устройство переработки - низкотемпературного пиролиза углеводородосодержащих твердых и жидких бытовых, промышленных и лесных отходов

Формула изобретения

Устройство переработки - низкотемпературного пиролиза углеводородосодержащих твердых и жидких отходов, содержащее 2 герметичных горизонтальных реактора, установленных друг над другом, один из которых реактор сушки - верхний, другой реактор пиролиза - нижний, оснащенные шнековыми питателями, камерами сбора обработанного продукта, каналами выхода парогазовых смесей, шнековым выгружателем твердой составляющей из пиролизной камеры, каналом выхода дымовых газов, газовыми горелками для прогрева реактора пиролиза до 450-500°С, отличающееся тем, что в реакторах установлены неподвижные полые оси, на которых установлены лопастные шнеки, в полую ось реактора пиролиза вставлена газовая горелка, реактор сушки прогревается до 150-200°С снаружи отходящими дымовыми газами, температура которых регулируется сетью труб, установленных между реакторами, и прокачкой через них холодного воздуха и/или технологического газа, и закачкой прогретых газов через полую ось; на корпус реактора снизу приварены полутрубы для прокачки через них в полость реактора технологического газа через отверстия в корпусе реактора; вращающиеся лопастные шнеки собраны из двух противоположно навитых и сваренных между собой полос с одинаковым шагом с возможностью вращения на неподвижной оси, по верхней полосе навита вертикальная полоса и все сварено в один рабочий узел, и уже к вертикальной полосе приварены лопасти; лопасти шнеков на концах имеют скребки, установленные с уклоном назад таким образом, чтобы обеспечить использование образующихся на шнеках и осях накипи, нагара и закоксовывания в качестве смазочного материала.

Описание изобретения к патенту

Устройство переработки (низкотемпературный пиролиз) углеводородсодержащих твердых и жидких бытовых, промышленных, сельскохозяйственных, лесных и др. отходов - экологически чистое, компактное, модульного типа, пробитое в управлении, высокопроизводительное, с высоким тепловым КПД способно перерабатывать ТБО, различные полимерные материалы, резинотехнические изделия, отходы лесопромышленного комплекса, опил, стружку, торф, отходы скотоводства, свиноводства, птицеводства, полеводства, отработки масла, отходы производства бумажных фабрик, отходы угольных шламонакопителей и пр. продуктов, а также горы существующих и старых мусорных свалок, что позволит в дальнейшем решить проблему очистки наших земель от мусора, рекультивировать земли, занимаемые свалками, дать возможность природе очистить подземные воды под свалками и окружающих территорий и получить значительное количество энергоносителей, восполняемых постоянно за счет жизнедеятельности человека, а не получения биотоплива за счет изъятия посевных площадей.

В настоящее время существует множество способов утилизации ТБО и пр. отходов. Примером может служить СУДОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ОТХОДОВ, SU 1315737, основной целью которой является эпизодическое (по мере накопления различного вида отходов в бункерах - накопителях) сжигание продукта с выбросом в атмосферу продуктов сгорания без получения и дальнейшего использования вторичного продукта путем прогрева продукта, поступающего последовательно в три обогреваемые шнековые камеры, где продукт прогревается, сушится, размельчается, просыпается через отверстия в корпусах камер на колосники для дожига с частичным использованием дизельного топлива.

В (19) RU (11)96110679 (13) А заявители описывают ретортный способ, т.е. загрузка емкости, герметизация ее с проверкой герметичности, загрузка емкости в камеру прогрева, прогрев, охлаждение, выгрузка. Недостатками ретортного способа являются - цикличность, низкий КПД, трудность в поддержке теплового режима.

В (19) RU (11) 2075272 (13) С 1 сделана попытка осуществления непрерывного способа переработки, совмещенной с сушкой и глубокой высокотемпературной обработкой в одном трехсекционном горизонтально расположенном реакторе. Вызывает сомнение полезность и жизнеспособность данного устройства, т.к. полученный полезный продукт в результате пиролиза и газификации направляется в топку (камеру прогрева). При трапециевидном сечении камеры тепловой обработки невозможно создать герметичность разделенных камер сушки, пиролиза и дожига, парогазовая смесь под давлением найдет выход, что приведет к срыву процесса, образованию накипи, нагара, закоксовыванию внутренних поверхностей камер из-за отсутствия механизма продвижения продукта и очистки поверхностей.

Наиболее близким по идее к предложенному мной устройству является (19) RU (11) 2202589 (13) С 2. Недостатками же являются;

а) необходимо иметь три реактора; сушки, пиролиза, дожига, причина - дожди, снега, большая влажность продукта (в приводимом примере № 1 влаги 21% от массы обрабатываемого продукта, может быть и значительно больше);

б) техническая невозможность создания надежной герметичности вращающегося, прогретого до температуры 600°С реактора (п.5 формулы) диаметром до 3000 мм, при t воспламенения парогазовой углеводородсодержащей среды порядка 300-360°С и, имея в камере пиролиза парогазовую среду в 600 градусов, при нарушении системы герметичности и прорыве газа в атмосферу получим факел огня, при попытке тушения получим охлаждение реактора, разрежение в реакторе, резкий подсос атмосферного воздуха и взрыв - взрывоопасно;

в) парогазовый поток из камер сборников будет подхватывать твердые микроскопические частицы, которые будут быстро засорять катализаторы SR-1 и выводить их из строя;

г) по необходимости созданный реактор сушки будет работать с нарушениями экологических требований, т.к. прогрев-сушка продукта осуществляется непосредственно дымовыми газами повышенной температуры, воздействие которой на полимерные материалы вызовет бурную реакцию оплавления, изменение химического состояния с выделением вредных отравляющих газов и выбросом их (по патенту) вместе с паром в атмосферу;

д) как и что разделять друг от друга - теплоизоляцию от нагревающего слоя или нагревающий слой от корпуса реактора для осуществления вращения реактора, при первоначальной конструктивной закладке температурных деформаций;

е) вызывает большие опасения жизнеспособность реактора дожига при t 1200°C (указано несколько раз в описании) и даже t в 850°C, указанной в двух примерах, тем более консольное исполнение шнека (по чертежу);

ж) по примеру № 1; t пиролиза 400-500°С (при обогреве реактора расположенными внутри реактора трубами), при вращении реактора штрибсами будет подхватываться продукт и забрасываться на нагретые до 400-500°С трубы, образовывая накипь, нагар, закоксовывание, потерю итак довольно низкого КПД, отказ в работе и все из-за отсутствия устройства очистки от нагара и ококсования.

Сделана попытка непрерывного проведения переработки ТБО в SU 1548601, но вызывают сомнение вопросы по работоспособности и качеству получаемого вторичного продукта;

а) в примере приведено - бумага, картон, древесина и т.п. Кто может дать гарантию в том, что в кузове мусоровоза не окажутся двух-трех-одиннадцати секционные батареи отопления, обрезки труб отопления и водопровода, газовые и электрические нагреватели воды, замененные в квартирах, да мало ли еще какие предметы могут быть в мусоровозе, включая бетонные, железобетонные и др. куски, проволоку, тогда какой мощности должен быть измельчитель, т.к. извлечение металла по патенту осуществляется после пиролиза из твердой составляющей, и не застрянет ли все это в питателе измельчителя;

б) как продукт пиролиза будет проходить через шлюзовую камеру и раструб, имеющий изгиб в 90°, при отсутствии механизма, осуществляющего это продвижение;

в) сушка, прогрев и пиролиз продукта осуществляются в одном реакторе, тогда зачем разделять камеры прогрева продукта на секции, т.к. все равно выгрузка парогазовой смеси из реактора происходит совместно с влагой (водой) после сушки продукта, а влажность его может быть до 50% и выше от веса всего продукта (остатки сточных вод);

г) H₂O можно разложить на Н и О электролитическим способом или путем нагрева до 2000° при больших давлениях, но это сложно осуществить, т.к. они тут же вступают в реакцию окисления, поэтому при сушке очень влажного продукта нужно устройство разделения воды от остального продукта, иначе встретятся большие проблемы при осуществлении горения газа;

д) немаловажным фактором в данном устройстве является то, что весь полученный вторичный продукт используется непосредственно для работы турбоэлектрогенератора без осуществления накопления жидкой фракции;

е) спиральная навивка внутри транспортирующей трубы будет способствовать продвижению продукта только при вращении самой транспортирующей трубы, в данном же случае при попадании в реактор кусков металла, бетона, камня до 10 см (по патенту), будет способствовать образованию мертвых зон, накипи, нагара, ококсованию в нижней части реактора в пространствах между отверстиями при малых давлениях газа, что в дальнейшем приведет к постепенному уменьшению и перекрытию нижних отверстий, перенаправляя поток газа в верхние отверстия, где меньше давление продукта, т.к. тяжелые куски породы будут осаждаться внизу. Установка (как вариант) в транспортирующей трубе шнека со сплошной спиралью и отверстиями в оси и только (по фиг 3), не по размеру внутреннего диаметра транспортирующей трубы с учетом каких-то технологических зазоров при изготовлении и на температурные деформации, а именно по указанному чертежу, не будет препятствовать процессам образования, накипи, нагара и ококсования при малых давлениях газа в пространствах между отверстиями с постепенным уменьшением и закупоркой их, начиная от загрузки с продвижением к выгрузке, что приведет к падению КПД устройства. Да и какой мощности - производительности должны быть компрессоры, чтобы обеспечить давление выхода направленных струй газа через множество отверстий в корпусе и полой оси реактора (по чертежу) с t 500°C и давлении 20 кг/см², особенно по стр.21-28 /12/ описания (проведение пиролиза при повышенных температурах 800-1000°C) и, соответственно, воздуходувки. Осуществление же ворошения и продвижения продукта при низких давлениях невозможно, только продувка для прогрева продукта.

Недостатком шнекового питателя в RU 2100402 является то, что изменение шага навивки ленты для уплотнения продукта в средней части шнека приведет к тому, что. имея многогранный профиль корпуса шнека или продольное оребрение внутри корпуса в месте измененного шага шнека и далее, для предотвращения прокрутки продукта вместе со шнеком, создаст предпосылки для выброса продукта через питатель при отсутствии продукта в вертикальной подводящей шахте, что чревато открытием прохода парогазовой смеси под избыточным давлением в реакторе при температуре 500 и выше градусов, при температуре воспламенения парогазовой смеси порядка 360-380 градусов.

Предлагаемое мной устройство является наиболее прогрессивным, т.к. дает возможность в течение весенне-летнего и осеннего периода накопить в достаточном количестве энергоносители в виде жидкой и твердой составляющей для использования в зимний период, посевной и уборочной страды, обеспечение тепло и электроэнергией очистных сооружений городов, поселков сельскохозяйственных предприятий. Твердая составляющая может быть использована в отопительный сезон, т.к. она приравнена по теплотворной способности к антрациту, как в искомом виде, так и в газообразном, пропустив ее через газогенераторную печь, давно используемую в промышленных и бытовых нуждах. Газовая составляющая может быть использована непосредственно для обеспечения нужд экологически чистого производства по тепло и энергообеспечению.

Данное устройство предусматривает устранение вышеперечисленных недостатков. Поступающий в бункер 11 продукт переработки, прошедший через технологическую линию сортировки и подготовки ТБО к пиролизу, где предусмотрено удаление черных и цветных металлов, бетона, камней, стекла и пр. неперерабатываемого мусора с максимальной крупностью частиц в 50 мм (текстолит, эбонит и пр. полимерный и древесный материал) прогревается отходящими дымовыми газами в бункере 11, затем шнековым питателем 10 уплотняется и подается в реактор сушки 22, где подвергается интенсивному перемешиванию лопастями 16 шнека 9 с уже нагретым продуктом и, за счет прокачиваемого, прогретого технологического газа через неподвижную ось шнека 9 с отверстиями 12, в буквальном смысле, продукт будет подвержен ударному прогреву до 150-200°С, отдавая влагу уходящему газу через дымоход В. Шнек питателей имеет постоянный шаг навивки ленты и в конце, на одну треть длины, имеет конус с выходным отверстием, в 4-5 раз меньшим, чем площадь сечения до конуса, с продолжением трубы того же сечения длиной 250-300 мм. Уплотненный продукт в этом патрубке будет являться запорным устройством для выхода парогазовой смеси из реактора сушки и пиролиза, а так же всаса в реакторы атмосферного воздуха, даже если в приемном бункере 11, 7 и 14 будет отсутствовать продукт. Чем больше прокачиваемого газа и выше его температура, тем больше нужно будет подавать продукта для сушки, т.е. выше будет производительность. Приваренные к корпусам реакторов полутрубы служат для прогрева и прокачки через них технологического газа, уравновешиванию скачков и стабилизации температурных режимов процесса, а также для увеличения жесткости конструкции корпусов реакторов, дабы снизить, насколько возможно, последствия температурных деформаций. Лопастные шнеки, с малым углом атака лопастей, перемешивают продукт по всей длине реакторов и продвигают его вперед, продукт прогревается по мере отдачи влаги, уменьшаясь в весе и объеме. В конце шнеки имеют 2 витка лопастей с обратной навивкой и противоположным углом атака, чтобы была произведена задержка-накопление обработанного продукта для более полной его обработки и выдачи его в приемные бункер 7, 14. Лопасти 16 изготовлены по фиг.1, скребки 19 приварены к концу лопасти с уклоном назад для того, чтобы налипшие или зацепившиеся продукты могли быть сброшенными с лопастей и скребков, которые предназначены для снятия накипи и нагара с внутренней стенки реактора. При малых углах атаки лопастей возможно увеличение числа оборотов шнеков для создания лучших условий проведения реакций сушки и пиролиза. Сам шнек подвержен процессу самоочищения за счет перекатывания продукта по лопастям, оси и шнеку. Соударения грубых частиц продукта между собой способствуют разрушению крупных частей продукта. За счет того, что основа лопастных шнеков не сплошная, имеется возможность пропуска прогретых газов через отверстия в осях, способствуя тем самым удалению мертвых зон шнеков и лучшему прогреву перемешиваемого продукта. При прикосновении продукта к неподвижным осям происходит прогрев его и, соответственно, появляются предпосылки образования накипи, нагара и ококсования на поверхности осей. Вместе с захваченными мелкими частицами продукта, при вращении шнека, накипь, нагар и ококсование используются в качестве смазывающего материала. Вращение шнека с большими поверхностными пустотами по неподвижной оси с отверстиями будет способствовать очистке отверстий и препятствовать образованию накипи, нагара и ококсованию как на осях, так и на внутренней поверхности реакторов. Вот именно по вышеперечисленным условиям выбрана такая конструкция лопастного шнека с неподвижной осью, что позволяет уйти от консольной конструкции шнека, увеличения жесткости шнека для работы при высоких температурах, позволяет уйти, насколько это возможно, от увеличенных температурных деформаций, уменьшения удельных нагрузок прогретых деталей, уменьшения возможности образования накипи нагара, ококсования, закупорки отверстий продувки газа, простоты изготовления, увеличения надежности и ремонтопригодности устройства. По условиям экологии, парогазовая смесь из реактора сушки 22 и сборника 7 через выход А подается через циклон очистки в конденсатор сбора воды, а газ подается на компрессор и/или сразу на прогрев и снова в реактор сушки и так по кругу, излишки обогащенного газа из рессиверов подаются на газовые горелки. Сконденсированная жидкость собирается в резервуар, подвергается физико-химической обработке, очистке - фильтрации через фильтр, наполненный твердой составляющей, полученной в результате пиролиза, и идет на повторное использование, при замене наполнителя старый направляют на повторную переработку.

Высушенный и прогретый до 200°С продукт из приемной камеры 7 питателем 5 подается в пиролизную камеру реактора 23, где подвергается интенсивному перемешиванию, с уже прогретым продуктом, продвижению вперед в камеру сборника 14 и прогреву до 450-500°С газовыми горелками 1 снаружи реактора, через полую ось реактора горелкой 6 и прокачиваемым прогретым газом через приваренные к корпусу полутрубы 2 и отверстия 4. Парогазовая смесь из реактора 23 поступает на дальнейшую обработку - циклон, катализатор или без него, охладитель-разделитель жидкой фракции по температурным режимам и газ (на чертеже не показаны, т.к. существует множество изобретенных и апробированных ректификационных и крекинговых устройств). Избыточное давление в реакторах на 5-10 мм ртутного столба достигается за счет подачи в реактор прогретого технологического газа и отсоса парогазовой смеси вентиляторами или компрессорами.

Выгрузка твердой фракции из приемника 14 осуществляется шнеком выгрузки 15. Набор труб со входами С, установленными между реакторами, предназначенными для прогрева технологических газов и атмосферного воздуха и уменьшения температура прогрева реактора сушки.

Герметизация реакторов достигается за счет уплотненного продукта в патрубках питателей загрузки и выгрузки, а так же за счет уплотнений сальниковыми набивками (на чертеже не показано) из асбестового шнура, пропитанного графитовой или молибденовой высокотемпературной смазкой в подшипниковой области между неподвижным торцом реакторов, защищенных от перегрева в области подшипника водяной рубашкой (на чертеже не показано) - вращающейся шейкой шнека и неподвижной осью.

Корпуса реакторов, неподвижные оси, шнеки, приваренные полутрубы и конструкции газовых горелок изготавливаются из жаропрочного, высоколегированного металла из условий наименьших температурных деформаций при температурах 450-600°С при длине реакторов, в зависимости от типоразмера, 3-6 м.

Реакторы находятся внутри металлической, футерованной огнеупорным материалом, с наружной теплоизоляцией защитой 3 с вмонтированными в нее газовыми горелками 1 и вводами газа F.

Диаметр сушильного реактора зависит от типоразмера проектируемого модуля по производительности (наличия и возобновляемости продукта), с учетом того, что выход продукта из реактора сушки на 20-50% меньше веса загружаемого продукта, в зависимости от влажности и состава продукта.

Диаметр реактора пиролиза проектируется с учетом выхода парогазовой смеси порядка 60-65% от веса, загруженного в реактор высушенного продукта, т.е. площадь сечения реактора пиролиза должна быть на 40-50% меньше площади сечения реактора сушки.

Длительность реакции пиролиза в реакторе уже прогретого до 200°С продукта при быстром (ударном) прогреве до 450-500°С порядка 25-45 минут, в зависимости от поддерживаемых температурных режимов, допущенной крупности кусков продукта, с учетом этого можно рассчитать диаметры, длину реакторов и производительность модуля.

ОПИСАНИЕ ПО ЧЕРТЕЖУ

1. Газовые горелки и трубы подачи воздуха.

2. Полутрубы, приваренные к реакторам, для прогрева технологического газа.

3. Огнеупорная футеровка и теплоизоляция.

4, 12. Отверстия для прохода горячего технологического газа в реактор.

5, 10. Шнековые загрузчики с редуктором.

6. Е. Газовая горелка в полой оси шнека.

7. Сборник сухого продукта.

С. Выходы технологического газа и воздуха.

8. Огнеупорная перемычка.

9, 13. Лопастной шнек.

А. Выход парогазовой смеси из реактора сушки.

11. Загрузочный бункер с подогревом.

В. Выход отработанных дымовых газов.

Д. Выход парогазовой смеси из реактора пиролиза.

14. Сборник твердой фракции.

16. Шнек выгрузки.

17. Поперечная навивка, приваренная на плоскостную навивку 20 с шагом 350-500 мм полосы 100*10 мм.

18. Плоскостная навивка полосы 100*10 по трубе оси шнека диаметром 250-300 мм на длину реактора противоположной навивки 20.

19. Скребок очистки.

20. Плоскостная навивка поверх навивки 18 в противоположном направлении и приваренная к полосе 18.

21. Факелы газовых горелок.

22, 23. Корпуса реакторов.

F. Входы газа и воздуха для газовых горелок.