Способ синтеза состава полимерного композиционного материала для изготовления нефтепродуктовой тары с последующей утилизацией и устройство для его реализации
METHOD FOR THE SYNTHESIS OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL FORMULATION FOR THE PRODUCTION OF OIL STORAGE VESSEL WITH SUBSEQUENT RECYCLING AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к химической промышленности, в частности, к синтезу состава полимерного композиционного материала (ПКМ), который предназначен для изготовления нефтепродуктовой тары (НТ) для перевозки нефтепродуктов, с последующей утилизацией в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.
Известны методы синтеза состава ПКМ с широким диапазоном характеристик, например, кн. 1 (Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013 - 118 с).
Наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому техническому решению синтезу состава ПКМ является патент RU № 2678273, опубл. 24.01.2019 «Композиция на основе поликарбоната и базальтового волокна, способ изготовления из нее композиционного материала и композиционный материал, полученный этим способом», в котором композиция на основе поликарбоната и базальтового волокна включает в мас.%: базальтовое волокно 4,5-60, фторопласт 0,05-0,6, циклический олигомер бутилен, терефталата 0,05-0,6, диспергатор 0,1-0,60, термостабилизатор 0,1-0,60, поликарбонат - остальное.
К недостаткам этого технического решения для синтеза состава ПКМ и, соответственно, для последующего изготовления НТ для эксплуатации в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, с возможностью последующей утилизацией НТ в местах эксплуатации, относятся:
- недостаточные показатели физико-механических характеристик ПКМ при низких температурах (до минус 60 градусов С);
- отсутствие электропроводности ПКМ, что делает невозможным использование такого ПКМ для изготовления НТ;
- отсутствие возможности корректировки состава ПКМ, что является существенным недостатком для разрабатываемого комплекса утилизации, обеспечивающего заданный уровень техногенного воздействия на окружающую среду Крайнего Севера и приравненных к ним территорий.
Целью предлагаемого технического решения является разработка способа синтеза состава ПКМ, удовлетворяющих следующим свойствам:
- изготовленная НТ из этих ПКМ соответствует эксплуатационным требованиям в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территорий;
- возможность последующей утилизации, отработавшей НТ на основе пиролиза измельченной отработавшей НТ с последующим сжиганием продуктов пиролиза в жидкостных котельных установках, в районах эксплуатации с обеспечением заданного уровня техногенного воздействия на окружающую среду продуктов утилизации (топочных газов и твердых отходов);
- определение влияния на токсичность топочных газов составов ПКМ, степени измельчения материала, температуры нагрева пиролизной камеры, расхода воздуха в эжектор.
добавляют следующие действия:
Поставленная цель достигается тем, что в известный способ синтеза состава ПКМ на основе поликарбоната, составление композиции перед смешиванием исходных компонентов,
1) в качестве композиции используют наполнители в виде волокнистых, мелко- и нанодисперсных наполнителей включает в мас. %: молотое угле-, стекло- или базальтовое волокно 2-60, древесная мука 5-15, технический углерод 2-15, углеродные нанотрубки 0,01-1, мелкодисперсный порошок металла (алюминия/магний) 0-2, катализаторы 0,1-2, диспергатор 0,1-1, УФ-стабилизатор не более 1,5 и термостабилизатор не более 1, поликарбонат - остальное, в качестве диспергатора могут выступать смесь парафиновых восков, смесь парафиновых и монтановых восков, мета-крезол или другой растворитель поликарбонатов,
N
m
Т
Т
,
m
q
q
лпу
лпу
ппу
лпу
лпу
ппу
2) составляют  различных вариантов составов измельченных ПКМ (гранул) с массой  с различными композициями и  значениями удельных поверхностей для лабораторной пиролизной установки (ЛПУ), при этом удельные поверхности определяют из условия равенства соотношения площади поверхности гранулы к ее массе равного аналогичному соотношению частицы измельченного материала из НТ в полноразмерной пиролизной установке (ППУ), соотношения интервалов времен нахождения пиролизного материала Δ и Δ массу  выбирают из условия равенства времен подачи теплоты на поддержание реакции пиролиза и компенсацию тепловых потерь в ЛПУ, ППУ при соответствующих тепловых потоках  и  нагревателей пиролизных камер для ЛПУ и ППУ, помещают  каждый вариант ПКМ в ЛПУ и  осуществляют пиролиз, подают полученную парогазовую смесь в дожигательную установку, а твердый остаток пиролиза в отдельную емкость и далее отправляют на анализ содержания токсичных веществ,
n
ij
3) определяют количественные характеристики токсичных веществ для каждого варианта ПКМ и составляют базы данных для топочных газов, твердого остатка пиролиза, из полученных баз данных строят регрессионные зависимости количественных характеристик каждого выделенного токсичного вещества для каждого варианта  образца ПКМ и определяют наиболее приемлемый состав композиции ПКМ, степени измельчения, температуры пиролизной камеры, скорости подачи воздуха в эжектор дожигающей установки.
4) вместо поликарбоната в составе композиции ПКМ используют полиэтилен, при этом в качестве композиции используют состав наполнители в мас. %: электропроводящие марки технического углерода 1-15, углеродные нанотрубки 0,1-5, углеволокно 1-5, катализаторы разложения токсичных компонентов 0,1-2 полиэтилен - остальное.
На фиг. 1 приведена общая структура способа и обмен информацией между составными частями, включающего в свой состав системы:
N
n
i= 1, 2 …N, j= 1, 2 …M
ij
а) синтез  композиций ПКМ из условий удовлетворения эксплуатационным требованиям при различных составах композиций, с учетом последующей утилизации на основе пиролиза и изготовления модельного измельченного материала с удельной площадью (отношение площади частицы к ее массе), соответствующей удельной площади измельченного материала из отработавшей НТ, изготовление необходимого количества измельченного материала каждого варианта ПКМ  ();
n
ij
б) и проведение пиролиза каждого варианта материала в лабораторной пиролизной установке и подача парогазовой смеси в дожигательную установку;
n
n
ij
ij
в) анализ состава токсичных веществ топочного газов, твердого остатка пиролиза для каждого варианта  измельченного материала и определение количественных характеристик токсичных веществ для каждого варианта  образца ПКМ и составление базы данных для топочных газов, твердого остатка пиролиза;
n
ij
г) построение регрессионных зависимостей количественных характеристик каждого выделенного токсичного вещества для каждого варианта  образца ПКМ и определение наиболее приемлемого состава композиции ПКМ, степени измельчения материала.
На фиг. 2 приведена модельная пиролизная установка.
На фиг. 3 приведена модельная дожигательная установка.
Обоснование действий способа
1) в качестве композиции используют состав, в котором композиция на основе поликарбоната с наполнителями в виде волокнистых, мелко- и нанодисперсных наполнителей включает в мас. %: молотое угле-, стекло- или базальтовое волокно 2-60, древесная мука 5-15, технический углерод 2-15, углеродные нанотрубки 0,01-1, мелкодисперсный порошок металла (алюминия/магний) 0-2, катализаторы 0,1-2, диспергатор 0,1-1, УФ-стабилизатор не более 1,5 и термостабилизатор не более 1, поликарбонат - остальное, в качестве диспергатора могут выступать смесь парафиновых восков, смесь парафиновых и монтановых восков, мета-крезол или другой растворитель поликарбонатов
Номинальные параметры состава композиции ПКМ определяются на основании обеспечении эксплуатационных требований, предъявляемых к НТ в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, в частности, полимерная матрица сохраняет механические характеристики при низких температурах, химическую устойчивость к НТ, углеродные наполнители (технический углерод, углеродные нанотрубки, молотое углеволокно) обеспечивают проводимость ПКМ для обеспечения условия снятия статического заряда.
Введение в состав ПКМ катализатора типа оксидов переходных металлов (например, Fe2О3) приводит к увеличению содержания углеводородов, что сказывается на увеличении теплотворной способности образующихся продуктов пиролиза, позволяет снизить температуру процесса пиролиза на 50-100°C с высокой конверсией в газообразные и жидкие продукты, а также к снижению токсичности продуктов пиролиза (патент РФ № 2617213 C08J 11/10, B09 B 3/00 Способ утилизации полимерных отходов методом низкотемпературного каталитического пиролиза; Левченко Т.М., Л.Н. Гора Каталитическая очистка сточных вод от фенола и формальдегида / Т.М. Левченко // Хим. технология. Науч.-произв. сб. 1971. № 2. С. 42 - 44.).
Заявлена композиция на основе поликарбоната с мелко- и нанодисперсными и волокнистыми наполнителями, катализатора, диспергатора, УФ-стабилизатора и термостабилизатора в следующем соотношении компонентов, в масс. %:
Молотое волокно (угле-, стекло, базальтовое)
2-60
Древесная мука
5-15
Технический углерод
2-15
Углеродные нанотрубки
0,01-1
Мелкодисперсный порошок металла (алюминия/магний)
0-2
Катализаторы
0,1-2
Диспергатор
0,1-1
Поликарбонат
остальное
В качестве диспергатора композиция содержит смесь парафиновых восков, смесь парафиновых и монтановых восков, мета-крезол или другой растворитель поликарбоната.
Композиция может дополнительно содержать в своем составе светостабилизатор (УФ-стабилизатор) в количестве не более 1,5 масс. %.
Композиция может дополнительно содержать в своем составе термостабилизитор в количестве не более 1 масс. %.
Для состава 1:
Древесная мука 15 %,
Технический углерод 5%,
Мелкодисперсный порошок алюминия 2%,
Катализатор оксид железа (Fe2О3) 2 %,
Углеродные нанотрубки 0,1%,
Диспергатор 1%,
Молотое углеволокно 4%,
Остальное - поликарбонат,
Получены следующие данные физико-механических испытаний.
Результаты физико-механических испытаний предложенного состава 1 ПКМ приведены в Таблице 1
Таблица 1
Параметр, единица измерения
При 23°С
При минус 60°С
Напряжение при разрушении, МПа
52
32
Деформация при разрушении, %
4,5
3,5
Модуль Юнга, МПа
1760
1950
Удельное сопротивление, Ом*м
4,68
12
Ударная вязкость по Изоду, с надрезом, кДж/м2
25
10
Твердость по Шору Д
88
-
Как следует из результатов, приведенных в табл. 1, предложенный состав ПКМ обладает необходимыми физико-механическими характеристиками для обеспечения эксплуатационных требований НТ в температурном диапазоне -60°С - +60°С.
лпу
лпу
ппу
лпу
лпу
ппу
2) составляют N различных вариантов составов измельченных ПКМ (гранул) с массой m с различными композициями и значениями удельных поверхностей для лабораторной пиролизной установки (ЛПУ), при этом удельные поверхности определяют из условия равенства соотношения площади поверхности гранулы к ее массе равного аналогичному соотношению частицы измельченного материала из НТ в полноразмерной пиролизной установке (ППУ), соотношения интервалов времен нахождения пиролизного материала ΔТ и ΔТ, массу m выбирают из условия равенства времен подачи теплоты на поддержание реакции пиролиза и компенсацию тепловых потерь в ЛПУ, ППУ при соответствующих тепловых потоках q и q нагревателей пиролизных камер для ЛПУ и ППУ, помещают  каждый вариант ПКМ в ЛПУ и  осуществляют пиролиз, подают парогазовую смесь в дожигательную установку, а твердый остаток пиролиза в отдельную емкость и далее отправляют на анализ содержания токсичных веществ,
В качестве примера рассматривается количество вариантов ПКМ для проведения экспериментов, например, N = 3 с учетом варианта состава 1.
Состав 2:
Древесная мука 25 %,
Технический углерод 5%,
Мелкодисперсный порошок алюминия 2%,
Оксид железа (Fe2О3) 2 %,
Углеродные нанотрубки 0,1%,
Диспергатор 1%,
Молотое углеволокно 5%,
Остальное - поликарбонат.
Результаты физико-механических испытаний предложенного состава 2 ПКМ приведены в Табл. 2.
Таблица 2
Параметр, единица измерения
При 23°С
При минус 60°С
Напряжение при разрушении, МПа
35
20
Деформация при разрушении, %
4,5
3,2
Модуль Юнга, МПа
1100
1720
Удельное сопротивление, Ом*м
120
140
Ударная вязкость по Изоду, с надрезом, кДж/м2
18
8
Твердость по Шору Д
78
-
Состав 3:
Древесная мука 25 %,
Технический углерод 2%,
Мелкодисперсный порошок алюминия 2%,
Оксид железа (Fe2О3) 2 %,
Углеродные нанотрубки 0,01%,
Диспергатор 1%,
Молотое углеволокно 5%,
Остальное - поликарбонат.
Результаты физико-механических испытаний предложенного состава 3 ПКМ приведены в Табл. 3.
Таблица 3
Параметр, единица измерения
При 23°С
При минус 60°С
Напряжение при разрушении, МПа
32
18
Деформация при разрушении, %
4
3
Модуль Юнга, МПа
2120
1850
Удельное сопротивление, Ом*м
2800
2950
Ударная вязкость по Изоду, с надрезом, кДж/м2
10
3
Твердость по Шору Д
90,2
-
Как следует из результатов, приведенных в табл. 2, 3, предложенные составы ПКМ вариантов 2, 3 обладает близкими значениями к физико-механическими характеристиками варианта состава 1, приведенным в табл. 1.
Известно влияние степени измельчения и состава ПКМ на параметры процесса пиролиза (Орлов В.Н., Афанасьев В.В., Ковалев В.Г., Тарасов В.А. Влияние физико-химических факторов на процесс термораспада твердых углеродных материалов при линейном нагреве // Вестник Чувашского университета. - 2018. - № 3. - С. 102-113).
(S/Vρ)
= (S/Vρ)
S, V,
ρ
лпу
ппу
Обеспечение подобия физико-химических процессов, протекающих в ЛПУ и ППУ, а также оценки влияния величины измельченности материала (удельной поверхности) (Удельную поверхность выражают отношением общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объему или массе. Удельная поверхность пропорциональна дисперсности.) на параметры процесса пиролиза и, соответственно, токсичность топочных газов, осуществляется из условия равенства удельных поверхностей , где - поверхность, объем, плотность  измельченной частицы. Плотности частиц, получаемые из ПКМ и измельченной НП будут разными, соответственно, это учитывается в этом параметре.
Например, для измельченной частицы в ЛПУ в виде параллепипеда с параметрами со сторонами: а = b = 20 мм, с = 4 мм, и гранул, получаемых ПКМ в виде цилиндров с параметрами R = 5 мм, h = 10 мм, соотношением плотностей ПКМ и измельченной НП 0,7 - 0,8 удельные поверхности будут примерно равными с точность до 5 - 10%. Соответственно, количество значений параметра удельных поверхностей можно выбрать несколько.
m
Т
Т
q
ппу
ппу
ппу
ппу
Предварительно полагаем известными параметры процесса пиролиза в ППУ (массу измельченного материала, температуры нагрева , интервал времени нагрева Δ, тепловой поток ППУ  и т.д.).
m
m
ппу
лпу
Обеспечение подобия процессов тепло-и массообмена, химических процессов, происходящих в ЛПУ и в ППУ при проведении пиролиза измельченных масс  и , достигается за счет: обеспечения условий подобия тепловых потоков для нагрева, равенства температур нагрева измельченного материала, соотношение начальных объемов твердой и газовой фаз в пиролизных камерах ППУ и ЛПУ, равенства удельных поверхностей материала и т.д.
m
Q
Q
q
q
m
, m
лпу
ппу
лпу
ппу
лпу
ппу
лпу
Начальную массу загружаемого измельчаемого материала  определяют из условия равенства времен поступления необходимого количества теплоты  и  для поддержания процесса пиролиза и компенсации тепловых потерь путем подачи теплового потока  и  от нагревателей к пиролизным камерам ППУ и ЛПУ, в которых находятся. См., например, Кузнецов А.А. и др. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Л: Химия, 1974. (стр. 200 - 213); Павлов И. И., Федоров М. Н. Котельные установки и тепловые сети: Учебник для техникумов //М.: Стройиздат. - 1977. (стр. 53 - 55).
Традиционно при проведении пиролиза полимерных отходов с использованием различных методов используют процесс отделения жидкой фракции из парогазовой смеси, используя теплообменник. В рассматриваемом случае, учитывая специфику утилизации НТ в процессе проведения пиролиза не выделяют жидкую фазу, жидкая фракция и пиролизный газ в виде парогазовой смеси подается в дожигательную установку (ДУ).
У представляет собой объемную камеру, куда подается парогазовая смесь через эжектор (Устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой. Эжектор, работая по закону Бернулли, создает в сужающемся сечении пониженное давление одной среды, что вызывает подсос в поток другой среды, которая затем уносится и удаляется от места всасывания энергией первой среды.)  в факел дизельной (или керосиновой) форсунки, где происходит дожигание парогазовой смеси. Эжектор предназначен для подачи парогазовой смеси из пиролизной камеры с использованием воздушного потока. Расход через эжектор парогазовой смеси определяется параметрами эжектора (скорость подаваемого воздушного потока и величина сужения в подаваемой магистрали). В результате догорания парогазовой смеси и воздуха в факеле дизельной горелки получается топочный газ, который по газоходу через систему перегородок подается в измерительную камеру, в которой установлены датчики, которые осуществляют измерения концентрации токсичности составляющих топочных газов.
ij
ij
ij
3) проводят анализ состава токсичных веществ топочных газов, и твердого остатка пиролиза для каждого варианта n образца ПКМ, определяют количественные характеристики токсичных веществ для каждого варианта n образца ПКМ и составляют базы данных для топочных газов, твердого остатка пиролиза, из полученных баз данных строят регрессионные зависимости количественных характеристик каждого выделенного токсичного вещества для каждого варианта n образца ПКМ и определяют наиболее приемлемый состав композиции ПКМ, степени измельчения.
Согласно международному стандарту ISO 13344:2015 при оценке токсичности продуктов горения по составу газовой смеси, необходимо определить в ней концентрации СО, СO2, О2, HCN, НСl, HBr, HF, NOх, SO2, акролеина и формальдегида, поскольку именно эти газы являются основными газообразными соединениями, определяющими токсичность продуктов горения. После экспериментального определения концентраций перечня газов, теоретическим методом определяется показатель токсичности Кт, для каждого синтезированного состава ПКМ с заданной степенью измельчения, используя зависимости, представленные в работе, например [Соколик Г.А., Лейнова С.Л., Свирщевский С.Ф., Рубинчик С.Я., Клевченя Д.И., Гулевич А.Л. Метод оценки токсичности продуктов горения полимерных материалов по составу газовой смеси // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. 2012. №1 (15)].
Основным оборудованием для определения концентрации газов в составе топочных газов после дожигания продуктов пиролиза являются многоканальные стационарные газоанализаторы типа ГАНК-4М и ГАММА-100, для определения химического состава твердой фазы РФА-анализаторы типа X-Supreme 8000.
Предлагаемые действия позволяют определить эффективность системы дожигания, принятия решения о необходимости установки фильтров на топочные газы. (например, Соколик, Г.А. Состав и токсичность газовой фазы, образующейся при термическом разложении материалов, изготовленных на различной основе / Г.А. Соколик [и др.] // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. - 2009. - №2 (26). - С. 49-57). Токсичность твердой фазы продуктов пиролиза определяют традиционными способами (например, Иличкин, В.С. Токсичность продуктов горения полимерных материалов. Принципы и методы определения / В.С. Иличкин. - СПб.: Химия, 1993. - 133 с.).
Получение уравнений регрессионного анализа для каждого токсичного элемента как функции отдельных составляющих состава ПКМ, дисперсности, температуры пиролизной камеры и количества воздуха в дожигательной установке является стандартной процедурой, (например, Шашков В. Б. Прикладной регрессионный анализ. Многофакторная регрессия: Учебное пособие //Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ. - 2003. - Т. 363.).
Например, для уравнения регрессии:
2
x
где, - зависимый показатель токсичности каждого определяемого вещества (CO, CO, NO и др.); - коэффициенты функции линейной регрессии; - определяющие переменные (концентрации компонентов в составе ПКМ, дисперсность, температура в пиролизной камере, количество воздуха в ДУ); - случайная ошибка.
4)  вместо поликарбоната в составе композиции ПКМ используют полиэтилен, при этом в качестве композиции используют состав наполнители в мас. %: электропроводящие марки технического углерода 1-15, углеродные нанотрубки 0,1-5, углеволокно 1-5, полиэтилен - остальное.
Полимерная матрица (при использовании марок полиэтилена с низкой температурой хрупкости) позволит обеспечить прочность готового изделия при низких температурах. Углеродные наполнители (технический углерод, углеродные нанотрубки, молотое углеволокно) обеспечивают проводимость ПКМ для обеспечения условия снятия статического заряда, катализаторы разложения токсичных компонентов позволяют снизить токсичность продуктов пиролиза.
Описание устройства ЛПУ
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой лабораторной пиролизной установке по утилизации измельченного полимерного материала является патент РФ № 2120378 B29B 17/00, C08J 11/04 «Способ переработки отходов полиэтиленовой пленки и устройство для его осуществления», основанный на пиролизе предварительно измельченных конструкций из пластикового материала. Установка для пиролиза полимерного материала, содержащая печь в виде цилиндрического металлического корпуса с футеровкой, установленную в ней соосно пиролизную камеру с кольцевым зазором, источник обогрева, средство для отвода продуктов пиролиза, включающее патрубок для отвода парогазовой смеси, механизм загрузки сырья, отличающаяся тем, что металлический корпус печи выполнен цельным с расширением в нижней части, пиролизная камера выполнена стационарной в виде змеевика, установленного внутри металлического корпуса, средство для отвода продуктов пиролиза выполнено в виде патрубка для отвода парогазовой смеси и твердого остатка, механизм загрузки сырья выполнен в виде бункера и загрузочного устройства, соединенного с нижней частью пиролизной камеры через патрубок попеременной подачи инертного газа или парогазовой смеси с сырьем, при этом установка дополнительно содержит полый цилиндр, соосно установленный внутри пиролизной камеры с зазором, трубу подвода воздуха, установленную в нижней части печи, циклонную установку для отделения парогазовой смеси от твердого остатка и перемещения сырья и парогазовой смеси, состоящую из циклона и вентилятора и соединенную с верхней частью пиролизной камеры через патрубок отвода продуктов пиролиза, распределительное устройство, соединенное с циклонной установкой через патрубок отвода парогазовой смеси и с загрузочным устройством через трубу по переменной подаче парогазовой смеси или инертного газа, при этом распределительное устройство дополнительно соединено с теплообменником, с баллоном с инертным газом и трубой отвода воздуха.
К недостаткам этого устройства для реализации ЛПУ относятся:
- повышенная сложность способа и устройства, предусматривающая применение этого технического решения в условиях специализированного предприятия;
- наличие технологической цепочки для получения жидкой фракции продуктов пиролиза и отсутствие контроля за токсичностью продуктов утилизации;
- использование полученных продуктов пиролиза для сжигания в пиролизной печи с последующим выбросом токсичных топочных газов в атмосферу.
Цель предлагаемого устройства является создание ЛПУ для определения влияния на токсичность топочных газов: а) составов ПКМ,
б) дисперсности измельченного материала, в) температуры нагрева пиролизной камеры, г) расхода воздуха в эжектор, а также необходимости установки различных фильтров на топочные газы.
Поставленная цель достигается тем, что в состав известного устройства, содержащего печь, пиролизную камеру, выполненной в виде цилиндрического металлического корпуса, средство для отвода пиролизного газа, вводят следующие изменения:
- пиролизная камера выполнена горизонтально в виде неподвижного цилиндра с установленным в верхней части коллектором для сбора парогазовой смеси и подачи в дожигающую установку,
- загрузка измельченной массы и выгрузка твердых продуктов пиролиза осуществляется в пиролизную камеру порционно, через разъемное герметичное соединение в пиролизной камер.
Пояснение и обоснование ЛПУ
На фиг. 2 - принципиальная схема лабораторной пиролизной установки, включающая в свой состав камеру пиролизной установки с системой нагрева и подачей парогазовой смеси в систему дожигания.
1 - пиролизная камера; 2 - крышка для загрузки измельченного ПКМ со смотровым окном; 3 - термопары; 4 - измеритель температур; 5 - датчик давления; 6 - предохранительный клапан сброса давления; 7 - измельченный ПКМ; 8 - электрический нагреватель; 9 - источник питания нагревателя.
Функционирование ЛПУ
В пиролизную камеру 1 через крышку 2 загружается измельченный ПКМ 7. Крышку 2 закрывают, с помощью источника питания 9 подают требуемую мощность на электрический нагреватель 8. Температуру электрического нагревателя 8, измельченного ПКМ 7 и пирогаза измеряют термопарами 3 и многоканальным измерителем температур 4. Датчик давления 5 показывает давление в пиролизной камере 1 в процессе пиролиза. Предохранительный клапан сброса давления срабатывает при аварийной ситуации в случае достижения критического давления в пиролизной камере 1. Остатки твердой фазы после завершения процесса пиролиза извлекаются из пиролизной камеры 1 через крышку 2.
Прототипом для дожигательной установки является бытовой газовый-дизельный котел, например, «Eco Lux» компании «Jaspi» [https://skk-eng.ru/kotly-otopleniya/kombinirovannye-kotly/jaspi-eco-17-lux. Электронный ресурс, дата обращения: 26.11.21], который представляет собой сварную конструкцию прямоугольной формы, состоящую из топки, конвективного газохода, тепловой изоляции, теплообменника, дизельной и газовой горелки и системы управления.
Основными недостатками указанного технического решения для реализации предлагаемого способа являются:
- существующая камера сгорания не предусматривает возможность дожигания парогазовой смеси;
- отсутствует система измерения токсичных составляющих и т.д.
Цель предлагаемого устройства заключается в организации параллельного дожигании парогазовой смеси, в факеле штатной форсунки, проведения измерений токсичных составляющих в топочных газах.
Поставленная цель достигается введением в известное устройство представляющее собой сварную конструкцию прямоугольной формы, состоящую из топки, конвективного газохода, тепловой изоляции, теплообменника, системы управления,
вводят следующие устройства:
- дополнительная форсунка с эжектором воздушно-парогазовой смеси,
- воздушный компрессор с регулятором давления подачи на эжектор,
-измеритель температур,
- система измерения концентрации токсичных составляющих в топочных газах.
На фиг. 3 - дожигательная установка, включающая в свой состав: 1 - дожигающую камеру; 2 - форсунку воздушно-парогазовой смеси; 3 - штуцер подвода парогазовой смеси; 4 - эжектор; 5 - редуктор давления воздуха; 6 - компрессор; 7 - манометр; 8 - многоканальный газоанализатор; 9 - щуп газоанализатора; 10 - дымовая труба; 11 - термопары; 12 - газодинамические перегородки; 13 - измеритель температур; 14 - дизельная (керосиновая) горелка; 15 - топливный бак дизельной (керосиновой) горелки.
Функционирование дожигающей камеры
В камеру сгорания дожигательной установки 1 через форсунку 2 по принципу Вентури с помощью эжектора 4 вместе с воздухом через штуцер 3 подается пирогаз из пиролизной установки. Подготовка воздуха осуществляется компрессором 6 с манометром 7, расход воздуха и, соответственно, попутного пирогаза регулируется с помощью регулируемого редуктора давления 5. Дожигание пирогаза в факеле осуществляется с помощью дизельной горелки 14, имеющей автономное питание из бака 15. Контроль температуры в камере сгорания и температуры топочных газов в зоне измерения концентрации газов осуществляется с помощью термопар 11 и измерителя температур 13. Газодинамические перегородки 12 служат для увеличения времени нахождения топочных газов внутри дожигательной установки. Измерение концентрации газов в газовой смеси топочных газов осуществляется с помощью многоканального стационарного газоанализатора через щуп 9. Отработавшие топочные газы выбрасываются через дымовую трубу 10 в атмосферу.
Использование предлагаемой группы изобретений позволяет осуществить синтез состава ПКМ для изготовления НТ, отвечающей требованиям эксплуатации в условиях Крайнего Севера и приравненных к ним территориям, с последующей утилизацией отработавшей НТ методом пиролиза, с допустимым уровнем воздействия на окружающую среду при дожигании парогазовой смеси в традиционной жидкотопливной котельной. Выбор состава ПКМ, величины измельчения НТ, режима пиролиза, подачи воздуха в форсунку подачи парогазовой смеси определяют в лабораторных условиях, при этом соблюдаются подобие тепло-физических процессов, протекающих в лабораторной и реальной полноразмерной установках.