходов и устройство для переработки органических отходов (см. патент Российской Федерации №2422478, опубл. 27.04.2011). Способ переработки органических отходов включает подачу отходов в реактор, их термолиз в реакторе в среде теплоносителя, пропускаемого через слой отходов, с образованием газообразной и твердой фаз, вывод газообразной фазы из реактора, ее охлаждение, отделение жидкой фазы, сконденсированной при охлаждении газообразной фазы, сжигание несконденсированной газообразной фазы, вывод твердой фазы из реактора по окончании процесса термолиза, ее охлаждение, выгрузку твердой фазы из контейнера и ее магнитную обработку, при этом в качестве теплоносителя используют газообразную смесь из продуктов сгорания, поступающих в теплообменник, и воздуха в реакторе, теплоноситель нагревают до 750-1150°С и пропускают через слой отходов со скоростью 2-25 м/с при давлении в реакторе 0,1-1,0 МПа.
Недостатками способа являются:
1. Высокий расход энергии, обусловленный необходимостью нагрева теплоносителя до 1150°С и отсутствием системы рециркуляции тепла (возврата в процесс переработки отходов).
2. Выбросы вредных веществ в окружающую среду в результате сжигания несконденсированной газообразной фазы.
3. Низкое качество жидких (содержат большое количество воды) и твердых продуктов (содержат большое количество золы) переработки отходов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является принятый нами за прототип способ и устройство для переработки резиновых отходов (см. заявка PCT/RU 2007/000392. Публикация 13.03.2008. Номер международной публикации WO 2008/030137 А1).
Способ переработки резиновых отходов включает подачу отходов в реактор в передвижном контейнере из первой камеры загрузки/выгрузки, их термолиз в реакторе в среде содержащего водяной пар теплоносителя, пропускаемого через слой отходов, с образованием газообразной и твердой фаз, вывод газообразной фазы из реактора, возврат части газообразной фазы в реактор, вывод твердой фазы из реактора путем перемещения контейнера с твердой фазой из реактора по окончании процесса термолиза в реакторе в первую камеру загрузки/ выгрузки, выгрузку твердой фазы при повороте контейнера относительно продольной оси, измельчение твердой фазы до размеров частиц 1,0-3,0 мм, ее магнитную обработку и дальнейшее измельчение, охлаждение газообразной фазы, отделение жидкой фазы, сконденсированной при охлаждении газообразной фазы, отделение части воды из жидкой фазы, смешивание жидкой и твердой фаз в смесителе при массовом соотношении (0,75-1,50):1, циркуляцию смеси через смеситель с помощью насоса - диспергатора в течение 600-3600 с, сжигание несконденсированной газообразной фазы для нагрева водяного пара в теплообменнике, последующее повторение процесса, в котором подачу отходов в реактор в передвижном контейнере осуществляют из второй камеры загрузки/ выгрузки, и контейнер по окончании процесса термолиза в реакторе перемещают из реактора во вторую камеру загрузки/выгрузки. Термолиз проводят при массовом соотношении водяного пара и газообразной фазы в смеси, равном 1:(1,0-5,0). Часть воды отделяют из жидкой фазы до ее содержания в жидкой фазе в пределах 5-18 мас.%.
Недостатками данного способа являются:
1. Высокий расход энергии на процесс переработки отходов из-за тепловых потерь в процессе подачи теплоносителя из реактора по трубопроводам в вентилятор, который следует поддерживать при высокой температуре, исключающей конденсацию части теплоносителя непосредственно в вентиляторе и забивание его конденсатом.
2. Большие выбросы в окружающую среду вредных газообразных веществ, которые содержатся в продуктах сгорания топлива, сжигаемого для обогрева реактора и перегрева большого количества водяного пара.
3. Низкое качество получаемых продуктов (топливной дисперсии) из-за наличия значительного количества воды (наличие воды снижает удельную теплоту сгорания и приводит к невозможности хранить данное топливо при отрицательных температурах), повышенной зольности (зола в больших количествах содержится в твердой фазе).
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергетических затрат на переработку резиновых отходов, снижение вредных выбросов в окружающую среду и повышение качества продуктов переработки отходов.
2
2
2
Поставленная задача решается тем, что способ переработки резиновых отходов, включающий подачу отходов в реактор в передвижном контейнере из первой камеры, их термолиз в реакторе в среде теплоносителя, пропускаемого через слой отходов, с образованием газообразной и твердой фаз, вывод газообразной фазы из реактора, вывод твердой фазы из реактора путем перемещения контейнера с твердой фазой из реактора по окончании процесса термолиза в первую камеру, выгрузку твердой фазы и ее электромагнитную обработку, выделение жидкой фазы из газообразной путем ее охлаждения, выделение воды из жидкой фазы, сжигание газообразной фазы, последующее повторение процесса, в котором подачу отходов в реактор в передвижном контейнере осуществляют из второй камеры, и контейнер по окончании процесса термолиза перемещают из реактора во вторую камеру, отличается тем, что согласно изобретению сжигают жидкое топливо и получают насыщенный водяной пар с температурой 105°С, осуществляют прокачку водяного пара через теплообменник и слой отходов в контейнере по замкнутому контуру, избыточный рост давления в реакторе предотвращают частичным отведением водяного пара и конденсации его путем охлаждения водой, фильтрующимся через слой отходов водяным паром вытесняют в реактор воздух из слоя отходов и далее потоком пара воздух вытесняют из реактора, поскольку воздух не конденсируется, то его используют для сжигания топлива, вывод водяного пара в смеси с воздухом осуществляют до тех пор, пока концентрация воздуха в реакторе не снизится до содержания, необходимого для предотвращения окисления продуктов разложения отходов - их горения в реакторе, - таким образом продувают реактор водяным паром для удаления воздуха, вывод пара из реактора прекращают при снижении содержания воздуха до заданного, при котором невозможно возгорание продуктов разложения в реакторе, одновременно прекращают подачу пара в теплообменник, сжигают жидкое топливо, продукты сгорания топлива нагревают водяной пар, затем продукты сгорания охлаждают до 150°С потоком воздуха, после этого продукты сгорания выводят, подводимым теплом отходы нагревают и осуществляют процесс термического разложения резиновых отходов, в результате чего образуются газообразная и твердая фазы, газообразную фазу смешивают с циркулирующим водяным паром и создают парогазовую смесь, чтобы давление в реакторе было постоянным, часть водяного пара с парогазовой смесью выводят из реактора, для точного определения времени завершения процесса термического разложения отходов контролируют содержание газообразной фазы разложения шин в парогазовой смеси, момент завершения процесса термического разложения отходов соответствует времени, когда содержание газообразной фазы в парогазовой смеси снизится практически до нуля, т.е. из реактора начинает выходить практически чистый водяной пар, парогазовую смесь охлаждают и получают жидкую фазу, из которой сепарацией выделяют воду и накапливают ее, данная вода содержит растворенные органические вещества - продукты разложения отходов, эту загрязненную воду используют для получения горючего газа, который расходуют на энергообеспечение процесса переработки отходов, жидкую фазу после выделения воды накапливают, газообразную фазу после выделения жидкой фазы частично сжигают в смеси с жидким топливом, а частично просто сжигают, чем предотвращают ее выброс в окружающую среду и одновременно снижают расход топлива для осуществления процесса переработки, при достижении момента прекращения выхода газообразных продуктов воду распыляют над слоем твердого остатка в контейнере, она охлаждает его, сама испаряется, а образующийся водяной пар в смеси с продуктами разложения отходов подают в реактор, когда температура охлаждения твердой фазы в контейнере достигает Т=110°С, при которой на открытом воздухе твердая фаза разложения шин не воспламеняется, распыление воды прекращают, затем твердую фазу разламывают, отделяют от нее металлический корд, осуществляют их электромагнитную сепарацию, металл прессуют в брикеты, а твердую фазу накапливают, зажигают твердую фазу и создают горящий слой, твердую фазу и воду подают в емкость в таком количестве, чтобы массовое количество твердой фазы и воды составляло 1:(0,5-1,0), в емкости создают смесь твердой фазы и воды, создают слой твердой фазы, в нижней части которого происходит нагрев вышележащих слоев твердой фазы - над слоем горения, таким образом реализуют обращенный процесс газификации, при котором твердую фазу, пропитанную водой, и воздух подают сверху, а образующийся горючий газ отводят снизу, в верхней части слоя твердой фазы за счет нагрева испаряется вода и образуется водяной пар, который смешивают с подаваемым воздухом и подают в зону газификации, где протекают реакции взаимодействия водяного пара с углеродом твердой фазы с образованием горючего газа, содержащего в основном водород и оксид углерода, а также некоторое количество метана и смол, смесь газов и смол из зоны газификации подают в зону горения твердой фазы, проводят через данную зону и выводят из нее, образующуюся золу накапливают, в зоне горения твердой фазы температура составляет 1000°С и выше, поэтому в этой зоне газ очищают от смол и органических составляющих, которые под действием высокой температуры разлагаются до низкомолекулярных соединений - метан, этилен и другие, таким образом горючий газ обогащают газообразными составляющими с высокой удельной теплотой сгорания, такой газ практически не содержит смолистых соединений и поэтому при его сжигании не образуется вредных соединений и сажи, при массовом соотношении твердой фазы и воды менее 1:0,5, т.е. на один кг твердой фазы приходится менее 0,5 воды, количество образующегося водяного пара будет недостаточным для протекания реакции С+НО=СО+Н, поэтому часть углерода твердой фазы не вступит в реакцию образования газа, а сгорит в зоне горения с образованием негорючего газа СО, который смешается с горючим газом из зоны газификации, что в итоге приведет к снижению удельной теплоты сгорания горючего газа, при массовом соотношении твердой фазы и воды более 1:1 существенно возрастают затраты тепла на испарение воды, образуется большое количество водяного пара, что приводит к резкому снижению температуры в зоне газификации, т.к. зона газификации охлаждается избыточным водяным паром, и к прекращению протекания реакций газификации, т.е. в этом случае резко снижается образование горючих газов, таким образом, для эффективного получения горючих газов из твердой фазы необходимо массовое содержание воды в твердой фазе поддерживать в пределах 1:(0,5-1,0), одновременно с началом процесса газификации прекращают вывод газа и газ - смесь продуктов сгорания твердой фазы, водорода, оксида углерода и продуктов разложения смол - горючий газ смешивают с газообразной фазой продуктов разложения отходов после выделения из нее жидкой фазы при их массовом соотношении 1:(0,1-0,5), при смешивании газообразной фазы с горючим газом, который содержит оксид углерода и водород, осуществляют реакции восстановления - гидрирования непредельных соединений, т.е. снижение в смеси непредельных соединений, что позволяет сжигать данную смесь без образования токсичных соединений в продуктах сгорания, образование смеси горючего газа и газообразной фазы при массовом соотношении менее 1:0,1 приводит к тому, что реакции взаимодействия водорода и оксида углерода с непредельными соединениями газообразной фазы практически не протекают, и сжигание такой смеси приводит к повышенным выбросам вредных веществ в атмосферу, образование смеси горючего газа и газообразной фазы при массовом соотношении более 1:0,5 приводит к тому, что в смеси также нарушается протекание реакций взаимодействия водорода и оксида углерода с органическими соединениями газообразной фазы, в результате чего сжигание такой смеси также приводит к повышенным выбросам вредных веществ в окружающую среду, таким образом, для экологически безопасного сжигания смеси горючих газов и газообразной фазы необходимо массовое содержание данных продуктов поддерживать в пределах 1:(0,1-0,5), часть смеси сжигают для получения рабочего водяного пара, а остаток смеси сжигают, образующиеся продукты сгорания используют для нагрева реактора и теплоносителя, жидкая фаза содержит легкокипящие продукты, аналогичные высокооктановым бензинам, а также продукты, аналогичные дизельному топливу, таким образом, из жидкой фазы получают высококачественные продукты, из жидкой фазы при температуре 90-100°С выделяют фракцию с температурой вспышки 35-40°С, которую охлаждают, конденсируют и накапливают, остаток - жидкую фазу с температурой вспышки 61-85°С также накапливают, температуру вспышки контролируют и регулируют за счет времени проведения процесса дистилляции, при этом количество выводимых для дистилляции продуктов сгорания регулируют таким образом, чтобы температура дистилляции оставалась равной 90-100°С, при осуществлении процесса дистилляции жидкой фазы температура вспышки ее растет и при достижении температуры вспышки в пределах 61-85°С дистилляцию жидкой фазы прекращают и остаток накапливают, в этом случае образующаяся фракция, которую конденсируют, имеет температуру вспышки в пределах 35-40°С, которая соответствует керосино-газойлевой фракции и может использоваться как высокосортное топливо, например, для газотурбинных двигателей, жидкость с температурой вспышки 61-85°С соответствует по своим показателям дизельному топливу и может использоваться как топливо для дизельных двигателей, продукты сгорания, которые образуются при сжигании смеси горючих газов и газообразной фазы используют для нагрева и дистилляции жидкой фазы, что снижает расход дополнительного топлива на процесс дистилляции, твердую фазу в контейнере после завершения процесса термического разложения отходов охлаждают, распыленной водой, образующийся пар выводят в реактор, продукты сгорания топлива выбрасывают в атмосферу, продукты сгорания имеют среднюю удельную теплоемкость Ср=1,24 кДж/°С и их охлаждение от 1000°С до 400°С при расходе G=0,269 кг/с или 968 кг/ч обеспечивает подвод в реактор количество тепла:
Q=Ср·G(1000°С-400°С)=1,24 кДж/кг°С ×0,269 кг/с ·600°С=200 кДж/с=200 кВт, температура в реакторе поднимается, отходы нагреваются и при достижении температуры 300°С - для разных видов отходов эта температура разная - начинается процесс термического разложения отходов, в результате чего образуются газообразные и твердые продукты, давление в реакторе поддерживают постоянным, равным 2 атм, что является важным для протекания процесса термического разложения и образования продуктов разложения постоянного состава в течение всего процесса, а колебания давления в реакторе неизбежно приводят к изменениям состава газообразной фазы, - после охлаждения твердую фазу измельчают (разламывают), затем цикл переработки повторяют, что подтверждает соответствие заявленного изобретения критериям патентоспособности «новизна» и «уровень техники».
Важно то, что жидкую фазу после выделения воды разделяют путем дистилляции при температуре 90-100°С на фракцию с температурой вспышки 61-85°С и фракцию с температурой вспышки 35-40°С.
Существенно то, что продукты сгорания после нагрева реактора и теплоносителя используют для нагрева жидкой фазы и разделения ее путем дистилляции.
На чертеже приведен общий вид устройства, на котором реализуют способ переработки резиновых отходов.
Устройство содержит накопитель 1, подключенный к ленточному транспортеру 2 и бункеру загрузки 3; камеру загрузки 4; шиберный затвор 5; контейнер 6; привод 7, подключенный к затвору 8; устройство подачи 9 контейнера 6 в реактор 10; патрубок 11; патрубок 12, подключенный к теплообменнику 13; ленточный транспортер 14, подключенный к бункеру загрузки 15; камеру загрузки 16; шиберный затвор 17; контейнер 18; емкость с топливом 19; парогенератор 20; кран-расходомер 21; газодувку 22; кран-расходомер 23, подключенный к конденсатору 24; кран 25; газовый анализатор 26; кран-расходомер 27; горелку 28; дымосос 29; рубашку 30; кран 31; теплообменник 32; дымовую трубу 33; датчик температуры 34; датчик давления 35; кран 36, подключенный к сепаратору 37; кран 38, подключенный к накопителю 39; кран 40, подключенный к накопительной емкости 41; кран 42; привод 43, подключенный к затвору 44; устройство подачи 45; кран-расходомер 46; насос 47, подключенный к форсункам 48; клапан 49; датчик температуры 50; поворотный механизм 51; транспортер 52; двигатель 53; валковую мельницу 54; электромагнитный сепаратор 55; пресс 56; накопитель 57; шнековый транспортер 58, подключенный к газогенератору 59; воздуходувку 60; кран 61; весовой дозатор 62, подключенный к емкости 63; кран-расходомер 64; насос 65; шнековый транспортер 66; датчик уровня 67; накопитель 68; кран-расходомер 69; смеситель 70; кран-расходомер 71; кран-регулятор 72; кран 73, подключенный к дистиллятору 74; теплообменник 75 с краном 76; накопительные емкости 77 и 78; датчик температуры 79; прибор для определения температуры вспышки 80; кран 81; кран 82, подключенный к форсункам 83; датчик температуры 84; клапан 85; дымовой патрубок 86; поворотный механизм 87; транспортер 88; двигатель 89; патрубок 90.
Согласно изобретению переработку резиновых отходов осуществляют следующим образом.
Из накопителя 1, заполненного измельченными резиновыми отходами, например измельченными изношенными шинами, с помощью ленточного транспортера 2 в бункер загрузки 3, установленный на камере загрузки 4 при закрытом шиберном затворе 5, подают отходы. После этого открывают шиберный затвор 5 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 6. Операцию подачи отходов повторяют до полной загрузки контейнера 6. После этого с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из камеры загрузки 4 в реактор 10. Контейнер 6 устанавливают таким образом, что патрубок 11 контейнера 6 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затвор 8 закрывают.
Из накопителя 1 с помощью ленточного транспортера 14 в бункер загрузки 15, установленный на камере загрузки 16 при закрытом шиберном затворе 17, подают отходы. После этого открывают шиберный затвор 17 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 18. Контейнер 18 полностью загружают отходами.
Из емкости 19 в парогенератор 20 подают жидкое топливо, сжигают его и получают насыщенный водяной пар с температурой 105°С. Полученный пар через кран-расходомер 21 с заданным расходом подают в кожухотрубный теплообменник 13 (далее - теплообменник). Одновременно с подачей пара в теплообменник 13 включают газодувку 22 и осуществляют прокачку водяного пара через теплообменник 13 и слой отходов в контейнере 6 по замкнутому контуру. Для того чтобы предотвратить избыточный рост давления в реакторе 10 в результате подачи пара, открывают кран-расходомер 23 и частично водяной пар отводят в конденсатор 24, конденсируют его путем охлаждения водой.
Фильтрующийся через слой отходов водяной пар вытесняет в реактор воздух из слоя отходов и далее с потоком пара воздух из реактора вытесняется в конденсатор 24. Поскольку воздух не конденсируется, то его через кран 25 подают в парогенератор 19 и используют для сжигания топлива. Вывод водяного пара в смеси с воздухом в конденсатор 24 осуществляют до тех пор, пока концентрация воздуха в реакторе 10 не снизится до заданного содержания, что необходимо для предотвращения окисления продуктов разложения отходов (их горения в реакторе). Таким образом, продувают реактор водяным паром для удаления воздуха.
Содержание воздуха в реакторе контролируют по показаниям газового анализатора 26 и при снижении содержания воздуха до заданного, при котором невозможно возгорание продуктов разложения в реакторе 10, вывод пара в конденсатор прекращают путем закрытия крана 23. Одновременно прекращают подачу пара от парогенератора в теплообменник 13 (закрывают кран-расходомер 21).
Из емкости 19 через кран-расходомер 27 в горелку 28, подключенную к кожуху теплообменника 13, подают жидкое топливо и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания поступают в кожух теплообменника 13 и затем с помощью дымососа 29 продукты сгорания из кожуха теплообменника 13 выводят в рубашку 30 реактора 10 и далее в дымовую трубу 33.
Протекая через кожух теплообменника 13, продукты сгорания топлива нагревают протекающий по трубам теплообменника 13 водяной пар, а затем поступают в рубашку 30 реактора 10 и далее через кран 31 выводятся в теплообменник 32, в котором продукты сгорания охлаждают до 150°С потоком воздуха, который подают в парогенератор и в горелку 28 для сжигания топлива. После этого продукты сгорания выводят в дымовую трубу 33.
Таким образом, тепло продуктов сгорания передается в реактор не только с потоком нагретого водяного пара, но и через стенку рубашки 30.
В результате подвода тепла (с потоком пара и через стенку рубашки 30) температура в реакторе поднимается, отходы нагреваются и при достижении определенной температуры (для различных видов отходов эта температура разная), что контролируют по показаниям датчика температуры 34, начинается процесс термического разложения резиновых отходов, в результате чего образуются газообразная и твердая фазы.
Газообразная фаза смешивается с циркулирующим водяным паром и образуется парогазовая смесь. Поскольку количество циркулирующего водяного пара не изменяется, а газообразная фаза разложения отходов непрерывно выделяется, то в реакторе 10 начинает возрастать давление, которое контролируют по показаниям датчика давления 35. При достижении определенного давления открывают кран-расходомер 23 и отводят часть парогазовой смеси из реактора 10 в конденсатор 24. При этом регулируют краном-расходомером 23 количество отводимой парогазовой смеси таким образом, чтобы давление в реакторе было постоянным. Одновременно с выводом из реактора парогазовой смеси с помощью крана-расходомера 21 от парогенератора 20 в теплообменник 13 подают водяной пар, так как часть водяного пара с парогазовой смесью выводят из реактора.
Содержание газообразной фазы разложения шин в парогазовой смеси контролируют по показаниям газового анализатора 26, что необходимо для точного определения времени завершения процесса термического разложения отходов. После этого продукты сгорания выводят в дымовую трубу 33.
Момент завершения процесса термического разложения отходов соответствует времени, когда содержание газообразной фазы в парогазовой смеси снизится практически до нуля, т.е. из реактора начинает выходить практически чистый водяной пар.
В результате охлаждения парогазовой смеси в конденсаторе 24 образуется жидкая фаза, которую через кран 36 подают в сепаратор 37, где выделяют воду из жидкой фазы и подают ее через кран 38 в накопитель 39. Данная вода содержит растворенные органические вещества (продукты разложения отходов) и поэтому не может быть возвращена обратно в парогенератор для производства рабочего водяного пара. Известные системы очистки такой воды являются технически сложными (воду необходимо очищать в несколько стадий), энергоемкими и при очистке образуются вторичные отходы (шламы), которые также необходимо утилизировать.
В данном изобретении предложено использовать загрязненную воду из накопителя 39 для получения горючего газа, который расходуется на энергообеспечение процесса переработки отходов.
Жидкую фазу после выделения воды из сепаратора 37 через кран 40 подают в накопительную емкость 41.
Газообразную фазу после выделения жидкой фазы из конденсатора 24 через кран 25 частично подают в парогенератор 19 и сжигают в смеси с жидким топливом, а частично газообразную фазу через кран 42 подают в горелку 28 и сжигают. При этом с помощью крана-расходомера 27 снижают подачу жидкого топлива из емкости 19 в горелку 28. Сжигание газообразной фазы позволяет предотвратить ее выброс в окружающую среду и одновременно снизить расход топлива для осуществления процесса переработки.
При достижении момента прекращения выхода газообразных продуктов с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из реактора 10 в камеру загрузки 3. Затем затвор 7 закрывают. С помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 из камеры загрузки 16 подают в реактор 10. Контейнер 18 устанавливают таким образом, что патрубок 90 контейнера 18 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затем затвор 44 закрывают.
После вывода контейнера 6 в камеру загрузки 3 из накопителя 39 через кран-расходомер 46 с помощью насоса 47 в форсунки 48 подают воду и распыляют ее над слоем твердого остатка в контейнере 6. Вода попадает на твердый остаток и охлаждает его, а сама испаряется и образующийся водяной пар в смеси продуктами разложения отходов через клапан 49 выходит из камеры загрузки 3 в реактор 10.
В этом случае загрязненная вода испаряется и образуется смесь, содержащая в основном водяной пар и испарившиеся продукты разложения отходов, которые находились в воде в растворенном состоянии. Данная газообразная смесь возвращается в реактор 10, т.е. в окружающую среду не выбрасывается.
Температуру охлаждения твердой фазы в контейнере 6 контролируют по показаниям датчика температуры 50 и после достижения Т=110°С, при которой на открытом воздухе твердая фаза разложения шин не воспламеняется, распыление воды прекращают.
С помощью поворотного механизма 51 контейнер 6 поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердая фаза под действием собственного веса из контейнера 6 вываливается на ленточный транспортер 52, который с помощью двигателя 53 приводят в движение, и твердую фазу подают в валковую мельницу 54. После разгрузки контейнер 6 устанавливают в рабочее положение (донной частью вниз) и загружают его, как описано выше.
В валковой мельнице 54 твердая фаза, проходя через валки, размалывается, в результате чего металлический корд отделяется от твердой фазы разложения отходов. После валковой мельницы 54 твердую фазу и металлический корд подают в электромагнитный сепаратор 55, в котором отделяют металл от твердой фазы. Металл подают в пресс 56 и прессуют в брикеты, а твердую фазу подают в накопитель 57.
Из накопителя 57 с помощью шнекового транспортера 58 в газогенератор 59 на его решетку, установленную в нижней части газогенератора, загружают твердую фазу в количестве, чтобы твердая фаза в газогенераторе не превышала по высоте 0,1 диаметра шахты газогенератора. Зажигают твердую фазу на решетке газогенератора и создают горящий слой. Для поддержания процесса горения твердой фазы на решетке с помощью воздуходувки 60 в газогенератор сверху подают воздух, а продукты сгорания выводят из-под решетки газогенератора через кран 61 в дымовую трубу 33.
Далее из накопителя 57 через весовой дозатор 62 в емкость 63 загружают в заданном количестве твердую фазу. Из накопителя 37 через кран-расходомер 64 с помощью насоса 65 в емкость 63 подают заданное количество воды. Твердую фазу и воду подают в емкость в таком количестве, чтобы массовое количество твердой фазы и воды составляло 1:(0,5-1,0).
Твердая фаза имеет пористую структуру и хорошо пропитывается водой, поэтому в емкости создается смесь твердой фазы и воды (пропитанные водой частицы твердой фазы).
Из емкости 63 пропитанную водой твердую фазу с помощью шнекового транспортера 66 загружают в газогенератор 59 в количестве, чтобы слой твердой фазы по высоте шахты газогенератора 59 находился в пределах (2-3) D (D - диаметр шахты газогенератора), что контролируют по показаниям датчика уровня 67.
Таким образом, в газогенераторе 59 образуется слой твердой фазы, в нижней части (на решетке) которого протекает процесс горения, в результате чего выделяется тепло, за счет которого происходит нагрев вышележащих слоев твердой фазы (над слоем горения).
В газогенераторе 59 реализуют обращенный процесс газификации, при котором твердую фазу, пропитанную водой, и воздух подают в шахту газогенератора сверху, а образующийся горючий газ из газогенератора отводят снизу (из под решетки).
В верхней части слоя твердой фазы за счет нагрева испаряется вода и образуется водяной пар, который смешивается с подаваемым воздухом и поступает в нижнюю часть газогенератора, т.е. в зону газификации, где протекают реакции взаимодействия водяного пара с углеродом твердой фазы с образованием горючего газа, содержащего в основном водород и оксид углерода, а также некоторое количество метана и смол.
Смесь газов и смол из зоны газификации поступает в зону горения слоя твердой фазы на решетке, проходит через данную зону и поступает на выход из газогенератора.
В результате горения и процессов газификации слой твердой фазы опускается по шахте газогенератора (проседает) и поэтому в газогенератор из емкости 63 с помощью шнекового транспортера 66 непрерывно подают твердую фазу в таком количестве, чтобы уровень его в шахте газогенератора оставался постоянным, что контролируют по показаниям датчика уровня 67. Образующуюся в газогенераторе золу выводят в накопитель 68.
В зоне горения твердой фазы температура составляет 1000°С и выше, поэтому при прохождении смеси газов и смол через данную зону происходит очистка газа от смол и органических составляющих, которые под действием высокой температуры разлагаются до низкомолекулярных соединений (метан, этилен и др.). Таким образом, горючий газ обогащается газообразными составляющими с высокой удельной теплотой сгорания. Такой газ практически не содержит смолистых соединений и поэтому при его сжигании не образуется вредных соединений и сажи (см. С.Д.Федосеев, А.Б.Чернышов. Полукоксование и газификация твердого топлива. - М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1960. - с.131-133).
2
2
2
При массовом соотношении твердой фазы и воды менее 1:0,5 (т.е. на один кг твердой фазы приходится менее 0,5 кг воды) количество образующегося водяного пара (водяной пар образуется при испарении содержащейся в порах остатка воды) будет недостаточным для протекания реакции:С+НО=СО+Н. Поэтому часть углерода твердой фазы не вступит в реакцию образования газа, а сгорит в зоне горения с образованием негорючего газа (CO), который смешается с горючим газом из зоны газификации, что в итоге приведет к снижению удельной теплоты сгорания горючего газа.
При массовом соотношении твердой фазы и воды более 1:1 существенно возрастают затраты тепла на испарение воды, образуется большое количество водяного пара, что приводит к резкому снижению температуры в зоне газификации (зона газификации охлаждается избыточным водяным паром) и к прекращению протекания реакций газификации, т.е. в этом случае резко снижается образование горючих газов.
Таким образом, для эффективного получения горючих газов из твердой фазы необходимо массовое содержание воды в данной фазе поддерживать в пределах 1:(0,5-1,0).
Одновременно с началом процесса газификации перекрывают кран 61, в результате чего прекращают вывод газа из газогенератора в дымовую трубу 33, открывают кран-расходомер 69 и газ (смесь продуктов сгорания твердой фазы, водорода, оксида углерода и продуктов разложения смол - горючий газ) с заданным массовым расходом подают в смеситель 70, куда через кран-расходомер 71 с заданным массовым расходом подают газообразную фазу продуктов разложения отходов после выделения из нее жидкой фазы. При этом массовое соотношение горючего газа и газообразной фазы устанавливают в пределах 1:(0,1-0,5).
В смесителе получают смесь горючего газа, полученного в газогенераторе 59, и газообразной фазы продуктов разложения отходов после выделения из нее жидкой фазы.
Газообразная фаза продуктов разложения резиновых отходов содержит ароматические, непредельные и другие высокомолекулярные углеводороды, прямое сжигание которых (прямое сжигание газообразных продуктов разложения) требует использования специальных горелочных устройств, а также приводит образованию в продуктах сгорания вредных веществ.
Смешивание газообразной фазы с горючим газом (содержит оксид углерода и водород) приводит к протеканию реакций восстановления (гидрирования непредельных соединений), т.е. снижению в смеси непредельных соединений, что позволяет сжигать данную смесь без образования токсичных соединений в продуктах сгорания, а также с использование стандартных горелочных устройств.
Образование смеси горючего газа и газообразной фазы при массовом соотношении менее 1:0,1 приводит к тому, что реакции взаимодействия водорода и оксида углерода с непредельными соединениями газообразной фазы практически не протекают, и сжигание такой смеси приводит к повышенным выбросам вредных веществ в атмосферу. Образование смеси горючего газа и газообразной фазы при массовом соотношении более 1:0,5 приводит к тому, что в смеси также нарушается протекание реакций взаимодействия водорода и оксида углерода с органическими соединениями газообразной фазы, в результате чего сжигание такой смеси также приводит к повышенным выбросам вредных веществ в окружающую среду.
Таким образом, для экологически безопасного сжигания смеси горючих газов и газообразной фазы необходимо массовое содержание данных продуктов поддерживать в пределах 1:(0,1-0,5).
Из смесителя 70 через кран-регулятор 72 часть смеси подают в парогенератор 20 и сжигают для получения рабочего водяного пара, а остаток смеси сжигают в горелке 28, подключенной к кожуху теплообменника 13. Образующиеся продукты сгорания используют для нагрева реактора и теплоносителя. Это позволяет исключить использование дополнительного топлива для переработки отходов, а также полезно использовать газообразную фазу продуктов разложения.
Жидкая фаза продуктов разложения резиновых отходов имеет низкую температуру вспышки (около 30-37°С), высокое содержание ароматических и непредельных углеводородов и не может использоваться как топливо. В то же время жидкая фаза содержит легкокипящие продукты, аналогичные высокооктановым бензинам, а также продукты, аналогичные дизельному топливу. Таким образом, из жидкой фазы могут быть получены высококачественные продукты.
Из накопительной емкости 41 жидкую фазу через кран 73 подают в дистиллятор 74, где при температуре 90-100°С из жидкой фазы выделяют фракцию с температурой вспышки 35-40°С, которую путем охлаждения в теплообменнике 75 конденсируют и через кран 76 сливают в накопительную емкость 77, а остаток (жидкую фазу с температурой вспышки 61-85°С) из дистиллятора 74 сливают в накопительную емкость 78. При этом температуру в дистилляторе контролируют по показаниям датчика 79, а температуру вспышки контролируют по показаниям прибора 80 и регулируют данную температуру за счет времени проведения процесса дистилляции.
При этом количество продуктов сгорания, которые выводят из рубашки 30 в рубашку дистиллятора 74, регулируют с помощью крана 81 таким образом, чтобы температура в дистилляторе оставалась равной 90-100°С.
При осуществлении процесса дистилляции жидкой фазы температура вспышки ее растет, и при достижении температуры вспышки в пределах 61-85°С дистилляцию жидкой фазы прекращают и остаток сливают в емкость 78. В этом случае образующаяся фракция, которую конденсируют в теплообменнике 75, имеет температуру вспышки в пределах 35-40°С. Жидкость с температурой вспышки 35-40°С соответствует керосино-газойлевой фракции и может использоваться как высокосортное топливо, например, для газотурбинных двигателей. Жидкость с температурой вспышки 61-85°С соответствует по своим показателям дизельному топливу и может использоваться как топливо для дизельных двигателей.
Продукты сгорания, которые образуются при сжигании смеси горючих газов и газообразной фазы в горелке 28, после выхода из рубашки 30 реактора 10 через кран 81 направляют в рубашку дистиллятора 74 и используют их тепловую энергию для нагрева и дистилляции жидкой фазы. Это позволяет полезно использовать тепловую энергию продуктов сгорания, что снижает расход дополнительного топлива на процесс дистилляции.
Аналогично осуществляют процесс переработки резиновых отходов, которые находятся в контейнере 18, установленном в реакторе 10.
После завершения процесса термического разложения отходов в контейнере 18 с помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 выводят из реактора 10 в камеру загрузки 16.
Для охлаждения твердой фазы в контейнере 18 из накопителя 39 через кран 82 в форсунки 83 подают воду и распыляют ее над твердой фазой в контейнере 18, в результате чего контейнер и твердая фаза охлаждаются, температуру охлаждения контролируют по показаниям датчика температуры 84. Образующийся пар из камеры 17 выходит в реактор 10 через клапан 85. Продукты сгорания топлива в парогенераторе 18 через дымовой патрубок 86 выбрасываются в атмосферу.
После охлаждения с помощью поворотного механизма 87 контейнер 18 поворачивают и устанавливают вверх дном. Твердая фаза из контейнера 18 вываливается на транспортер 88, который с помощью двигателя 89 приводят в движение и твердую фазу остаток подают в валковую мельницу 54.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Из накопителя 1, заполненного измельченными резиновыми отходами, например измельченными изношенными шинами до размеров частиц 100 мм, с помощью ленточного транспортера 2 в бункер загрузки 3, установленный на камере загрузки 4 при закрытом шиберном затворе 5, подают отходы до заполнения бункера. В нашем случае вес отходов в бункер 3 составляет 200 кг. После этого открывают шиберный затвор 5 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 6. Операцию подачи отходов повторяют до полной загрузки контейнера 6. При полной загрузке контейнера 6 вес отходов составляет 1000 кг. После этого с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из камеры загрузки 3 в реактор 10. Контейнер 6 устанавливают таким образом, что патрубок 11 контейнера 6 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затвор 8 закрывают.
Из накопителя 1 с помощью ленточного транспортера 14 в бункер загрузки 15, установленный на камере загрузки 16 при закрытом шиберном затворе 17, подают отходы до заполнения бункера 15. В этом случае вес отходов в бункере загрузки составляет 200 кг. После этого открывают шиберный затвор 17 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 18.
Операцию загрузки повторяют 5 раз и контейнер 18 полностью загружают отходами, вес которых составит 1000 кг.
Из емкости 19 в парогенератор 20 с расходом 10 кг/ч подают жидкое топливо (удельная теплота сгорания топлива 40 МДж/кг), сжигают его и получают насыщенный водяной пар с температурой 130°С в количестве 75 кг/ч. Полученный пар через кран-расходомер 21 с расходом 75 кг/ч подают в кожухотрубный теплообменник 13 (далее - теплообменник). Одновременно с подачей пара в теплообменник 13 включают газодувку 22 и осуществляют прокачку водяного пара через теплообменник 13 и слой отходов в контейнере 6 по замкнутому контуру. Для того чтобы предотвратить избыточный рост давления в реакторе 10 в результате подачи пара, открывают кран-расходомер 23 и водяной пар с расходом 75 кг/ч отводят в конденсатор 24, где конденсируют его путем охлаждения водой.
Фильтрующийся через слой отходов водяной пар вытесняет в реактор воздух из слоя отходов и далее с потоком пара воздух из реактора вытесняется в конденсатор 24. Поскольку воздух не конденсируется, то его через кран 25 подают в парогенератор 19 и используют для сжигания топлива. Вывод водяного пара в смеси с воздухом в конденсатор 24 осуществляют до тех пор, пока концентрация воздуха в реакторе 10 не снизится до 10 мас.%, что необходимо для предотвращения окисления продуктов разложения отходов (их горения в реакторе).
Содержание воздуха в реакторе контролируют по показаниям газового анализатора 26 и при снижении содержания воздуха до 10 мас.% вывод пара в конденсатор прекращают путем закрытия крана 23. Одновременно прекращают подачу пара от парогенератора в теплообменник 13 (закрывают кран-расходомер 21).
Из емкости 19 через кран-расходомер 27 в горелку 28, подключенную к кожуху теплообменника 13, подают жидкое топливо с расходом 70 кг/ч и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания с расходом 968 кг/ч (при сжигании 1 кг топлива образуется 13,83 кг продуктов сгорания) поступают в кожух теплообменника 13 и затем с помощью дымососа 29 продукты сгорания из кожуха теплообменника 13 выводят в рубашку 30 реактора 10 и далее в дымовую трубу 33.
Протекая через кожух теплообменника 13, продукты сгорания топлива нагревают протекающий по трубам теплообменника 13 водяной пар до температуры 600°С, который из теплообменника поступает в слой отходов, отдает тепло отходам и вновь поступает в теплообменник. Прошедшие через кожух теплообменника 13 продукты сгорания охлаждаются от 1000°С до 600°С (тепло продуктов сгорания передается водяному пару) и затем поступают в рубашку 30 реактора 10, охлаждаются и при температуре 400°С через кран 31 выводятся в теплообменник 32, в котором продукты сгорания охлаждают до 150°С потоком воздуха, который подают в парогенератор и в горелку 28 для сжигания топлива. После этого продукты сгорания выводят в дымовую трубу 33.
Тепло продуктов сгорания передается в реактор не только с потоком нагретого водяного пара, но и через стенку рубашки 30.
Продукты сгорания имеют среднюю удельную теплоемкость Ср=1,24 кДж/с°С и их охлаждение от 1000°С до 400°С при расходе G=0,269 кг/с или 968 кг/ч обеспечивает подвод в реактор (с водяным паром и через стенку рубашки 30) количество тепла:
Q=CpG(1000°С-400°С)=1,24 кДж/кг°С 0,269 кг/с 600°С=200 кДж/с=200 кВт.
В результате подвода тепла (с потоком пара и через стенку рубашки 30) температура в реакторе поднимается, отходы нагреваются и при достижении
температуры 300°С (для различных видов отходов эта температура разная), что контролируют по показаниям датчика температуры 34, начинается процесс термического разложения резиновых отходов, в результате чего образуются газообразные и твердые продукты.
В нашем случае при подводе в реактор 10 тепла в количестве 200 кВт полное время термического разложения резиновых отходов составляет 120 минут. Количество образующихся газообразных продуктов составляет 50 мас.%, т.е. при термическом разложении 1000 кг отходов образуется 500 кг газообразной фазы и 500 кг твердой фазы, которая содержит 150 кг металлического корда. Поскольку процесс разложения составляет 120 минут и в течение данного времени в реактор подают водяной пар с расходом 75 кг/ч и выводят его с таким же расходом, то средняя скорость вывода газообразных продуктов в смеси с водяным паром из реактора 10 будет равна [(500 кг)+(75 кг/ч).2 ч]:7200 с=0,09 кг/с.
Выделяющаяся в реакторе из отходов газообразная фаза смешивается с циркулирующим водяным паром и образуется парогазовая смесь. Поскольку количество циркулирующего водяного пара не изменяется, а газообразная фаза разложения отходов непрерывно выделяется, то в реакторе 10 начинает возрастать давление, которое контролируют по показаниям датчика давления 35. При достижении давления 2 атм открывают кран-расходомер 23 и отводят парогазовую смесь с расходом 0,09 кг/с из реактора 10 в конденсатор 24. Одновременно с выводом из реактора парогазовой смеси с помощью крана-расходомера 21 от парогенератора 20 в теплообменник 13 подают водяной пар со средним расходом 0,021 кг/с. Такой расход водяного пара обусловлен тем, что в реакторе 10 выделяется газообразная фаза со средней скоростью 500 кг/7200 с=0, 069. Поэтому суммарно в реактор поступает следующее количество парогазовой смеси: 0,021 кг/с +0,069 кг/с=0,09 кг /с.
Поскольку из реактора выводится парогазовая смеси со скоростью 0,09 кг/с и поступает с такой же скоростью, то давление в реакторе сохраняется постоянным, что является важным для протекания процесса термического разложения и образования продуктов разложения постоянного состава в течение всего процесса (колебания давления в реакторе неизбежно приводят к изменениям состава газообразной фазы).
Таким образом, давление в реакторе поддерживают постоянным, т.е. равным 2 атм.
Содержание газообразной фазы разложения шин в парогазовой смеси контролируют по показаниям газового анализатора 26, что необходимо для точного определения времени завершения термического разложения отходов. Момент завершения процесса термического разложения отходов соответствует времени, когда содержание газообразной фазы в парогазовой смеси снизится практически до нуля, т.е. из реактора начинает выходить практически чистый водяной пар.
В нашем случае процесс термического разложения отходов завершается в течение 120 минут.
В результате охлаждения парогазовой смеси в конденсаторе 24 образуется жидкая фаза в количестве 80 мас.% и остаются 20 мас.% газообразной фазы разложения отходов, а также конденсируется водяной пар и образуется вода в количестве 150 кг.
Таким образом, в конденсаторе в течение 120 минут выделяют из газообразной фазы жидкую фазу в количестве 500 кг, 0,8=400 кг, т.е. в конденсаторе образуется смесь жидкой фазы и воды в количестве 400 кг+150 кг=550 кг. Данную смесь через кран 36 подают в сепаратор 37, где отделяют воду от жидкой фазы и подают ее через кран 38 в количестве 150 кг в накопитель 39.
Жидкую фазу из сепаратора 37 через кран 40 в количестве 400 кг подают в накопительную емкость 41.
Газообразную фазу разложения резиновых отходов из конденсатора 24 через кран 25 с расходом 16 кг/ч подают в парогенератор 19 и сжигают. При этом подачу жидкого топлива из емкости 19 в парогенератор 20 полностью прекращают. Это позволяет при переработке 1000 кг отходов снизить затраты жидкого топлива, используемого для поучения рабочего водяного пара.
Остаток газообразной фазы с расходом 34 кг/ч через кран 42 подают в горелку 28 и сжигают совместно с жидким топливом, подаваемым из емкости 19 в горелку 28.
Удельная теплота сгорания газообразной фазы 25000 кДж/кг и сжигание 34 кг/ч данной фазы эквивалентно сжиганию 21 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг. Поскольку процесс разложения отходов протекает 120 минут, то сжигание газообразной фазы в горелке 28 позволяет снизить расход жидкого топлива с 70 кг/ч до (70-21)=49 кг/ч. Снижение расхода топлива, подаваемого в горелку 28, осуществляют с помощью крана-расходомера 27.
При достижении момента прекращения выхода газообразной фазы с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из реактора 10 в камеру загрузки 3. Затем затвор закрывают. С помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 из камеры загрузки 16 подают в реактор 10. Контейнер устанавливают таким образом, что патрубок 90 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затем затвор 44 закрывают.
После вывода контейнера 6 в камеру загрузки 3 из накопителя 39 через кран-расходомер 46 с помощью насоса 47 в форсунки 48 подают воду и распыляют ее над слоем твердой фазы в контейнере 6 в количестве 100 кг. Вода попадает на твердую фазу и охлаждает ее, а сама испаряется и образующийся водяной пар в смеси с продуктами разложения отходов через клапан 49 выходит из камеры загрузки 3 в реактор 10, затем из реактора пар поступает в конденсатор, где конденсируется и через систему сепарации возвращается в накопитель 39. Такой замкнутый цикл позволяет не только исключить выброс загрязненной воды в окружающую среду, но и снизить потребление чистой воды для осуществления процесса переработки отходов.
Температуру охлаждения твердой фазы в контейнере 6 контролируют по показаниям датчика температуры 50 и после достижения Т=110°С, при которой на открытом воздухе твердая фаза не воспламеняются, распыление воды прекращают.
С помощью поворотного механизма 51 контейнер 6 поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердая фаза под действием собственного веса из контейнера 6 вываливается на ленточный транспортер 52, который с помощью двигателя 53 приводят в движение, и твердую фазу в количестве 500 кг подают в валковую мельницу 54. После разгрузки контейнер 6 устанавливают в рабочее положение (донной частью вниз) и загружают его, как описано выше
В валковой мельнице 54 твердая фаза, проходя через валки, размалывается, в результате чего от нее отделяется металлический корд. После валковой мельницы 54 твердую фазу и металлический корд подают в электромагнитный сепаратор 55, в котором отделяют 150 кг металла от твердой фазы. Металл подают в пресс 56 и прессуют в брикеты, а твердую фазу в количестве 350 кг подают в накопитель 57.
Из накопителя 57 с помощью шнекового транспортера 58 в газогенератор 59 на его решетку, установленную в нижней части газогенератора, загружают твердую фазу в количестве 50 кг. Зажигают твердую фазу на решетке газогенератора и создают горящий слой. Для поддержания процесса горения твердой фазы на решетке с помощью воздуходувки 60 с расходом 250 кг/ч в газогенератор сверху подают воздух, а продукты сгорания выводят из-под решетки газогенератора через кран 61 в дымовую трубу 33.
Далее из накопителя 57 через весовой дозатор 62 в емкость 63 загружают 300 кг твердой фазы. Из накопителя 39 через кран-расходомер 64 с помощью насоса 65 в емкость 63 подают 150 кг воды.
В этом случает массовое соотношение твердой фазы и воды составляет: 300 кг:150 кг, т.е. 1:0,5.
Из емкости 63 пропитанную водой твердую фазу с помощью шнекового транспортера 66 загружают в газогенератор 59 в количестве 225 кг (содержит 100 кг твердой фазы и 50 кг воды), чтобы слой твердой фазы по высоте шахты газогенератора 59 находился в пределах 3D (D - диаметр шахты газогенератора), что контролируют по показаниям датчика уровня 67.
Таким образом, в газогенераторе 59 образуется слой твердой фазы высотой 1,5 м, в нижней части (на решетке) которого протекает процесс горения, в результате чего выделяется тепло, за счет которого происходит нагрев вышележащих слоев твердой фазы (над слоем горения).
В газогенераторе 59 реализуют обращенный процесс газификации, при котором твердую фазу, пропитанную водой, и воздух подают в шахту газогенератора сверху, а образующийся горючий газ из газогенератора отводят снизу (из-под решетки).
В верхней части слоя твердой фазы за счет нагрева из нее испаряется вода и образуется водяной пар, который смешивается с подаваемым воздухом и поступает в нижнюю часть газогенератора, т.е. в зону газификации, где протекают реакции взаимодействия водяного пара с углеродом твердой фазы с образованием горючего газа, содержащего в основном водород и оксид углерода, а также некоторое количество метана и смол.
В нашем случае в результате газификации в газ превращается 202 кг/ч пропитанной водой твердой фазы и образуется 23 кг золы (расходуется 225 кг/ч пропитанной водой твердой фазы). При этом сгорает в зоне горения 25 кг/ч твердой фазы и образуется 2,5 кг/ч золы. Сухая твердая фаза содержит 85 мас.% углерода, 5 мас.% водорода и 10 мас.% золы, в состав которой входят оксиды цинка, кремния, железа и др.
При сгорании 25 кг/ч твердой фазы образуется 298 кг/ч негорючих продуктов сгорания (содержат азот, диоксид углерода, водяной пар и др. газы) и образуется 2,5 кг/ч золы. Таким образом, в результате реализации обращенного процесса газификации в газогенераторе 59 образуется 202 кг/ч+298 кг/ч=500 кг/ч горючих газов и 23 кг/ч+2,5 кг/ч=25,5 кг/ч золы. Удельная теплота сгорания такого газа составляет 10000 кДж/кг. Такая удельная теплота сгорания обусловлена разбавлением горючих газов, полученных путем газификации твердой фазы, негорючими продуктами сгорания (298 кг/ч) части твердой фазы.
3
Известно, что горючие газы, получаемые путем газификации в газогенераторах твердого топлива с высоким содержанием влаги, имеют низкую удельную теплоту сгорания. Например, при газификации бурого угля с влажностью 36 мас.% образуется газ с удельной теплотой сгорания 6000 кДж/м (см. С.Д.Федосеев, А.Б.Чернышев. Полукоксование и газификация твердого топлива. - М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1960. - с.125, таблица 35).
Смесь газов и смол из зоны газификации поступает в зону горения слоя твердой фазы на решетке, проходит через данную зону и поступает на выход из газогенератора.
В результате горения и процессов газификации слой твердой фазы опускается по шахте газогенератора (проседает) и поэтому в газогенератор из емкости 63 с помощью шнекового транспортера 66 с расходом 225 кг/ч непрерывно подают твердую фазу, чтобы уровень ее в шахте газогенератора оставался постоянным, что контролируют по показаниям датчика уровня 67.
Образующуюся в газогенераторе золу с расходом 25,5 кг/ч выводят в накопитель 68.
Одновременно с началом процесса газификации перекрывают кран 61, в результате чего прекращают вывод газа из газогенератора в дымовую трубу 33, открывают кран-расходомер 69 и газ (смесь продуктов сгорания твердой фазы, водорода, оксида углерода и продуктов разложения смол - горючий газ) с расходом 500 кг/ч подают в смеситель 70, куда через кран-расходомер 71 с расходом 50 кг/ч подают газообразную фазу продуктов разложения отходов после выделения из нее жидкой фазы. При этом массовое соотношение горючего газа и газообразной фазы устанавливают в пределах: 500 кг:50 кг, т.е. 1:0,1.
В смесителе получают смесь горючего газа, полученного в газогенераторе 59 и газообразной фазы в количестве 500 кг/ч+50 кг/ч=550 кг/ч. Удельная теплота сгорания такой смеси составит 11000 кДж/кг. Это вызвано тем, что к горючему газу добавляют газообразную фазу с удельной теплотой сгорания 25000 кДж/кг в количестве 50 кг/ч.
Из смесителя 70 через кран-регулятор 72 смесь с расходом 50 кг/ч подают в парогенератор 20 и сжигают для получения рабочего водяного пара, а остаток смеси с расходом 500 кг/ч сжигают в горелке 28, подключенной к кожуху теплообменника 13.
Сжигание 500 кг/ч смеси с удельной теплотой сгорания 11000 кДж/кг эквивалентно сжиганию 138 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг. Поэтому подачу жидкого топлива из емкости 19 в горелку 28 полностью прекращают. Образующиеся продукты сгорания используют для перегрева водяного пара и нагрева реактора. Это позволяет исключить использование дополнительного топлива для переработки отходов, а также полезно использовать газообразную фазу продуктов разложения.
Из накопительной емкости 41 жидкую фазу через кран 73 в количестве 400 кг подают в дистиллятор 74, где при температуре 90°С из жидкой фазы выделяют фракцию с температурой вспышки 35°С в количестве 100 кг, которую путем охлаждения в теплообменнике 75 конденсируют и через кран 76 сливают в накопительную емкость 77, а остаток (жидкую фазу с температурой вспышки 61°С) из дистиллятора 74 в количестве 300 кг сливают в накопительную емкость 78. При этом температуру в дистилляторе контролируют по показаниям датчика температуры 79, а температуру вспышки контролируют по показаниям прибора 80 и регулируют данную температуру за счет времени проведения процесса дистилляции. При осуществлении процесса дистилляции жидкой фазы температура вспышки ее растет, и при достижении температуры вспышки 61°С дистилляцию жидкой фазы прекращают и остаток сливают в емкость 78. В этом случае образующаяся фракция, которую конденсируют в теплообменнике 75, имеет температуру вспышки 35°С. Жидкость с температурой вспышки 35°С соответствует керосино-газойлевой фракции и может использоваться как высокосортное топливо, например, для газотурбинных двигателей. Жидкость с температурой вспышки 61°С соответствует по своим показателям дизельному топливу и может использоваться как топливо для дизельных двигателей.
Продукты сгорания, которые образуются при сжигании смеси горючих газов и газообразной фазы в горелке 28, после выхода из рубашки 30 реактора 10 через кран 81 направляют в рубашку дистиллятора 74 и используют их тепловую энергию для нагрева и дистилляции жидкой фазы.
При этом количество продуктов сгорания, которые выводят из рубашки 30 в рубашку дистиллятора, регулируют с помощью крана 81 таким образом, чтобы температура в дистилляторе оставалась равной 90°С. Избыточные продукты сгорания из рубашки 30 через кран 31 выводят в теплообменник 32 и используют для подогрева воздуха, подаваемого в парогенератор и горелку 28.
Это позволяет полезно использовать тепловую энергию продуктов сгорания, что снижает расход дополнительного топлива на процесс дистилляции, получение водяного пара и переработку отходов.
Аналогично осуществляют процесс переработки резиновых отходов, которые находятся в контейнере 18, установленном в реакторе 10.
После завершения процесса термического разложения отходов в контейнере 18 с помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 выводят из реактора 10 в камеру загрузки 16.
Для охлаждения твердой фазы в контейнере 18 из накопителя 39 через кран 82 в форсунки 83 подают воду и распыляют ее над твердой фазой в контейнере 18, в результате чего контейнер и твердая фаза охлаждаются, температуру охлаждения контролируют по показаниям датчика температуры 84. Образующийся пар из камеры 17 выходит в реактор 10 через клапан 85. Продукты сгорания топлива в парогенераторе 18 через дымовой патрубок 86 выбрасываются в атмосферу.
После охлаждения с помощью поворотного механизма 87 контейнер 18 поворачивают и устанавливают вверх дном. Твердая фаза из контейнера 18 вываливается на транспортер 88, который с помощью двигателя 89 приводят в движение и твердую фазу подают в валковую мельницу 54.
Пример 2
Из накопителя 1, заполненного измельченными резиновыми отходами, например измельченными изношенными шинами до размеров частиц 50 мм, с помощью ленточного транспортера 2 в бункер загрузки 3, установленный на камере загрузки 4 при закрытом шиберном затворе 5, подают отходы до заполнения бункера. В нашем случае вес отходов в бункер 3 составляет 250 кг. После этого открывают шиберный затвор 5 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 6. Операцию подачи отходов повторяют до полной загрузки контейнера 6. При полной загрузке контейнера 6 вес отходов составляет 1250 кг. После этого с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из камеры загрузки 3 в реактор 10. Контейнер 6 устанавливают таким образом, что патрубок 11 контейнера 6 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затвор 8 закрывают.
Из накопителя 1 с помощью ленточного транспортера 14 в бункер загрузки 15, установленный на камере загрузки 16 при закрытом шиберном затворе 17 подают отходы до заполнения бункера 15. В этом случае вес отходов в бункере загрузки составляет 250 кг. После этого открывают шиберный затвор 17 и отходы под действием собственного веса высыпаются в контейнер 18.
Операцию загрузки повторяют 5 раз и контейнер 18 полностью загружают отходами, вес которых составит 1250 кг.
Из емкости 19 в парогенератор 20 с расходом 20 кг/ч подают жидкое топливо (удельная теплота сгорания топлива 41 МДж/кг), сжигают его и получают насыщенный водяной пар с температурой 130°С в количестве 150 кг/ч. Полученный пар через кран-расходомер 21 с расходом 150 кг/ч подают в кожухотрубный теплообменник 13 (далее теплообменник). Одновременно с подачей пара в теплообменник 13 включают газодувку 22 и осуществляют прокачку водяного пара через теплообменник 13 и слой отходов в контейнере 6 по замкнутому контуру. Для того чтобы предотвратить избыточный рост давления в реакторе 10 в результате подачи пара, открывают кран-расходомер 23 и водяной пар с расходом 150 кг/ч отводят в конденсатор 24, где конденсируют его путем охлаждения водой.
Фильтрующийся через слой отходов водяной пар вытесняет в реактор воздух из слоя отходов, и далее с потоком пара воздух из реактора вытесняется в конденсатор 24. Поскольку воздух не конденсируется, то его через кран 25 подают в парогенератор 19 и используют для сжигания топлива. Вывод водяного пара в смеси с воздухом в конденсатор 24 осуществляют до тех пор, пока концентрация воздуха в реакторе 10 не снизится до 10 мас.%, что необходимо для предотвращения окисления продуктов разложения отходов (их горения в реакторе).
Содержание воздуха в реакторе контролируют по показаниям газового анализатора 26 и при снижении содержания воздуха до 10 мас.% вывод пара в конденсатор прекращают путем закрытия крана 23. Одновременно прекращают подачу пара от парогенератора в теплообменник 13 (закрывают кран-расходомер 21).
Из емкости 19 через кран-расходомер 27 в горелку 28, подключенную к кожуху теплообменника 13, подают жидкое топливо с расходом 86 кг/ч и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания с расходом 1204 кг/ч поступают в кожух теплообменника 13 и затем с помощью дымососа 29 продукты сгорания из кожуха теплообменника 13 выводят в рубашку 30 реактора 10 и далее в дымовую трубу 33.
Протекая через кожух теплообменника 13 продукты сгорания топлива нагревают протекающий по трубам теплообменника 13 водяной пар до температуры 650°С, который из теплообменника поступает в слой отходов, отдает тепло отходам и вновь поступает в теплообменник. Прошедшие через кожух теплообменника 13 продукты сгорания охлаждаются от 1000°С до 650°С (тепло продуктов сгорания передается водяному пару) и затем поступают в рубашку 30 реактора 10, охлаждаются и при температуре 400°С через кран 31 выводятся в теплообменник 32, в котором продукты сгорания охлаждают до 150°С потоком воздуха, который подают в парогенератор и в горелку 28 для сжигания топлива. После этого продукты сгорания выводят в дымовую трубу 33.
Тепло продуктов сгорания передается в реактор не только с потоком нагретого водяного пара, но и через стенку рубашки 30.
Продукты сгорания имеют среднюю удельную теплоемкость Ср=1,24 кДж/с°С, и их охлаждение от 1000°С до 400°С при расходе G=0,334 кг/с или 1204 кг/ч обеспечивает подвод в реактор (с водяным паром и через стенку рубашки 30) количество тепла: Q=CpG(1000°С-400°С)=1,24 кДж/кг°С 0,336 кг/с 600°С=250 кДж/с=250 кВт.
В результате подвода тепла (с потоком пара и через стенку рубашки 30) температура в реакторе поднимается, отходы нагреваются и при достижении температуры 300°С (для различных видов отходов эта температура разная), что контролируют по показаниям датчика температуры 34, начинается процесс термического разложения резиновых отходов, в результате чего образуются газообразные и твердые продукты.
В нашем случае при подводе в реактор 10 тепла в количестве 250 кВт полное время термического разложения резиновых отходов составляет 120 минут. Количество образующихся газообразных продуктов составляет 55 мас.%, т.е. при термическом разложении 1250 кг отходов образуется 700 кг газообразной фазы и 550 кг твердой фазы, которая содержат 200 кг металлического корда. Поскольку процесс разложения составляет 120 минут и в течение данного времени в реактор подают водяной пар с расходом 150 кг/ч и выводят его с таким же расходом, то средняя скорость вывода газообразных продуктов в смеси с водяным паром из реактора 10 будет равна [(700 кг)+(150 кг/ч).2 ч]:7200 с=0,138 кг/с.
Выделяющаяся в реакторе из отходов газообразная фаза смешивается с циркулирующим водяным паром, и образуется парогазовая смесь. Поскольку количество циркулирующего водяного пара не изменяется, а газообразная фаза разложения отходов непрерывно выделяются, то в реакторе 10 начинает возрастать давление, которое контролируют по показаниям датчика давления 35. При достижении давления 2 атм. открывают кран-расходомер 23 и отводят парогазовую смесь с расходом 0,138 кг/с из реактора 10 в конденсатор 24. Одновременно с выводом из реактора парогазовой смеси с помощью крана-расходомера 21 от парогенератора 20 в теплообменник 13 подают водяной пар со средним расходом 0,042 кг/с. Такой расход водяного пара обусловлен тем, что в реакторе 10 выделяется газообразная фаза со средней скоростью 690 кг/7200 с=0, 096. Поэтому суммарно в реактор поступает следующее количество парогазовой смеси: 0,042 кг/с+0,096 кг/с=0,138 кг /с.
Поскольку из реактора выводится парогазовая смеси со скоростью 0,138 кг/с и поступает с такой же скоростью, то давление в реакторе сохраняется постоянным, что является важным для протекания процесса термического разложения и образования продуктов разложения постоянного состава в течение всего процесса (колебания давления в реакторе неизбежно приводят к изменениям состава газообразной фазы).
Таким образом, давление в реакторе поддерживают постоянным, т.е. равным 2 атм.
Содержание газообразной фазы разложения шин в парогазовой смеси контролируют по показаниям газового анализатора 26, что необходимо для точного определения времени завершения термического разложения отходов. Момент завершения процесса термического разложения отходов соответствует времени, когда содержание газообразной фазы в парогазовой смеси снизится практически до нуля, т.е. из реактора начинает выходить практически чистый водяной пар.
В нашем случае процесс термического разложения отходов завершается в течение 120 минут.
В результате охлаждения парогазовой смеси в конденсаторе 24 образуется жидкая фаза в количестве 60 мас.% и остаются 40 мас.% газообразной фазы разложения отходов, а также конденсируется водяной пар и образуется вода в количестве 300 кг.
Таким образом, в конденсаторе в течение 120 минут выделяют из газообразной фазы жидкую фазу в количестве 700 кг, 0,6=420 кг, т.е. в конденсаторе образуется смесь жидкой фазы и воды в количестве 420 кг+300 кг=720 кг. Данную смесь через кран 36 подают в сепаратор 37, где отделяют воду от жидкой фазы и подают ее через кран 38 в количестве 300 кг в накопитель 39.
Жидкую фазу из сепаратора 37 через кран 40 в количестве 420 кг подают в накопительную емкость 41.
Газообразную фазу разложения резиновых отходов из конденсатора 24 через кран 25 с расходом 40 кг/ч подают в парогенератор 19 и сжигают. При этом подачу жидкого топлива из емкости 19 в парогенератор 20 полностью прекращают. Это позволяет при переработке 1250 кг отходов снизить затраты жидкого топлива, используемого для получения рабочего водяного пара.
Остаток газообразной фазы с расходом 100 кг/ч через кран 42 подают в горелку 28 и сжигают совместно с жидким топливом, подаваемым из емкости 19 в горелку 28.
Удельная теплота сгорания газообразной фазы 25000 кДж/кг и сжигание 100 кг/ч данной фазы эквивалентно сжиганию 63 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг. Поскольку процесс разложения отходов протекает 120 минут, то сжигание газообразной фазы в горелке 28 позволяет снизить расход жидкого топлива с 86 кг/ч до (86-63)=23 кг/ч. Снижение расхода топлива, подаваемого в горелку 28, осуществляют с помощью крана-расходомера 27.
При достижении момента прекращения выхода газообразной фазы с помощью привода 7 открывают затвор 8 и устройством подачи 9 контейнер 6 перемещают из реактора 10 в камеру загрузки 3. Затем затвор 7 закрывают.
С помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 из камеры загрузки 16 подают в реактор 10. Контейнер устанавливают таким образом, что патрубок 90 соединяется с патрубком 12 теплообменника 13. Затем затвор 44 закрывают.
После вывода контейнера 6 в камеру загрузки 3 из накопителя 39 через кран-расходомер 46 с помощью насоса 47 в форсунки 48 подают воду и распыляют ее над слоем твердой фазы в контейнере 6 в количестве 140 кг. Вода попадает на твердую фазу и охлаждает ее, а сама испаряется и образующийся водяной пар в смеси с продуктами разложения отходов через клапан 49 выходит из камеры загрузки 3 в реактор 10.
Температуру охлаждения твердой фазы в контейнере 6 контролируют по показаниям датчика температуры 50 и после достижения Т=110°С, при которой на открытом воздухе твердая фаза не воспламеняется, распыление воды прекращают.
С помощью поворотного механизма 51 контейнер 6 поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердая фаза под действием собственного веса из контейнера 6 вываливается на ленточный транспортер 52, который с помощью двигателя 53 приводят в движение и твердую фазу в количестве 550 кг подают в валковую мельницу 54. После разгрузки контейнер 6 устанавливают в рабочее положение (донной частью вниз) и загружают его, как описано выше.
В валковой мельнице 54 твердая фаза, проходя через валки, размалывается, в результате чего от нее отделяется металлический корд. После валковой мельницы 54 твердую фазу и металлический корд подают в электромагнитный сепаратор 55, в котором отделяют 200 кг металла от твердой фазы. Металл подают в пресс 56 и прессуют в брикеты, а твердую фазу в количестве 350 кг подают в накопитель 57.
Из накопителя 57 с помощью шнекового транспортера 58 в газогенератор 59 на его решетку, установленную в нижней части газогенератора, загружают твердую фазу в количестве 50 кг. Зажигают твердую фазу на решетке газогенератора и создают горящий слой. Для поддержания процесса горения твердой фазы на решетке с помощью воздуходувки 60 с расходом 250 кг/ч в газогенератор сверху подают воздух, а продукты сгорания выводят из-под решетки газогенератора через кран 61 в дымовую трубу 33.
Далее из накопителя 57 через весовой дозатор 62 в емкость 63 загружают 300 кг твердой фазы. Из накопителя 39 через кран-расходомер 64 с помощью насоса 65 в емкость 63 подают 300 кг воды.
В этом случает массовое соотношение твердой фазы и воды составляет: 300 кг:300 кг, т.е. 1:1.
Из емкости 63 пропитанную водой твердую фазу с помощью шнекового транспортера 66 загружают в газогенератор 59 в количестве 300 кг (содержит 150 кг твердой фазы и 150 кг воды), чтобы слой твердой фазы по высоте шахты газогенератора 59 находился в пределах 3D (D - диаметр шахты газогенератора), что контролируют по показаниям датчика уровня 67.
Таким образом, в газогенераторе 59 образуется слой твердой фазы высотой 2,5 м, в нижней части (на решетке) которого протекает процесс горения, в результате чего выделяется тепло, за счет которого происходит нагрев вышележащих слоев твердой фазы (над слоем горения).
В газогенераторе 59 реализуют обращенный процесс газификации, при котором твердую фазу, пропитанную водой, и воздух подают в шахту газогенератора сверху, а образующийся горючий газ из газогенератора отводят снизу (из под решетки).
В верхней части слоя твердой фазы за счет нагрева из нее испаряется вода и образуется водяной пар, который смешивается с подаваемым воздухом и поступает в нижнюю часть газогенератора, т.е. в зону газификации, где протекают реакции взаимодействия водяного пара с углеродом твердой фазы с образованием горючего газа, содержащего в основном водород и оксид углерода, а также некоторое количество метана и смол.
Пусть в нашем случае в результате газификации в газ превращается 280 кг/ч пропитанной водой твердой фазы и образуется 20 кг золы (расходуется 300 кг/ч пропитанной водой твердой фазы). При этом сгорает в зоне горения 25 кг/ч твердой фазы и образуется 3 кг/ч золы. Сухая твердая фаза содержит 83 мас.% углерода, 5 мас.% водорода и 12 мас.% золы, в состав которой входят оксиды цинка, кремния, железа и др.
При сгорании 25 кг/ч твердой фазы образуется 272 кг/ч негорючих продуктов сгорания (содержат азот, диоксид углерода, водяной пар и др. газы) и образуется 3 кг/ч золы. Таким образом, в результате реализации обращенного процесса газификации в газогенераторе 59 образуется 288 кг/ч+272 кг/ч=560 кг/ч горючих газов и 20 кг/ч+3 кг/ч=23 кг/ч золы. Удельная теплота сгорания такого газа составляет 9000 кДж/кг. Такая удельная теплота сгорания обусловлена разбавлением горючих газов, полученных путем газификации твердой фазы, негорючими продуктами сгорания (272 кг/ч) части твердой фазы.
Смесь газов и смол из зоны газификации поступает в зону горения слоя твердой фазы на решетке, проходит через данную зону и поступает на выход из газогенератора.
В результате горения и процессов газификации слой твердой фазы опускается по шахте газогенератора (проседает), и поэтому в газогенератор из емкости 63 с помощью шнекового транспортера 66 с расходом 300 кг/ч непрерывно подают твердую фазу, чтобы уровень ее в шахте газогенератора оставался постоянным, что контролируют по показаниям датчика уровня 67.
Образующуюся в газогенераторе золу с расходом 23 кг/ч выводят в накопитель 68.
Одновременно с началом процесса газификации перекрывают кран 61, в результате чего прекращают вывод газа из газогенератора в дымовую трубу 33, открывают кран-расходомер 69 и газ (смесь продуктов сгорания твердой фазы, водорода, оксида углерода и продуктов разложения смол - горючий газ) с расходом 560 кг/ч подают в смеситель 70, куда через кран-расходомер 71 с расходом 1 кг/ч подают газообразную фазу продуктов разложения отходов после выделения из нее жидкой фазы. При этом массовое соотношение горючего газа и газообразной фазы устанавливают в пределах: 560 кг:280 кг, т.е. 1:0,5.
В смесителе получают смесь горючего газа, полученного в газогенераторе 59, и газообразной фазы в количестве 560 кг/ч+280 кг/ч=840 кг/ч. Удельная теплота сгорания такой смеси составит 14000 кДж/кг. Это вызвано тем, что к горючему газу добавляют газообразную фазу с удельной теплотой сгорания 25000 кДж/кг в количестве 280 кг/ч.
Из смесителя 70 через кран-регулятор 72 смесь с расходом 80 кг/ч подают в парогенератор 20 и сжигают для получения рабочего водяного пара, а остаток смеси с расходом 760 кг/ч сжигают в горелке 28, подключенной к кожуху теплообменника 13.
Сжигание 760 кг/ч смеси с удельной теплотой сгорания 14000 кДж/кг эквивалентно сжиганию 266 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг. Поэтому подачу жидкого топлива из емкости 19 в горелку 28 полностью прекращают. Образующиеся продукты сгорания используют для перегрева водяного пара и нагрева реактора. Это позволяет исключить использование дополнительного топлива для переработки отходов, а также полезно использовать газообразную фазу продуктов разложения.
Из накопительной емкости 41 жидкую фазу через кран 73 в количестве 420 кг подают в дистиллятор 74, где при температуре 100°С из жидкой фазы выделяют фракцию с температурой вспышки 40° С в количестве 100 кг, которую путем охлаждения в теплообменнике 75 конденсируют и через кран 76 сливают в накопительную емкость 77, а остаток (жидкую фазу с температурой вспышки 85°С) из дистиллятора 74 в количестве 320 кг сливают в накопительную емкость 78. При этом температуру в дистилляторе контролируют по показаниям датчика температуры 79, а температуру вспышки контролируют по показаниям прибора 80 и регулируют данную температуру за счет времени проведения процесса дистилляции. При осуществлении процесса дистилляции жидкой фазы температура вспышки ее растет и при достижении температуры вспышки 85°С дистилляцию жидкой фазы прекращают и остаток сливают в емкость 78. В этом случае образующаяся фракция, которую конденсируют в теплообменнике 75, имеет температуру вспышки 40°С. Жидкость с температурой вспышки 40°С соответствует керосино-газойлевой фракции и может использоваться как высокосортное топливо, например, для газотурбинных двигателей. Жидкость с температурой вспышки 85°С соответствует по своим показателям дизельному топливу и может использоваться как топливо для дизельных двигателей.
Продукты сгорания, которые образуются при сжигании смеси горючих газов и газообразной фазы в горелке 28, после выхода из рубашки 30 реактора 10 через кран 81 направляют в рубашку дистиллятора 74 и используют их тепловую энергию для нагрева и дистилляции жидкой фазы.
При этом количество продуктов сгорания, которое выводят из рубашки 30 в рубашку дистиллятора, регулируют с помощью крана 81 таким образом, чтобы температура в дистилляторе оставалась равной 100°С.
Избыточные продукты сгорания из рубашки 30 через кран 31 выводят в теплообменник 32 и используют для подогрева воздуха, подаваемого в парогенератор и горелку 28. Это позволяет полезно использовать тепловую энергию продуктов сгорания, что снижает расход дополнительного топлива на процесс дистилляции.
Аналогично осуществляют процесс переработки резиновых отходов, которые находятся в контейнере 18, установленном в реакторе 10.
После завершения процесса термического разложения отходов в контейнере 18 с помощью привода 43 открывают затвор 44 и с помощью устройства подачи 45 контейнер 18 выводят из реактора 10 в камеру загрузки 16.
Для охлаждения твердой фазы в контейнере 18 из накопителя 39 через кран 82 в форсунки 83 подают воду и распыляют ее над твердой фазой в контейнере 18, в результате чего контейнер и твердая фаза охлаждаются, температуру охлаждения контролируют по показаниям датчика температуры 84. Образующийся пар из камеры 17 выходит в реактор 10 через клапан 85. Продукты сгорания топлива в парогенераторе 18 через дымовой патрубок 86 выбрасываются в атмосферу. После охлаждения с помощью поворотного механизма 87 контейнер 18 поворачивают и устанавливают вверх дном. Твердая фаза из контейнера 18 вываливается на транспортер 88, который с помощью двигателя 89 приводят в движение и твердую фазу подают в валковую мельницу 54.
За счет использования твердой и газообразной фаз (продуктов разложения отходов) для энергообеспечения процесса переработки достигается эффект снижения энергоемкости, так как в сравнении с известными технологиями переработки (измельчение, пиролиз, термическая деструкция в маслах и др.) отпадает необходимость в дополнительном топливе, что в свою очередь обеспечивает снижение выбросов продуктов сгорания в окружающую среду. Путем переработки отходов получают высококачественное жидкое топливо, что подтверждает соответствие заявленного изобретения критерию «промышленная применимость».