УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ ОТХОДОВ
DEVICE FOR PROCESSING RUBBER WASTES

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.
Известен способ и устройство для пиролиза шинного материала (US, патент №6736940 В2, кл. F23G 5/12, 2004 г.). Устройство содержит реактор для пиролиза и получения углеводородсодержащего газового потока и углеродсодержащего твердого материала. Выход газового потока из реактора пиролиза подключен к сепаратору, который снабжен системой распыления масла, а сама система распыления подключена к охладителю масла и обеспечивает возврат части охлажденного масла обратно в сепаратор для создания масляного облака, в котором происходит контактное промывание и конденсация части газового потока в виде масел.
Выход неконденсируемого газа из сепаратора подключен к шнек-прессу и системе сжигания реактора, в которой сжигают неконденсируемый газ для обеспечения реактора теплом.
Выход реактора по углеродсодержащему твердому материалу подключен к шнек-прессу, давление в котором, благодаря вводимой в него части неконденсируемого газа, выше, чем в реакторе, что предотвращает попадание воздуха в реактор пиролиза при выгрузке твердого материала.
Недостатками данного устройства являются:
- неполное извлечение жидкой фракции (масла) из газового потока, в результате чего теряется (сжигается в виде газа) часть ценных жидких продуктов;
- низкое качество углеродсодержащего материала из-за высокого содержания летучих углеводородов, которые материал поглощает из неконденсируемого газа, подаваемого в шнек-пресс, с помощью которого из реактора выводят углеродсодержащий материал;
- высокая энергоемкость процесса, обусловленная необходимостью дополнительной обработки (термической) углеродсодержащего твердого материала для удаления летучих углеводородов.
Известно устройство для пиролиза изношенных шин (Иванов С.Р. и др. «Современное состояние термических методов переработки изношенных шин и резиносодержащих отходов». Тематический обзор. Центральный научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Москва, 1985, с. 8-9). Устройство содержит вращающуюся трубчатую печь пиролиза, к выходу твердых продуктов которой подключены магнитный сепаратор, сушилка, вибросито, струйная мельница, накопитель с мешалкой, гранулятор. К выходу газа из печи подключен скруббер с форсунками для распыления жидких продуктов пиролиза, которые соединены с накопителем и холодильником, а выход газа из скруббера подключен к отстойнику легкого масла (легких продуктов пиролиза) и воды.
Газообразные продукты пиролиза изношенных шин из трубчатой печи поступают в скруббер, в котором их охлаждают путем распыления в поток газов жидкой фракции, образовавшейся ранее при охлаждении газообразных продуктов, которую забирают из скруббера, подают в накопитель, после чего охлаждают в холодильнике и возвращают в скруббер путем распыления с помощью форсунок. Остаточные газообразные продукты из скруббера подают в холодильник, а образующийся конденсат сливают в отстойник, где отделяют легкое масло от воды.
К недостаткам устройства относятся:
- неполное извлечение жидкой фракции в скруббере, а также большой унос мелких капель распыленной жидкой фракции с потоком газа в отстойник, в результате чего образующаяся легкая фракция (имеет низкую температуру кипения) жидких продуктов пиролиза загрязняется тяжелой фракцией (имеет высокую температуру кипения), что требует последующего разделения данных фракций;
- низкое качество твердых продуктов разложения шин из-за наличия большого количество летучих продуктов, которые невозможно выделить в сушилке, и поэтому необходима дополнительная термическая обработка твердых продуктов;
- высокая энергоемкость процесса, обусловленная необходимостью проведения дополнительных операций обработки жидких и твердых продуктов с целью доведения их качественных показателей до требуемых стандартами на такого рода продукцию.
Известен способ и устройство для паротермической переработки резиновых отходов (BY, патент №13279, кл. C08J 11/00, 2010 г.). Устройство включает камеру нагрева, в которой размещен реактор, которая со стороны загрузки отходов подключена к выходу камеры сжигания топлива, а своим входом подключена к парогенератору, верхняя часть реактора соединена патрубком со шнеком загрузки отходов, снабженным бункером с шлюзовым водяным 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:
- 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;
- 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;
- 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 по технической сущности и достигаемому результату является устройство для переработки резиновых отходов, включающее реактор термолиза в виде камеры с газоходами для подачи и вывода парогазовой смеси, снабженный системой выгрузки твердых продуктов, конденсатор парогазовой смеси, мельницу, магнитный сепаратор, сепаратор жидкой фракции и смеситель (RU, патент №2394680, кл. В29В 17/00, 2007 г.).
Известное устройство для обработки резиновых отходов включает также парогенератор, теплообменник для перегрева пара, образующегося в парогенераторе, топку для обогрева теплообменника, вентилятор для циркуляции парогазовой смеси через реактор и теплообменник, последовательно подключенные к газоходу для вывода парогазовой смеси из реактора, конденсатор и сепаратор, а также две камеры загрузки/ выгрузки с контейнерами на тележках, расположенные с двух противоположных сторон реактора и соединенные с ним шлюзовыми затворами, причем каждый контейнер содержит в нижней части камеру с беспровальной решеткой и патрубком подвода парогазовой смеси, а также механизм поворота вокруг продольной оси, а каждая камера загрузки/выгрузки в донной части своим входом подключена к ленточному транспортеру, к которому последовательно подключена валковая мельница, магнитный сепаратор, центробежная мельница, бункер-накопитель и смеситель в виде емкости с мешалкой и циркуляционным насосом-диспергатором, причем смеситель подключен к выходу жидких продуктов из конденсатора через сепаратор и накопительную емкость.
Недостатками устройства являются:
- неполное извлечение жидкой фракции из газообразных продуктов пиролиза резиновых отходов с помощью конденсатора и сепаратора, поскольку происходит растворение части легкой фракции в образующемся водяном конденсате, что требует последующей очистки водяного конденсата от растворенных углеводородов для обеспечения возможности его возврата в парогенератор с целью получения рабочего водяного пара;
- низкое качество твердых продуктов пиролиза резиновых отходов из- за наличия остаточных углеводородов, что снижает смачиваемость данных продуктов и проводит к необходимости длительной обработки смеси твердой и жидкой фаз с помощью насоса-диспергатора и механической мешалки для получения однородной и нерасслаивающейся топливной дисперсии;
- высокая энергоемкость процесса, обусловленная наличием мешалки, насоса-диспергатора, вентилятора, для работы которых требуется большое количество электрической энергии, а также тепловыми потерями в теплообменнике, конденсаторе и при охлаждении твердых продуктов в камере загрузки/выгрузки.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении качества получаемых продуктов из резиновых отходов (в частности, из изношенных шин), а также в уменьшении энергетических затрат на процесс переработки резиновых отходов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для переработки резиновых отходов, включающем бункер с измельченными резиновыми отходами, камеру загрузки, содержащую контейнер, заполненный отходами, который перемещают в реактор термолиза и опрокидывают, реактор термолиза выполнен в виде камеры с газоходами для вывода и подачи парогазовой смеси, устройство, согласно изобретению, снабжено патрубком подачи газов в контейнер, соединенным с газоходом подачи парогазовой смеси, с помощью вентилятора через слой отходов в контейнере и трубы теплообменника прокачивают газовую среду, осуществляя циркуляцию газовой среды по контуру: слой отходов в контейнере - реактор термолиза - теплообменник - вентилятор, реактор термолиза снабжен также системой выгрузки твердых продуктов, система выгрузки твердых продуктов подключена к шнеку, размещенному в цилиндрическом корпусе, который установлен по оси цилиндрической печи с возможностью вращения и далее подключен к шнеку, размещенному в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения, который соединен с мельницей, подключенной к магнитному сепаратору, откуда твердые продукты через дозатор поступают в смеситель, который с помощью другого дозатора соединен с накопителем жидкой фракции, смеситель снабжен ультразвуковым диспергатором и электродами, подключенными к генератору электрических импульсов, обработанную в смесителе смесь твердых продуктов термолиза отходов в жидкой фракции сливают в емкость, устройство содержит смесительный теплообменник, который своим входом подключен к газоходу вывода парогазовой смеси из реактора термолиза, а ниже входа парогазовой смеси в смесительный теплообменник установлен кожухотрубный теплообменник, выход которого подключен к накопителю жидкой фракции, который подключен к форсункам распыления жидкой фракции в смесительном теплообменнике, патрубок выхода газов из смесительного теплообменника подключен к конденсатору парогазовой смеси, где из газов конденсируют углеводороды, а неконденсирующиеся газы подают в горелку на сжигание, сконденсировавшие углеводороды сливают в сепаратор жидкой фракции для разделения на воду и легкие углеводороды.
Кроме того, технический результат достигается тем, что сепаратор жидкой фракции своим выходом по воде может быть подключен к емкости с водяным насосом, выход которого подключен к форсункам, установленным в шнеке, размещенном в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения.
А также тем, что шнек в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения соединен паропроводом со шнеком в цилиндрическом корпусе, размещенном в печи, который соединен паропроводом с реактором термолиза.
Подключение системы выгрузки твердых продуктов к шнеку в цилиндрическом кожухе, установленному по оси цилиндрической печи с возможностью вращения, позволяет достичь эффекта выделения летучих продуктов (легких углеводородов) из твердого остатка термолиза резиновых отходов. При этом снижаются энергетические затраты на выделение летучих продуктов за счет того, что твердые продукты выгружают из реактора термолиза без охлаждения (в нагретом состоянии) и осуществляют дальнейший нагрев данных продуктов до температуры 600-800°С при их перемещении шнеком в цилиндрическом кожухе, обогреваемом в печи.
Именно нагрев твердых продуктов до вышеуказанной температуры обеспечивает полное удаление летучих. Вращение шнека вместе с цилиндрическим корпусом обеспечивает перемешивание твердых продуктов и их перемещение от входа к выходу. В тоже время, при перемешивании твердых продуктов интенсифицируется теплопередача от нагретого цилиндрического корпуса к частицам твердых продуктов, что обеспечивает снижение времени обработки и равномерный прогрев, необходимый для полного удаления летучих из всей массы твердых продуктов.
Снабжение шнека цилиндрическим корпусом позволяет достичь эффекта не только уменьшения абразивного износа, но и заклинивания шнека. Поскольку твердые продукты термолиза изношенных шин содержат металлический корд в виде кусков стальной проволоки, то использование обычного вращающегося в цилиндрическом корпусе шнека неизбежно приводит к заклиниванию из-за попадания стальной проволоки в зазор между шнеком и корпусом.
В нашем случае, шнек вращается вместе с корпусом (шнек прикреплен к цилиндрическому корпусу), а твердые продукты скользят по винтовой линии и, таким образом, перемешиваются и перемещаются от входа в шнек к его выходу.
Выведенные из реактора термолиза в нагретом состоянии твердые продукты обладают хорошей сыпучестью, т.е. они не прилипают к стенкам цилиндрического корпуса и шнеку.
Следует отметить, что нагрев резиновых отходов до температуры 600-800°С непосредственно в самом реакторе термолиза с целью более полного извлечения летучих продуктов из твердого остатка приведет к коксованию стенок реактора термолиза путем отложения на них кокса, который образуется из парогазовой смеси, в результате чего будет потеряна значительная часть жидкой фракции. Отложение кокса приводит не только к потере значительной части жидкой фракции, но и к выходу из строя самого реактора в результате его закоксовывания. Поэтому снабжение установки системой в виде шнека в цилиндрическом корпусе, который установлен в печи, позволяет повысить ресурс работы реактора термолиза и увеличить извлечение жидкой фракции, т.е. улучшить показатели качества получаемых жидких и твердых продуктов переработки изношенных шин с использованием данного устройства.
Последовательное подключение к шнеку в цилиндрическом корпусе, размещенному в печи, шнека в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения позволяет осуществить эффективное охлаждение твердого остатка от температуры 600-800°С до температуры окружающей среды и подать данные продукты в валковую мельницу для измельчения. В противном случае, при подаче нагретых твердых продуктов в валковую мельницу произойдет их возгорание, что приведет к выходу мельницы из строя. В то же время, использование для охлаждения шнека в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения позволяет произвести предварительное перед измельчением дробление кусков твердых продуктов, которое происходит в результате контакта нагретых до 600-800°С кусков с холодной (температура окружающей среды) поверхностью цилиндрического корпуса. Возникающие при таком контакте термические напряжения приводят к растрескиванию (разрушению) кусков твердых продуктов, в результате чего освобождается металлический корд и осуществляется предварительное дробление, что снижает расход энергии на процесс измельчения твердых продуктов в валковой мельнице.
Подключение шнека в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения к сепаратору жидких продуктов позволяет использовать отделенную в сепараторе воду для охлаждения путем ее распыления в самом шнеке, в результате чего не только интенсифицируется процесс охлаждения, но и образуется водяной пар за счет испарения воды, который предотвращает попадание воздуха в систему и, таким образом, повышается безопасность процесса переработки отходов.
При этом водяной пар из шнека с рубашкой охлаждения по паропроводу выходит в шнек, размещенный в печи, и создает паровую рубашку, которая не позволяет воздуху проникнуть в шнек, что неизбежно привело бы к возникновению процесса горения твердых продуктов в шнеке и выходу шнека из строя из-за перегрева, а также выгоранию части углерода и снижению качества твердых продуктов.
Одновременно с водяным паром отводится тепловая энергия охлаждения твердых продуктов, которая по паропроводу из шнека в цилиндрическом корпусе, размещенного в печи, возвращается в реактор термолиза, за счет чего снижаются энергетические затраты на получение теплоносителя в виде перегретого водяного пара, что в итоге приводит к снижению энергетических затрат на процесс переработки резиновых отходов в целом.
Подключение входа смесительного теплообменника к газоходу вывода парогазовой смеси из реактора термолиза позволяет вывести парогазовую смесь и осуществить ее смешение с охлажденной и распыленной жидкой фракцией продуктов термолиза с помощью установленных в теплообменнике форсунок.
Распыление жидкой фракции в теплообменнике позволяет создать большую поверхность теплообмена между парогазовой смесью и охлажденной жидкой фракцией, в результате чего парогазовая смесь резко охлаждается и происходит конденсация тяжелой фракции жидких продуктов термолиза на капельках распыленной фракции. Таким образом, из парогазовой смеси выделяют фракцию с температурой кипения, которая определяется температурой охлажденной фракции.
Резкое охлаждение парогазовой смеси подавляет химическое реагирование между составляющими смеси, которое может привести к образованию новых веществ, образованию твердых продуктов и различного рода смолистых соединений, что неизбежно приведет к снижению качества выделяемой из парогазовой смеси жидкой фракции.
Известно, что жидкие продукты термолиза резиновых отходов имеют низкую температуру вспышки, равную 34-37°С. Такие жидкости могут воспламеняться при их транспортировке. Для повышения температуры вспышки необходимо из жидкой фракции выделить фракцию с низким молекулярным весом, т.е. легкую фракцию. Температура кипения такой фракции не превышает 200°С. Обычно для повышения температуры вспышки жидкой фракции применяют ректификацию, что связано с использованием сложного оборудования и дополнительными затратами энергии.
В предложенном устройстве для переработки резиновых отходов повышение температуры вспышки жидкой фракции осуществляют в смесительном теплообменнике путем распыления в парогазовую смесь фракции с заданной температурой вспышки. Однако в процессе конденсации на каплях распыленной фракции выделяется тепловая энергия и, если эту энергию не отводить, то произойдет разогрев смесительного теплообменника и нарушится режим конденсации, т.е. нарушится режим выделения жидкой фракции с заданной температурой вспышки. Для того чтобы исключить данный эффект в смесительном теплообменнике ниже входа парогазовой смеси установлен кожухотрубный теплообменник, выход которого подключен к накопителю жидкой фракции, который подключен к форсункам для распыления данной фракции.
На каплях жидкой фракции, распыленной форсунками, из парогазовой смеси конденсируется жидкая фракция, выделяется теплота конденсации, в результате чего капли разогреваются, а их размер увеличивается, и они осаждаются на входе кожухотрубного теплообменника, стекают по его трубкам под действием силы тяжести и охлаждаются, а затем поступают в накопитель, из которого охлажденная жидкая фракция подается в форсунки для распыления. Таким образом, при охлаждении жидкой фракции отводится из смесительного теплообменника тепловая энергия, которая выделяется в процессе конденсации, что обеспечивает стабильность температуры внутри теплообменника и его работоспособность.
Подключение конденсатора парогазовой смеси к патрубку выхода газов из смесительного теплообменника позволяет вывести неконденсирующиеся при данной температуре в теплообменнике газы и пары, в противном случае произойдет рост давления в смесительном теплообменнике, что в свою очередь приведет к изменению температуры конденсации и нарушению режима работы теплообменника.
В конденсаторе парогазовой смеси в результате охлаждения осуществляют конденсацию водяного пара и части газов термолиза отходов. В данном конденсаторе образуется смесь легкой фракции с низкой температурой вспышки и воды. Данную смесь подают в сепаратор жидкой фракции, где отделяют воду от легкой фракции.
Подключение сепаратора жидкой фракции своим выходом по воде к шнеку в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения позволяет загрязненную воду, которая содержит часть растворенных углеводородов, не выбрасывать в окружающую среду, а вернуть ее в процесс переработки отходов. При этом вода выступает в качестве теплоносителя, с помощью которого охлаждают твердые продукты и возвращают тепловую энергию в реактор термолиза.
В противном случае, для сброса воды в окружающую среду ее необходимо подвергнуть очистке, что требует расхода энергии и приведет к росту энергетических затрат на процесс переработки резиновых отходов (в частности, шин) в целом.
Последовательное соединение паропроводом шнека в цилиндрическом корпусе с рубашкой охлаждения со шнеком в цилиндрическом корпусе, размещенном в печи, и с реактором термолиза резиновых отходов создает контур, по которому тепловую энергию охлаждения твердых продуктов от температуры 600-800°С до температуры окружающей среды возвращают в процесс переработки, что обеспечивает снижение энергоемкости всего процесса переработки шин.
Подключение входа магнитного сепаратора к мельнице, а его выхода к смесителю позволяет выделить металлический корд (стальную проволоку) из твердых продуктов и подать очищенные твердые продукты в смеситель.
Подключение дозатора к накопителю жидкой фракции, который подключен к сепаратору, позволяет из накопителя в заданном количестве подавать жидкую фракцию в смеситель, что необходимо для производства топливной дисперсии заданных параметров.
Снабжение смесителя ультразвуковым диспергатором позволяет исключить использование мельницы тонкого размола твердых продуктов, а их измельчение осуществить непосредственно в самом смесителе в среде жидкой фракции, что обеспечивает снижение энергии, необходимой для размола твердых продуктов, т.е. приводит к снижению энергоемкости процесса переработки и повышению качества получаемой смеси.
Дробление твердых продуктов в смесителе происходит в результате образования кавитации в жидкой фракции, т.е. создания пузырьков, которые при схлопывании образуют микроструи, которые и разрушают частицы твердых продуктов.
Снабжение смесителя электродами, подключенными к генератору электрических импульсов, позволяет в процессе диспергирования твердых продуктов в жидкой фракции пропускать электрический ток через смесь.
Поскольку между твердыми частицами в процессе ультразвукового воздействия образуются и разъединяются электрические контакты, то электрический ток протекает по частицам, а между частицами ток протекает в виде микродуг (разрядов) в момент разъединения контактов между частицами.
В результате данных разрядов происходит эрозия материала частиц (измельчение их). Высокая температура (несколько тысяч градусов) в микродугах приводит к термической деструкции высокомолекулярных соединений, в результате чего в жидкой фазе снижается содержание смол и непредельных соединений, а повышается содержание бензиновых фракций.
В результате того, что энергия электрических микроразрядов переходит в энергию образующихся новых соединений, возрастает удельная теплота обработанной таким образом смеси.
В результате пропускания электрического тока через смесь часть твердой фазы под действием электрических микродуг измельчается под действием возникающих при гашении дуги ударных волн, а часть испаряется (в месте контакта электрической дуги с частицей температура становится выше температуры испарения углерода) и затем конденсируется с образованием углеродных кластеров, имеющих наноразмеры (наночастицы углерода).
Известно, что углеродные наночастицы (фуллерены) растворяются в некоторых углеводородах, например бензоле, толуоле, гексане и др. («Физическая энциклопедия». Научное изд-во "Большая Российская энциклопедия, М., 1998 г., т. 5, с. 379). Поскольку в жидкой фракции присутствует бензол, толуол, то в данной фракции будет происходить растворение углеродных наночастиц. Таким образом, часть углерода твердых продуктов термолиза растворится в жидкой фракции, что повысит однородность получаемой смеси и обеспечит большую устойчивость смеси за счет снижения интенсивности осаждения частиц твердой фазы.
На чертеже изображен общий вид устройства для переработки резиновых отходов.
Устройство содержит бункер 1 с отходами, весовой дозатор 2, подключенный к шлюзовому бункеру 3, заслонки 4 и 5, бункер 6, заслонку 7, контейнер 8, камеру 9 загрузки, снабженную устройством 10 перемещения контейнера 8, рельсы 11, шлюзовой затвор 12, установленный в реакторе 13 термолиза, патрубок 14 подачи газов в контейнер 8, газоход 15 подачи парогазовой смеси, емкость 16 с топливом, подключенную к горелке 17, дымосос 18, подключенный к рубашке кожухотрубного теплообменника 19, рубашку 20, установленную на реакторе 13 термолиза, дымовую трубу 21, вентилятор 22, кран 23, парогенератор 24, датчики 25 и 26 температуры, датчик 27 давления. Устройство также содержит газоход 28 вывода парогазовой смеси с краном 29, смесительный теплообменник 30, накопитель 31 жидкой фракции с насосом 32, подключенным к форсункам 33, кожухотрубный теплообменник 34, подключенный к крану 35, датчики 36 и 37 температуры, патрубок 38 вывода газов с краном 39, подключенным к конденсатору 40 парогазовой смеси, кран 41, подключенный к горелке 17, кран 42, подключенный к сепаратору 43 жидкой фракции, емкость 44 для легких углеводородов и емкость 45 для воды, устройство 46 для опрокидывания контейнера 8, бункер 47 со шлюзовым затвором 48, систему 49 выгрузки, подключенную к шнеку 50 в цилиндрическом корпусе 51. Кроме того, устройство содержит печь 52 с горелкой 53 и вентилятором 54, двигатель 55, датчик температуры 56, кран 57, шнек 58 с цилиндрическим корпусом 59 и рубашкой охлаждения 60, датчик температуры 61, форсунки 62, подключенные к насосу 63, паропровод 64, паропровод 65, датчик температуры 66, вращающийся дозатор 67, подключенный к мельнице 68, магнитный сепаратор 69, подключенный через накопитель 70 к смесителю 71 с весовым дозатором 72, дозатор 73, подключенный к накопителю 74 жидкой фракции и смесителю 72, ультразвуковой диспергатор 75, электроды 76, подключенные к генератору 77 электрических импульсов, емкость 78, подключенную к смесителю 72. Устройство для переработки резиновых отходов работает следующим образом. Из бункера 1 с измельченными резиновыми отходами (например, с изношенными шинами) через весовой дозатор 2 в шлюзовой бункер 3 при открытой заслонке 4 подают отходы до полного заполнения бункера. После этого закрывают заслонку 4 и открывают заслонку 5. Измельченные резиновые отходы под действием собственного веса из бункера 3 проваливаются в бункер 6 и заполняют его. Заслонку 5 закрывают, а заслонку 7 открывают, и отходы под действием собственного веса из бункера 6 проваливаются в контейнер 8, установленный в камере загрузки 9. Операцию загрузки отходов продолжают до тех пор, пока контейнер 8 не заполнится. После заполнения контейнер 8 с помощью устройства 10 по рельсам 11 при открытом шлюзовом затворе 12 перемещают в реактор 13 термолиза и закрывают шлюзовой затвор 12. При этом патрубок 14 подачи газов в контейнер 8 соединяется с газоходом 15 подачи парогазовой смеси, установленным между рельсами 11 в реакторе 13 термолиза. Из емкости 16 с топливом в горелку 17 с заданным расходом подают топливо и сжигают его, а продукты сгорания с помощью дымососа 18 прокачивают через рубашку кожухотрубного теплообменника 19, и далее продукты сгорания прокачивают через рубашку 20 реактора 13 термолиза и выбрасывают в дымовую трубу 21. Проходя через рубашку теплообменника 19, продукты сгорания нагревают его трубы. Одновременно с помощью вентилятора 22 через слой отходов в контейнере 8 и трубы теплообменника 19 прокачивают газовую среду с регулируемым расходом, т.е. осуществляют циркуляцию газовой среды по контуру: слой отходов в контейнере 8 - реактор 13 термолиза - кран 23 - теплообменник 19 - вентилятор 22.
В начальный момент времени после подачи контейнера 8 в реактор 13 в газовой среде содержится в основном воздух и водяной пар, который подают в реактор 13 термолиза от парогенератора 24 с расходом 104 кг/ч. Это необходимо для того, чтобы в период запуска устройства и наработки продуктов разложения разбавить воздух в реакторе 13 водяным паром, что предотвратит окисление отходов при их нагревании.
Проходя через трубы теплообменника 19, газовая среда нагревается до заданной температуры, которую контролируют по показаниям датчика 25 температуры. Фильтруясь через слой отходов в контейнере 8, газовая среда охлаждается, а отходы нагреваются. Температуру нагрева отходов в контейнере 8 контролируют по показаниям датчика 26 температуры. Таким образом, необходимая для термолиза (термического разложения) отходов тепловая энергия подводится через стенки контейнера 8, которые нагреваются путем конвективного теплообмена и излучением от рубашки 20 реактора 13 термолиза 12, через которую прокачивают продукты сгорания, а также тепловая энергия подается непосредственно в слой отходов с помощью циркулирующей газовой среды.
При нагревании отходов до заданной температуры (зависит от вида отходов), например в нашем случае до 300°С, начинается процесс термолиза резины с выделением газов термолиза. Газы термолиза поступают в циркулирующую газовую среду и в смеси с данной средой совершают процесс циркуляции. В результате выделения газов термолиза давление в реакторе 13 поднимается, что контролируют по показаниям датчика 27 давления. Для предотвращения значительного роста давления и разрушения реактора 13 часть нагретых газов через газоход 28 вывода парогазовой смеси и кран 29 из реактора 13 выводят в смесительный теплообменник 30. Одновременно с выводом газов из накопителя 31 жидкой фракции с помощью насоса 32 в форсунки 33, установленные в смесительном теплообменнике 30, подают с заданным расходом жидкую фракцию и распыляют ее. При этом через кожух кожухотрубного теплообменника 34 прокачивают охлаждающую воду. На распыленной жидкой фракции происходит конденсация части газообразных продуктов термолиза, в результате чего капли увеличиваются в объеме и под действием собственного веса осаждаются на теплообменнике 34, стекают по его трубам, охлаждаются и через кран 35 сливаются в накопитель жидкой фракции 31. Температуру в смесительном теплообменнике 30 контролируют по показаниям датчика 36 температуры и регулируют путем изменения расхода распыляемой жидкой фракции, а также изменения расхода охлаждающей жидкости (воды), которую прокачивают через кожух теплообменника 34. Температуру охлаждения жидкой фракции на выходе теплообменника 34 контролируют по показаниям датчика 37 температуры.
Неконденсирующиеся в смесительном теплообменнике 30 газы через патрубок вывода газов 38 и кран 39 выводят в конденсатор 40 парогазовой смеси, где путем теплообмена с охлаждающей водой, протекающей по кожуху теплообменника, охлаждают газы, в результате чего из газов выделяются (конденсируются) углеводороды, а неконденсирующиеся газы через кран 41 подают в горелку 17 и сжигают. При этом снижают количество топлива, подаваемого из емкости 16 в горелку 17.
Сконденсировавшиеся углеводороды (легкая фракция, имеющая низкий молекулярный вес) из конденсатора 40 парогазовой смеси через кран 42 сливают в сепаратор 43 жидкой фракции, в котором разделяют воду и легкие углеводороды. Легкие углеводороды (аналог бензиновой фракции) из сепаратора 43 сливают в емкость 44, а воду сливают в емкость 45.
Момент завершения процесса термолиза резиновых отходов соответствует времени, когда выделение газообразных продуктов разложения практически прекращается, что устанавливают по снижению практически до нуля расхода газов, отводимых через кран 29 в смесительный теплообменник 30.
При достижении момента прекращения выхода газообразных продуктов разложения открывают шлюзовой затвор 12 и с помощью устройства 10 по рельсам 11 контейнер 8 с твердыми продуктами разложения резиновых отходов выводят из реактора 13 термолиза в камеру 9 загрузки. С помощью устройства 46 контейнер 8 опрокидывают и твердые продукты вываливаются в бункер 47 при открытом шлюзовом затворе 48. После выгрузки твердых продуктов из контейнера 8 в бункер 47 шлюзовой затвор 48 закрывают.
В контейнер 8 загружают новую порцию отходов и подают его в реактор 13 термолиза.
Из бункера 47 с помощью системы выгрузки 49 твердые продукты подают в шнек 50 в цилиндрическом корпусе 51, установленный в цилиндрической печи 52. Одновременно из емкости 16 с топливом в горелку 53 подают топливо и сжигают его, а продукты сгорания с помощью вентилятора 54 выводят из цилиндрической печи 52 в дымовую трубу 21. С помощью двигателя 55 приводят во вращение цилиндрический корпус 51 вместе со шнеком 50, и твердые продукты начинают перемещаться по винтовой линии от входа в шнек 50 к его выходу.
В процессе перемещения твердые продукты нагреваются в результате контактного теплообмена с цилиндрическим корпусом 51, тепло к которому передается от продуктов сгорания топлива, протекающих по цилиндрической печи 52. Температуру нагрева твердых продуктов контролируют по показаниям датчика 56 температуры. В результате нагрева из твердых продуктов удаляются летучие углеводороды, которые через кран 57 выводят в реактор 13 термолиза.
Из шнека 50 твердые продукты поступают в шнек 58 в цилиндрическом корпусе 59 с рубашкой 60 охлаждения. Через рубашку охлаждения 60 прокачивают охлаждающую воду и, регулируя ее расход, поддерживают температуру цилиндрического корпуса 59Ю, близкую к температуре окружающей среды, что контролируют по показаниям датчика 61 температуры.
Одновременно с выводом твердых продуктов в шнек 58 через форсунки 62 распыляют воду, которую с помощью насоса 63 забирают из емкости 45 и подают в форсунки 62.
Попадая на разогретые до температуры 600-800°С твердые продукты, вода нагревается и испаряется, а твердые продукты резко охлаждаются, что приводит к их растрескиванию и отделению металлического корда от углеродистой составляющей. В результате испарения воды в шнеке 58 поднимается давление, и пары воды по паропроводу 64 из шнека 58 поступают в шнек 50, где в результате теплообмена с движущимися по шнеку 50 твердыми продуктами нагреваются и смешиваются с выделяющимися летучими углеводородами. Образующаяся парогазовая смесь по паропроводу 65 из шнека 50 поступает в реактор 13 термолиза и смешивается там с выделяющимися газообразными продуктами разложения, в результате чего образуется парогазовая смесь, которую с заданным расходом выводят в смесительный теплообменник 30, а остальная часть циркулирует и выполняет роль теплоносителя.
Охлажденные твердые продукты, температуру которых контролируют по показаниям датчика 66 температуры, через вращающийся дозатор 67 выводят из шнека 58 в мельницу 68, где, проходя через валки мельницы 68, измельчаются и затем поступают в магнитный сепаратор 69, в котором отделяют металлический корд от углеродистой составляющей. Металлический корд из магнитного сепаратора 69 подают в накопитель 70, а твердые продукты без металлического корда (углеродистую составляющую) подают в смеситель 71 через весовой дозатор 72. Одновременно с помощью дозатора 73 из накопителя 74 жидкой фракции в заданном количестве в смеситель 71 подают жидкую фракцию.
В жидкой фракции с помощью ультразвукового дисперагатора 75 возбуждают кавитацию и одновременно с помощью электродов 76, подключенных к генератору 77 электрических импульсов, через смесь частиц твердых продуктов и жидкой фракции пропускают электрический ток. Под действием кавитации частицы твердой фракции измельчаются, а протекающий через смесь электрический ток в виде микродуг (разрядов между проводящими частицами, находящимися в непроводящей жидкой фракции) дополнительно измельчает твердые продукты с образованием мелкой фракции и углеродных нанокластеров, которые растворяются в жидкой фракции. Данную смесь из смесителя 71 через час обработки сливают в емкость 78, а в смеситель 71 подают новую порцию твердых продуктов и жидкой фракции.
Таким образом, образуется равномерная и устойчивая смесь твердых продуктов термолиза отходов в жидкой фракции, которая представляет собой высокосортное топливо, а также может выступать в качестве сырья, например, для получения технического углерода (сажи).
Использование предложенного устройства для переработки резиновых отходов позволяет повысить качество продуктов, получаемых из резиновых отходов (в частности, из изношенных шин), а также уменьшить энергетические затраты на процесс переработки резиновых отходов.
Качество твердых продуктов переработки резиновых отходов зависит от количественного содержания летучих веществ (посторонних примесей в виде углеводородов), которые содержатся как остаточные продукты в твердом остатке, состоящем в основном из углерода (80-90% содержится углерода, а остальное - неорганические примеси в виде оксидов кремния, металлов, алюминия и др.).
Чем меньше содержится летучих продуктов (углеводородов, которые представляют собой химические соединения углерода и водорода), тем выше качество твердых продуктов.
Для удаления летучих необходимо нагреть твердые продукты до температуры 600-800°С, т.к. только при таком уровне температуры происходит удаление (испарение) углеводородов из твердого остатка, в результате чего твердый остаток очищается.
Энергетические затраты на процесс нагрева твердых продуктов до температуры 600-800°С снижаются за счет интенсификации теплообмена (увеличения скорости подвода тепла к твердым продуктам), т.к. интенсификация теплообмена обеспечивает уменьшение времени, необходимого для нагрева твердых продуктов до заданной температуры.
Интенсификация теплообмена достигается в результате перемешивания твердых продуктов при вращении шнека вместе с цилиндрическим корпусом.
Уменьшение времени нагрева, в свою очередь, приводит к снижению количества энергии, которая теряется в результате тепловых потерь (тепловой энергии, которая сбрасывается в окружающую среду). Очевидно, что количество теряемой энергии за счет тепловых потерь прямо пропорционально времени нагрева, т.е. снижение времени нагрева приводит к уменьшению количества теряемой энергии, а, значит, снижаются энергетические затраты.
Тепловые потери при температурах 600-800°С могут достигать 50% от всего количества энергии, необходимой для нагрева твердых продуктов. Поэтому за счет уменьшения тепловых потерь осуществляется существенное снижение энергетических затрат.
Энергетические затраты на процесс переработки отходов снижаются также и в результате возврата тепловой энергии твердых продуктов в реактор термолиза с потоком теплоносителя в виде перегретого водяного пара. В этом случае тепло твердых продуктов не выбрасывается в окружающую среду, а используется для получения теплоносителя (перегретого водяного пара).
Все остальные потребители энергии, которые указаны в описании, потребляют энергию в значительно меньшем количестве, чем расход энергии на процесс нагрева отходов в реакторе и на нагрев твердых продуктов до 600-800°С.