Устройство для переработки резиновых отходов
DEVICE FOR PROCESSING RUBBER WASTE

Изобретение относится к технологии переработки отходов и может быть применено в резинотехнической, химической промышленности, топливно-энергетическом комплексе, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве для получения топливных и сырьевых ресурсов из отходов.
Известен процесс и установка по переработке резиносодержащих отходов (патент РФ №2460743, МПК C08J 11/20, опубликован 10.09. 2012 г.).
Установка по переработке резиносодержащих отходов содержит реактор, фильтр, печь, теплообменную и сепарационную аппаратуру. Реактор состоит из двух секций: секции термолиза резиновой крошки и секции доведения технического углерода до товарной кондиции; обе секции объединены общим фильтром, расположенным между секциями, а также расположенным внутри реактора - спирального транспортера -движителя твердых продуктов, при этом в качестве движителя используют вращающуюся спираль, либо обе секции используются независимо друг от друга, при этом каждую снабжают своим фильтром и своей спиралью.
В установке используют фильтр из нержавеющей сетки с коротко-импульсной продувкой газом, полученным в процессе термолиза, путем сжатия его в компрессоре для отделения от него конденсата теплоносителя - компонента синтетической нефти.
К недостаткам данного устройства относятся:
1. Неполное извлечение жидкой фракции (масла) из газового потока, в результате чего теряется часть ценных жидких продуктов. Это обусловлено тем, что образующийся технический углерод с адсорбированным маслом продувают воздухом, при этом текстильный корд полностью сжигается, часть масел сгорает, а часть выносится с дымовыми газами.
2. Низкое качество технического углерода из-за адсорбции масла, и поэтому для удаления части масла технический углерод продувают воздухом, в результате чего поверхность углерода окисляется и его качество ухудшается.
3. Высокая энергоемкость процесса, обусловленная необходимостью использовать циркулирующий теплоноситель, который необходимо отделять от паров углеводородов, образующихся в результате термического разложения резины, затем нагревать в теплообменнике, испарять и перегревать в печи перед подачей в реактор.
Известна пиролизная печь (патент РФ №2441053, МПК F23G 5/027, С10В 53/00, опубликован 27.01.2012 г.).
Печь содержит бункер, шнековый пресс, тепловую камеру с горелками на пиролизном газе, где внутри корпуса шнекового механизма расположен под углом к направлению движения сырья отсекатель потока, а выше этого шнека расположены встречно по движению сырья, как правило, больше одного, пиролизные шнековые механизмы со своими отсекателями потока, причем привод на каждый шнековый механизм, как правило, от одного мотора с редуктором, и верхние шнековые механизмы имеют присоединенные к ним трубы для удаления пиролизного газа для полезного использования и работы горелок тепловой камеры, а нижний шнековый механизм подачи сырья имеет отверстия для выхода пара в тепловую камеру, а тепловая камера имеет на боковых стенках и под потолком трубы водяного котла для полезного использования тепла от горелок.
Недостатками данной печи являются:
1. Неполное извлечение жидкой фракции (масла) из газового потока, в результате чего теряется (сжигается в горелках тепловой камеры) часть ценных жидких продуктов и при этом образуются высокие выбросы вредных веществ окружающую среду, обусловленные невозможностью реализовать в горелках тепловой камеры полное сжигание пиролизных газов с высоким содержанием смол.
2. Низкое качество твердых продуктов пиролиза из-за наличия остаточных углеводородов (летучих продуктов), которые невозможно выделить в процессе сушки и поэтому необходима дополнительная термическая обработка данных продуктов при высокой температуре порядка 800°С.
3. Высокая энергоемкость процесса, обусловленная тепловыми потерями в процессе, а также необходимостью повышения температуры в печи до 800°С.
Известен способ и устройство для паротермической переработки резиновых отходов (патент Республики Беларусь №13279, МПК C08J 11/00, С10В 53/07, публикация 2010.06.30).
Устройство включает камеру нагрева, в которой размещен реактор, выполненный в виде двух равных частей, заключенных в кожух, размещенных в вертикальной плоскости одна над другой и соединенных последовательно для просыпания отходов из верхней в нижнюю часть, каждая из которых снабжена шнеком и пароперегревателем в виде намотанного по длине кожуха змеевика - трубопровода, вход которого подключен к парогенератору, а выход подключен к кожуху на входе верхней части реактора, камера нагрева со стороны загрузки отходов подключена к выходу камеры сжигания топлива, а своим выходом подключена к парогенератору, верхняя часть реактора соединена патрубком со шнеком загрузки отходов, снабженным бункером с шлюзовым затвором, и с помощью трубопровода подключена к соединенным последовательно трем конденсаторам, выход горючего газа из третьего конденсатора подключен к камере сжигания топлива, а нижняя часть реактора соединена патрубком с бункером выгрузки с шлюзовым водяным затвором, к которому своим входом подключен шнек выгрузки, выход которого подключен ко входу барабанной сушилки, которая на входе с помощью трубопровода подключена к выходу продуктов сгорания из парогенератора, а на выходе подключена последовательно к шнеку выгрузки твердых продуктов и фильтру газоочистки продуктов сгорания, подключенному к дымовой трубе. Недостатками данного устройства являются:
1. Неполное извлечение с помощью конденсаторов жидкой фракции из газообразных продуктов пиролиза изношенных шин, в результате чего теряется (сжигается в камере сжигания) часть ценной составляющей легкой фракции, а также загрязнение жидкой фракции мелкодисперсной пылью, которая образуется в результате измельчения твердых продуктов при работе шнеков и выносится из реактора в систему конденсации с потоком газообразных продуктов разложения.
2. Низкое качество твердых продуктов пиролиза изношенных шин из-за наличия остаточных углеводородов (летучих продуктов), которые невозможно выделить в процессе сушки и поэтому необходима дополнительная термическая обработка данных продуктов при высокой температуре порядка 600-800°С.
3. Высокая энергоемкость процесса, обусловленная большими тепловыми потерями в процессе пиролиза шин в реакторе, а также потерями тепла в конденсаторах (тепло отводится с охлаждающей водой).
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является принятый нами за прототип способ переработки отходов термопластов и установка для его реализации (патент РФ №2459843, МПК C08J 11/04 (2006.01), опубликован 27.08. 2012 г.).
Установка для переработки отходов термопластов содержит узел предварительной подготовки обрабатываемых отходов, узел термического разложения продуктов на парогазовую смесь и твердый остаток и систему фракционирования парогазовой смеси. Узел термического разложения содержит наклоненный под углом к горизонту реактор, размещенный в камере обогрева с горелками для газового топлива и газоходом отвода продуктов сжигания газового топлива и снабженный устройствами для выгрузки твердого остатка и отвода парогазовой смеси, при этом внутри реактора размещен шнек, привод которого смонтирован вне реактора, а устройство отвода парогазовой смеси состоит из газохода, снабженного греющей рубашкой, с установленной на нем запорной арматурой, вход которой соединен с газоходом отвода продуктов сжигания газового топлива камеры обогрева реактора, а выход - с греющей рубашкой питателя, при этом устройство отвода парогазовой смеси соединено с системой фракционирования парогазовой смеси, которая содержит последовательно установленные два конденсатора воздушного охлаждения с патрубками подачи и отвода воздуха и фильтр-циклон, соединенный газоходами с горелками для газового топлива камеры обогрева реактора.
Недостатками данного устройства являются:
1. Неполное извлечение с помощью системы фракционирования жидкой фракции из газообразных продуктов пиролиза отходов, в результате чего теряется часть ценной составляющей легкой фракции, а также загрязнение жидкой фракции мелкодисперсной пылью, которая образуется в результате измельчения твердых продуктов при работе шнеков и выносится из реактора в систему конденсации с потоком газообразных продуктов разложения.
2. Низкое качество твердого остатка пиролиза отходов из-за наличия остаточных углеводородов (летучих продуктов), которые невозможно выделить в процессе сушки и поэтому необходима дополнительная термическая обработка данных продуктов при высокой температуре порядка 600-800°С.
3. Высокая энергоемкость процесса, обусловленная большими тепловыми потерями в процессе пиролиза отходов в реакторе, а также потерями тепла в конденсаторах (тепло отводится с охлаждающей водой).
Задачей предполагаемого изобретения является повышение качества получаемых продуктов из резиновых отходов, а также уменьшение энергетических затрат на процесс переработки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для переработки резиновых отходов, содержащем реактор, снабженный шнеком и размещенный в камере обогрева, узел термического разложения, горелки, конденсатор, фильтр-циклон, устройства для выгрузки твердого остатка и отвода парогазовой смеси, согласно изобретению, реактор выполнен в виде двух одинаковых секций, размещенных в горизонтальной плоскости и соединенных параллельно по боковой поверхности, а узел термического разложения выполнен в виде шнеков с установленными по оси каждого трубами нагрева и размещенных в каждой секции реактора, по всей длине каждого шнека, параллельно по углам равностороннего треугольника в соприкосновении и перпендикулярно к боковой поверхности трубы нагрева установлены пластины, а внутри каждой трубы нагрева установлен трубчатый змеевик, к одному торцу каждой трубы непосредственно подключена цилиндрическая топка, которая снабжена испарителем и горелкой, установленной в торце топки по касательной к боковой поверхности топки и перпендикулярно к ее оси, выход конденсатора подключен к сепаратору жидкой фракции на углеводороды и воду, а каждый трубчатый змеевик своим входом подключен к выходу испарителя, вход испарителя подключен к выходу воды из сепаратора, а выход каждого змеевика соединен с реактором, другой торец каждой трубы нагрева подключен к входу камеры обогрева, устройство отвода парогазовой смеси выполнено в виде двух перфорированных труб с заглушенным входом, размещенных в верхней части реактора по одной в каждом его элементе, фильтр-циклон снабжен рубашкой обогрева, вход которой подключен к выходу камеры обогрева, а выход рубашки обогрева подключен к входу калорифера, выход калорифера подключен к дымовой трубе, вход камеры нагрева калорифера подключен к атмосфере, а выход камеры нагрева калорифера подключен к трубе нагрева, выходы перфорированных труб подключены к входу фильтра-циклона, с фильтрующим элементом в виде мешка из термостойкой углеродной ткани, снабженной встряхивающим устройством, а выход фильтра-циклона подключен к входу конденсатора, выход конденсатора по газу подключен к трубам нагрева, устройство для выгрузки твердого остатка подключено к входу магнитного сепаратора, который своим выходом подключен к электростатическому сепаратору.
Выполнение реактора в виде двух одинаковых секций, размещенных в горизонтальной плоскости и соединенных параллельно по боковой поверхности, обеспечивает снижение тепловых потерь при одновременном увеличении производительности реактора. В случае выполнения реактора в виде двух изолированных друг от друга секций тепловые потери будут больше, чем при соединении секций параллельно по боковой поверхности. Снижение тепловых потерь обеспечивает уменьшение энергетических затрат на процесс переработки отходов.
Узел термического разложения, выполненный в виде шнеков с установленными по оси каждого трубами и размещенных в каждой секции реактора обеспечивает эффективное термическое разложение паров высокомолекулярных углеводородов, образующихся при термолизе резиновых отходов, на компоненты с более низкой молекулярной массой. При этом на процесс термического разложения углеводородов затрачивается тепловая энергия, которую необходимо подводить к парам углеводородов.
В нашем случае эффективность термического разложения (уменьшение времени на процесс разложения) обеспечивается за счет того, что выделяющиеся из отходов пары углеводородов движутся от поверхности отходов вверх и обтекают нагретые до высокой температуры трубы, которые размещены непосредственно (вблизи) над поверхностью отходов. В результате нагрева паров путем конвективного теплообмена с поверхностью труб и путем излучения осуществляется термическое разложение в первую очередь высокомолекулярных углеводородов (высокомолекулярные углеводороды термически менее стойкие, чем низкомолекулярные) с образованием более ценных (легких) углеводородов. Таким образом, повышается качество жидких продуктов термолиза резиновых отходов. Термическое разложение высокомолекулярных углеводородов приводит к существенному снижению их в парогазовой смеси, которая выводится в систему конденсации. В противном случае (при значительном содержании высокомолекулярных углеводородов в парогазовой смеси) при течении смеси по трубопроводам и поступлении ее в систему конденсации происходит на всем протяжении протекания смеси отложение смол (конденсация из парогазовой смеси) на стенках трубопроводов и теплообменной поверхности конденсатора. Этот эффект приводит к зарастанию трубопроводов смолами и выходу конденсатора из строя.
В процессе термического разложения паров высокомолекулярных углеводородов на стенках труб неизбежно образуется слой сажи, который снижает передачу тепла от труб к отходам. Образование слоя сажи на поверхности труб создает теплоизоляционную рубашку и трубы в результате перегрева прогорают, а реактор выходит из строя. Для постоянного снятия слоя сажи с поверхности труб по всей длине каждого шнека, параллельно друг другу по углам равностороннего треугольника в соприкосновении и перпендикулярно к боковой поверхности каждой трубы шнека установлены пластины.
При вращении шнека пластины скользят по боковой поверхности труб и срезают образующуюся сажу, которая под действием своего веса выпадает на поверхность отходов, перемещаемых шнеками.
Образующаяся из паров углеводородов сажа практически не содержит зольных включений в виде минеральных составляющих потому, что в парах углеводородов не содержатся минеральные примеси (окислы кремния, железа, цинка и др.). При смешивании данной сажи с твердым остатком снижается содержание минеральных примесей в смеси, в результате чего качество твердых продуктов термолиза резиновых отходов повышается (снижается содержание золы, увеличивается удельная поверхность). Установка трубчатого змеевика внутри каждой трубы позволяет регулировать температуру поверхности трубы и тем самым регулировать скорость и количество образующейся на поверхности трубы сажи. Эта регулировка осуществляется путем изменения расхода водяного пара, прокачиваемого через змеевик. Одновременно при этом водяной пар перегревают до заданной температуры и подают через змеевик в реактор в качестве рабочего водяного пара.
Для осуществления процесса переработки резиновых отходов необходимо подводить тепловую энергию в реактор. Подключение цилиндрической топки к торцу каждой трубы шнека позволяет непосредственно в реактор через трубу подводить тепловую энергию.
Для обеспечения полного сгорания топлива топка снабжена горелкой, установленной в торце топки по касательной к боковой поверхности топки и перпендикулярно к ее оси, что позволяет создать в топке вихревое горение, при котором происходит полное сжигание топлива, в результате чего уменьшаются энергетические затраты на процесс переработки отходов. Продукты сгорания из топки протекают по трубе в течение некоторого времени, в результате чего осуществляется полное дожигание топлива, а также разложение вредных веществ.
Снабжение топки испарителем позволяет генерировать рабочий водяной пар без применения специального парогенератора, а также обеспечить охлаждение стенок топки для исключения их прогорания и снизить тепловые потери в окружающую среду, поскольку тепло через боковые стенки топки передается испарителю, а не сбрасывается в окружающую среду, т.е. в данном случае испаритель играет роль эффективной тепловой изоляции топки (эффективной потому, что тепло полезно используется для получения рабочего водяного пара), а это приводит к снижению энергетических затрат на процесс переработки отходов.
Для производства рабочего водяного пара в испаритель необходимо постоянно подавать воду. Поэтому вход испарителя подключен к выходу воды из сепаратора, в котором осуществляют разделение жидких продуктов на воду и жидкие углеводороды. Отделяемая в сепараторе вода образуется в конденсаторе в результате конденсации рабочего водяного пара и не содержит солей. Эта вода используется в замкнутом цикле, что позволяет значительно снизить использование воды из других источников и обеспечить снижение расхода воды на процесс переработки отходов.
Подключение каждого трубчатого змеевика своим входом к выходу испарителя обеспечивает подачу водяного пара в змеевик и протекание пара по змеевику под действием избыточного давления, которое создается в испарителе в результате нагрева.
Для подачи водяного пара в реактор выход каждого змеевика соединен с реактором.
Важно то, что выходящий перегретый водяной пар из змеевика обтекает поверхность труб шнеков и контактирует с сажей, образующейся на поверхности. Поскольку сажа на поверхности имеет температуру около 700-800°С, то контакт ее с водяным паром приводит к реакции разложения водяного пара с образованием водорода и оксида углерода. Образующийся водород при высокой температуре в реакторе смешивается с парами углеводородов, в результате чего протекают реакции гидрирования, т.е. снижения содержания в парогазовой смеси непредельных соединений, а это улучшает качество образующихся жидких углеводородов.
Протекающие по трубам шнека продукты сгорания топлива выходят из труб при высокой температуре (не ниже чем температура в реакторе, т.е. около 500-600°С) и поэтому для повышения энергоэффективности оборудования и снижения энергетических затрат на процесс переработки данные продукты не выбрасывают в атмосферу, а направляют в камеру обогрева, что обеспечивается в результате подключения торца (выхода) каждой трубы шнека к камере обогрева.
Выполнение устройства отвода парогазовой смеси в виде двух перфорированных труб с заглушенным входом, размещенных в верхней части реактора по одной в каждом его элементе и подключение их к входу фильтра-циклона, с фильтрующим элементом в виде мешка из термостойкой углеродной ткани, снабженной встряхивающим устройством, обеспечивает вывод парогазовых продуктов из реактора и очистку их от мелкодисперсных частиц сажи (углерода), которые образуются при вращении шнека и измельчении твердого остатка, а также при срезании слоя сажи с поверхности труб. При этом крупные частицы твердого остатка сажи не проходят через перфорацию труб. Создание перфорации на поверхности труб позволяет увеличить общее сечение, через которое выводят парогазовую смесь из реактора, и снизить скорость газового потока на поверхности труб, т.е. снизить количество уносимых из реактора твердых частиц.
Поскольку парогазовая смесь имеет высокую температуру (400-500°С), то в качестве фильтрующего элемента в фильтре-циклоне установлен мешок из термостойкой углеродной ткани. При этом фильтрация парогазовой смеси при высокой температуре предотвращает оседание конденсата паров углеводородов на фильтрующем элементе и забивание его. Поскольку в результате оседания частиц на поверхности углеродной ткани создает сопротивление потоку парогазовой смеси через фильтр-циклон, то фильтрующий элемент регулярно (1-3 раза в минуту) встряхивают с помощью встряхивающего устройства и сбрасывают сажу в накопитель фильтра.
Снабжение фильтра рубашкой обогрева, вход которой подключен к выходу камеры обогрева реактора, позволяет поддерживать высокую температуру фильтра-циклона (выше температуры конденсации паров углеводородов), чтобы исключить их конденсацию в самом фильтре-циклоне и оседание конденсата паров на поверхности углеродной ткани.
Выходящие из рубашки обогрева продукты сгорания имеют высокую температуру и поэтому выход рубашки обогрева фильтра-циклона подключен к входу калорифера, что позволяет охладить продукты сгорания до температуры 200-250°С, после чего направить их в дымовую трубу. При этом за счет тепла охлаждения продуктов сгорания нагревают воздух, который с помощью вентилятора прокачивают через камеру нагрева калорифера и подают в трубы нагрева. Подача нагретого до 150-250°С воздуха в трубы нагрева для сжигания неконденсирующихся паров углеводородов позволяет полезно использовать тепло и приводит к снижению энергетических затрат на процесс переработки резиновых отходов. При этом также возрастает температура горения в трубах нагрева, что приводит к снижению выбросов стойких органических загрязнителей в атмосферу.
Подключение выхода фильтра-циклона к входу конденсатора позволяет подать парогазовую смесь, очищенную от твердых частиц, в конденсатор для охлаждения ее и конденсации водяных паров и паров углеводородов.
В конденсаторе часть паров углеводородов, имеющих низкую температуру кипения (ниже 100°С) не конденсируется. Для предотвращения выброса неконденсирующихся паров углеводородов в окружающую среду выход конденсатора по газу подключен к трубам нагрева. Таким образом, неконденсирующиеся пары углеводородов подают в трубы нагрева и сжигают, что позволяет полезно использовать энергию паров и снизить расход жидкого топлива на процесс переработки.
Образующийся при переработке резиновых отходов твердый остаток имеет высокую зольность (около 12-14 масс. %, что зависит от вида резиновых отходов) и поэтому не может быть использован для производства ответственных резиновых изделий. Поэтому устройство выгрузки твердого остатка подключено к магнитному сепаратору и коронному электростатическому сепаратору, в котором из твердого остатка отделяется зола. При этом улучшается качество твердого остатка. А отделенная зола содержит большое количество оксида цинка (в зависимости от вида резины это содержание может достигать 30-40%, что значительно выше, чем содержание оксида цинка в концентратах, используемых для его получения) и поэтому представляет собой ценное сырье для получения оксида цинка.
Таким образом, подключение коронного электростатического сепаратора позволяет не только улучшить качественные показатели твердых продуктов переработки резиновых отходов, но и получить ценное сырье для производства оксида цинка.
На фиг. 1, 2, 3 приведен общий вид и детали устройства для переработки резиновых отходов.
Устройство содержит накопитель 1, подключенный к бункеру 2 с затворами 3 и 4 для подачи отходов 5; реактор 6; двигатель 7, подключенный к шестерне 8, которая подключена к шестерне 9; шнеки 10; емкость 11, подключенную к крану-регулятору 12; горелки 13; цилиндрические топки 14 с испарителями 15; краны 16, подключенные к трубчатым змеевикам 17, установленным в трубах нагрева 18; выходы для пара 19; датчики температуры 20; трубопровод 21; рубашку нагрева реактора 22; кран 23; рубашку фильтра 24; фильтр-циклон 25 с фильтрующим элементом 26; датчик температуры 27; калорифер 28 с камерой нагрева 29; вентилятор 30; датчик температуры 31; дымосос 32, подключенный к дымовой трубе 33; шибер 34; датчик температуры 35; высокотемпературное уплотнение 36; скребки 37; перфорированные трубы 38; кран 39; встряхивающее устройство 40; накопитель 41; компрессор 42; конденсатор 43; градирню 44; датчик температуры 45; сепаратор 46; накопитель 47; фильтр для воды 48; кран 49; накопитель 50; кран 51; выход для углеродного остатка 52; дозатор - охладитель 53; магнитный сепаратор 54; накопитель 55; электростатический сепаратор 56; накопители 57 и 58; кран 59.
Согласно изобретению устройство работает следующим образом.
Из накопителя 1 в бункер 2 при закрытых затворах 3 и 4 подают измельченные резиновые отходы 5 в виде чипсов. После заполнения бункера 2 открывают затвор 3 и отходы из бункера 2 просыпаются вниз и задерживаются на затворе 4. После этого закрывают затвор 3, открывают затвор 4, и отходы просыпаются в реактор 6. Затем затвор 4 закрывают. Одновременно с помощью двигателя 7 приводят во вращение шестерню 8, входящую в зацепление с шестерней 9, которая подключена к первому шнеку 10, и входящей в зацепление с шестерней второго шнека. Такое подключение шестерней при вращении шестерни 8 приводит к вращению шнеков навстречу друг другу. При этом отходы транспортируются от загрузки к выгрузке. Вращающиеся навстречу друг другу шнеки интенсивно перемешивают отходы и перемещают их, в результате чего интенсифицируется (возрастает) передача тепла к отходам.
Время перемещения отходов по реактору регулируют путем изменения числа оборотов двигателя 7. Одновременно с началом процесса перемещения отходов из емкости 11 через краны - регуляторы 12 в горелки 13 (на фиг. 1 показана одна горелка) подают топливо и сжигают его. Горелки 13 установлены в цилиндрических топках 14 и при сжигании топлива образуется вихрь продуктов сгорания с высокой температурой. В результате происходит полное сгорание топлива и снижается образование вредных соединений (бенз(а)пирены и др.) в продуктах сгорания. При этом одновременно интенсифицируется теплообмен продуктов сгорания с испарителем 15, что обеспечивает возможность при небольших габаритах испарителя производить достаточное количество рабочего водяного пара. Водяной пар из испарителей 15 при температуре 100-110°С через краны 16 с заданным расходом подают в трубчатые змеевики 17, установленные в трубах нагрева 18.
Из цилиндрических топок 14 продукты сгорания топлива поступают в трубы нагрева 18. Протекая по трубам нагрева 18, продукты сгорания топлива нагревают реактор, а также протекающий по трубчатым змеевикам 17 водяной пар. Регулируя с помощью кранов 16 расход водяного пара через трубчатые змеевики 17, поддерживают температуру пара на выходах 19 в интервале 450-500°С. При этом температуру водяного пара, выходящего из каждого трубчатого змеевика 17 через выход 19, контролируют с помощью датчиков температуры 20.
Поскольку трубчатые змеевики 17 установлены непосредственно в трубах нагрева 18, то поток продуктов сгорания турбулизируется (устанавливается турбулентный режим течения продуктов сгорания), в результате чего значительно увеличивается теплоотдача от потока к самим трубчатым змеевикам 17, а также к стенкам труб нагрева 18 и далее от стенок путем конвекции и излучения увеличивается поток тепла в реактор 6.
Из труб нагрева 18 продукты сгорания выходят по трубопроводу 21, соединяющему обе трубы нагрева, в рубашку нагрева 22. Протекая по рубашке нагрева 22, продукты сгорания дополнительно нагревают реактор.
Через кран 23 продукты сгорания направляют в рубашку 24 фильтра-циклона 25. Это необходимо для поддержания температуры фильтра выше температуры конденсации паров углеводородов, которые образуются при термолизе резиновых отходов. В противном случае при снижении температуры часть паров углеводородов будет конденсироваться в фильтре-циклоне 25 и осаждаться на фильтрующем элементе 26, в результате чего фильтрующий элемент выйдет из строя.
При этом температуру в фильтре-циклоне 25 контролируют по показаниям датчика температуры 27 и поддерживают в интервале 350-400°С путем регулирования расхода, продуктов сгорания с помощью крана 23. Прошедшие через рубашку 24 фильтра 25 продукты сгорания подают в калорифер 28 и охлаждают до температуры 200-250°С путем прокачки воздуха через камеру нагрева 29 с помощью вентилятора 30. При этом температуру охлаждения продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика температуры 31. Охлажденные продукты сгорания из калорифера 28 с помощью дымососа 32 выводят в дымовую трубу 33. Нагретый в калорифере воздух с помощью вентилятора 30 через шиберы 34 подают в равных количествах в трубы нагрева 18.
Это позволяет полезно использовать тепло продуктов сгорания, которые выходят из рубашки нагрева 24 при высокой температуре (350-400°С). При этом снижается расход топлива за счет полного использования теплоты продуктов сгорания и предотвращается выброс тепловой энергии в окружающую среду с продуктами сгорания, т.е. повышается энергетическая эффективность процесса переработки изношенных шин.
С перегретым водяным паром непосредственно в реактор 6 вводят тепло в области подачи исходных резиновых отходов, имеющих температуру, близкую к температуре окружающей среды (поданные в реактор отходы еще не прогрелись).
Подача перегретого водяного пара в эту область (зону реактора) обеспечивает высокую разность температур между перегретым до 500°С водяным паром и холодными отходами с температурой примерно 30-40°С. А это (высокая разность температур) обеспечивает высокие потоки тепла от пара к отходам путем конвективного переноса тепловой энергии, в результате чего ускоряется нагрев отходов и снижается время их переработки.
Резиновые отходы перемещаются по реактору 6 и нагреваются в результате контакта с горячими стенками реактора, а также путем конвективного теплообмена с подаваемым в реактор водяным паром, путем излучения от труб нагрева и конвективного теплообмена с поверхностью труб нагрева.
Размещение труб нагрева по осям каждого шнека позволяет приблизить трубы нагрева к поверхности резиновых отходов, что улучшает перенос тепла не только излучением, но и конвекцией. Поскольку в реакторе находится водяной пар и пары углеводородов, которые поглощают тепловое излучение, то для снижения величины этого поглощения необходимо снижать расстояние от труб нагрева до поверхности резиновых отходов. При большем расстоянии от труб нагрева до поверхности отходов значительная часть (зависит от расстояния, которое проходит тепловое излучение) теплового излучения будет поглощаться парогазовой смесью (смесь водяного пара и паров углеводородов), и поэтому снизится тепловой поток к самим отходам, что приведет к увеличению времени разложения отходов, а значит снижению производительности и росту энергетических затрат на процесс переработки отходов.
В процессе нагрева резиновых отходов в реакторе 6 до температуры 300-400°С начинает протекать термолиз резиновых отходов с выделением газообразных продуктов и твердого углеродного остатка. При этом температуру в реакторе 6 контролируют по показаниям датчика температуры 35 и регулируют путем изменения количества топлива, сжигаемого в горелках 13. Газообразные продукты разложения отходов смешиваются с водяным паром, в результате чего в реакторе 6 образуется парогазовая смесь, и давление в реакторе поднимается выше атмосферного. При этом для исключения выхода парогазовых продуктов из реактора 6 в окружающую среду и обеспечения вращения шнеков 10 в каждой секции реактора установлены высокотемпературные уплотнения 36.
Парогазовые продукты, образовавшиеся в результате термолиза резиновых отходов, контактируют с поверхностью труб нагрева, имеющей высокую температуру (700-800°С), в результате чего протекает термическое разложение высокомолекулярных углеводородов с образованием углеводородов меньшей массы и сажи, которая в виде слоя отлагается на поверхности труб нагрева. Этот слой сажи необходимо непрерывно снимать с поверхности труб нагрева, чтобы поддерживать передачу тепла от труб нагрева в реактор к отходам. Слой сажи на поверхности создает тепловое сопротивление и поток тепла через этот слой снижается, в результате в реактор поступает меньшее количество тепловой энергии, а сами трубы нагрева из-за низкого теплоотвода перегреваются до высокой температуры и в результате прогорают, что приводит к аварийной ситуации (разрушению реактора).
Сажу с поверхности труб нагрева снимают с помощью скребков 37, которые при вращении шнека 10 скользят по боковой поверхности труб нагрева 18 и срезают слой сажи. Срезанная сажа под действием собственного веса падает в слой резиновых отходов, перемещаемых с помощью шнеков 10.
В результате термического разложения высокомолекулярных углеводородов в парогазовой смеси повышается содержание ценных низкомолекулярных углеводородов, а также снижается содержание смолистых соединений. Одновременно водяной пар реагирует с сажей (углеродом) с образованием водорода и оксида углерода.
Поступление водорода в реактор 6 приводит к гидрированию непредельных углеводородов, содержащихся в парогазовой смеси, в результате чего образуются ценные предельные углеводороды, т.е. качество продуктов термолиза резиновых отходов повышается.
Парогазовые продукты из каждой секции реактора через перфорированные трубы 38 с помощью кранов 39 выводят из реактора 6 в фильтр-циклон 25.
В результате перемещения отходов по реактору под действием шнеков происходит измельчение твердого углеродистого остатка с образованием мелкодисперсной углеродной пыли, которая выходит в реактор. Вывод парогазовой смеси из реактора без очистки парогазовой смеси от пыли приводит к выносу углеродной пыли в трубопроводы и систему конденсации, в результате чего трубопроводы и система конденсации забиваются углеродной пылью. Снижается проходное сечение трубопроводов и повышается давление в реакторе. Забивание углеродной пылью системы конденсации приводит к снижению теплопередачи (слой пыли на поверхности системы конденсации играет роль теплового изолятора) и выходу системы из строя.
Подача парогазовой смеси в фильтр-циклон 25 позволяет снизить вынос углеродной пыли из реактора. Это происходит потому, что парогазовая смесь проходит через фильтрующий элемент 26 в виде мешка из термостойкой углеродной ткани, снабженной встряхивающим устройством. Частицы пыли осаждаются на поверхности фильтрующего элемента и с помощью встряхивающего устройства 40 сбрасываются в нижнюю часть фильтра-циклона 25, откуда выгружаются в накопитель 41. Этот углерод представляет собой ценный продукт, по своим показателям близкий к техническому углероду с низким содержанием золы.
Поток парогазовой смеси, прошедший через фильтр-циклон 25, с помощью компрессора 42 подают в конденсатор 43, в котором в результате теплообмена с охлаждающей водой, прокачиваемой через кожух конденсатора от градирни 44, охлаждают до температуры конденсации водяного пара, что контролируют по показаниям датчика температуры 45.
В результате охлаждения парогазовых продуктов конденсируется водяной пар и часть паров углеводородов с образованием конденсата, состоящего из воды и жидких углеводородов. Этот конденсат из конденсатора 43 подают в сепаратор 46 и разделяют на воду и жидкие углеводороды. Воду из сепаратора 46 подают в накопитель 47, из которого через фильтр 48 и кран 49 воду возвращают в испаритель 15 для получения рабочего водяного пара.
Жидкие углеводороды из сепаратора 46 подают в накопитель 50, из которого в нужном количестве часть жидких углеводородов через кран 51 подают в цилиндрические топки 14 и сжигают, а энергию используют для получения рабочего водяного пара и нагрева реактора 6.
Твердый углеродный остаток через выход 52 с помощью ротационного дозатора-охладителя 53 выводят из реактора 6 и подают в магнитный сепаратор 54, где отделяют магнитные включения (частицы металлического корда), которые выгружают в накопитель 55.
Из магнитного сепаратора 54 очищенный от металлических включений твердый углеродный остаток подают в электростатический сепаратор 56, в котором отделяют часть золы (неорганические включения: оксиды цинка, кремния, железа, кальция и др.).
Поток очищенного от золы твердого углеродного остатка из электростатического сепаратора 56 выводят в накопитель 57, а неорганические включения выводят в накопитель 58. Данные неорганические включения содержат большое количество оксида цинка (в зависимости от вида резиновых отходов от 20 до 40 масс. %) и поэтому представляют собой высококачественное сырье для получения оксида цинка. Содержание оксида цинка в данных включениях в несколько раз превышает содержание его в концентратах для получения оксида цинка.
Неконденсирующиеся пары углеводородов из конденсатора 43 через кран 59 подают в трубы нагрева 18, а через шиберы 34, установленные на каждой трубе нагрева, одновременно с подачей неконденсирующихся газов подают воздух от калорифера 28, регулируя его количество степенью открытия шибера. Воздух в трубы нагрева подают через шиберы 34 с помощью вентилятора 30.
В результате смешивания воздуха и неконденсирующихся паров углеводородов образуется горючая смесь, которая воспламеняется под действием пламени горелок и сгорает. Сжигание неконденсирующихся паров углеводородов позволяет получить дополнительную энергию для нагрева реактора и снизить расход топлива, подаваемого в горелки. Это позволяет повысить энергетическую эффективность процесса переработки и предотвратить выброс неконденсирующихся газов в окружающую среду.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
o
Из накопителя 1 в бункер 2 при закрытых затворах 3 и 4 подают измельченные резиновые отходы 5 в виде чипсов в количестве по 100 кг каждые 6 минут. Резиновые чипсы имеют размер: длина =50 мм, ширина s=50 мм и высота h=30 мм. В этом случае суммарный расход отходов составляет G=1000 кг/ч. После заполнения бункера 2 открывают затвор 3, и отходы в количестве 100 кг из бункера 2 просыпаются вниз и задерживаются на затворе 4. После этого закрывают затвор 3, открывают затвор 4, и отходы просыпаются в реактор 6 и равномерно по 50 кг распределяются в каждую секцию реактора. Затем затвор 4 закрывают. Таким образом, каждые 6 минут порционно загружают отходы в реактор 6.
Одновременно с загрузкой первой порции отходов с помощью двигателя 7 приводят во вращение шестерню 8 с частотой 2 об/мин. Шестерня 8 входит в зацепление с первой шестерней 9, подключенной к первому шнеку 10 и второй шестерней 9, подключенной к второму шнеку 10. Такое подключение шестерней при вращении шестерни 8 приводит к вращению шнеков 10 навстречу друг другу. Поскольку один шнек имеет левосторонний ход ленты, а второй шнек имеет правосторонний ход ленты, то при вращении шнеков навстречу друг другу резиновые отходы транспортируются в одном направлении, т.е. от загрузки к выгрузке.
1,2
Пусть внешний диаметр каждого шнека 10 равен d=0,8 м, а шаг составляет t=0,2 м. Шнеки вращаются с частотой 2 об/мин. Длина каждого шнека L=6 м.
Скорость осевого перемещения материала в шнеке:
р
где n - число оборотов винта в минуту (для нашего случая принимаем 2 об.); t - шаг шнека (для нашего случая принимаем t=0,20 м.).
Время прохождения отходами шнека длиной 6 м будет равно
Этого времени (примерно 15 минут) достаточно для протекания полного термического разложения чипсов заданного размера на газообразные и твердые продукты.
Время перемещения отходов по реактору регулируют путем изменения числа оборотов двигателя 7. Одновременно с началом процесса перемещения отходов из емкости 11 через кран - регулятор 12 с расходом 40 кг/ч в каждую горелку 13 подают топливо и сжигают его. При сжигании суммарно в двух горелках 80 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг образуется 1600 кг/ч продуктов сгорания. Горелки 13 установлены в цилиндрических топках 14 и при сжигании топлива образуется вихрь продуктов сгорания с высокой температурой. В результате происходит полное сгорание топлива и снижается образование вредных соединений (бенз(а)пирены и др.) в продуктах сгорания. При этом одновременно интенсифицируется теплообмен продуктов сгорания с испарителем 15.
За счет теплообмена продуктов сгорания в двух испарителях генерируется 100 кг/ч водяного пара. В результате на выходе из каждой цилиндрической топки продукты сгорания будут иметь температуру 900°С за счет теплообмена с испарителем 15. Таким образом, происходит охлаждение продуктов сгорания от 1200°С до 900°С. Это необходимо для того, чтобы не прогорели трубы шнека. Одновременно при этом полезно используется тепловая энергия для производства рабочего водяного пара.
Водяной пар из испарителей 15 при температуре 100°С через краны 16 с расходом по 50 кг/ч из каждого испарителя подают в каждый трубчатый змеевик 17.
Из цилиндрических топок 14 продукты сгорания топлива с расходом по 800 кг/ч из каждой топки поступают в каждую трубу нагрева 18 при температуре 900°С. Протекая по трубам нагрева 18, продукты сгорания топлива нагревают реактор, а также протекающий по трубчатому змеевику 17 водяной пар. Нагрев осуществляется путем излучения от труб 18 и путем конвективного теплообмена. При этом 85% тепловой энергии от труб нагрева к отходам передается путем излучения, а 15% передаются путем конвективного теплообмена.
Количество тепла определяется средней температурой поверхности труб 18 и средней температурой отходов.
Произведем расчет теплоотдачи излучением. Определяем удельный тепловой поток излучением по формуле:
o
o
2
4
где:  - средняя температура стенки трубы нагрева. В нашем случае  =0,5(673 К+973К)=823 К;  - средняя температура резиновых отходов. В нашем случае =0,5(293К+773К)=533К; С = излучательная способность абсолютно черного тела, С=5,67 Вт/(м⋅К); е - степень черноты стали, е=0,8 (см. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел Телопередача: Учебник для вузов - 4 изд. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 406, Табл. 9).
Удельный тепловой поток излучением  от стенки трубы нагрева к отходам на основании (3) будет равен:
т.н.
т.н.
т.н.
т.н.
2
Диаметр трубы нагрева равен d=0,3 м. При длине L=6 м площадь боковой поверхности будет равна S=π d L=3,14×0,3 м × 6 м=5,65 м. Поэтому суммарный тепловой поток излучением от трубы нагрева к отходам составит величину:
K
И
Путем конвективного теплообмена к отходам передается следующее количество тепловой энергии: Q[(Q)/0,85]×0,15=[(96,4 кВт)/0,8]×0,15=17 кВт.
Таким образом, суммарное количество тепловой энергии, которое передается от каждой трубы нагрева к резиновым отходам, составляет величину 96,4 кВт + 17 кВт=113,4 кВт.
От двух труб нагрева к отходам в реакторе передается 226, 8 кВт тепловой энергии.
Этой энергии с учетом тепла, подводимого от камеры обогрева реактора, достаточно для термического разложения 1000 кг/ч резиновых отходов.
Регулируя с помощью крана 16 расход водяного пара через каждый трубчатый змеевик 17, поддерживают его равным 50 кг/ч, в результате чего температура водяного пара на выходе 19 устанавливается равной 450°С. При этом температуру водяного пара, выходящего из каждого трубчатого змеевика 17 через выход 19, контролируют с помощью датчиков температуры 20.
Из труб нагрева 18 продукты сгорания выходят по трубопроводу 21, соединяющему обе трубы нагрева, в рубашку нагрева 22 с расходом 1600 кг/ч и при температуре Т=500°С. Протекая по рубашке нагрева 22, продукты сгорания дополнительно нагревают реактор.
Через кран 23 продукты сгорания с расходом 1600 кг/ч направляют в рубашку 24 фильтра-циклона 25. Это необходимо для поддержания температуры фильтра выше температуры конденсации паров углеводородов, которые образуются при термолизе резиновых отходов. В нашем случае данная температура составляет Т=400°С. В противном случае при снижении температуры часть паров углеводородов будет конденсироваться в фильтре-циклоне 25 и осаждаться на фильтрующем элементе 26, в результате чего фильтрующий элемент выйдет из строя.
При этом температуру в фильтре-циклоне 25 контролируют по показаниям датчика температуры 27 и поддерживают равной Т=400°С путем регулирования расхода продуктов сгорания с помощью крана 23 таким образом, что часть продуктов сгорания при повышении температуры в фильтре направляют в калорифер 28 мимо фильтра. Прошедшие через рубашку 24 фильтра-циклона 25 продукты сгорания с расходом 1600 кг/ч подают в калорифер 28 и охлаждают до температуры 250°С путем прокачки воздуха через камеру нагрева 29 с помощью вентилятора 30.
В этом случае количество нагреваемого воздуха составит величину
В
где М - количество нагреваемого воздуха, кг/с;
П.С.
G - расход продуктов сгорания, 1600 кг/ч;
П.С.
С - удельная теплоемкость продуктов сгорания, 1,2 кДж/кг °С;
B
С - удельная теплоемкость воздуха, 1,2 кДж/кг °С;
ВХ.П
Т - температура продуктов сгорания на входе в калорифер, 400°С;
ВЫХ.П
Т - температура продуктов сгорания на выходе из калорифера, 250°С;
ВЫХ
Т - температура воздуха на выходе из калорифера, 180°С;
ВХ
Т - температура воздуха на входе в калорифер, 20°С.
Этого количества воздуха достаточно для полного сжигания жидкого топлива с расходом 80 кг/ч в двух цилиндрических топках.
При этом температуру охлаждения продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика температуры 31. Охлажденные продукты сгорания из калорифера 28 с помощью дымососа 32 с расходом 1600 кг/ч выводят в дымовую трубу 33. Нагретый в калорифере воздух с помощью вентилятора 30 с расходом 0,26 кг/с через шибер 34 подают в одну трубу нагрева 18 и с расходом 0,26 кг/с подают в другую трубу нагрева.
Это позволяет полезно использовать тепло продуктов сгорания, которые выходят из рубашки нагрева 24 при высокой температуре (400°С). При этом снижается расход топлива за счет полного использования теплоты продуктов сгорания и предотвращается выброс тепловой энергии в окружающую среду, т.е. повышается энергетическая эффективность процесса переработки изношенных шин.
С перегретым водяным паром непосредственно в реактор 6 вводят тепло в области подачи исходных резиновых отходов, имеющих температуру, близкую к температуре окружающей среды (поданные в реактор отходы еще не прогрелись).
Подача перегретого водяного пара в эту область (зону реактора) обеспечивает высокую разность температур между перегретым до 500°С водяным паром и холодными отходами с температурой примерно 20°С. А это (высокая разность температур) обеспечивает высокие потоки тепла от пара к отходам путем конвективного переноса тепловой энергии, в результате чего ускоряется нагрев отходов и снижается время их переработки.
Резиновые отходы перемещаются по реактору 6 и нагреваются в результате контакта с горячими стенками реактора, а также путем конвективного теплообмена с подаваемым в реактор водяным паром, путем излучения от труб нагрева и конвективного теплообмена с поверхностью труб нагрева.
В процессе нагрева резиновых отходов в реакторе 6 до температуры 400°С начинает протекать термолиз резиновых отходов с выделением газообразных продуктов и твердого углеродного остатка. В нашем случае при переработке 1000 кг/ч резиновых отходов образуется 40 масс. % паров углеводородов и 60 масс. % твердого остатка. При этом температуру в реакторе 6 контролируют по показаниям датчика температуры 35 и регулируют путем изменения количества топлива, сжигаемого в горелках 13.
Газообразные продукты разложения отходов с расходом 400 кг/ч смешиваются с водяным паром (подают в реактор с расходом 100 кг/ч), в результате чего в реакторе 6 образуется парогазовая смесь в количестве 400 кг/ч + 100 кг/ч=500 кг/ч, и давление в реакторе поднимается выше атмосферного. При этом для исключения выхода парогазовых продуктов из реактора 6 в окружающую среду и обеспечения вращения шнеков 10 в каждой секции реактора установлены высокотемпературные уплотнения 36.
Парогазовые продукты, образовавшиеся в результате термолиза резиновых отходов, контактируют с поверхностью труб нагрева, имеющей высокую температуру, в результате чего протекает термическое разложение высокомолекулярных углеводородов с образованием углеводородов меньшей массы и сажи, которая в виде слоя отлагается на поверхности труб нагрева. В нашем случае образуется 20 масс. % сажи от количества паров углеводородов, т.е. 400 кг/ч × 0,2=80 кг/ч. Этот слой сажи необходимо непрерывно снимать с поверхности труб нагрева, чтобы поддерживать передачу тепла от труб нагрева в реактор к отходам. Слой сажи на поверхности создает тепловое сопротивление и поток тепла через этот слой снижается, в результате в реактор поступает меньшее количество тепловой энергии, а сами трубы нагрева из-за низкого теплоотвода перегреваются до высокой температуры и в результате прогорают, что приводит к аварийной ситуации (разрушению реактора).
Сажу с поверхности труб нагрева снимают с помощью скребков 37, которые при вращении шнека 10 скользят по боковой поверхности труб нагрева 18 и срезают слой сажи. Срезанная сажа под действием собственного веса в количестве 80 кг/ч падает в слой резиновых отходов, перемещаемых с помощью шнеков 10.
В результате термического разложения высокомолекулярных углеводородов в парогазовой смеси повышается содержание ценных низкомолекулярных углеводородов, а также снижается содержание смолистых соединений. Одновременно водяной пар реагирует с углеродом с образованием водорода и оксида углерода. Поступление водорода в реактор 6 приводит к гидрированию непредельных углеводородов, содержащихся в парогазовой смеси, в результате чего образуются ценные предельные углеводороды, т.е. качество продуктов термолиза резиновых отходов повышается.
Парогазовые продукты из каждой секции реактора через перфорированные трубы 38 с помощью крана 39 с общим расходом 500 кг/ч - 80 кг/ч=420 кг/ч (где 80 кг/ч количество образовавшейся сажи) выводят из реактора 6 в фильтр-циклон 25.
В результате перемещения отходов по реактору под действием шнеков происходит измельчение твердого углеродистого остатка с образованием мелкодисперсной углеродной пыли, которая выходит в реактор. Вывод парогазовой смеси из реактора без очистки парогазовой смеси от пыли приводит к выносу углеродной пыли в трубопроводы и систему конденсации, в результате чего трубопроводы и система конденсации забиваются углеродной пылью. Снижается проходное сечение трубопроводов и повышается давление в реакторе. Забивание углеродной пылью системы конденсации приводит к снижению теплопередачи (слой пыли на поверхности системы конденсации играет роль теплового изолятора) и выходу системы из строя.
Подача парогазовой смеси в фильтр-циклон 25 позволяет снизить вынос углеродной пыли из реактора. Это происходит потому, что парогазовая смесь проходит через фильтрующий элемент 26 в виде мешка из термостойкой углеродной ткани, снабженной встряхивающим устройством. Частицы пыли осаждаются на поверхности фильтрующего элемента и с помощью встряхивающего устройства 40 сбрасываются в нижнюю часть фильтра-циклона 25, откуда выгружаются в накопитель 41. Этот углерод представляет собой ценный продукт, по своим показателям близкий к техническому углероду с низким содержанием золы.
В нашем случае количество уносимой из реактора углеродной пыли составляет 5 масс. % от количества образующегося твердого остатка, т.е. 600 кг/ч × 0,05=30 кг/ч. Эта углеродная пыль улавливается фильтром и с расходом 30 кг/ч выводится в накопитель 41.
Поток парогазовой смеси, прошедший через фильтр-циклон 25, с помощью компрессора 42 с расходом 420 кг/ч подают в конденсатор 43, в котором в результате теплообмена с охлаждающей водой, прокачиваемой через кожух конденсатора от градирни 44, охлаждают до температуры конденсации водяного пара Т=100°С, что контролируют по показаниям датчика температуры 45.
В результате охлаждения парогазовых продуктов конденсируется водяной пар в количестве 82 кг/ч потому, что 18 кг/ч водяного пара было израсходовано на реагирование с углеродом с образованием горючих газов (водорода и оксида углерода).
Часть паров углеводородов в количестве 220 кг/ч конденсируется с образованием конденсата, в результате образуется смесь воды и жидких углеводородов в количестве 82 кг/ч + 220 кг/ч=302 кг/ч. Этот конденсат из конденсатора 43 с расходом 302 кг/ч подают в сепаратор 46 и разделяют на воду и жидкие углеводороды. Воду из сепаратора 46 с расходом 82 кг/ч подают в накопитель 47, из которого через фильтр 48 и кран 49 воду возвращают в испаритель 15 для получения рабочего водяного пара.
Жидкие углеводороды из сепаратора 46 с расходом 220 кг/ч подают в накопитель 50, из которого в нужном количестве 17 кг/ч жидких углеводородов через кран 51 подают в цилиндрические топки 14 и сжигают, а энергию используют для получения рабочего водяного пара и нагрева реактора 6.
Твердый углеродный остаток через выход 52 с помощью ротационного дозатора-охладителя 53 с расходом 600 кг/ч + 80 кг/ч - 12 кг/ч - 30 кг/ч=638 кг/ч (30 кг/ч углеродного остатка в виде пыли осели в фильтре 25, 12 кг/ч углерода израсходовано на реагирование с водяным паром и 80 кг углерода в виде сажи поступили в твердые продукты) выводят из реактора 6 и подают в магнитный сепаратор 54, где отделяют магнитные включения (частицы металлического корда) в количестве 50 кг/ч, которые выгружают в накопитель 55.
Из магнитного сепаратора 54 очищенный от металлических включений твердый углеродный остаток с расходом 638 кг/ ч - 50 кг/ч=588 кг/ч подают в электростатический сепаратор 56, в котором отделяют часть золы (неорганические включения: оксиды цинка, кремния, железа, кальция и др.) в количестве 5 масс. %, т.е. 588 кг/ч × 0, 05=29 кг/ч.
Поток твердого углеродного остатка из электростатического сепаратора 56 с расходом 588 кг/ч - 29 кг/ч=559 кг/ч выводят в накопитель 57, а неорганические включения в количестве 29 кг/ч выводят в накопитель 58. Данные неорганические включения содержат большое количество оксида цинка (в зависимости от вида резиновых отходов от 20 до 40 масс. %) и поэтому представляют собой высококачественное сырье для получения оксида цинка. Содержание оксида цинка в данных включениях в несколько раз превышает содержание его в концентратах для получения оксида цинка.
Таким образом, содержание золы в твердых продуктах снижается с 12 масс. % до величины 7 масс. %, что приводит к повышению качества твердых продуктов.
Неконденсирующиеся пары углеводородов из конденсатора 43 через кран 59 с расходом 100 кг/ч + 28 кг/ч=128 кг/ч подают в трубы нагрева 18 (по 63 кг/ч в каждую трубу нагрева), а через шиберы 34, установленные на каждой трубе нагрева, подают воздух. Где 28 кг/ч составляет оксид углерода, образовавшийся при реагировании водяного пара с углеродом твердого остатка. Одновременно с подачей неконденсирующихся паров подают воздух от калорифера 28 (с расходом 10 кг воздуха на 1 кг неконденсирующихся паров), т.е. 1280 кг/ч. Количество воздуха регулируют степенью открытия шиберов 34. Воздух в трубы нагрева подают через шиберы 34 с помощью вентилятора 30.
В результате смешивания воздуха и неконденсирующихся паров углеводородов образуется горючая смесь, которая воспламеняется под действием пламени горелок и сгорает. Сжигание неконденсирующихся паров углеводородов в количестве 128 кг/ч эквивалентно сжиганию 63 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/ позволяет получить дополнительную энергию для нагрева реактора и снизить расход топлива, подаваемого в горелки, с 80 кг/ч до 17 кг/ч. Это позволяет повысить энергетическую эффективность процесса переработки и предотвратить выброс неконденсирующихся газов в окружающую среду.
Пример 2.
o
Из накопителя 1 в бункер 2 при закрытых затворах 3 и 4 подают измельченные резиновые отходы 5 в виде чипсов в количестве по 150 кг каждые 6 минут. Резиновые чипсы имеют размер: длина =30 мм, ширина s=50 мм и высота h=20 мм. В этом случае суммарный расход отходов составляет G=1500 кг/ч. После заполнения бункера 2 открывают затвор 3, и отходы в количестве 150 кг из бункера 2 просыпаются вниз и задерживаются на затворе 4. После этого закрывают затвор 3, открывают затвор 4 и отходы просыпаются в реактор 6 и равномерно по 75 кг распределяются в каждую секцию реактора. Затем затвор 4 закрывают. Таким образом, каждые 6 минут порционно загружают отходы в реактор 6.
Одновременно с загрузкой первой порции отходов с помощью двигателя 7 приводят во вращение шестерню 8 с частотой 3 об/мин. Шестерня 8 входит в зацепление с первой шестерней 9, подключенной к первому шнеку 10 и второй шестерней 9, подключенной ко второму шнеку 10. Такое подключение шестерней при вращении шестерни 8 приводит к вращению шнеков 10 навстречу друг другу. Поскольку один шнек имеет левосторонний ход ленты, а второй шнек имеет правосторонний ход ленты, то при вращении шнеков навстречу друг другу резиновые отходы транспортируются в одном направлении, т.е. от загрузки к выгрузке.
1,2
Пусть внешний диаметр каждого шнека 10 равен d=0,8 м, а шаг составляет t=0, 2 м. Шнеки вращаются с частотой 3 об/мин. Длина каждого шнека L=6 м.
Скорость осевого перемещения материала в шнеке:
р
где n - число оборотов винта в минуту (для нашего случая принимаем 3 об.); t - шаг шнека (для нашего случая принимаем t=0,20 м.).
Время прохождения отходами шнека длиной 6 м будет равно
Этого времени (10 минут) достаточно для протекания полного термического разложения чипсов заданного размера на газообразные и твердые продукты.
Время перемещения отходов по реактору регулируют путем изменения числа оборотов двигателя 7. Одновременно с началом процесса перемещения отходов из емкости 11 через кран - регулятор 12 с расходом 60 кг/ч в каждую горелку 13 подают топливо и сжигают его. При сжигании суммарно в двух горелках 120 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/кг образуется 2400 кг/ч продуктов сгорания. В топках устанавливается температура 1200°С. Горелки 13 установлены в цилиндрических топках 14 и при сжигании топлива образуется вихрь продуктов сгорания с высокой температурой. В результате происходит полное сгорание топлива и снижается образование вредных соединений (бенз(а)пирены и др.) в продуктах сгорания. При этом одновременно интенсифицируется теплообмен продуктов сгорания с испарителем 15.
За счет теплообмена продуктов сгорания в двух испарителях генерируется 150 кг/ч водяного пара. В результате на выходе из каждой цилиндрической топки продукты сгорания будут иметь температуру 950°С за счет теплообмена с испарителем 15. Таким образом, происходит охлаждение продуктов сгорания от 1200°С до 950°С. Это необходимо для того, чтобы не прогорели трубы шнека. Одновременно при этом полезно используется тепловая энергия для производства рабочего водяного пара.
Водяной пара из испарителей 15 при температуре 110°С через краны 16 с расходом по 75 кг/ч из каждого испарителя подают в каждый трубчатый змеевик 17.
Из цилиндрических топок 14 продукты сгорания топлива с расходом по 1200 кг/ч поступают в каждую трубу нагрева 18 при температуре 950°С. Протекая по трубам нагрева 18, продукты сгорания топлива нагревают реактор, а также протекающий по трубчатому змеевику 17 водяной пар. Нагрев осуществляется путем излучения от труб 18 и путем конвективного теплообмена. При этом 85% тепловой энергии от труб нагрева к отходам передается путем излучения, а 15% передаются путем конвективного теплообмена.
Количество тепла определяется средней температурой поверхности труб 18 и средней температурой отходов.
Произведем расчет теплоотдачи излучением. Определяем удельный тепловой поток излучением по формуле:
o
o
2
4
где:  - средняя температура поверхности трубы нагрева. В нашем случае =0,5 (773 К+1073К)=923 К;  - средняя температура резиновых отходов. В нашем случае =0,5(303К+823К)=563К; С - излучательная способность абсолютно черного тела, С=5,67 Вт/(м⋅К); е - степень черноты стали, е=0,8 (см. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел Телопередача: Учебник для вузов - 4 изд. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 406, Табл. 9).
Удельный тепловой поток излучением  на основании (3) будет равен:
т.н.
т.н.
т.н.
т.н.
2
Диаметр трубы нагрева равен d=0,3 м. При длине L=6 м площадь боковой поверхности будет равна S=π d L=3,14×0,3 м × 6 м=5,65 м. Поэтому суммарный тепловой поток излучением от трубы нагрева к отходам составит величину:
K
И
Путем конвективного теплообмена к отходам передается следующее количество тепловой энергии: Q=[(Q)/0,85]×0,15=[(160,3 кВт)/0,8]×0,15=30кВт.
Таким образом, суммарное количество тепловой энергии, которое передается от каждой трубы нагрева к резиновым отходам, составляет величину 160,3 кВт + 30 кВт=190,3 кВт.
От двух труб нагрева к отходам в реакторе передается 380, 6 кВт тепловой энергии.
Этой энергии достаточно с учетом тепла, подводимого от камеры обогрева, для термического разложения 1500 кг/ч резиновых отходов.
Регулируя с помощью крана 16 расход водяного пара через каждый трубчатый змеевик 17, поддерживают его равным 75 кг/ч, в результате чего температура водяного пара на выходе 19 устанавливается равной 500°С. При этом температуру водяного пара, выходящего из каждого трубчатого змеевика 17 через выход 19, контролируют с помощью датчиков температуры 20.
Из труб нагрева 18 продукты сгорания выходят по трубопроводу 21, соединяющему обе трубы нагрева, в рубашку нагрева 22 с расходом 2400 кг/ч и при температуре Т=600°С. Протекая по рубашке нагрева 22, продукты сгорания дополнительно нагревают реактор.
Через кран 23 продукты сгорания с расходом 2400 кг/ч направляют в рубашку 24 фильтра-циклона 25. Это необходимо для поддержания температуры фильтра выше температуры конденсации паров углеводородов, которые образуются при термолизе резиновых отходов. В нашем случае данная температура составляет Т=500°С. В противном случае при снижении температуры часть паров углеводородов будет конденсироваться в фильтре-циклоне 25 и осаждаться на фильтрующем элементе 26, в результате чего фильтрующий элемент выйдет из строя.
При этом температуру в фильтре-циклоне 25 контролируют по показаниям датчика температуры 27 и поддерживают равной Т=500°С путем регулирования расхода продуктов сгорания с помощью крана 23 таким образом, что часть продуктов сгорания при повышении температуры в фильтре направляют в калорифер 28 мимо фильтра.
В нашем случае данная часть составляет 900 кг/ч. Прошедшие через рубашку 24 фильтра 25 продукты сгорания с расходом 2400-900 кг/ч=1500 кг/ч подают в калорифер 28 и охлаждают до температуры 250°С путем прокачки воздуха через камеру нагрева 29 с помощью вентилятора 30. При этом через калорифер также пропускают 900 кг/ч продуктов сгорания, которые не пропускали через рубашку 24.
В этом случае количество нагреваемого воздуха составит величину:
B
где M - количество нагреваемого воздуха, кг/с;
П.С.
G- расход продуктов сгорания, 2400 кг/ч;
П.С.
С- удельная теплоемкость продуктов сгорания, 1,2 кДж/кг °С;
B
С - удельная теплоемкость воздуха, 1,2 кДж/кг °С;
ВХ.П.
Т - температура продуктов сгорания на входе в калорифер, 500°С;
ВЫХ.П
Т - температура продуктов сгорания на выходе из калорифера, 250°С;
ВЫХ
Т- температура воздуха на выходе из калорифера, 220°С;
ВХ
Т- температура воздуха на входе в калорифер, 20°С.
Этого количества воздуха достаточно для полного сжигания жидкого топлива с расходом 120 кг/ч в двух цилиндрических топках.
При этом температуру охлаждения продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика температуры 31. Охлажденные продукты сгорания из калорифера 28 с помощью дымососа 32 с расходом 2400 кг/ч выводят в дымовую трубу 33. Нагретый в калорифере воздух с помощью вентилятора 30 с расходом 0,335 кг/с через шибер 34 подают в одну трубу нагрева 18 и с расходом 0,335 кг/с подают в другую трубу нагрева.
Это позволяет полезно использовать тепло продуктов сгорания, которые выходят из рубашки нагрева 24 при высокой температуре (500°С). При этом снижается расход топлива за счет полного использования теплоты продуктов сгорания и предотвращается выброс тепловой энергии в окружающую среду, т.е. повышается энергетическая эффективность процесса переработки резиновых отходов.
С перегретым водяным паром непосредственно в реактор 6 вводят тепло в области подачи исходных резиновых отходов, имеющих температуру, близкую к температуре окружающей среды (поданные в реактор отходы еще не прогрелись).
Подача перегретого водяного пара в эту область (зону реактора) обеспечивает высокую разность температур между перегретым до 500°С водяным паром и холодными отходами с температурой примерно 20°С. А это (высокая разность температур) обеспечивает высокие потоки тепла от пара к отходам путем конвективного переноса тепловой энергии, в результате чего ускоряется нагрев отходов и снижается время их переработки.
Резиновые отходы перемещаются по реактору 6 и нагреваются в результате контакта с горячими стенками реактора, а также путем конвективного теплообмена с подаваемым в реактор водяным паром, путем излучения от труб нагрева и конвективного теплообмена с поверхностью труб нагрева.
В процессе нагрева резиновых отходов в реакторе 6 до температуры 400°С начинает протекать термолиз резиновых отходов с выделением газообразных продуктов и твердого углеродного остатка. В нашем случае при переработке 1500 кг/ч резиновых отходов образуется 45 масс. % паров углеводородов и 55 масс. % твердого остатка. При этом температуру в реакторе 6 контролируют по показаниям датчика температуры 35 и регулируют путем изменения количества топлива, сжигаемого в горелках 13.
Газообразные продукты разложения отходов с расходом 675 кг/ч смешиваются с водяным паром (подают в реактор с расходом 150 кг/ч), в результате чего в реакторе 6 образуется парогазовая смесь в количестве 675 кг/ч + 150 кг/ч=825 кг/ч, и давление в реакторе поднимается выше атмосферного. При этом для исключения выхода парогазовых продуктов из реактора 6 в окружающую среду и обеспечения вращения шнеков 10 в каждой секции реактора установлены высокотемпературные уплотнения 36.
Парогазовые продукты, образовавшиеся в результате термолиза резиновых отходов, контактируют с поверхностью труб нагрева, имеющей высокую температуру, в результате чего протекает термическое разложение высокомолекулярных углеводородов с образованием углеводородов меньшей массы и сажи, которая в виде слоя отлагается на поверхности труб нагрева. В нашем случае образуется 25 масс. % сажи от количества паров углеводородов, т.е. 625 кг/ч × 0,25=169 кг/ч. Этот слой сажи необходимо непрерывно снимать с поверхности труб нагрева, чтобы поддерживать передачу тепла от труб нагрева в реактор к отходам. Слой сажи на поверхности создает тепловое сопротивление и поток тепла через этот слой снижается, в результате в реактор поступает меньшее количество тепловой энергии, а сами трубы нагрева из-за низкого теплоотвода перегреваются до высокой температуры и в результате прогорают, что приводит к аварийной ситуации (разрушению реактора).
Сажу с поверхности труб нагрева снимают с помощью скребков 37, которые при вращении шнека 10 скользят по боковой поверхности труб нагрева 18 и срезают слой сажи. Срезанная сажа под действием собственного веса в количестве 169 кг/ч падает в слой резиновых отходов, перемещаемых с помощью шнеков 10.
Поскольку данная сажа образовалась путем термического разложения паров углеводородов, то она практически не содержит золы, а твердый углеродный остаток термолиза резиновых отходов содержит 12 масс. % золы (неорганических включений в виде оксидов цинка, железа, кремния, кальция и др.). Поэтому при смешивании 169 кг сажи без золы и 825 кг - 100 кг=725 кг твердого углеродистого остатка позволяет получить твердый углеродный остаток со следующим содержанием золы:
где А - содержание золы;
Т.О.
М - масса твердого остатка, 725 кг;
О
С - содержание золы в твердом остатке, 0,12;
С
М - масса сажи, 169 кг;
C
С - содержание золы в саже, 0,0.
Принято, что твердые продукты содержат 100 кг металлического корда.
Таким образом, содержание золы в твердых продуктах разложения резиновых отходов снижается с 12 масс. % до 9,7 масс. % и поэтому качество данных продуктов улучшается.
В результате термического разложения высокомолекулярных углеводородов в парогазовой смеси повышается содержание ценных низкомолекулярных углеводородов, а также снижается содержание смолистых соединений. Одновременно водяной пар реагирует с углеродом с образованием водорода, оксида и диоксида углерода.
Из (7) следует, что в результате реагирования водяного пара с углеродом на каждые 18 кг водяного пара расходуется 12 кг углерода.
В нашем случае расходуется 24 кг углерода и 36 кг водяного пара с образованием 4 кг водорода и 56 кг оксида углерода.
Поступление водорода в реактор 6 приводит к гидрированию непредельных углеводородов, содержащихся в парогазовой смеси, в результате чего образуются ценные предельные углеводороды, т.е. качество продуктов термолиза резиновых отходов повышается.
Парогазовые продукты из каждой секции реактора через перфорированные трубы 38 с помощью крана 39 с расходом 625 кг/ч - 169 кг/ч=456 кг/ч (где 169 кг/ч количество образовавшейся сажи) выводят из реактора 6 в фильтр 25.
В результате перемещения отходов по реактору под действием шнеков происходит измельчение твердого углеродистого остатка с образованием мелкодисперсной углеродной пыли, которая выходит в реактор. Вывод парогазовой смеси из реактора без очистки парогазовой смеси от пыли приводит к выносу углеродной пыли в трубопроводы и систему конденсации, в результате чего трубопроводы и система конденсации забиваются углеродной пылью. Снижается проходное сечение трубопроводов и повышается давление в реакторе. Забивание углеродной пылью системы конденсации приводит к снижению теплопередачи (слой пыли на поверхности системы конденсации играет роль теплового изолятора) и выходу системы из строя.
Подача парогазовой смеси в фильтр-циклон 25 позволяет снизить вынос углеродной пыли из реактора. Это происходит потому, что парогазовая смесь проходит через фильтрующий элемент 26 в виде мешка из термостойкой углеродной ткани, снабженной встряхивающим устройством. Частицы пыли осаждаются на поверхности фильтрующего элемента и с помощью встряхивающего устройства 40 сбрасываются в нижнюю часть фильтра-циклона 25, откуда выгружаются в накопитель 41. Этот углерод представляет собой ценный продукт, по своим показателям близкий к техническому углероду с низким содержанием золы.
В нашем случае количество уносимой из реактора углеродной пыли составляет 5 масс. % от количества образующегося твердого остатка, т.е. 725 кг/ч × 0,04=29 кг/ч. Эта углеродная пыль улавливается фильтром и с расходом 29 кг/ч выводится в накопитель 41.
2
Поток парогазовой смеси, прошедший через фильтр-циклон 25, с помощью компрессора 42 с расходом 456 кг/ч + 4 кг/ ч=460 кг/ч подают в конденсатор 43, в котором в результате теплообмена с охлаждающей водой, прокачиваемой через кожух конденсатора от градирни 44, охлаждают до температуры конденсации водяного пара Т=100°С, что контролируют по показаниям датчика температуры 45. Приращение количества парогазовой смеси на 4 кг/ч обусловлено реагированием водорода (Н) с углеводородами в процессе гидрирования.
В результате охлаждения парогазовых продуктов конденсируется водяной пар в количестве 150 кг/ч - 36 кг/ч=114 кг/ч потому, что 36 кг/ч водяного пара было израсходовано на реагирование с углеродом с образованием газов (водорода и оксида углерода).
Часть паров углеводородов в количестве 360 кг/ч конденсируется с образованием конденсата, в результате образуется смесь воды и жидких углеводородов в количестве 114 кг/ч + 360 кг/ч=474 кг/ч. Этот конденсат из конденсатора 43 с расходом 474 кг/ч подают в сепаратор 46 и разделяют на воду и жидкие углеводороды. Воду из сепаратора 46 с расходом 114 кг/ч подают в накопитель 47, из которого через фильтр 48 и кран 49 воду возвращают в испаритель 15 для получения рабочего водяного пара.
Жидкие углеводороды из сепаратора 46 с расходом 360 кг/ч подают в накопитель 50, из которого в количестве 42 кг/ч жидких углеводородов через кран 51 подают в цилиндрические топки 14 (по 30 кг/ч в каждую топку) и сжигают, а энергию используют для получения рабочего водяного пара и нагрева реактора 6.
Твердый углеродный остаток через выход 52 с помощью ротационного дозатора-охладителя 53 с расходом 825 кг/ч + 169 кг/ч - 24 кг/ч - 29 кг/ч=941 кг/ч выводят из реактора 6 и подают в магнитный сепаратор 54. При этом 169 кг/ч составляет количество образовавшейся сажи из паров углеводородов, 24 кг/ч углерода расходовано в результате реагирования водяного пара с углеродом и 29 кг/ч углеродной пыли вынесено из реактора в фильтр-циклон 25.
В магнитном сепараторе 54 отделяют магнитные включения (частицы металлического корда) в количестве 100 кг/ч, которые выгружают в накопитель 55.
Из магнитного сепаратора 54 очищенный от металлических включений твердый углеродный остаток с расходом 941 кг/ч - 100 кг/ч=841 кг/ч подают в электростатический сепаратор 56, в котором отделяют часть золы (неорганические включения: оксиды цинка, кремния, железа, кальция и др.) в количестве 5 масс. %, т.е. 841 кг/ч × 0,05=42 кг/ч.
Поток очищенного от золы твердого углеродного остатка из электростатического сепаратора 56 с расходом 841 кг/ч - 42 кг/ч=799 кг/ч выводят в накопитель 57, а неорганические включения в количестве 42 кг/ч выводят в накопитель 58. Данные неорганические включения содержат большое количество оксида цинка (в зависимости от вида резиновых отходов от 20 до 40 масс. %) и поэтому представляют собой высококачественное сырье для получения оксида цинка. Содержание оксида цинка в данных включениях в несколько раз превышает содержание его в концентратах для получения оксида цинка.
Таким образом, содержание золы в твердом углеродном остатке снижается до величины 9,7 масс. % - 5,0 масс. %=4,7 масс. %, что приводит к улучшению качества твердых продуктов, в сравнении с твердыми продуктами пиролиза резиновых отходов по известным технологиям, где содержание золы составляет 12-14 масс. %.
Неконденсирующиеся пары углеводородов из конденсатора 43 через кран 59 с расходом 100 кг/ч + 56 кг/ч=156 кг/ч подают в трубы нагрева 18 (по 78 кг/ч в каждую трубу нагрева), а через шиберы 34, установленные на каждой трубе нагрева одновременно с подачей неконденсирующихся газов подают воздух от калорифера 28 из расчета 10 кг воздуха на 1 кг неконденсирующихся паров, т.е. воздух подают с расходом 1560 кг/ч (по 780 кг/ч в каждую трубу нагрева), регулируя его количество степенью открытия шибера. Воздух в трубы нагрева подают через шиберы 34 с помощью вентилятора 30. При этом 56 кг/ч составляет оксид углерода (СО), который образовался при реагировании водяного пара с углеродом, а весь водород расходовался на процесс гидрирования.
В результате смешивания воздуха и неконденсирующихся паров углеводородов образуется горючая смесь, которая воспламеняется под действием пламени горелок и сгорает. Сжигание неконденсирующихся паров углеводородов в количестве 156 кг/ч эквивалентно сжиганию 78 кг/ч жидкого топлива с удельной теплотой сгорания 40000 кДж/ позволяет получить дополнительную энергию для нагрева реактора и снизить расход топлива, подаваемого в горелки, с 120 кг/ч до 42 кг/ч. Это позволяет повысить энергетическую эффективность процесса переработки и предотвратить выброс неконденсирующихся газов в окружающую среду.
Заявленное устройство для переработки резиновых отходов отличается от известных улучшенными показателями по энергетическим затратам, выбросам в окружающую среду и качеству получаемых продуктов.