СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РЕЗИНОВЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2001 года по МПК B29B17/00 C08J11/14 B29K105/00 

Изобретение относится к технологии переработки отходов и может быть применено в химической промышленности для производства адсорбентов, а также в резиновой промышленности для получения ингредиентов резиновых смесей и в топливно-энергетическом комплексе для энергетического использования отходов.

Известен способ переработки резиновых отходов (изношенных шин), который заключается в термическом разложении в рабочей среде (кварцевый песок) изношенных шин и последующем разделении продуктов разложения на твердые и газообразные, из которых путем конденсации выделяют масло (см. Пальгунов П.П., Сумароков М. В. Утилизация промышленных отходов - М.: Стройиздат, 1990, с. 165-166).

Недостатками данного способа являются высокий расход энергии (до 12,5 МДж/кг отходов), большие выбросы продуктов сгорания в атмосферу (до 2,5 кг/кг отходов), сложность отделения твердых продуктов разложения от кварцевого песка, а также высокая взрывоопасность углеродной пыли и газообразных продуктов разложения, содержащих до 48 масс.% водорода.

Известен способ переработки отходов для получения жидкого и газообразного топлива путем пиролиза и разделения продуктов пиролиза на твердую, жидкую и газообразную фазы. Твердую фазу обрабатывают водяным паром с получением окиси углерода и водорода, а газообразную фазу частично отводят для поддержания процесса пиролиза (см. Алексеев Г.М., Петров В.Н., Шпильфогель П. В. Индустриальные методы санитарной очистки городов. - Л.: Стройиздат, 1983 - С. 14-15).

Недостатками данного способа являются высокий расход энергии на переработку, что обусловлено высокой температурой процесса (до 1500^oC), большие выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является принятый нами за прототип способ переработки резиновых отходов (см. Патент РФ N 2076501. Опубликован в БИ 27.03.97 г.).

Согласно указанному способу для термического разложения отходов используют парогазовую смесь, состоящую из 98-85 масс.% перегретого до T = 300-1600^oC водяного пара и 2-15 масс.% полученных после выделения масла газообразных продуктов, кроме того, предварительно перед термическим разложением резиновые отходы смешивают с 3-40 масс.% масла, кроме того, отходы смешивают с маслом путем пропускания газообразных продуктов разложения через слой отходов при их массовом соотношении (0,05 - 1,62):1, а твердые продукты разложения смешивают с 4-40 объемными% масла и прессуют в брикеты при одновременном нагревании до T = 100-500^oC путем фильтрации газа, полученного после выделения масла из газообразных продуктов разложения отходов.

К недостаткам данного способа следует отнести большой удельный расход водяного пара, высокий расход энергии, обусловленный необходимостью нагрева пара до 1600^oC, а также большие выбросы в атмосферу продуктов сгорания топлива, расходуемого на производство и перегрев водяного пара.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости и уменьшение количества вредных газообразных выбросов в окружающую среду в процессе переработки отходов.

Предлагается способ переработки резиновых отходов, включающий их термическое разложение в парогазовой среде, разделение продуктов разложения на твердые и газообразные, отличающийся тем, что твердые продукты разложения подают в печь активации, куда одновременно вводят водяной пар в количестве 0,8 - 1,6 кг/кг твердых продуктов разложения, а газообразную смесь из печи активации выводят при массовом соотношении в смеси (3 - 0,6)/1 водяного пара и газов активации и используют в качестве парогазовой среды для разложения отходов. В печь активации одновременно с подачей твердых продуктов разложения и водяного пара подают резиновые отходы в количестве 0,05 - 0,20 килограмма отходов на килограмм твердых продуктов.

Вывод твердых продуктов разложения резиновых отходов в печь активации и активирование их в среде водяного пара позволяет осуществить нагрев водяного пара и получить парогазовую смесь, необходимую для проведения процесса разложения отходов.

Известно (см. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение/Пер. с нем. - Л.: Химия, 1984. - 216 с.), что в печи активации протекают реакции взаимодействия водяного пара с углеродом активируемого материала:
H₂O + C = CO + H₂; (1)
2H₂O + C = CO₂ + 2H₂. (2)
Для осуществления данных реакций необходима температура T = 800^oC и выше. При этом протекание реакции (1) требует подвода тепла в количестве 117 кДж/моль, а протекание реакции (2) - 75 кДж/моль.

В печи активации углерод твердых продуктов разложения резиновых отходов расходуется на образование CO и CO₂. При этом для реакции одного моля водяного пара (18 г) с углеродом и образования CO и H₂ (реакция 1) требуется 12 г углерода и образуется 28 г CO и 2 г H₂.

При протекании реакции (2) на 36 г водяного пара образуется 44 г CO₂ и 4 г H₂ и расходуется 12 г углерода.

Протекание реакций активирования можно регулировать различными приемами, например, изменением продолжительности и температуры активирования, а также количеством подаваемого в печь активации водяного пара. Вследствие регулирования протекания реакций активирования регулируется состав парогазовой смеси, в которую входят водяной пар, водород, оксид углерода, диоксид углерода и небольшие количества метана, сероводорода, а также газообразных продуктов разложения резиновых отходов, которые не были выделены в реакторе при термическом разложении отходов. Причем эти газообразные продукты разложения содержат в своем составе масло (жидкую при нормальных физических условиях фазу продуктов разложения резины).

Для осуществления процесса термического разложения резиновых отходов в камеру термообработки необходимо подводить тепло, поскольку процесс разложения протекает только при нагреве отходов до заданной температуры (400^oC) и с поглощением тепла на деструкцию (разложение) резины.

Для подвода тепла в камеру термообработки используют парогазовую среду (смесь), а также продукты сгорания газа в горелке печи активации. Отработавшие в печи активации продукты сгорания газа имеют высокую температуру (до 1000^oC) и их тепло может быть полезно использовано для нагрева резиновых отходов в камере термообработки, что снижает количество парогазовой смеси, необходимой для нагрева резиновых отходов до температуры термического разложения.

Количество необходимой парогазовой смеси для подвода тепла в камеру термообработки 1 определяется температурой и теплоемкостью смеси. Чем выше удельная теплоемкость смеси, тем меньшее количество смеси необходимо для подвода заданного количества тепла при данной температуре. В то же время удельная теплоемкость смеси определяется ее составом, т.е. теми компонентами, которые входят в парогазовую смесь. Самой высокой теплоемкостью из газов активации обладает водород H₂ (14,5 кДж/кг^oC). Однако в продуктах активации твердых продуктов разложения резиновых отходов содержание водорода не превышает 5-10 масс.% и поэтому теплоемкость определяется содержанием основных компонентов: водяного пара и оксида углерода. При массовом содержании водяного пара 3:1 по отношению к газам активации теплоемкость смеси практически близка к теплоемкости водяного пара C_р. ^п.г. = 1,99 кДж/кг^oC (C_р. ^пар = 2 кДж/кг^oC).

Дальнейшее увеличение содержания водяного пара в смеси приводит к незначительному росту теплоемкости смеси, а затраты (энергетические) на производство пара резко возрастают. Другим обстоятельством является то, что при большем содержании водяного пара в смеси она потеряет способность гореть, т. е. излишнюю смесь невозможно будет сжечь в горелке 12 и ее придется сбрасывать в атмосферу (смесь содержит CO).

Уменьшение содержания водяного пара в смеси ниже 0,6:1 (где 1 - масса газов в смеси) приводит к резкому снижению теплоемкости смеси и росту расхода смеси на подачу тепла в камеру термообработки 1. Снижение содержания водяного пара в смеси ниже 0,6:1 приводит также к снижению интенсивности теплообмена (коэффициента теплоотдачи), а значит и к снижению скорости процесса разложения отходов.

Таким образом, необходимо массовое соотношение в смеси поддерживать в пределах (3,0 - 0,6) : 1 (водяного пара и газов активации).

Водяной пар в печь активации необходимо подавать в количестве 0,8-1,6 кг пара на 1 кг твердых продуктов разложения. Подача пара в количестве, большем 1,6 кг пара на 1 кг продуктов разложения, приводит к росту удельного расхода пара на процесс (росту энергозатрат на процесс), подавлению процесса активирования твердых продуктов разложения. Уменьшение количества водяного пара меньше 0,8 кг на 1 кг твердых продуктов разложения приводит к недостатку пара для активации, снижению активирования твердых продуктов разложения, уменьшению эффективности процессов тепломассопереноса и нарушению хода термического разложения отходов.

Ускорение процесса термического разложения и, как следствие, снижение энергозатрат достигается тем, что в состав парогазовой смеси вводят газообразные продукты (содержат масло) разложения резиновых отходов, которые способствуют интенсификации процессов деструкции резины. Это осуществляется путем подачи в печь активации одновременно с подачей твердых продуктов разложения и водяного пара резиновых отходов в количестве 0,05-0,20 кг отходов на 1 кг твердых продуктов разложения.

В печи активации резиновые отходы разлагаются с образованием твердых и газообразных продуктов. Твердые продукты активируются в печи, а газообразные с потоком смеси поступают в камеру термообработки отходов. Подача в печь активации резиновых отходов в количестве большем чем 0,20 кг отходов на 1 кг твердых продуктов разложения приводит к тому, что выделяющиеся газообразные продукты разбавляют активирующую смесь и снижают эффективность активации (замедляются реакции активации).

Подача резиновых отходов в печь активации в количестве меньшем 0,05 кг отходов на 1 кг твердых продуктов разложения приводит к тому, что в парогазовой смеси, которую подают в камеру термообработки, снижается количество газообразных продуктов разложения резиновых отходов (паров масла) и эффект интенсификации процесса разложения подавляется, т.е. малое (ниже критического) количество газообразных продуктов разложения в смеси не обеспечивает необходимого эффекта интенсификации процесса разложения.

На чертеже приведена схема установки, на которой реализуют способ переработки резиновых отходов.

Установка содержит камеру термообработки 1, которая снабжена бункером загрузки 2 с затворами 3 и 4, двигателем 5 со шнеком 6, нагревательной рубашкой 16, патрубками подачи парогазовой смеси 17, патрубком вывода газообразных продуктов разложения 18, устройством выгрузки (весовой дозатор) твердых продуктов разложения 36, датчиком температуры 31.

Установка оборудована парогенератором 7 с краном подачи пара 8, охладителем 9 с двигателем и шнеком 10, печью активации 11 с горелкой 12 и механизмами вращения печи 14, 15; краном 13, конденсатором 19, с краном 26, сепаратором для разделения жидкой фазы 21, кранами 22, 23, 25; емкостью для масла (жидких продуктов разложения отходов) 24; краном 26; датчиком содержания водяного пара в парогазовой смеси 27; датчиком температуры в печи активации 28; емкостью для активированного угля 29; датчиком температуры активированного угля 30; краном 32 подачи парогазовой смеси в камеру термообработки; весовым дозатором резиновых отходов 33 со шнеком 34 и двигателем 35.

Согласно изобретению переработку резиновых отходов осуществляют следующим образом.

В камеру термообработки 1 через бункер загрузки 2 с помощью шлюзовых затворов 3 и 4 подают резиновые отходы таким образом, что вначале открывают затвор 3 (затвор 4 находится в закрытом положении) и в бункер 2 загружают отходы, после чего затвор 3 закрывают, а затвор 4 открывают и отходы под действием собственного веса поступают в камеру 1.

Одновременно с подачей отходов в камеру 1 с помощью двигателя 5 приводят в действие шнек 6, который начинает перемещаться по камере 1.

От парогенератора 7 через кран 8, охладитель 9 с двигателем и шнеком 10 в печь активации 11 подают насыщенный водяной пар при температуре 120-150^oC в количестве 0,8-1,6 кг на кг твердых продуктов разложения. Далее в горелку печи активации 12 через кран 13 подают природный газ и сжигают его. Для обеспечения равномерного нагревания водяного пара до температуры T = 800-1000^oC с помощью механизмов 14 и 15 печь 11 приводят во вращение.

Продукты сгорания природного газа из печи активации 11 выводят в нагревательную рубашку 16 камеры термообработки 1. Проходя через рубашку 16 продукты сгорания природного газа нагревают стенки камеры 1. Это позволяет полезно использовать тепло отработавших в печи активации продуктов сгорания газа.

Из печи активации 11 перегретый водяной пар через патрубок подачи парогазовой смеси 17 подают в камеру термообработки 1.

Под действием тепла пара в камере 1 протекает термическое разложение резиновых отходов на твердые и газообразные продукты. С потоком водяного пара газообразные продукты через патрубок 18 выводят в конденсатор 19, где в результате теплообмена с проточной водой охлаждают смесь и конденсируют водяной пар и часть газообразных продуктов. Образующуюся жидкую фазу (смесь воды и конденсата из газообразных продуктов) через кран 20 подают в сепаратор 21, где воду отделяют от конденсата из газообразных продуктов (масла) и через кран 22 подают в парогенератор 7 для производства рабочего водяного пара.

Масло из сепаратора 21 через кран 23 в необходимом количестве подают в парогенератор как топливо, а остаток масла через кран 25 сливают в накопительную емкость 24.

Неконденсирующиеся газообразные продукты из конденсатора 19 через кран 26 подают в горелку 12 и сжигают для обеспечения энергией печи активации. При этом с помощью крана 13 прекращают подачу природного газа в горелку 12.

Твердые продукты разложения резиновых отходов из камеры 1 через весовой дозатор 36 подают в печь активации 11. В результате процесса активации твердых продуктов образуются газы CO, H₂ и CH₄, H₂S (в небольших количествах по отношению с CO и H₂), которые смешиваются с перегретым водяным паром и образуется парогазовая смесь. Количество водяного пара в этой смеси (влажность смеси) контролируют по показаниям датчика (влагомера) 27. Для установления массового соотношения (3-0,6):1 водяного пара и газов активации краном 8 изменяют расход пара (уменьшают либо увеличивают).

Парогазовую смесь из печи активации при температуре 800-1000^oC подают в камеру термообработки через патрубок 17. Температуру в печи активации контролируют по показаниям датчика температуры 28, а устанавливают необходимую температуру, регулируя краном 26 количество сжигаемых газов.

Прошедшие активацию твердые продукты разложения отходов из печи активации выводят в охладитель 9. Под действие шнека, приводимого во вращение двигателем 10, активированные твердые продукты в режиме противотока к подаваемому водяному пару перемещаются в охладителе 9, охлаждаются до температуры 120-150^oC и выгружаются в емкость активированного угля 29. При этом температуру выводимых продуктов контролируют по показаниям датчика температуры 30.

Регулируют температуру выводимых твердых продуктов путем изменения скорости вращения шнека, т.е. времени нахождения продуктов в охладителе 9. Охлаждение активированных твердых продуктов от T = 800-1000^oC до T = 120-150^oC обеспечивает рециркуляцию тепла в печь активации и предотвращает возможность возгорания продуктов при их выгрузке в емкость 29.

Парогазовую смесь в камеру термообработки 1 подают при температуре 800-1000^oC, а выводят при температуре 300-400^oC. При этом температуру выводимой парогазовой смеси контролируют по показаниям датчика температуры 31. Для регулирования температуры выводимой парогазовой смеси с помощью крана 32 изменяют подачу теплоносителя (парогазовая смесь из печи активации) в камеру термообработки 1, т. е. для снижения температуры выводимой смеси уменьшают подачу в камеру 1, а часть (избыток) парогазовой смеси из печи активации подают на сжигание в горелку 12; а для увеличения температуры выводимой смеси (водяной пар и газообразные продукты разложения отходов) увеличивают подачу теплоносителя (парогазовой смеси из печи активации) в камеру 1 с помощью крана 32.

Для интенсификации (уменьшения времени разложения) процесса в камеру термообработки 1 подают в смеси с парогазовой смесь из печи активации газообразные продукты разложения резиновых отходов, содержащие масло и неконденсирующиеся продукты разложения.

Это осуществляют следующим образом. С помощью дозатора 33 со шнеком 34 и двигателем 35 в печь активации подают резиновые отходы в количестве 0,20-0,05 кг резиновых отходов на 1 кг твердых продуктов разложения.

В печи активации под действием высокой температуры резиновые отходы разлагаются на твердые и газообразные продукты. Твердые продукты активируются, а газообразные смешиваются с водяным паром и газами активации и таким образом создается парогазовая смесь, содержащая масло в виде газа (пары масла).

Изобретение иллюстрируется следующим примерами.

Пример 1.

В камеру термообработки 1 через бункер 2 с помощью шлюзовых затворов 3 и 4 подают 100 кг измельченных до размеров 300-400 мм изношенных шин таким образом, что вначале открывают затвор 3 (затвор 4 находится в закрытом положении) и в бункер 2 загружают отходы, после чего затвор 3 закрывают, а затвор 4 открывают и отходы под действием собственного веса поступают в камеру 1. После выхода отходов из бункера 2 затвор 4 закрывают, а затвор 3 открывают и в бункер 2 загружают следующие 100 кг отходов.

Одновременно с подачей отходов в камеру 1 с помощью двигателя 5 приводят в действие шнек 6, который начинает перемещать отходы по камере 1 (от входа к выходу). Скорость этого перемещения устанавливают такой, чтобы через 60 минут (необходимое время для термического разложения отходов) поступившие в камеру отходы оказались в устройстве (дозаторе) выгрузки твердых продуктов разложения 36. Положим, что скорость вращения шнека в этом случае составляет 20 оборотов в час (0,33 об/мин).

От парогенератора 7 через кран 8, охладитель 9 с двигателем и шнеком 10, в печь активации 11 подают насыщенный водяной пар при температуре T = 150^oC и в количестве 1,6 кг пара на 1 кг твердых продуктов разложения. В нашем случае при разложении резиновых отходов образуется 58 кг/час твердых продуктов разложения (58%) и поэтому расход пара составляет 58 кг/час • 1,6 кг/кг = 92,8 кг/час.

Для осуществления термического разложения отходов необходимо нагреть их до 400^oC (начала процесса) и подвести тепло, которое расходуется на процесс разложения (деструкции резины).

Общее количество тепла, необходимого для разложения отходов, определится так:
Q'_общ. = Q_нагр. + Q_разл. + Q_потерь, (3)
т.е. Q_общ. = C_р ^отM_отΔT + q•M_от.; Q'_общ = 1,38 кДж/кг^oC•100 кг (400^oC-15^oC) + 600 кДж/кг•100 кг + 0,15Q_общ. = 130099,5 кДж,
где C_р ^от - удельная теплоемкость резиновых отходов; M_от - масса отходов; q - теплота деструкции (разложения) отходов; Q_нагр. - теплота нагревания отходов; Q_разл. - теплота разложения; 0,15Q_общ. - теплопотери из камеры термообработки 1.

Это количество тепла подводится с парогазовой смесью (в момент запуска установки тепло подводится с перегретым водяным паром).

Для подвода данного количества тепла необходимо в горелке печи активации (с учетом 15% теплопотерь из печи активации) сжигать следующее количество природного газа (в момент запуска установки):
M_газ. = 1,15 Q'_общ./Q_н ^р = 1,15•130099,5 кДж/кг/45600 кДж/кг = 3,28 кг.

В этом случае водяной пар будет нагрет до температуры
T_пара = Q_общ./C_р ^парM_пар + 300^oC = 130099,5 кДж/2 кДж/кг^oC + 92,8 кг + 300^oC = 1001^oC.

В горелку 12 печи активации через кран 13 подают природный газ с расходом 3,28 кг/час и сжигают его. Для обеспечения равномерного нагрева водяного пара с помощью механизмов 14 и 15 печь 11 приводят во вращение со скоростью 1 об/мин.

Продукты сгорания природного газа из печи активации 11 в количестве 47,5 м³/ч при температуре 400^oC выводят в нагревательную рубашку 16 камеры термообработки 1. Проходя через рубашку 16 продукты сгорания природного газа нагревают стенку камеры 1. Это позволяет уменьшить теплопотери и полезно использовать тепло продуктов сгорания.

Из печи активации 11 перегретый водяной пар при температуре T = 1001^oC через патрубок подачи парогазовой смеси 17 подают в камеру термообработки с расходом 92,8 кг/ч (регулируют краном-расходомером 32).

Под действием пара в камере термообработки 1 протекает термическая деструкция (разложение) резиновых отходов на твердые и газообразные продукты (58 кг/ч твердые продукты и 42 кг/ч газообразные продукты).

С потоком водяного пара газообразные продукты через патрубок 18 при температуре T = 300^oC и с расходом 42 кг/ч + 92,8 кг/ч = 134,8 кг/ч выводят в конденсатор 19, где в результате теплообмена с проточной водой охлаждают смесь и конденсируют водяной пар и часть газообразных продуктов разложения отходов.

При этом конденсируется 92,9 кг/ч водяного пара и 30 кг/ч газообразных продуктов разложения отходов. В процессе охлаждения и конденсации выделяется тепло:
Q = C_р ^парM_пар(300^oC - 100^oC) + 2257 кДж/кг•M_пар + C_р ^п.р.M_п.р..(300^oC - 100^oC) + 300 кДж/кг 30 кг/ч = 2 кДж/кг^oC•92,8 кг/ч 200^oC + 2257 кДж/кг•92,8 кг/ч + 2,26 кДж/кг^oC•42 кг/ч 200^oC + 300 кДж/кг•30 кг/ч = 274553,6 кДж/кг.

Для снятия такого количества тепла через конденсатор необходимо прокачать следующее количество охлаждающей воды:

Образующуюся жидкую фазу (смесь воды и конденсата из газообразных продуктов разложения отходов) через кран 20 в количестве 92,8 кг/ч + 30 кг/ч = 122,8 кг/ч подают в сепаратор 21, где воду отделяют от конденсата (масла) и через кран 22 в количестве 92,8 кг/ч подают в парогенератор 7 для производства рабочего водяного пара. Масло из сепаратора 21 через кран 23 подают в парогенератор как топливо. Расход топлива определяется энергозатратами на производство пара
Q_пара = 4,18 кДж/кг^oC•92,8 кг/ч (100^oC - 15^oC) + 2257 кДж/кг•92,8 кг/ч + 2 кДж/кг^oC•92,8 кг/ч (150^oC - 100^oC) = 251701,44 кДж/ч,

где C_р ^пар - удельная теплоемкость пара; 2257 кДж/кг теплота испарения воды;
C_р. ^п.р. - удельная теплоемкость газообразных продуктов разложения отходов (2,26 кДж/кг^oC); M_п.р. - масса газообразных продуктов разложения (42 кг/ч); 4,18 кДж/кг^oC - удельная теплоемкость воды; 0,9 - КПД парогенератора; 42000 кДж/кг - теплота сгорания масла.

Остаток масла (30 кг/ч - 6,66 кг/ч) = 23,34 кг/ч через кран 25 сливают в накопительную емкость 24.

Неконденсирующиеся газообразные продукты разложения отходов в количестве 12 кг/ч из конденсатора 19 через кран 26 подают в горелку 12 и сжигают. Одновременно с помощью крана 13 прекращают подачу природного газа в горелку 12.

Твердые продукты разложения резиновых отходов из камеры термообработки 1 через дозатор 36 с расходом 58 кг/ч подают в печь активации 11.

В результате процесса активации твердых продуктов разложения отходов образуются газы CO и H₂ и небольшое количество (менее 3%) газов CH₄ и H₂S, которые смешиваются с перегретым водяным паром. На процесс активации расходуются водяной пар и тепловая энергия. Пусть твердые продукты разложения содержат 88 масс. % углерода и в процессе активации расходуется 20 масс.% углерода, т.е. 58 кг/ч•0,88•0,2 = 10,2 кг/ч.

При этом в соответствии с реакцией (1) расходуется водяной пар
M_пар = 10200 г/ч (C)/12 г (C) = 15300 г/ч.

На данный процесс потребуется следующее количество тепла:
Q = (15300 г/ч/18 г)•117 кДж = 99450 кДж/ч.

В результате реакций активации образуется следующее количество CO и H₂:
M_CO = (15300 г/ч/18 г)•28 г = 23,8 кг/ч;
Мн₂ = (15300 г/ч/18 г)•2 г = 1,7 кг/ч.

Таким образом, состав парогазовой смеси, образующийся в печи активации в 1 час, будет следующий:
(92,8 кг/ч - 15,3 кг/ч) = 77,5 кг/ч H₂O
23,8 кг/ч CO
1,7 кг/ч H₂
Общее количество парогазовой смеси
77,5 кг/ч + 23,8 кг/ч + 1,7 кг/ч = 103 кг/ч.

Для установления массового соотношения 3:1 водяного пара и газов активации в соответствии с показаниями датчика 27 краном 8 изменяют расход пара (уменьшают на 1 кг/ч), т.е. устанавливают расход водяного пара 91,8 кг/ч.

Парогазовую смесь из печи активации при температуре T = 1000^oC подают в камеру термообработки через кран-расходомер 32 и патрубок 17.

Парогазовая смесь имеет теплоемкость

Для термического разложения резиновых отходов в печь активации необходимо подать с парогазовой смесью 130099,5 кДж/ч тепла. Поскольку в камеру термообработки подают парогазовую смесь при T = 1000^oC, а выводят газообразные продукты из камеры термообработки 1 при T = 300^oC, то для этого необходим следующий расход смеси:

где C_р ^п.г. - удельная теплоемкость парогазовой смеси;
1,06 кДж/кг^oC - удельная теплоемкость CO;
14,5 кДж/кг^oC - удельная теплоемкость H₂;
M_смеси - масса смеси, кг/ч.

Таким образом, через кран-расходомер 32 в камеру термообработки 1 подают парогазовую смесь с расходом 93,4 кг/ч, а избыток смеси (102 кг/ч - 93,4 кг/ч) = 8,6 кг/ч подают на сжигание в горелку печи активации 12. Удельная теплота сгорания парогазовой смеси (горючие элементы CO и H₂) составляет 4400 кДж/кг.

Прошедшие активирование твердые продукты разложения (активированный уголь) из печи активации 11 в количестве 58 кг/ч - 10,2 кг/ч = 47,8 кг/ч подают в охладитель 9 и с помощью шнека, приводимого во вращение двигателем 10, противотоком к подаваемому водяному пару выгружают в емкость 29. В процессе движения нагретый до 1000^oC активированный уголь охлаждается до T = 150^oC, а пар перегревается до T = 300^oC. За температурой охлаждения угля наблюдают по показаниям датчика 30. Теплота охлаждения расходуется на нагрев потока пара и теплопотери. Количество отдаваемого углем тепла составляет величину
Q_охл. = C_р ^уг.•M_у.г.(1000^oC - 150^oC) = 0,8 кДж/кг^oC•47,8 кг/ч•850^oC = 32504 кДж/ч,
где C_р ^уг. - удельная теплоемкость активированного угля 0,8 кДж/кг^oC.

На нагрев водяного пара расходуется тепло
Q_пар = 2 кДж/кг^oC 91,8 кг/ч (300^oC - 150^oC) = 27540 кДж/ч.

На теплопотери расходуется тепло
Q_потерь = 32504 кДж/ч - 27540 кДж/ч = 4964 кДж/ч, т.е. (4964 кДж/ч/32504 кДж/ч)•100% = 15,3%.

Для интенсификации (уменьшения времени разложения и повышения выхода продуктов) процесса в камеру термообработки 1 подают газообразные продукты разложения резиновых отходов, содержащие масло в виде пара. С помощью дозатора 33 со шнеком 34 и двигателем 35 в печь активации 11 подают резиновые отходы в количестве 11,6 кг/час (0,2 кг отходов на 1 кг твердых продуктов разложения).

В печи активации под действием высокой температуры резиновые отходы разлагаются на твердые и газообразные (6,7 кг составляют твердые продукты и 4,9 кг - газообразные продукты). Таким образом, в печи активации образуется следующее количество парогазовой смеси: 102,4 кг/г + 4,9 кг/ч = 106,9 кг/ч. Для установления массового соотношения 3: 1 (пар по отношению к газам в смеси) в соответствии с показаниями датчика 27 краном 8 увеличивают подачу водяного пара, т. е. устанавливают расход пара (91,8 кг/ч + 34,9) = 106,5 кг/ч.

Через кран-расходомер 32 в камеру термообработки подают 93,4 кг/ч парогазовой смеси, а (106,5 кг/ч - 93,4 кг/ч) = 13,1 кг/ч подают на сжигание в горелку печи активации. Теплота сгорания 13,1 кг/ч дополнительного газа (низкокалорийный газ с теплотой сгорания 4400 кДж/кг) расходуется в печи активации на активирование дополнительных 6,7 кг/ч твердых продуктов разложения отходов, нагрев дополнительных газообразных продуктов и теплопотери.

Пример 2.

В камеру термообработки 1 через бункер 2 с помощью шлюзовых затворов 3 и 4 подают 200 кг измельченных до размеров 200-300 мм изношенных шин таким образом, что вначале открывают затвор 3 (затвор 4 находится в закрытом положении) и в бункер 2 загружают отходы, после чего затвор 3 закрывают, а затвор 4 открывают и отходы под действием собственного веса поступают в камеру 1. После выхода отходов из бункера 2 затвор 4 закрывают, а затвор 3 открывают и в бункер 2 загружают следующие 200 кг отходов.

Одновременно с подачей отходов в камеру 1 с помощью двигателя 5 приводят в действие шнек 6, который начинает перемещать отходы по камере 1 (от входа к выходу). Скорость этого перемещения устанавливают такой, чтобы через 60 минут поступившие в камеру отходы оказались в устройстве (дозаторе) выгрузки твердых продуктов разложения 36. Положим, что скорость вращения шнека в этом случае составляет 40 оборотов в час (0,66 об/мин).

От парогенератора 7 через кран 8, охладитель 9 с двигателем и шнеком 10, в печь активации 11 подают насыщенный водяной пар при температуре T = 120^oC и в количестве 0,8 кг пара на 1 кг твердых продуктов разложения. В нашем случае при разложении резиновых отходов образуется 100 кг/час твердых продуктов разложения (50%) и поэтому расход пара составляет 100 кг/час•0,8 кг/кг = 80,0 кг/час.

Для осуществления термического разложения отходов необходимо нагреть их до 400^oC и подвести тепло, которое расходуется на процесс разложения. В соответствии с соотношением (4) в данном примере количество необходимого тепла будет равно
Q'_общ = 1,38 кДж/кг^oC•200 кг (400^oC - 15^oC) + 600 кДж/кг•200 кг + 0,15Q_общ. = 260199 кДж/ч.

С перегретым водяным паром (нагрев пара до 1000^oC) может быть подведено следующее количество тепла:
Q = C_п ^парM_пар(1000^oC - 300^oC) = 2 кДж/кг^oC•80 кг/ч - 700^oC= 112000 кДж/ч.

Количество тепла, равное (260199 кДж/ч - 112000 кДж/ч) = 148199 кДж/ч, в момент запуска установки необходимо подвести с продуктами сгорания природного газа, которые подают в нагревательную рубашку 16 камеры термообработки 1.

Для подвода необходимого количества тепла (260199 кДж/ч) необходимо в горелке печи активации (с учетом 15% теплопотерь из печи активации) сжигать (в момент запуска установки) следующее количество природного газа:
M_газ. = 1,15Q'_общ./Q_н ^р = 1,15•260199 кДж/кг/45600 кДж/кг = 6,56 кг/ч.

В горелку 12 печи активации через кран 13 подают природный газ с расходом 6,56 кг/ч и сжигают его. Для обеспечения равномерного нагрева водяного пара с помощью механизмов 14 и 15 печь 11 приводят во вращение со скоростью 2 об/мин.

Продукты сгорания природного газа из печи активации 11 в количестве 95 м³/ч выводят в нагревательную рубашку 16 камеры термообработки 1. Проходя через рубашку 16, продукты сгорания природного газа нагревают стенку камеры 1, тепло от которой в количестве 148199 кДж/ч (41,2 кВт) передается резиновым отходам.

Из печи активации 11 перегретый водяной пар при температуре T = 1000^oC через патрубок подачи парогазовой смеси 17 подают в камеру термообработки с расходом 80,0 кг/ч (регулируют краном 8 и краном-расходомером 32).

В камере термообработки 1 протекает разложение резиновых отходов на твердые (100 кг/ч) и газообразные (100 кг/ч) продукты.

С потоком водяного пара газообразные продукты через патрубок 18 при температуре T = 300^oC (при более низкой температуре происходит конденсация высококипящих фракций газообразных продуктов разложения) и с расходом 100 кг/ч + 80,0 кг/ч = 180 кг/ч выводят в конденсатор 19, где в результате теплообмена с проточной водой охлаждают смесь и конденсируют водяной пар (80 кг/ч) и часть газообразных продуктов (90 кг/ч) разложения отходов.

В процессе охлаждения и конденсации выделяется тепло:
Q = C_р ^парM_пар(300^oC - 100^oC) + 2257 кДж/кг•M_пар + C_р ^п.р.M_п.р.(300^oC - 100^oC) + 300 кДж/кг 90 кг/ч = 2 кДж/кг^oC•80,0 кг/ч 200^oC + 2257 кДж/кг•80,0 кг/ч + 2,26 кДж/кг^oC•100 кг/ч 200^oC + 300 кДж/кг•90 кг/ч = 239786 кДж/ч.

Для снятия такого количества тепла через конденсатор необходимо прокачать следующее количество охлаждающей воды:

Образующуюся жидкую фазу (смесь воды и конденсата из газообразных продуктов разложения отходов) через кран 20 в количестве 80,0 кг/ч + 90 кг/ч = 170,0 кг/ч подают в сепаратор 21, где воду отделяют от конденсата (масла) и через кран 22 в количестве 80,0 кг/ч подают в парогенератор 7 для производства рабочего водяного пара. Масло из сепаратора 21 через кран 23 подают в парогенератор как топливо. Расход топлива определяется энергозатратами на производство пара
Q_пар = 4,18 кДж/кг^oC•80,0 кг/ч (100^oC - 15^oC) + 2257 кДж/кг•80,0 кг/ч + 2 кДж/кг^oC•80,0 кг/ч (150^oC - 100^oC) = 216984 кДж/ч,

Остаток масла (90 кг/ч - 5,74 кг/ч) = 84,26 кг/ч через кран 25 сливают в накопительную емкость 24.

Неконденсирующиеся газообразные продукты разложения отходов в количестве 10 кг/ч из конденсатора 19 через кран 26 подают в горелку 12 и сжигают. Одновременно с помощью крана 13 прекращают подачу природного газа в горелку 12.

Твердые продукты разложения резиновых отходов из камеры термообработки 1 через дозатор 36 с расходом 100 кг/ч подают в печь активации 11.

В результате процесса активации твердых продуктов разложения отходов образуются газы CO и H₂ и небольшое количество (менее 3%) газов CH₄ и H₂S, которые смешиваются с перегретым водяным паром.

На процесс активации расходуются водяной пар и тепловая энергия.

Пусть твердые продукты разложения содержат 90 масс.% углерода и в процессе активации расходуется 30 масс.% углерода, т.е. 100 кг/ч•0,9•0,3 = 27 кг/ч.

При этом в соответствии с реакцией (1) расходуется водяной пар
M_пар = (27000 г/ч (C)/12 г (C)•18 г = 40500 г/ч.

На данный процесс потребуется следующее количество тепла:
Q = (40500 г/ч/18 г)•117 кДж = 263250 кДж/ч.

В результате реакций активации образуется следующее количество CO и H₂:
M_CO = (40500 г/ч/18 г)•28 г = 63 кг/ч;
Mн₂ = (40500 г/ч/18 г)•2 г = 4,5 кг/ч.

Таким образом, состав парогазовой смеси, образующийся в печи активации в 1 час, будет следующий:
(80,0 кг/ч - 40,5 кг/ч) = 39,5 кг/ч H₂O (пар)
63,0 кг/ч CO
4,5 кг/ч H₂
Общее количество парогазовой смеси
39,5 кг/ч + 63 кг/ч + 4,5 кг/ч = 107 кг/ч.

Для установления массового соотношения 0,6:1 водяного пара и газов активации в соответствии с показаниями датчика 27 краном 8 изменяют расход пара (уменьшают на 1 кг/ч), т.е. устанавливают расход водяного пара 81 кг/ч.

Парогазовую смесь из печи активации при температуре T = 1000^oC подают в камеру термообработки через кран-расходомер 32 и патрубок 17.

Парогазовая смесь имеет теплоемкость

Для термического разложения резиновых отходов в печь активации необходимо подавать 2601999 кДж/ч (72,2 кВт) тепла. С парогазовой смесью в камеру 1 может быть из печи активации подано количество тепла
Q = C_р ^п.г.M_п.г.(1000^oC - 300^oC) = 1,97 кДж/кг^oC = 147553 кДж/ч (40,9 кВт).

Тепло в количестве (260199 кДж/ч - 147553 кДж/ч) = 112646 кДж/ч в камеру термообработки 1 подают с продуктами сгорания газа в горелке печи активации 12.

Таким образом, через кран-расходомер 32 в камеру термообработки 1 подают парогазовую смесь с расходом 107,4 кг/ч.

Прошедшие активирование твердые продукты разложения (активированный уголь) из печи активации 11 в количестве 100 кг/ч - 40,5 кг/ч = 59,5 кг/ч подают в охладитель 9 и с помощью шнека, приводимого во вращение двигателем 10, противотоком к подаваемому водяному пару выгружают в емкость 29. В процессе движения нагретый до 1000^oC активированный уголь охлаждается до T = 120^oC, а пар перегревается до T = 300^oC. За температурой охлаждения угля наблюдают по показаниям датчика 30. Теплота охлаждения расходуется на нагрев потока пара и теплопотери. Количество отдаваемого углем тепла составляет величину
Q_охл. = C_р ^уг.M_уг.(1000^oC - 120^oC) = 0,8 кДж/кг^oC•59,9 кг/ч•880^oC = 42169,6 кДж/ч.

На нагрев водяного пара расходуется тепло
Q_пар = 2 кДж/кг^oC 81 кг/ч (300^oC - 120^oC) = 29160 кДж/ч.

На теплопотери расходуется тепло
Q_потерь = 42169,6 кДж/ч - 29160 кДж/ч = 13009,6 кДж/ч.

Для интенсификации процесса в камеру термообработки 1 подают газообразные продукты разложения резиновых отходов, содержащие масло в виде пара. С помощью дозатора 33 со шнеком 34 и двигателем 35 в печь активации 11 подают резиновые отходы в количестве 5 кг/час (0,05 кг отходов на 1 кг твердых продуктов разложения).

В печи активации под действием высокой температуры резиновые отходы разлагаются на твердые и газообразные (2,5 кг составляют твердые продукты и 2,5 кг - газообразные продукты). Таким образом, в печи активации образуется следующее количество парогазовой смеси: 107 кг/ч + 2,5 кг/ч = 109,5 кг/ч. Для установления массового соотношения 0,6:1 (пар по отношению к газам в смеси) в соответствии с показаниями датчика 27 краном 8 увеличивают подачу водяного пара, т. е. устанавливают расход пара (81 кг/ч + 0,6.2,5) = 82,5 кг/ч. Это соответствует 0,8 кг водяного пара на 1 кг твердых продуктов разложения резиновых отходов, т.е.

82,5 кг/ч пара/ (100 кг/ч + 2,5 кг/ч) = 0,8 кг/кг.

Использование предлагаемого способа переработки резиновых отходов позволяет снизить удельный расход водяного пара до 0,93 - 0,41 кг пара на 1 кг исходных резиновых отходов и, как следствие, уменьшить удельный расход энергии на процесс; уменьшить количество топлива, расходуемого на производство пара, а значит, и выбросы продуктов сгорания топлива в атмосферу.

Снижение расхода теплоносителя (водяного пара) на процесс переработки резиновых отходов позволяет достичь экономического эффекта, заключающегося в снижении стоимости переработки отходов.

Изобретение относится к технологии переработки отходов и может быть применено в химической промышленности для производства адсорбентов, а также в резиновой промышленности для получения ингредиентов резиновых смесей и в топливно-энергетическом комплексе для энергетического использования отходов. В способе переработки резиновых отходов осуществляют термическое разложение их в парогазовой среде. Разделяют продукты разложения на твердые и газообразные. Твердые продукты разложения подают в печь активации, куда одновременно вводят водяной пар в количестве 0,8-1,6 кг на 1 кг твердых продуктов разложения. Газообразную смесь из печи активации выводят при массовом соотношении в смеси (3-0,6): 1 водяного пара и газов активации и используют в качестве парогазовой среды для термического разложения отходов. Способ уменьшает количество вредных газообразных выбросов в окружающую среду во время переработки отходов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки резиновых отходов, включающий их термическое разложение в парогазовой среде, разделение продуктов разложения на твердые и газообразные, отличающийся тем, что твердые продукты разложения подают в печь активации, куда одновременно вводят водяной пар в количестве 0,8 - 1,6 кг на 1 кг твердых продуктов разложения, а газообразную смесь из печи активации выводят при массовом соотношении в смеси (3 - 0,6) : 1 водяного пара и газов активации и используют в качестве парогазовой среды для разложения отходов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в печь активации одновременно с подачей твердых продуктов разложения и водяного пара подают резиновые отходы в количестве 0,05 - 0,20 кг отходов на 1 кг твердых продуктов.