Устройство и способ для переработки материала припиролитических условиях и их использование - RU2326926C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для переработки материала при пиролитических условиях, содержащему корпус для переработки материала. Настоящее изобретение также относится к способу для переработки материала при пиролитических условиях в три стадии: стадии нагрева материала, стадии взаимодействия, на которой материал может становиться, по меньшей мере частично, пластичным, и третьей стадии, на которой формируются один или несколько продуктов переработки. Кроме того, настоящее изобретение относится к использованию устройства и/или способа.

Переработка при пиролитических условиях представляет собой хорошо известный способ для получения полукокса из каменного угля на трех стадиях, известный, например, из патента США №5296005 или Международной публикации WO-A-02/31081. В каждом из известных способов уголь нагревают, после чего уголь становится, по меньшей мере частично, пластичным и теряет летучие материалы (в то время пока он все еще нагрет). После прохождения некоторого периода времени пластичный уголь должен потерять определенное количество летучих материалов, и химическая композиция изменяется, так что он становится хрупким и превращается в полукокс, при этом все еще теряя летучие материалы. Как правило, этот способ осуществляется в одном или нескольких корпусах, через которые каменный уголь и полукокс транспортируются с использованием шнека.

Этот способ имеет тот недостаток, что, когда каменный уголь становится пластичным, уголь слипается вместе и образует компактную массу, которая больше не транспортируется эффективно через корпус, но присутствует как массивный ком между лопастями шнека. Перемешивание не имеет места во время этой стадии взаимодействия. Поскольку перемешивание не имеет места, перенос тепла в каменный уголь является очень плохим, приводя к перегреву каменного угля вблизи (нагреваемого) корпуса и недостаточному нагреву каменного угля на некотором расстоянии от корпуса. Часто корпус забивается из-за липкости пластичного каменного угля. Следствием является то, что каменный уголь на стадии взаимодействия должен нагреваться медленно, что приводит к большей продолжительности процесса и большим или длинным устройствам. Этот же недостаток имеет место для других материалов, которые перерабатываются при пиролитических условиях и являются пластичными в течение, по меньшей мере, части времени переработки.

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для переработки материала при пиролитических условиях, обеспечивающего эффективное и быстрое производство обработанного продукта.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для переработки материала при пиролитических условиях, в которых материал хорошо нагревается на стадии взаимодействия.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для переработки материала при пиролитических условиях, в которых время пребывания и температурный профиль материала хорошо контролируются.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения создано устройство для переработки материала при пиролитических условиях, содержащее корпус для переработки материала, в котором расположен сдвоенный экструзионный шнек с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения.

Использование сдвоенного экструзионного шнека с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения, в устройстве для переработки материала при пиролитических условиях обеспечивает эффективную и принудительную транспортировку материала и перерабатываемого продукта в корпусе, что, в особенности, по меньшей мере, для частично пластичного материала, приводит к хорошему переносу тепла от корпуса к материалу. Для настоящего изобретения сдвоенный экструзионный шнек с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков определяется как экструзионный шнек, в котором два приблизительно параллельных шнека имеют лопасти, толщина каждой из которых составляет, по меньшей мере, половину расстояния между двумя соседними лопастями и в которых расстояние между валами шнеков равно, самое большее, сумме высот лопастей на обоих шнеках.

Использование сдвоенного экструзионного шнека с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения, приводит к положительному смещению материала, в то время как один шнек транспортирует материал под действием силы трения, и многие материалы, имеющие неблагоприятные свойства трения, доставляют большие проблемы при введении, когда транспортируются под действием одного шнека. Сдвоенный экструзионный шнек с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения, также обеспечивает очень эффективное перемешивание тяжелых жидкостей и материала в виде частиц, и в особенности, по меньшей мере частично, пластичного материала. Предпочтительно, сдвоенный шнек имеет поочередно расположенные лопасти соседних шнеков с малым расстоянием между лопастями.

Для целей ясности необходимо понять, что для настоящего изобретения переработка при пиролитических условиях должна пониматься как переработка материала, посредством которой материал нагревается до определенной температуры, во время этой переработки кислород отсутствует или же кислород присутствует только при низких парциальных давлениях, приводя к множеству химических взаимодействий и формированию одного или нескольких продуктов переработки и реакционных жидкостей, таких как нефтей и/или газов. Использующиеся материалы и образующиеся продукты переработки будут описываться ниже.

Предпочтительно, экструзионный шнек снабжен корпусом, имеющим поперечное сечение в форме "8". Шнеки располагаются близко к корпусу, и материал, который должен перерабатываться, должен находиться между лопастями шнеков. Вместо корпуса, имеющего поперечное сечение в форме "8", для некоторых материалов может использоваться также корпус, имеющий поперечное сечение в форме омеги.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления экструзионный шнек имеет полый вал. Полый вал обеспечивает возможность нагрева материала и перерабатываемых продуктов также и посредством шнека, что приводит к более быстрому нагреву материала и перерабатываемых продуктов посредством транспортировки нагретых газов или нагретых жидкостей через полый вал.

Предпочтительно лопасть или лопасти на полом валу также являются полыми. Это приводит к еще лучшему нагреву материала и перерабатываемых продуктов.

Является возможным снабжение экструзионного шнека сдвоенными лопастями, по меньшей мере, на части его длины. Это имеет то преимущество, что шнек имеет дополнительную поверхность, что приводит к более быстрому нагреву материала и более короткому шнеку.

Является также возможным использование в экструзионном шнеке лопастей с переменным шагом. Это обеспечивает улучшение контроля процесса для каждой стадии способа.

Предпочтительно, экструзионный шнек имеет лопасти с секциями, попеременно имеющими короткий шаг и длинный шаг. Секции с коротким шагом используются для нагрева и перемешивания обрабатываемого материала, а секции с длинным шагом используются в процессе выхода летучих материалов.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления экструзионный шнек имеет лопасть, имеющую одну секцию с коротким шагом, одну секцию с длинным шагом, предпочтительно также имеет конечную секцию, имеющую конечный шаг. Настоящий вариант осуществления может быть использован для пиролиза таких материалов, как оксиды металлов (например, руды железа для стали), гудроны, тяжелые нефти, асфальты, отходы, пластики и биологическая масса (например, древесина для биологического дизельного привода).

Предпочтительно перед каждой секцией экструзионного шнека, имеющего лопасть с длинным шагом, между валом экструзионного шнека и корпусом расположен перемешивающий элемент. Этот элемент используется для создания давления в секции, расположенной после него.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления корпус имеет один или несколько выходов для образующихся газов и/или один или несколько выходов для образующихся продуктов. Когда переработка приводит к получению различных продуктов на различных стадиях способа, эти различные продукты могут, таким образом, высвобождаться по отдельности. То же самое имеет место для образующихся газов.

Предпочтительно, по меньшей мере, для каждой секции экструзионного шнека, имеющего лопасть с длинным шагом, в корпусе присутствует выход для образующихся газов. Газы высвобождаются в секциях экструзионного шнека, имеющего лопасть с длинным шагом.

Предпочтительно расстояние между валом шнека и корпусом является, по меньшей мере, расстоянием такого же порядка, как и расстояние между двумя последовательными лопастями, более предпочтительно расстояние между валом и корпусом является бульшим, чем расстояние между двумя последовательными лопастями. Это приводит к наилучшему переносу тепла к материалу и продуктам.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства шнек имеет вал, на котором расположены внутрикорпусные элементы, такие как лопатки и/или стержни. Внутрикорпусные элементы обеспечивают перемешивание материала и перерабатываемых продуктов. Перемешивание материала и продуктов приводит к тщательному перемешиванию материала и продуктов и, таким образом, к очень эффективному переносу тепла.

Предпочтительно корпус имеет сдвоенные стенки. Таким путем нагретые газы или нагретая текучая среда могут эффективно проводиться по внутренней стенке корпуса для нагрева материала и продуктов.

Предпочтительно корпус и/или экструзионный шнек изготовлены из литейного чугуна, предпочтительно зернистого литейного чугуна. Для температур реакций, которые необходимы в соответствии с некоторыми способами, в соответствии с настоящим изобретением экструзионный шнек и/или корпус могут отливаться из зернистого литейного чугуна, что приводит к созданию относительно недорогого устройства. Однако экструзионный шнек и/или корпус могут, если это необходимо, изготавливаться из стали или другого металла (сплава).

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления корпус имеет длину в пределах между 1 и 25 метрами, предпочтительно между 8 и 15 метрами, более предпочтительно приблизительно 12 метров.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения создан способ для переработки материала при пиролитических условиях в три стадии: стадии нагрева материала, стадии взаимодействия, на которой материал может становиться, по меньшей мере частично, пластичным, и третьей стадии, на которой формируются один или несколько продуктов переработки, при этом продукты переработки образуются из материала в корпусе, в то время как материал и продукты переработки в корпусе принудительно транспортируются посредством сдвоенного экструзионного шнека с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения.

Благодаря принудительной транспортировке материала в корпусе материал и продукты переработки хорошо контролируются, температурный профиль или материал и продукты переработки фиксируются, и перегрев не будет иметь места. Использование сдвоенного экструзионного шнека с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные направления вращения, приводит к очень эффективному перемешиванию, по меньшей мере частично, пластичного материала на стадии взаимодействия, поскольку материал удерживается в сегментах более или менее C-образной формы между лопастями каждого шнека, в которых второй шнек осуществляет тщательное перемешивание. Форма и конструкция сдвоенного экструзионного шнека в соответствии с настоящим изобретением описываются выше и будут поясняться ниже.

Предпочтительно шнек самоочищается во время транспортировки материала и продуктов переработки. Когда шнек является самоочищающимся, материал или продукты переработки не будут прилипать к шнеку, что приводит к более эффективному переносу тепла от шнека к материалу или продуктам.

В соответствии с предпочтительным способом материал и продукты переработки перемешиваются во время транспортировки. Перемешивание материала и продуктов приводит к тщательному перемешиванию материалов и продуктов и, таким образом, к очень эффективному переносу тепла.

Предпочтительно экструзионный шнек вращается со скоростью, наибольшая величина которой составляет 25 оборотов в минуту, предпочтительно со скоростью приблизительно 1 оборот в минуту. Эта относительно медленная скорость вращения приводит к эффективному перемешиванию материала и продуктов переработки.

Предпочтительно материал и продукты переработки нагревают до максимальной температуры от 300 до 1000°C, более предпочтительно до температуры от 400 до 700°C, еще более предпочтительно до температуры приблизительно 600°C. Разумеется, эти температуры зависят от материала, который должен нагреваться. Благодаря эффективному перемешиванию и нагреву материала в корпусе температура нагреваемых газов или жидкостей для нагрева корпуса и шнека не должна быть намного большей, чем максимальная температура материала.

Предпочтительно время транспортировки материала и продуктов переработки в корпусе находится в пределах между 10 и 60 минутами. Благодаря превосходному перемешиванию продукты образуются быстро, и способ может осуществляться в течение короткого периода времени.

В соответствии с предпочтительным способом материал и перерабатываемые продукты перерабатываются в твердой/жидкой/газообразной фазе при давлении от 0,5 до 5 бар. Благодаря более высокому давлению переработка материала является более быстрой.

Если это необходимо, в устройстве для облегчения перемешивания материала и/или продуктов переработки могут располагаться внутрикорпусные элементы. Внутрикорпусные элементы, такие как лопатки, стержни или другие средства, могут легко применяться в устройстве для облегчения перемешивания, замешивания, транспортировки или переноса тепла. Такие внутрикорпусные элементы должны занимать место (части) лопасти экструзионного шнека. Градиент температуры вдоль корпуса также может применяться, по потребности, для облегчения переработки материала, если это необходимо.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения осуществляется использование устройства в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения и/или способа в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, при котором материал каменного угля перерабатывается в продукт полукокса. Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением являются очень хорошо пригодными для использования при переработке каменного угля, поскольку, по меньшей мере частично, пластичный каменный уголь хорошо перемешивается и, таким образом, хорошо нагревается, и хорошо транспортируется через корпус.

Устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, могут также использоваться для реализации других способов или химических преобразований при пиролитических условиях. Химические реакции при температурах от повышенных до высоких, фазовые переходы и разделения при высоких температурах теперь также являются возможными с использованием устройства и/или способа в соответствии с настоящим изобретением почти для всех типов материала.

При использовании устройства и способа может быть реализовано восстановление оксидов металлов. Восстанавливающий агент может использоваться для получения высоких скоростей преобразования при соответствующих условиях, которые могут быть подобраны для каждого способа.

Примеры материалов, которые могут быть использованы в качестве оксидов металлов, представляют собой оксиды железа (такие как в рудах железа или в концентратах, или в остатках, содержащих оксиды железа) для производства железа или стали, концентраты оксида мышьяка, или руды, содержащие оксиды свинца (или концентраты или отходы, содержащие оксиды свинца), которые могут быть восстановлены до мышьяка или свинца. Подобным же образом оксиды алюминия, цинка или меди могут быть преобразованы в алюминий, цинк или медь. В принципе все оксиды металлов могут быть преобразованы в металлы, если это является полезным или необходимым, в присутствии соответствующих восстанавливающих агентов.

Восстанавливающие агенты, которые могут использоваться для получения предпочтительных преобразований, представляют собой углеродсодержащие материалы, такие как каменный уголь, древесный, кокс, полимеры, остатки или другие углеродсодержащие материалы.

Устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, также могут использоваться для переработки гудрона и/или нефтей для производства бензинов, различных типов дизельного топлива или других типов транспортного топлива, и/или других химикалиев. Гудрон и тяжелая нефть представляют собой продукты, которые являются, например, остатками в нефтехимической промышленности. В настоящее время для получения полезных продуктов эти остатки должны крекироваться при высоких температурах. Пиролиз гудрона и тяжелой нефти с помощью способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением приводит к быстрому и относительно дешевому получению желаемых продуктов. Эти продукты могут представлять собой бензин, дизельное топливо и/или химикалии, такие как феноляты, нафталены, метилнафталены, антрацены, креозот, мягкий пек, твердый пек, смола, анодный пек и графитовый пек.

Устройство и способ в соответствии с настоящим изобретением, как описано выше, могут, кроме того, использоваться для переработки отходов, таких как шины или остатки пластика, для производства нефти и газа. Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением являются очень хорошо приспособленными для мягкого пиролиза отходов, который будет давать, например, 70% нефти, 15% газов и 15% остатка, подобного полукоксу. Способ и устройство также предусматривают рабочую технологию для переработки использованных шин при пиролитических условиях, которая была до сих пор невозможной в известных устройствах для пиролиза. Кроме того, несколько типов отходов могут преобразовываться в полезные продукты, подобные газам и нефти, с использованием способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Переработка полимерного материала, такого как пластик, при пиролитических условиях может использоваться для производства мономеров, строительных блоков, из которых создаются полимеры. Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением являются очень хорошо приспособленными для того, чтобы сделать возможным это преобразование, благодаря их хорошим свойствам смешивания и транспортировки.

Переработка биологической массы при пиролитических условиях может использоваться для преобразования биологической массы в нефти и газ (и минералы в форме материала, подобного полукоксу). Нефти могут представлять собой типы топлива для транспортных средств, такого как биологическое дизельное топливо. Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением являются очень эффективными для такого преобразования благодаря их хорошим свойствам теплопереноса, замешивания, смешивания и/или транспортным свойствам. Производство энергии с помощью способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением может помочь в решении проблемы CO₂, который вызывает нагрев земли.

Настоящее изобретение будет поясняться при описании его предпочтительного варианта со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематически изображает устройство в соответствии с настоящим изобретением, частично в поперечном сечении;

фиг.2 изображает более подробно главную часть устройства на фиг.1;

фиг.3 изображает сдвоенный экструзионный шнек, используемый в устройстве в соответствии с фиг.1.

Фиг.1 изображает предпочтительный вариант осуществления устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое, как правило, является пригодным для преобразования каменного угля в материалы, подобные полукоксу.

Устройство 1 имеет корпус 2 со сдвоенными стенками. Во внутреннем пространстве корпуса расположены два экструзионных шнека 3, как будет поясняться далее. На фиг.1 виден только один экструзионный шнек 3. Шнеки 3 являются полыми, для прохождения горячих газов или жидкостей через шнеки, смотри стрелку A на входе и стрелку B на выходе.

Корпус 2 имеет несколько входов и выходов. Вход 4 предназначен для поступления горячих газов (смотри стрелку C) в пространство между двумя стенками корпуса, а выход 5 предназначен для высвобождения этих газов (смотри стрелку D). Вход 6 предназначен для подачи материала, который должен перерабатываться, во внутреннее пространство корпуса. Материал поступает из накопительного бункера 10 на вход 6, смотри стрелку E. Во время переработки материала образуются газы, которые выпускаются через выходы 7 и 8, смотри выходные стрелки F и G. Выход 9 предназначен для выпуска продукта переработки. Если образуется несколько продуктов, должны присутствовать несколько выходов.

Фиг.2 изображает шнек 3 и часть корпуса 2 более подробно. Полый шнек 3 показан в сечении как труба, имеющая на себе спиральную лопасть 11. Изображается только один выпускной выход 7/8. Остальные обозначения соответствуют деталям на фиг.1.

Фиг.3 изображает более подробно сдвоенный экструзионный шнек, который используется в устройстве 1 фиг.1 и 2. Шнеки 3 и 3' имеют полые валы и лопасти 11, 11', которые предпочтительно являются полыми, также и для наилучшего переноса тепла к материалу, который должен перерабатываться, когда горячие газы проходят через шнеки. Шнеки расположены очень близко друг к другу, с очень малым зазором, и близко к корпусу 2, имеющему поперечное сечение в виде "8", представленное только внутренней стенкой. Будет понятно, что шнеки могут состоять из различных секций, каждая из которых имеет, например, различный шаг. Часть лопасти шнека может заменяться внутрикорпусными элементами, например, в форме лопаток или стержней.

Способ переработки материала в соответствии с настоящим изобретением будет объясняться далее со ссылками на чертежи.

Переработка материала при пиролитических условиях представляет собой переработку материала, посредством которой материал нагревают до определенной температуры, во время этой переработки кислород отсутствует или кислород присутствует только при низких парциальных давлениях, что приводит к разнообразным химическим взаимодействиям и преобразованиям и к образованию продуктов переработки и реакционных газов. Химические реакции при температурах от повышенных до высоких, фазовые переходы и разделения при высоких температурах теперь также являются возможными с использованием устройства и/или способа в соответствии с настоящим изобретением почти для всех типов материала.

Материал подается из накопительного бункера 10 в корпус 2 посредством входа 6 и транспортируется через корпус 2 посредством экструзионных шнеков 3, чтобы выпускаться через выход 9. Во время этой транспортировки материал нагревается посредством горячих газов или жидкостей, которые транспортируются через шнеки и корпус. Способ может быть подразделен на три стадии: стадию нагрева, стадию взаимодействия и стадию, на которой образуются продукты переработки и газы. Каждая стадия использует приблизительно одну треть от длины корпуса. Стадия нагрева осуществляется под входом 6, стадия образования продукта осуществляется в конце корпуса, где расположен выход 9.

Благодаря присутствию сдвоенных экструзионных шнеков с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, как изображено на фиг.3, которые имеют противоположные направления вращения, так что верхние половины шнеков вращаются по направлению друг к другу, материал хорошо перемешивается в отделениях между лопастями шнеков. Это особенно важно в течение стадии взаимодействия способа, на которой многие материалы, которые должны перерабатываться, становятся, по меньшей мере частично, пластичными благодаря высокой температуре, которая должна обычно находиться в пределах где-то между 300 и 1000°C, максимально. Этот частично пластичный материал является очень липким, трудным для перемешивания и в результате сложным для однородного нагрева, что приводит к слишком высокой температуре вблизи стенки или шнека и к слишком низкой температуре в средней части отделений. Липкость также легко приводит к забиванию устройства.

Сдвоенный экструзионный шнек в соответствии с настоящим изобретением решает проблемы, связанные с липким пластичным материалом, на стадии взаимодействия. Благодаря малому зазору между шнеками каждое отделение является практически закрытым. Это приводит к хорошему перемешиванию материала внутри отделений и, таким образом, к хорошему переносу тепла. Закрытые отделения продвигаются через корпус посредством экструзионных шнеков, так что забивание не может произойти. Осуществляется контролируемая транспортировка, приводящая также к контролируемому температурному режиму.

Как правило, шнеки вращаются медленно, приблизительно 1 оборот в минуту, разумеется, в зависимости от типа материала, который должен перерабатываться, и от длины шнеков. Устройство, имеющее длину 12 метров, будет достаточным в большинстве случаев.

Материал, который должен перерабатываться, может представлять собой почти любой материал. Переработка при пиролитических условиях представляет собой известный способ для переработки угля с получением полукокса или кокса. Однако способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением могут также использоваться для переработки гудрона или нефтей, так что производятся бензины, типы дизельного топлива и/или другие химикалии. Кроме того, способ и устройство могут использоваться для переработки шин с получением нефти и газа, но также и для переработки материала отходов, такого как бытовые отходы, или более специфических отходов, таких как пластики. Кроме этих материалов способ и устройство могут использоваться для переработки биологической массы с получением топлива в форме нефти и газов.

Во время переработки при пиролитических условиях производятся газы. Тип производимого в способе газа может изменяться от одной стадии до другой. Для большинства материалов, которые перерабатываются, эти газы по-прежнему могут использоваться для создания энергии. Может иметь смысл отделение газов, произведенных в течение одной стадии, от газов, произведенных на другой стадии. По этой причине на фиг.1 изображены два выхода 7, 8. Точное позиционирование этих выходов зависит от пиролизируемого материала, и могут присутствовать более чем два выхода. Для других материалов один выход может быть достаточным, как изображено на фиг.2. То же самое имеет место для выхода, предназначенного для образующихся продуктов.

Будет понятно, что сдвоенный экструзионный шнек, как изображено на фиг.3, представляет собой только одну из возможных конфигураций, которые могут использоваться в устройстве в соответствии с настоящим изобретением. Например, будет возможным использование шнеков со сдвоенный лопастью, по меньшей мере на части их длины, или использование шнеков, имеющих лопасти с переменным шагом. Более того, расстояние между валами шнеков может изменяться до тех пор, пока лопасти являются поочередно расположенными с лопастями соседних шнеков, в противоположном случае может происходить ухудшение перемешивания. Кроме того, толщина лопастей может изменяться.

Реферат

Настоящее изобретение относится к устройству для переработки материала при пиролитических условиях. Материал подается из накопительного бункера 10 в корпус 2 через вход 6 и транспортируется через корпус 2 с помощью экструзионных шнеков 3. Сдвоенный экструзионный шнек включает два шнека, имеющих противоположные направления вращения и приблизительно параллельно расположенных относительно друг друга с поочередно расположенными лопастями. Толщина лопастей составляет, по меньшей мере, половину расстояния между двумя соседними лопастями. Изобретение позволяет обеспечить эффективное и быстрое производство обработанного продукта, а также хороший нагрев материала на стадии взаимодействия. 5 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула