СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗНОШЕННЫХ ШИН Российский патент 2005 года по МПК B29B17/00 B29K21/00 

Изобретение относится к термическому пиролизу и может быть использовано при утилизации шин и других резинотехнических изделий (РТИ).

Известен способ термической переработки изношенных шин в среде рециркулируемых газов, получаемых при проведении процесса. Реакция пиролиза шин проходит при 200-500°С в течение 3-6 часов (Авторское свидетельство НРБ №19857, кл. В 29 Н 19/00, опубл. 15.12.80).

Известен способ переработки использованных шин вакуумным пиролизом при 490-510°С и абсолютном давлении менее 5 кПа с получением углеродной сажи с поглощением йода 0,13-0,15 кг/кг, масляным числом по ДОФ (80-100)·10^-5 м³/кг и числом красящей способности 55-63 (Патент США №5087436, кл. С 09 С 1/48, опубл. 11.02.92).

Известен способ термической переработки изношенных шин, включающий их загрузку в реактор, пиролиз материала с последующим разделением продуктов и выгрузку твердого остатка. Пиролиз проводят при температуре до 1000°С в среде восстановительного газа (Патент Великобритании №1481352, кл. С 5 Е, опубл. 27.07.77, прототип). Общим недостатком известных способов является сложное аппаратурное оформление процесса и большие энергетические затраты. Кроме того, углеродную сажу получают очень низкого качества.

Также известен способ термической переработки изношенных шин по патенту №2139187, кл. В 29 В 17/00, 1997 г. В данном способе изношенные шины загружают в реактор, осуществляют пиролиз материала при температуре 550-800°С в среде восстановительного газа при отношении восстановительного газа к материалу 0,20-0,45:1. Далее разделяют продукты пиролиза и выгружают твердый остаток. При окончании пиролиза подают перегретый пар при 250-300°С в количестве 0,03-0,12:1 к загружаемому материалу. Восстановительный газ получают методом неполного сгорания углеводородов с α=0,4-0,085. Способ снижает энергозатраты, упрощает процесс переработки изношенных шин, позволяет получить сажу улучшенного качества для ее повторного использования в производстве резиновых смесей.

Недостатком данного изобретения является прерывистость процесса производства за счет дискретной подачи в реактор шин целиком, что ведет к замедлению процесса тепломассообмена при пиролизе шин и повышению энергозатрат, что влияет на качество продукции.

Задачей изобретения является создание экологически чистого способа переработки изношенных шин путем ускорения и упрощения процесса переработки шин в электроэнергию и нефтепродукты посредством интенсификации тепломассообмена в замкнутом объеме при непрерывном процессе пиролиза, снижение энергозатрат процесса и улучшение качества полученной продукции.

Поставленная задача достигается тем, что переработку изношенных шин проводят путем предварительного измельчения с последующей подачей измельченной массы в винтовой насос, имеющий насадку с фильерами, в котором массу подвергают нагреву до 550°С в зоне фильер и через фильеры под давлением тангенциально подают в верхнюю часть реактора с перемещением массы в нижнюю часть реактора по расположенному внутри реактора винтовому лотку и подвергают в процессе перемещения воздействию восстанавливающих газов для пиролиза массы, в качестве которых используют отведенные из реактора газообразные нефтепродукты, полученные в результате пиролиза массы с последующим их отбором и подачей тангенциально в нижнюю часть реактора под избыточным давлением и при температуре 550-800°С с их массовым соотношением 0,1-0,2:1, а оставшуюся часть газообразных нефтепродуктов, образовавшихся в реакторе, подают в качестве топлива в паросиловой агрегат для производства электроэнергии или для дальнейшей переработки в жидкое топливо, при этом твердый осадок, образовавшийся в результате переработки массы, обрабатывают в нижней части реактора, расположенной ниже зоны подачи восстанавливающих газов, перегретым паром с температурой 200-250°С и массовым отношением пара к твердому осадку, равным 1:1, с последующим сбором обработанного твердого осадка в охлаждаемом воздухом бункере для разделения осадка на фракции, причем воздух, охлаждающий бункер подают в паросиловую установку, а полученные фракции твердого осадка подают на последующую переработку.

Измельчение шин и подача измельченной и нагретой до 550°С массы винтовым насосом через фильеры приводит к резкому увеличению поверхности подаваемой в реактор массы при существенном снижении энергозатрат на получение увеличенной поверхности для тепломассообмена при пиролизе в реакторе. Кроме того, такой способ подачи массы в реактор приводит к герметизации внутреннего объема реактора и исключению вредных выбросов в атмосферу из реактора. Тангенциальная подача массы в реактор при перемещении ее по винтовому лотку существенно увеличивает путь массы по реактору, что приводит к улучшению тепломассообмена между массой и восстанавливающими газами (угол тангенциального ввода массы в реактор и угол наклона винтов лотка /шаг витков/ являются ноу-хау). Устранение налипания массы на лоток обеспечивается подачей газовой смазки между поверхностью лотка и движущейся массы, что является ноу-хау. Для улучшения качества технического углерода (сажи) при окончании пиролиза массы подают перегретый пар при температуре 200-250°С при массовом отношении пара к твердому осадку, равном 1:1. Пределы соотношения определены экспериментально. В качестве восстанавливающих газов используют отведенные из реактора газообразные нефтепродукты, полученные в результате пиролиза массы. Восстанавливающие газы подаются тангенциально в нижнюю часть реактора под избыточным давлением и температуре 550-800°С. Таким образом внутри реактора находятся два встречных потока: движущаяся вниз по наклонному лотку масса и движущийся вверх закрученный вихревой поток восстанавливающего газа, что положительно сказывается на решении поставленной задачи. При этом только при заявленной совокупности существенных признаков и заявленном соотношении достигается максимальная эффективность процесса пиролиза. Пределы отношения восстанавливающего газа к перерабатываемой массе и температурный диапазон определены экспериментальным путем.

В результате пиролиза получается смесь паров бензина, керосина, дизельного топлива, вакуумного и тяжелого газойля, по химическому составу С₄-С₂₈ составляют 99%, т.е. в составе восстанавливающего газа имеется метан, водород, непредельные углеводороды от этилена до бутилена, СО, CO₈, водяной пар и другие газы от реакции пиролиза.

Водород и непредельные углеводороды при температуре более 500°С вступают в реакцию с углеводородными соединениями, содержащимися в перерабатываемой массе, образуя сложные легкокипящие фракции и углеводородные газы от этана до бутана.

Продукты реакции быстро удаляются с поверхности массы в силу разности парциального давления на поверхности массы и восстанавливающего газа, чем ускоряется процесс пиролиза. Подача пара в соотношении 1:1 к твердому осадку позволяет удалить с поверхности твердый осадок, содержащий в основном сажу и минеральные примеси, остатки углеводородов, и дает возможность после соответствующей переработки использовать сажу (техуглерод) в резиновых смесях, используя одновременно твердые минеральные вещества (окись цинка, мел и др.), кроме того, перегретый водяной пар, поступая в реактор, охлаждает твердый осадок и, нагреваясь, возвращает тепло в зону пиролиза, повышая тепловую эффективность процесса.

Смесь газообразных нефтепродуктов в качестве высококачественного котельного топлива сжигается в паросиловой установке для получения электроэнергии. Таким образом, процесс переработки шин происходит в замкнутом объеме без выбросов вредных веществ в атмосферу, а конечная продукция, получаемая после переработки шин - электроэнергия и технический углерод, возвращаемый в новое производство резинотехнических изделий и шин, является экологически чистой.

Заявленный способ поясняется схемой, где 1 - измельчитель шин, 2 - винтовой насос с рубашкой подогрева, 3 - фильеры, 4 - реактор, 5 - винтовой лоток, 6 - трубопровод восстанавливающих газов, 7 - трубопровод отвода газообразных нефтепродуктов из реактора, 8 - паросиловая установка, 9 - трубопровод подачи пара к твердому остатку, 10 - бункер твердого остатка, 11 - воздуходувка, 12 - трубопровод подачи охлаждающего воздуха к бункеру 10, 13 - трубопровод подачи нагретого воздуха от бункера 10 в паросиловую установку 8.

Способ переработки изношенных шин осуществляется следующим образом.

Изношенные шины подают в измельчитель 1, а затем в винтовой насос 2 с насадкой с фильерами. Массу по мере перемещения к фильерам 3 (в зоне фильер) нагревают до 550°С и продавливают через фильеры внутрь реактора 4. Масса поступает на винтовой лоток 5 тангенциально и по лотку 5 сползает в нижнюю часть реактора 4. По мере перемещения вниз по лотку 5 масса подвергается воздействию встречного потока восстанавливающих газов, которые подаются в реактор 4 тангенциально под избыточным давлением и температуре 550-800°С через трубопровод 6, расположенный в нижней части реактора. Пиролиз проводят при массовом отношении восстанавливающих газов к перекатываемой массы соответственно 0,1-0,2:1. В качестве восстанавливающих газов используют смесь газообразных нефтепродуктов, образовавшихся в реакторе 4 в результате пиролиза перерабатываемой массы. Эта смесь из верхней части реактора 4 по трубопроводу 7 подается в нижнюю часть реактора 4 в трубопровод 6. Оставшаяся часть газообразных нефтепродуктов поступает в качестве топлива в паросиловой агрегат 8 для производства электроэнергии или для дальнейшей переработки в жидкое топливо.

Твердый осадок собирается на дне реактора 4, обрабатывается перегретым паром с температурой 200-250°С и массовым отношением пара к твердому осадку 1:1. Пар подается в реактор 4 в зону ниже трубопровода 6 подачи восстанавливающего газа по трубопроводу 9. Из нижней части реактора 4 твердый осадок собирается в бункере 10. Бункер 10 охлаждается воздухом воздуходувкой 11 по трубопроводу 12. Нагретый воздух по трубопроводу 13 подается в паросиловую установку 8.

Экспериментальная проверка данного способа показала, что только при заявленной совокупности существенных признаков получают 8-12% от объема перерабатываемой массы углесодержащего продукта, около 8% твердых примесей (волокна) и около 80% нефтепродуктов.

При последующей переработке в жидкое топливо наряду со светлыми нефтепродуктами образуется только вакуумный и тяжелый газоль, содержащий алканы и небольшое количество полиароматических и нафтеновых углеводородов. Малое содержание серы позволяет использовать либо весь жидкий продукт, либо смесь фракций с Т_к свыше 350°С в качестве высококачественного котельного топлива (содержание серы менее 1%). В то же время тяжелые фракции с Т_к свыше 350°С являются весьма ценным сырьем для дальнейшей переработки и получения более ценных химических продуктов. Газообразный продукт представляет в основном смесь метана, пропана, бутана и может использоваться как для сжигания, так и для производства сжиженного газа (пропан-бутан).

В результате переработки смеси газообразных нефтепродуктов, полученных в результате переработки изношенных шин, получают:

Жидких углеродов 58-62%

Газообразных углеродов 7-10%

Тяжелых фракций 31-32%.

Химический состав, (мас.%):

Углеводороды С₆-С₂₅ 99,1-99,3

Сера менее 0,7-0,9.

При сжигании газообразных нефтепродуктов, образовавшихся в реакторе при переработке изношенных шин, в паросиловом агрегате для получения электроэнергии при расходе 200 г на 1 квт электроэнергии из 1 тонны изношенных шин производят 4 тыс квт электроэнергии.

Существо предложенного технического решения поясняется таблицей и примерами.

Пример 1. Последовательность способа описана выше.

Процесс пиролиза проводят при массовом отношении измельченной массы шин к массе восстанавливающих газов 1:0,05 и при температуре восстанавливающих газов 400°С.

Примеры 2, 3, 4. Последовательность способа описана выше.

Процесс пиролиза проводят при минимальном, среднем и максимальном значениях массового отношения измельченных шин к восстанавливающим газам и температуре восстанавливающих газов.

Пример 5. Последовательность способа описана выше.

Процесс пиролиза проводят при выходе за максимальные значения заявленного массового отношения массы измельченных шин к восстанавливающим газам при температуре восстанавливающих газов 1000°С.

При температуре в зоне фильер 550°С минимальны суммарные энергозатраты на нагрев массы и ее подачу винтовым насосом через фильеры в реактор. Снижение температуры до 400°С в зоне фильер ведет к резкому увеличению энергозатрат на подачу массы в реактор и ее продавливание через фильеры. Увеличение температуры до 750°С ведет к нарушению технологического процесса из-за разгерметизации внутренней полости реактора и прорыву из него газов в атмосферу через винтовой насос.

При подаче водяного пара в отношении по массе к твердому осадку 1:1 и его температуре 200-250°С происходит наиболее эффективное удаление углеводородов из осадка и оптимальная присадка пара к восстанавливающим газам. Отклонение этих параметров в ту или иную сторону ухудшает технологический процесс внутри реактора и значительно ухудшает энергетику процесса и качество осадка.

Таблица.Показатели процессаПример 1Пример 2Пример 3Пример 4Пример 5ПрототипМасса шины (измельченной)111111Масса восстанавливающих газов0,050,10,150,20,250,2-0,45Температура восстанавливающих газов °С4005506758001000550-800Время процесса*   ** пиролиза, мин90101010630Энергозатраты, %40010010010080300* Процесс резко замедляется и осуществляется не полностью.** Происходит процесс коксования перерабатываемой массы и ее пригорание к внутренним поверхностям реактора и наклонного лотка.

Таким образом, предложенный способ переработки изношенных шин является экологически чистым способом устранения загрязнения окружающей среды изношенными шинами при одновременном снижении энергозатрат в производстве дешевой электроэнергии или жидкого топлива. При этом вся масса изношенных шин превращается в полезный продукт и по сравнению с прототипом снижает энергозатраты примерно в три раза с одновременным ускорением процесса как минимум в три раза.

Изобретение может быть использовано при утилизации шин и других резинотехнических изделий. Способ переработки изношенных шин проводят путем предварительного измельчения с последующей подачей измельченной массы в винтовой насос, имеющий насадку с фильерами, в котором массу подвергают нагреву до 550°С в зоне фильер. Через фильеры под давлением тангенциально подают массу в верхнюю часть реактора с перемещением массы в нижнюю часть реактора по расположенному внутри реактора винтовому лотку и подвергают в процессе перемещения воздействию восстанавливающих газов для пиролиза массы. В качестве восстанавливающих газов используют отведенные из реактора газообразные нефтепродукты, полученные в результате пиролиза массы, с последующим их отбором и подачей тангенциально в нижнюю часть реактора под избыточным давлением и при температуре 550-800°С с их массовым соотношением 0,1-0,2:1. Оставшуюся часть газообразных нефтепродуктов, образовавшихся в реакторе, подают в качестве топлива в паросиловой агрегат для производства электроэнергии или для дальнейшей переработки в жидкое топливо. Твердый осадок, образовавшийся в результате переработки массы, обрабатывают в нижней части реактора, расположенной ниже зоны подачи восстанавливающих газов, перегретым паром с температурой 200-250°С и массовым отношением пара к твердому осадку, равным 1:1, с последующим сбором обработанного твердого осадка в охлаждаемом воздухом бункере для разделения осадка на фракции. Воздух, охлаждающий бункер, подают в паросиловую установку. Получение фракции твердого осадка подают на последующую переработку. Способ экологически чист и упрощает процесс переработки, снижает энергозатраты, улучшает качество полученной продукции. 1 ил., 2 табл.

Способ переработки изношенных шин проводят путем предварительного измельчения с последующей подачей измельченной массы в винтовой насос, имеющий насадку с фильерами, в котором массу подвергают нагреву до 550°С в зоне фильер и через фильеры под давлением тангенциально подают в верхнюю часть реактора с перемещением массы в нижнюю часть реактора по расположенному внутри реактора винтовому лотку и подвергают в процессе перемещения воздействию восстанавливающих газов для пиролиза массы, в качестве которых используют отведенные из реактора газообразные нефтепродукты, полученные в результате пиролиза массы, с последующим их отбором и подачей тангенциально в нижнюю часть реактора под избыточным давлением и при температуре 550-800°С с их массовым соотношением 0,1-0,2:1, а оставшуюся часть газообразных нефтепродуктов, образовавшихся в реакторе, подают в качестве топлива в паросиловой агрегат для производства электроэнергии или для дальнейшей переработки в жидкое топливо, при этом твердый осадок, образовавшийся в результате переработки массы, обрабатывают в нижней части реактора, расположенной ниже зоны подачи восстанавливающих газов перегретым паром с температурой 200-250°С и массовым соотношением пара и твердого осадка 1:1 с последующим сбором обработанного твердого осадка в охлаждаемом воздухом бункере для разделения осадка на фракции, причем воздух, охлаждающий бункер, подают в паросиловую установку, а полученные фракции твердого осадка подают на последующую переработку.