Спосіб утилізації органічних відходів

Спосіб утилізації органічних відходів, який включає первинний піроліз відходів у реакторі без доступ у повітря при температурі 400¸980°С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші, подальше охолодження парогазової суміші в багатоконтурній 40442 Причини, які перешкоджають отриманню потрібного технічного результату: Треба відмітити, що твердий залишок складається з двох частин: неорганічної, яка не змінює своїх фізичних властивостей при термообробці і питома вага її не змінюється, вона завжди більше одиниці, та органічної - пірокарбону. Органічний твердий залишок (пірокарбон) виникає на кінцевій стадії процесу піролізу органічних відходів. В результаті інтенсивного газовиділення він набуває пористої структури і питома вага сухого пірокарбону здебільшого менше одиниці, і він плаває навіть у таких легких фракціях, як бензин. Таким чином, відомий спосіб не забезпечує працездатності у безперервному режимі роботи, бо при подачі у реактор нової порції відходів рідка їх складова проникає в твердий залишок, який знаходиться у нижній частині реактору, а в окремих випадках, можливе випливання вже сухо го пірокарбону у вер хню частину реактору, у цьому випадку видалити сухий пірокарбон із реактору практично неможливо. Виходячи з цього, спосіб забезпечує роботу тільки в циклічному режимі. Коли процес закінчено, пірокарбон видаляють з реактору і тільки після цього можлива подача нової порції відходів, що істотно зменшує галузь застосування відомого способу через малу його продуктивність. Вказаний недолік особливо важливий в екологічному плані, як спосіб утилізації відходів, при якому неможливе видалення з герметичного реактору пірокарбону, в об'єм якого проникла рідка фракція, бо в цьому випадку небезпечні компоненти відходів можуть потрапити в навколишнє середовище. Досвід обробки промислової технології довів, що для забезпечення глибокого рівня розкладу, особливо, небезпечних органічних відходів, потрібне якісне змішування нової порції відходів, що нагріваються, з важкою рідкою фракцією, яка поступає від багатоконтурної циркуляційної системи та являється ініціюючим елементом для відходів, які потрапляють у реактор, але забезпечити цим вимогам за відомою технологією неможливо. У відомій технології передбачається підтримка постійної величини tn+t y= Т р=const, ці вимоги диктуються умовами отримання максимальної продуктивності реактору. Але для його виконання необхідно більш холодні рідкі компоненти подавати в більш нагріте місце реактору, а більш гарячі - в холодне місце, при цьому різниця температур досягає 450¸650°С. Досвід експлуатації піролізної установки у відомій технології показав, що через різкі перепади температур та температурні перенапруги у місцях з'єднання корпусу реактора з трубопроводами для повернення важкої рідкої фракції від контурів з'являються тріщини, в результаті чого реактор швидко виходить із ладу. Вказані недоліки істотно знижують надійність та обмежують галузь використання відомого способу. В основу запропонованого винаходу поставлено задачу створити спосіб утилізації органічних відходів, в якому застосування нових технологічних прийомів при багатоконтурному піролізі дозволить збільшити рівень розкладу відходів у безперервному технологічному процесі, що забезпечить екологічну чистоту процесу та підвищить його продуктивність. Суть винаходу полягає у тому, що в способі утилізації органічних відходів, який включає первинний піроліз відходів у реакторі без доступу повітря при температурі 400¸980°С з отриманням твердого вуглецевого залишку та багатокомпонентної парогазової суміші, подальше охолодження парогазової суміші в багатоконтурній циркуляційній системі охолодження з відбиранням важкої рідкої фракції на кожному контурі системи та подачу її для піролізу у реактор до отримання на кінцевому контурі газоподібної фракції та рідкої фракції з зазначеною молекулярною масою, згідно з винаходом, відібрану важку рідку фракцію подають у реактор на рівень з температурою відходів, яка відповідає температурі рідкої фракції даного контуру, піроліз проводять у дві стадії, на першій стадії нагріті відходи перемішують з важкими рідкими фракціями, що подаються у реактор, до отримання однорідної маси, а на другій - з однорідної маси відділяють твердий залишок і ведуть процес піролізу до отримання сухого пірокарбону. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками запропонованого способу та досягнутим технічним результатом, слід відзначити наступне: Промислові випробовування даної технології показали, що рівень розкладу відходів істотно залежить від введення добавок, ініціюючого елементу з низькою енергією активації (енергія розриву зв'язку С-Н та С-С), які взаємодіють з аллильними радикалами з утворенням легких радикалів -Н, -СН3, -С2Н5 та інші. У цьому випадку ініціюючим елементом є важка рідка фракція, що отримується від кожного контуру. Досягнення більш ефективного впливу важкої рідкої фракції на активацію процесу термічного розкладу відходів забезпечують за рахунок отримання однорідної маси при змішуванні відходів на стадії їх нагріву з важкою рідкою фракцією на відповідних температурних рівнях реактора, коли температура відходів, що нагріваються, повинна бути рівною температурі рідкої фракції даного контуру. Утворення пірокарбону при піролізі проходить як двостадійний процес перетворення початкових органічних відходів R, з отриманням проміжного продукту твердого залишку S, а потім пірокарбону С та багатокомпонентної низькомолекулярної парогазової суміші, летючих продуктів V за схемою: V ¬ R ® S ®3 . { 1 C 2 R2 R1 У звязку з цим органічні відходи можна розглядати як двокомпонентні: перший компонент R1 це складова твердого пірокарбону, а друга R2 складова летючих продуктів. Як показали експерименти, в залежності від типу відходів, перевага однієї з величин R1 чи R2 може змінюватися, наприклад, у полімерних відходів переважає R2, у відходах сухої деревини R1, а для відходів гумово-технічних виробів R1»R2 Треба відзначити, що R1 та R2 здатні до взаємного переходу, що визначається підготовкою відходів, тобто температурного нагріву та однорідністю змішування їх зі складовою частиною важкої фракції. 2 40442 Для багатоконтурного піролізу, в якому відібрані важкі фракції з заданими температурами на кожному контурі використовуються як ініціюючий елемент процесу, схема набуває наступного вигляду: Установка складається з реактора 1, який знаходиться під кутом, має шнек 2 з електроприводом 3, шнек 4 з електроприводом 5, бункер 6 для подачі відходів (В), бункер 7 для видалення пірокарбону (П) та патрубок 8 для відбору ПГС, яка подається в багатоконтурну циркуляційну систему, що має, наприклад, три контури І к, II к, ІІІ к. Кожний контур має індивідуальні ступені охолодження 9, 10, 11, які з'єднані трубопроводами 12, 13, 14 з реактором 1. Останній ступень 11 з'єднаний з вихідним конденсатором 15, який охолоджується водою (ВО) і має тр убопроводи для виходу піролізного газу (ПГ) та рідкого палива (РП). Спосіб здійснюють наступним чином: Подрібнені органічні відходи (В) завантажують у бункер 6, а потім у реактор 1, де без доступу повітря при температурі 400-980°С відбувається первинний піроліз відходів з утворенням багатокомпонентної парогазової суміші (ПГС) та твердого вуглецевого залишку. Утворену парогазову суміш виводять з реактору 1 через патрубок 8 та охолоджують на ступенях 9, 10, 11 багатоконтурної циркуляційної системи з пониженням температури на кожному контурі, наприклад, для 3-х контурної системи 350°С; 250°С; 150°С. На першому контурі (І к) у відповідному ступені охолодження 9 конденсуються у рідку фракцію найбільш важкі складові з високою температурою кипіння (ВРФ), які неповністю пройшли деструкцію і мають молекулярну масу, набагато перевищену, ніж потрібно для рідкого палива (РП), тобто 100-200. Утворену важку рідку фракцію (ВРФ) подають трубопроводом 12 у реактор на рівень з температурою відходів, яка дорівнює температурі рідкої фракції (350°С). Залишену більш легку частину ПГС подають на другий контур (ІІ к) системи охолодження 10 з температурою 250°С, де також утворюються ВРФ, більш легкі, ніж на І контурі, але які ще не задовольняють вимогам вихідного РП. Їх подають трубопроводом 13 у реактор 1, але на рівень з температурою відходів, яка дорівнює 250°С. Ще легшу ПГС, яка залишається, подають на контур (ІІІ к) з температурою 150°С. Утворену ВРФ тр убопроводом 14 теж подають у реактор 1, на рівень з температурою відходів, яка дорівнює 150°С. Легку ПГС подають на кінцевий конденсатор 15, що охолоджується водою (0В) до температури не більше 50°С, звідки виходить рідке паливо з заданою молекулярною масою та піролізний газ (ПГ). Після попадання ВРФ з контурів циркуляційної системи охолодження 9, 10, 11 до реактору 1, піроліз ведуть у 2 стадії. На першій стадії нагріті відходи перемішують з ВРФ шнеком 2 до однорідної маси. В даному випадку складові ВРФ кожного контур у мають енергію активації в 1,5-3 рази менше, ніж складові початкових відходів. Енергія активації характеризує енергію розриву зв'язків С-С та С-Н і вимірюється в (ккал/моль). Таким чином, в однорідній масі відходів, що піддаються піролізу, рідка фракція грає роль ініціюючого елемента, який знижує загальну енергію розриву зв'язків у початкових органічних відхода х, наприклад, в середньому від 120 до 80-90 ккал/моль, чим досягається збільшення рівня розкладу відходів. Для розрахунку енергії розриву зв'язку С-Н у вуглеводнів різної будови застосовувалась емпірична формула: , де: V1 - сумарна парогазова суміш; Vзвр - складова зворотного процесу у ви гляді важкої рідкої фракції усіх контурів, яка містить екологічно небезпечні елементи; Vp - ви хідна рідка фракція; Vг - ви хідна газоподібна фракція. У цьому випадку R1=С, a R2=Vp+Vг . У зв'язку з цим для отримання сухо го пірокарбону на другій стадії піролізу проміжний твердий залишок S відокремлюють від однорідної маси і процес піролізу ведуть до утворення сухого пірокарбону С. Таким чином, сукупність істотних ознак дозволить збільшити рівень розкладу небезпечних відходів у безперервному технологічному процесі утилізації, що дасть можливість: 1. За рахунок ініціювання процесу піролізу знизити на 20% теплові затрати при досягненні глибокого рівню розкладу відходів, у результаті чого зменшити на 10% термін повернення капітальних затрат даного виробництва. 2. За рахунок подачі гарячої важкої рідкої фракції на рівень реактора з температурою відходів, яка дорівнює температурі рідкої фракції даного контур у, досягти ефективного ініціювання процесу піролізу та збільшення терміну служіння реактора в 2-3 рази. 3. За рахунок ефективного ініціювання збільшити рівень розкладу небезпечних відходів, термічно знешкодити їх у закритому герметичному об'ємі без сполучення з навколишнім середовищем. В порівнянні зі спалюванням цей процес є найбільш екологічно чистим виробництвом. 4. За рахунок видалення твердого залишку від однорідної маси та отримання сухо го пірокарбону у безперервному потоці створити безперервний технологічний процес та збільшити його продуктивність на 30%. 5. За рахунок отримання на виході сухого пірокарбону вивантажити його з реактору у відкриті ємності, при цьому в навколишнє середовище не виділяться шкідливі летючі продукти. Отримаємо екологічно чистий процес утилізації органічних відходів. Суть винаходу пояснюється кресленням (фіг.), де показана схема установки для реалізації запропонованого способу (стрілками зображені потоки): В - відходи; С - пірокарбон; ПГС - парогазова суміш; ВРФ - важка рідка фракція відповідного контур у; І к, II к, ІІІ к - контури циркуляційної системи; ВО - вода для охолодження вихідного конденсатора; ПГ- піролізний газ; РП - ви хідна фракція рідкого палива. 3 40442 DR-H=ER-H=SNia ie-b n, ни і твердий залишок набуде пористої структури і стане вуглецевим залишком - пірокарбоном (С). Таким чином, запропонований спосіб дозволяє збільшити рівень розкладу відходів у безперервному технологічному процесу та підвищити продуктивність. Запропонований спосіб має велике народногосподарське значення як у плані покращення екології, так і в економіці. Він дозволяє утилізувати відходи, які в природних умовах практично не розкладаються, наприклад, гума, полімери, та забруднюють навколишнє середовище. Крім цього, з даних відходів можна отримати енергоресурси у вигляді рідкого палива для двигунів внутрішнього згоряння або котельне паливо, які являються гостро дефіцитними у період енергетичної кризи. де: ER-H - величина, постійна для зв'язку даного типу; Ni - число зв'язків і-го типу, розташованих у nго атому вуглецю; a і b - коефіцієнти, визначені з експериментальних даних для зв'язку даного типу; n - номер атому вуглецю в радикалі, відрахований від атома, який несе вільну валентність (див. книгу: Р.З. Магарил. Ме ханізм та кінетика гомогенних термічних перетворень вуглеводнів. – М.: Хімія, 1970. – 224 с.). Потім на другій стадії від цієї суміші відокремлюють твердий залишок шнеком 4 з приводом 5 і ведуть процес піроліза до тих пір, доки під впливом температур з усього об'єму твердого залишку випариться з парогазовою сумішшю частина ріди Фіг. 4 40442 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5