Способ переработки горючих отходов типа изношенных шин или подобных резиновых отходов - RU2062284C1

Описание

Изобретение относится к области переработки горючих отходов методом пиролиза для получения углеводородных продуктов и топливного газа и предназначено для переработки изношенных шин и подобных им резиновых отходов.

Известен способ переработки горючих отходов типа изношенных шин, при котором осуществляют пиролиз измельченных до кусков размером 12-50 мм шин в реакторе шахтного противоточного типа за счет частичного сжигания углеродистого остатка пиролиза (см. патент PCT WO 92/01767, кл. С 1OG 1/10, 1992).

Пиролизную смолу предполагается использовать в качестве пластификатора при производстве новых шин. При этом подачу окислителя в зону горения предлагается регулировать кислородно-недостаточно, чтобы обеспечить температуру газов, отходящих из зоны горения, ниже 270^o С. Тем самым обеспечивается вывод продукт-газа из реактора при температура ниже 170^oС. Таким образом, в этом методе получение низкотемпературного продукт-газа достигается ценой получения в качестве продуктов низкосортного технического углерода и низкокалорийного газа, а также вследствие низких температур пиролиза, низкий производительности процесса.

Ближайшим к предлагаемому является известный способ переработки горючих отходов типа изношенных шин и подобных резиновых отходов, включающий загрузку шихты, которая по крайней мере частично состоит из кусков горючих отходов, в реактор, чтобы пиролизовать и газифицировать последние, установление газового потока сквозь шихту путем подачи в реактор кислородсодержащего газифицирующего агента и выведения газообразных и жидких продуктов переработки из реактора, где последовательные сечения упомянутой шихты последовательно пребывают в зонах нагревания, пиролиза, коксования и охлаждения, и выгрузку из реактора твердых продуктов переработки (см. патент США N 4588477, кл. С 10В 49/10, 1986). При известном способе в реакторе устанавливается ожиженный слой измельченных до размера менее 25 мм кусков шин в смеси с кусковым инертным материалом с характерным линейным размером от 18 до 25 мм в противотоке газифицирующего агента. Введение твердого материала в перерабатываемую смесь позволяет избегать агломерации кусков шин при их пиролизе, эффективно осуществлять теплообмен между газом и твердой фазой и способствует продвижению шихты вниз по реактору.

Этот процесс требует подачи дополнительного горючего газа в зону горения и существенно зависит от малого размера частиц для реализации кипящего слоя. При этом, хотя высокие температуры процесса (1100^oС) обеспечивают получение высококалорийного газа и высокую производительность, продукт-газ выделяется при высокой температуре (свыше 200-400^oС), что влечет проблемы, связанные с его охлаждением и возможной полимеризацией углеводородов в магистралях. Необходимость измельчения шин до размеров, обеспечивающих сжиженный слой, является недостатком процесса.

Техническим результатом настоящего изобретения является проведение процесса пиролиза и газификации разделанных до сравнительно крупных кусков изношенных шин без подвода тепла извне с высокой энергетической эффективностью, высоким выходом ценных продуктов, включая смолы пиролиза и горючий газ.

Для достижения указанного технического результата в способе переработки горючих отходов типа изношенных шин и подобных резиновых отходов, которые по крайней мере частично состоят из горючего материала, который включает загрузку в реактор шихты, которая по крайней мере частично состоит из кусков горючих отходов для того, чтобы пиролизовать и газифицировать последние, установление газового потока сквозь загруженную шихту путем подачи в упомянутый реактор кислородсодержащего газифицирующего агента и выведения газообразных и жидких продуктов переработки из реактора, где последовательные сечения упомянутой шихты последовательно входят в зоны нагревания, пиролизa, коксования и охлаждения, и выгрузку из реактора твердых продуктов переработки, максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах 800-1700^oС и при этом температуру газообразных продуктов на выходе из реактора поддерживают ниже 300^oС и путем регулировки по крайней мере одного из следующих параметров: скорости подачи газифицирующего агента, массового отношения расхода газифицирующего агента к расходу шихты, состава газифицирующего агента или состава упомянутой шихты.

Процесс проводят в плотном слое, где упомянутые куски, составляющие шихту, поддерживают плотно прилегающими друг к другу.

В реакторе устанавливают в основном направленный вертикально вверх газовый поток, а прилегание упомянутых кусков друг к другу осуществляется под действием собственного веса.

Предпочтительно, чтобы oсновная часть упомянутых кусков, вводимых в реактор, имела размер в главном измерении от 25 до 300 мм.

Процесс проводят непрерывно, для чего производят последовательную загрузку шихты с одного конца реактора и выгрузку твердых продуктов переработки с другого конца без остановки процесса. Процесс можно осуществлять периодически, для чего загрузку шихты и выгрузку твердых продуктов переработки производят после остановки реактора.

Упомянутые горючие отходы можно загружать в реактор вместе с негорючими материалами при более высоком содержании негорючего материала близ выходного отверстия для продукт-газа и инициировать процесс путем нагревания горючих отходов близ ввода для газифицирующего агента.

Перед загрузкой в реактор можно производить предварительное смешение кусков органического материала с твердым негорючим неплавящимся материалом таким oбразом, чтобы упомянутая шихта была смесью горючих отходов и негорючего материала.

Эта загрузка упомянутой шихты в реактор может включать загрузку в реактор в качестве составляющей упомянутых горючих отходов материалов, содержащих негорючие компоненты, в частности металлический корд.

Предпочтительно состав упомянутой шихты регулируют путем изменения массовой доли негорючих материалов в упомянутой шихте или путем загрузки в реактор твердого негорючего материала совместно с упомянутой шихтой.

Упомянутый твердый негорючий материал можно вводить в реактор в виде кусков или изделий, преимущественно имеющих главное измерение более 20 мм. Упомянутый твердый негорючий материал можно вводить в реактор в виде кусков, имеющих сквозные отверстия. В качестве твердого негорючего материала можно использовать часть продуктов переработки, выгруженных из реактора.

Предпочтительно в состав газифицирующего агента можно вводить диоксид углерода и/или воду. Воду можно вводить в реактор путем подачи ее в зону горения и/или зону охлаждения в область, где температура твердых продуктов переработки выше 400^oС.

Состав газифицирующего агента регулируют путем изменения содержания в нем воды и/или диоксида углерода.

В состав загружаемой в реактор шихты вводят компонент, который химически реагирует с серо- и/или хлорсодержащими веществами с образованием соединений, выводимых из реактора в составе твердых продуктов переработки.

Температуру газообразных продуктов на выходе из реактора поддерживают ниже 230^oС.

Изобретение поясняется чертежом, где схематически изображена установка, на которой может быть осуществлен предлагаемый способ.

Для образования загружаемой в реактор 4 шихты резиновые отходы, по крайней мере частично состоящие из горючего материала, например изношенные шины Т, измельчают в измельчителе 1 до кусков размером от 25 до 300 мм. Перед загрузкой в реактор производят предварительное смешение кусков шин с твердым негорючим неплавящимся материалом I в смесителе 2 таким образом, чтобы загружаемая в реактор шихта была смесью горючих отходов и негорючего материала. В качестве составляющей горючих отходов используют материалы, содержащие негорючие компоненты, в частности металлический корд. Состав шихты регулируют путем изменения массовой доли негорючих материалов в шихте либо путем загрузки в реактор твердого негорючего материала совместно с шихтой. Твердый негорючий материал вводят в реактор в виде кусков или изделий, преимущественно имеющих главное измерение более 20 мм, чтобы обеспечить высокую газопроницаемость шихты.

Из смесителя куски резиновых отходов вместе с твердым негорючим материалом загружают через шлюзовую камеру 3 в реактор 4 шахтного типа. В реакторе куски шин прилегают плотно друг к другу, например, под действием собственного веса. Для того, чтобы обеспечить газопроницаемость шихты упомянутый твердый негорючий материал можно вводить в виде изделий, имеющих сквозные отверстия, например полых цилиндров. Куски шин и твердый негорючий материал можно либо загружать в реактор раздельно, перемешивая их внутри реактора, либо загружать в виде заранее приготовленной смеси. Массовая доля негорючего материала в загрузке при этом поддерживается в пределах от 2 до 80%
В реакторе проводят пиролиз и газификацию горючих составляющих шихты в противотоке кислородсодержащего газифицирующего агента. В качестве газифицирующего агента может использоваться воздух, а подаваемый компрессором 11 в нижнюю часть реактора воздух может быть обогащен кислородом. Также для того, чтобы повысить калорийность получаемого горючего газа, может использоваться газифицирующий агент, содержащий воду и/или диоксид углерода. Газифицирующий агент (агенты) подается в ту часть реактора, где накапливаются твердые продукты переработки, таким образом, чтобы газовый поток проходил через слой этих продуктов. Газифицирующий агент либо его отдельные составляющие может подаваться в реактор либо сосредоточенно, либо распределенно. В частности, вода (в жидком виде W или пар S), углекислый газ, кислород (воздух) могут подаваться каждый через свое отдельное устройство ввода.

Загруженная шихта поступает в зону 5 предварительного нагрева, где нагревается до 300^oС за счет теплообмена с выводимым из реактора продукт-газом G. В зоне предварительного нагрева из реактора выводят продукт-газ. Термином продукт-газ здесь и далее называется аэрозоль, состоящий из смол Н пиролиза в парообразном и тумнообразном состоянии и генераторного газа, включающего оксид и диоксид углерода, пары воды, водород, метан, этилен, пропан и другие газы.

Далее шихта поступает в зону 6 пиролиза, в которой шихта нагревается до 300-500^oС за счет теплообмена с газовым потоком и происходит термораспад полимерных составляющих горючего материала шин с выделением летучих продуктов в газ и образованием углеродистого остатка.

Затем шихта, содержащая частично пиролизовавшиеся куски шин, поступает в зону коксования, в которой при температурах 600- 800^oС осуществляется образование кокса из частично пиролизовавшихся кусков шин.

Вслед за тем шихта, содержащая ококсовавшийся горючий материал шин, поступает в зону 7 горения, в которой при температурах 800-1700^oC осуществляется реакция подогретого газифицирующего агента с ококсовавшимся горючим материалом шин с образованием горючего газа и образуется твердый остаток горения. Снижение максимальной температуры в зоне горения приводит к уменьшению производительности процесса и калорийности неконденсируемого продукт-газа, а при температурах ниже 800^oС в конденсированных продуктах, выводимых из реактора, могут появляться заметные количества недогоревшего углерода.

Наконец, твердый остаток горения поступает в зону 8 охлаждения, в которой за счет теплообмена твердого остатка с подаваемым противотоком к загрузке газифицирующим агентом осуществляется нагрев газифицирующего агента.

Вышеприведенная классификация зон от части произвольна эти зоны можно было бы определить иначе, например, исходя из температуры газа или же исходя из состава и состояния реагентов. Однако при любом выборе обозначений сохраняется та существенная черта, что благодаря противоточному перемещению газового потока и загрузке газифицирующий агент (газ-окислитель) предварительно нагревается за счет теплообмена с твердым остатком горения, а затем горячие газообразные продукты горения отдают свое тепло исходной шихте, загруженной в реактор.

Следует также отметить, что противоток газа и шихты, загруженной в реактор, не обязательно подразумевает пространственное перемещение шихты. В частности, процесс может быть реализован как непрерывный путем непрерывной или порционной загрузки шихты в реактор и выгрузки из него твердого остатка по мере того, как шины расходуются в процессе. В этом частном случае шихта действительно перемещается относительно реактора противотоком к газовому потоку. Но тот же процесс можно осуществить и как процесс в неподвижном слое, где реактор загружается и разгружается после его остановки. В этом случае упомянутая последовательность зон движется по загрузке, и шихта попадает в соответствующую зону по мере того, как эта зона приходит в определенное сечение реактора. В частности, процесс в неподвижном слое может осуществляться в вертикальном шахтном реакторе при направлении газового потока сверху вниз либо снизу вверх. Проведение процесса в неподвижном слое обычно требует более длинного шахтного реактора. При этом предпочтительно, чтобы шихта содержала большую долю негорючих материалов вблизи от вывода продукт-газа 6, таким образом не допуская неполной переработки части отходов в конце каждого цикла.

По завершении процесса из реактора через выходной шлюз 9 выгружают твердый остаток R горения. Этот остаток может быть переработан, например, на грохоте 10 и куски, выделенные из него, использованы в качестве твердого негорючего материала для приготовления шихты. Это относится, в частности, к возможному использованию отрезков металлического корда шин в качестве дополнительно вводимого в шихту негорючего материала, а также и к рециркулированию изделий, вводимых в шихту.

Расход газифицирующего агента и массовое отношение расхода газифицирующего агента к расходу перерабатываемой шихты (общему расходу, включая и массу негорючих компонентов, входящих в шихту) при отношении расходов в пределах от 0,3 до 5 (предпочтительно от 0,4 до 0,7) регулируют таким образом, что максимальная температура в реакторе (т.е. в зоне горения) поддерживается в пределах от 800 до 1700^oС (предпочтительно от 1000 до 1200^oС) и при этом температура продукт-газа G на выходе из реактора не превышает 300^oС (предпочтительно не выше 230^oС).

Для осуществления регулирования упомянутых температур массовое отношение расхода газа-окислителя к расходу шихты уменьшают и/или расход газифицирующего агента уменьшают, когда температура продукт-газа на выходе из реактора превышает предписанные пределы. Когда температура горения падает ниже предписанных пределов, увеличивают скорость подачи газифицирующего его агента и/или увеличивают отношение расходов. Когда температура горения превышает предписанные пределы, уменьшают расход газа-окислителя и/или уменьшают отношение расходов. Отношение расходов шихты и газа-окислителя может регулироваться непосредственно путем подстройки скоростей подачи соответствующих потоков, а также и косвенно, путем регулирования состава газифицирующего агента (обогащая или обедняя его кислородом, добавляя в его состав воду и/или углекислый газ и т.п.) и состава шихты. Последнее регулирование подразумевает, что дополнительно к негорючим составляющим, уже входящим в состав шин (металлический корд, окись цинка, минеральные наполнители и т.д.), можно добавлять в загружаемую шихту твердый негорючий материал, изменяя содержание негорючих компонентов в шихте в вышеуказанных пределах.

Отношение расходов является основным параметром, существенным для проведения процесса в оптимальном режиме. Продукт-газ, выводимый из реактора, используется по известным технологиям. Так, например, пиролизные масла могут быть сконденсированы и использованы как источник углеводородного сырья, а неконденсируемый газ как горючий топливный газ.

Воду W и диоксид углерода, извлеченные из продукт-газа в ходе его переработки, можно использовать в качестве компонентов газифицирующего агента. В частности, загрязненную воду, отделенную от сконденсированной пиролизной смолы, можно вводить в зону горения и газификации и/или зону охлаждения золы в области, где температура высока ( температура твердых продуктов выше 400^oС) и преобладает окислительная атмосфера, что позволяет окислить органические загрязнители, присутствующие в воде. Подобный способ подачи воды также обеспечивает дополнительный путь аварийного управления максимальной температурой в случае, когда температура выходит за предписанные пределы.

Для очистки продукт-газа от серы (и хлора) возможен ввод в состав твердого негорючего материала, используемого при формировании шихты, компонентов (например, известняка или доломита), химически связывающих серу (хлор) в соединения, выводимые из реактора в составе твердого остатка горения.

Таким образом, в отличие от способов, известных ранее, настоящее изобретение делает возможным осуществление процесса пиролиза и газификации шин, разрезанных на сравнительно крупные куски (и, следовательно, при сравнительно небольших затратах на измельчение и преодоление гидродинамического сопротивления загрузки) без подвода тепла извне, лишь за счет тепла горячих газов, поступающих из зона горения, с высоким выходом смол пиролиза (до 55% от массы исходных шин) и высоким энергетическим КПД. Энергия, необходимая для поддержания процесса, поставляется за счет сжигания части горючего материала шин. Низкая температура продукт-газа позволяет сконденсировать непосредственно в реакторе и, следовательно, вернуть для повторного пиролиза самые тяжелые фракции органических продуктов пиролиза, упрощает последующую конденсацию углеводородных паров из газового потока и исключает полимеризацию органических продуктов пиролиза в магистралях. В то же время высокая температура горения обеспечивает высокую теплотворную способность неконденсируемого продукт-газа, высокий энергетический КПД и высокую производительность процесса.

Другие характеристики и преимущества нестоящего изобретения иллюстрируются на следующих описанных без ограничений примерах.

Пример 1. На экспериментальной установке было проведено моделирование процесса пиролиза и газификации шин. Смесь кусков изношенных автомобильных шин из изопропенового каучука, разрезанных на куски, с максимальным линейным размером в интервале 30-50 мм и кусков огнеупорного кирпича того же размера загружали в реактор. Массовый состав смеси: 50% шин, 50% огнеупорного кирпича.

Пиролиз и газификацию смеси проводили при использовании воздуха в качестве газифицирующего агента. Расход воздуха составлял 930 нм³/час на м² сечения реактора. Скорость переработки составила 350 кг шин на кв.м. сечения реактора в час.

Температура газа на выходе из реактора составила 220^oС. Температура в зоне горения составила 1250^oС. Выход пиролизных смол, уловленных из продукт-газа в охлаждаемом водой конденсаторе, составил 55% от массы загруженных шин. Смола имела следующий элементный состав (по данным химического анализа),мас.

С 86,42
Н 10,72
О 0,40
N 1,22
S 1,26
В качестве твердого остатка горения были получены (за вычетом кусков кирпича) металлический корд (14% от начальной массы шин), порошок, содержащий песок и окись цинка (9% от начальной массы шин), с примесью (3% от массы порошка) сульфата цинка. Содержание углерода в остатке не превосходило 0,5%
Пример 2. На экспериментальной установке было проведено моделирование процесса пиролиза и газификации шин аналогично примеру 1. Процесс проводили при использовании в качестве газифицирующего агента воздуха, обогащенного водой. Содержание водяного пара в газифицирующем агенте составляло 17% При том же расходе воздуха, что и в примере 1, производительность по шинам составила 380 кг/ час на м² сечения реактора. Температура газа на выходе из реактора составляла 210^oС. Температура в зоне горения составляла 1100^oC. Выход пиролизных смол составил 50% от массы загруженных шин.

Реферат

Изобретение относится к методам переработки горючих отходов, таких как изношенные шины и подобные полимерные отходы, содержащие каучук, путем пиролиза полимерной составляющей шин с тем, чтобы получить углеводородные продукты пиролиза и топливный газ. Сущность изобретения: шихту из кусков шин или смеси кусков шин с твердым негорючим материалом загружают а реактор, в котором в противотоке кислородсодержащего газифицирующего агента, например воздуха, организованы последовательное прохождение загруженной шихты через зону предварительного нагрева, зону пиролиза, зону коксования, зону горения и зону охлаждения шихты и последующая выгрузка из реактора твердого остатка. Из реактора выводят целевой продукт переработки в виде аэрозоля, содержащего пары и мелкие капли смол пиролиза и горючий газ. Разделку шин осуществляют на куски, основная часть которых имеет линейный размер в интервале 25-300 мм. В шихту добавляют куски твердого негорючего неплавящегося материала, которые преимущественно имеют максимальный линейный размер более 20 мм. Массовое отношение расхода газифицирующего агента к расходу шихты, загружаемой в реактор, и скорость подачи газифицирующего агента регулируют таким образом, чтобы максимальная температура а зоне горения находилась в диапазоне от 800 до 1700^oС, а температура целевого продукта на выходе из реактора не превышала 300^oС. Метод может быть использован для экологически приемлемого уничтожения переработки накопившихся вторичных шин и подобных полимерных отходов. 18 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула