PL217262B1 - Sposób wytwarzania węgla biologicznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania węgla biologicznego, czyli węgla identycznego z węglami uzyskiwanymi poprzez zwęglenie surowców pochodzenia biologicznego a więc drewna, słomy, siana, makuchów i innych.

Do XX wieku węgiel drzewny wytwarzany był głównie w dużych stosach drewna zwanych mielerzami. Początkowo były to duże doły ziemne, w których składano drewno i zasypywano ziemią. Jednak ze względu na duże straty energii (ogrzanie otaczającej ziemi) i pracochłonność (wykopanie dołów) z czasem zmieniono konstrukcję na całkowicie naziemną. W obu wypadkach stos drewna obłożony darnią lub ziemią był spalany przy kontrolowanym, ograniczonym dostępie tlenu. Obecnie węgiel drzewny jest otrzymywany w podgrzewanych, stalowych retortach. Do wyprodukowania 1 kg węgla drzewnego potrzeba ok. 5 kg drewna.

Węgiel drzewny wypalać można z każdego gatunku drewna, przy czym najlepsze jest drewno liściaste, jednak nie może ono posiadać zgnilizny. Nie wolno też stosować do tego celu trocin i kory. Nie wszystkie gatunki drewna można wypalać jednocześnie.

Dopiero w latach 60-tych zaczęto wypalanie węgla drzewnego w Polsce. Początkowo powrócono do dawnej techniki wypału w mielerzach naziemnych. W płytkim zagłębieniu terenowym układano warstwami drewno przeznaczone do zwęglenia z przekładkami z chrustu, których zadaniem było zapewnić dostęp powietrza. Ponadto po środku stosu wbijano pionową wiązkę gałęzi, również spełniającą to zadanie. Przy ziemi pozostawiano kanał na rozpałkę, przez który przy pomocy kija rozpalano mielerz. Zewnętrzna powierzchnia pokryta była warstwą tzw. „opony”, składającej się z darni i ziemi.

Dym przedostawał się przez liczne nieszczelności w oponie. Pojemność takich mielerzy mogła docho₃ dzić do 100 m³. Wypał trwał 8-10 dni. W tym czasie węglarze pełnili ciągły dozór mielerza; chodziło o to, aby nie dopuścić do pojawienia się płomienia i całkowitego spalenia drewna, a jedynie podtrzymywać proces żarzenia się zawartości czyli zwęglania przy ograniczonym dostępie tlenu. Praca polegała więc na uszczelnianiu, lub rozszczelnianiu opony, ewentualnie-tłumieniu pojawiającego się na powierzchni płomienia. Kontrola okrywy wiązała się z koniecznością wchodzenia na mielerz, była zatem bardzo niebezpieczna. W procesie wypału tym sposobem 18% produktu stanowiły gazy (CO2, CO, metan, H2), 44%-produkty płynne (woda, smoła, metanol), zaś 38%-stałe (węgiel, koksik). Wadą tego sposobu była znaczna pracochłonność przy budowie, wspomniane już ryzyko przy nadzorze, szkodliwy wpływ na glebę, a także znaczne zanieczyszczenie produktu ziemią.

Ze względu na przydatność surowców pochodzenia biologicznego a więc drewna, słomy, siana, makuchów do innych celów najczęściej zwęglaniu poddaje się materiały niepełnowartościowe oraz odpady uzyskiwane przy przerobie materiałów pełnowartościowych, a więc wióry i trociny, nieprzydatne makuchy, łupiny pestek i orzechów często zanieczyszczone lub zapleśniałe. Ze względu na fakt, że po zwęgleniu uzyskuje się za każdym razem produkt podobny do uzyskanego z surowców czystych do zwęglenia przeznacza się, jak wyżej wspomniano, odpady zanieczyszczone lub zmieszane i jedynie przy produkcji węgli biologicznych specjalnego przeznaczenia jak dla przykładu węgli do filtrów wody oraz do podgrzewania potraw, gdzie istotne jest by w czasie spalania nie zmieniał on smaku, zapachu lub składu potraw używa się surowców czystych oraz ze znanego źródła. Jako, że pozostałych węgli biologicznych używa się najczęściej jako opału podjęto ostatnio próby używania do ich produkcji takich surowców jak dla przykładu szlamy i osady wyodrębnione przy oczyszczaniu ścieków komunalnych. Próby te nie przyniosły pozytywnego rezultatu. Podjęto również próby z wybranymi odpadami rolno-ogrodniczymi. Zróżnicowany skład takich surowców powoduje, że zwykle wstępnie suszy się je a następnie poddaje zwęgleniu ogrzewając przeponowo lub bezprzeponowo płomieniem dodając w miarę potrzeb powietrza lub tlenu co zmniejsza zużycie paliw. W rezultacie uzyskuje się zawsze węgiel biologiczny częściej zwany drzewnym tyle, że zawiera on więcej niż klasyczny węgiel drzewny składników niepalnych czyli popiołu. Tak uzyskany węgiel drzewny znalazł zastosowanie nie jako opał lecz jako składnik podnoszący żyzność gleby. Niezależnie od zastosowanej metody uzyskuje się zawsze duże lub bardzo duże ilości niskokalorycznych gazów, lub raczej spalin zanieczyszczonych produktami odgazowania zwęglanych materiałów. Spaliny te odprowadza się zwykle do atmosfery po ewentualnym oczyszczeniu, gdyż najczęściej nie mogą być one stosowane jako gaz opałowy. Z prac prowadzonych jeszcze w XIX wieku a kontynuowanych niezwykle intensywnie w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku wiadomo, że suche, czyste drewno zawierające mniej niż 1-2% wody ulega zwęgleniu z niewielkim efektem egzotermicznym. Dzieje się tak, gdyż celuloza zawarta w drewnie, a jak wiadomo jest jej zwykle ponad 50%, ulega przetworzeniu w węgiel drzewny z wydziePL 217 262 B1 leniem ciepła. Dlatego Badger i Stafford opracowali i uruchomili piec do ciągłego zwęglania odpadów drzewnych susząc je wstępnie do ok. 0,5% zawartości wody, czyli do około 280°C. Temperatura suszenia do 280°C powodowała dalszy samoistny przebieg reakcji przemiany drewna w węgiel drzewny. W efekcie w sposób ciągły uzyskiwano dobry jakościowo węgiel drzewny. Niestety w przypadku odpadów komunalnych popularnie nazywanych śmieciami nie jest to możliwe, gdyż zawierają one nawet po dokładnym wysuszeniu mniej celulozy niż drewno a ponadto jest ona rozcieńczona substancjami mineralnymi, metalami, białkami, tłuszczami, cukrami oraz tworzywami sztucznymi i parafinami używanymi do pakowania i/lub impregnacji papierów i tektur. Zbyt niska zawartość celulozy oraz zanieczyszczenia nie pozwalają na stosowanie klasycznych metod zwęglania drewna dla przerobu odpadów komunalnych. Dlatego też odpady takie najchętniej i najczęściej spala się bezpośrednio w spalarniach śmieci lub po wysuszeniu zabezpieczającym przed gniciem i pleśnieniem spala pośrednio w postaci tzw. paliw alternatywnych stosowanych najczęściej w cementowniach. Taka likwidacja śmieci poza oczywistymi zaletami ma jedną poważną wadę - odbywa się kosztem zanieczyszczenia środowiska. Do atmosfery po słabym wykorzystaniu energetycznym odprowadza się ogromne ilości spalin zawierających tlenki niemetali takie jak SO2/SO3 i NOx, a także niezwykle toksyczne dioksyny. Wprawdzie zawsze stężenia tych toksyn są niewielkie ale ogromna ilość spalin powoduje, że jest to najgorszy sposób likwidacji odpadów komunalnych najintensywniej zanieczyszczający środowisko.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że można tego uniknąć i doprowadzić do zlikwidowania odpadów komunalnych bez stosowania obcych paliw i wyrzucania do atmosfery ogromnej ilości spalin zastępując go wytworzeniem produktów użytecznych a zwłaszcza węgla biologicznego, którego zastosowanie na chwilę obecną jest bardzo szerokie np. jako nawóz podnoszący jakość niskiej klasy gleb, paliwo zarówno do palenisk otwartych jak i do kotłów grzewczych, wszelkich filtrów spożywczych i przemysłowych. Jego zaletą jest to, że nie pleśnieje, można go dowolnie długo przechowywać a jego wartość opałowa jest porównywalna z węglem kamiennym.

Jak wcześniej wspomniano odpady komunalne zawierają zbyt mało celulozy by uległy samozwęgleniu, logiczną więc konsekwencją byłoby dodać celulozę co oczywiście wiąże się ze zniszczeniem zasobów tych surowców.

Sposobem według wynalazku odpady komunalne poddaje się działaniu rozpuszczalnika organicznego o temperaturze wrzenia 60-200°C wybranego z grupy węglowodory aromatyczne, węglowodory aromatyczne podstawione chlorowcem, węglowodory cykloalifatyczne, węglowodory cykloalifatyczne podstawione chlorowcem, chlorowcopochodne węglowodory alifatyczne lub ich mieszaniny, w temperaturze 80 - 200°C, ewentualnie wyodrębnia się nadmiar wody, a po usunięciu wytworzonego roztworu tworzyw sztucznych, parafin i tłuszczów pozostałą masę podgrzewa się do temperatury nie wyższej niż 270°C, a następnie przenosi się do aparatu zwęglającego i podgrzewa do temperatury 290°C. W tej temperaturze rozpoczyna się egzotermiczny proces samoistnego zwęglania. Temperatura wzrasta powyżej 290°C a zwykle do 400 - 520°C. W przypadku procesu prowadzonego w sposób ciągły podgrzewanie masy reakcyjnej prowadzi się na etapie rozruchu instalacji dla zainicjowania reakcji. W dalszym przebiegu procesu ciągłego dodawane nowe porcje masy reakcyjnej są podgrzewane przez ciepło wydzielane z trwającej reakcji. Proces prowadzony okresowo można również prowadzić tak, że podgrzewa się część masy reakcyjnej w aparacie zwęglającym, a pozostałą część wprowadza się po rozpoczęciu reakcji samoistnego zwęglania. Im więcej masy reakcyjnej będzie podlegało wstępnemu ogrzaniu tym większą wydajność będzie miał proces prowadzony metodą okresową.

Proces można prowadzić po wstępnym procesie sortowania, w którym usuwa się szkło, złom, aluminium i tworzywa sztuczne. Nie jest to jednak konieczne, gdyż proces sortowania łatwiej jest prowadzić poprzez użycie rozpuszczalnika, ponieważ selekcjonowane materiały znajdują się w medium ciekłym, które pomaga w usunięciu wody i tworzyw sztucznych. Korzystnie złom i szkło można w prosty sposób usunąć z końcowego produktu. Korzystnie surowiec poddaje się wstępnemu rozdrobnieniu i/lub podsuszeniu.

Jako węglowodory aromatyczne korzystnie stosuje się toluen, ksylen lub dwuetylobenzen. Jako węglowodory aromatyczne podstawione chlorowcem, korzystnie stosuje się chlorobenzen. Jako węglowodory cykloalifatyczne podstawione chlorowcem korzystnie stosuje się cyklochloroheksan. Jako chlorowcopochodne węglowodory alifatyczne korzystnie stosuje się 1,2-dwuchloropropan, 1,2-dwuchloroetan lub trójchloroetylen jak również ich mieszaniny.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku na którym Fig. 1 przedstawia schemat instalacji do wytwarzania węgla biologicznego z odpadów komunalnych a Fig. 2 przedstawia schemat uproszczonej instalacji dla celów porównawczych.

PL 217 262 B1

Poniższe przykłady wyjaśniają bliżej sposób według wynalazku nie ograniczając jego zakresu.

P r z y k ł a d 1. Zbudowaną instalację przedstawiono na rysunku Fig. 1. Składała się ona z następujących współpracujących elementów: suszarni obrotowej wstępnej surowca 1 zbudowanej z rury średnicy 406x3 mm długości 4000 mm pracującej przeciwprądowo, obracającej się w tempie 5 obrotów na minutę co powodowało, że rozdrobniony surowiec ładowany z jednej strony do jej środka wysypywał się po jej drugiej wylotowej stronie po 1 godzinie. Wylot ten zakryto kołpakiem z umieszczonym pośrodku króćcem średnicy 76,1x2 mm wlotu spalin zmieszanych z powietrzem o temperaturze 70°C. Na dole kołpaka umieszczono króciec średnicy 114,3x2 mm przez który podsuszony i podgrzany surowiec wysypywał się od razu do leja zasypowego ślimaka komory przyjęć 2. Ślimak ten średnicy 65 mm wtłaczał surowiec do wnętrza komory przyjęć 2 nie dopuszczając do wydobywania się przezeń oparów. Komorę przyjęć 2 wykonano w kształcie stojącego walca z blachy kwasoodpornej grubości 3 mm, średnicy 300 mm, wysokości części cylindrycznej 500 mm od dołu przedłużonego stożkowo i zwężającego się na długości 300 mm do średnicy króćca wylotowego 114,3x3 mm przez który cała zawartość komory przyjęć 2 mogła wpadać od razu do wnętrza ekstraktora 4 a równocześnie króćcem tym wydobywały się zwrotnie gazy do komory przyjęć 2. Gazy z komory przyjęć 2 wydostawały się poprzez króciec średnicy 60,3x2 mm zamontowany w pokrywie i dalej były odprowadzane rurą do rozdzielacza 3 w pokrywie którego zamontowano chłodnicę zwrotną o powierzchni wymiany ciepła ₂ m² służącą do wykraplania z tych gazów wody i rozpuszczalnika. Rozdzielacz 3 zbudowano w kształcie stojącego cylindrycznego walca średnicy 900x4 mm wysokości 900 mm zamkniętego od dołu wypukłą dennicą wysokości 310 mm z centralnie umieszczonym ½ calowym zaworem kulowym a od góry zakrytego pokrywą płaską dokręconą z zastosowaniem uszczelki śrubami M10 do kryzy otaczającej górną krawędź cylindra wykonanej z wygiętego płaskownika o przekroju 50x10 mm. Rozdzielacz ten po zaizolowaniu wełną mineralną ustawiono na wadze. Gazy z komory przyjęć 2 składały się z oparów użytego rozpuszczalnika i wody z niewielką domieszką powietrza wtłoczonego wraz z surowcem. Po wykropleniu powietrze to mogło uchodzić swobodnie przez wylot chłodnicy do otoczenia. W centrum pokrywy komory przyjęć 2 zamontowano też mieszadło obracające się w tempie 60 obrotów na minutę oraz wlot popłuczyn z wymywania tworzyw w cedzaku 5. Jak wyżej wspomniano niegazowa zawartość komory przyjęć 2 wpadała do wnętrza ekstraktora 4. Ekstraktor ten zbudowano z leżącej kwasoodpornej rury średnicy 406x3 mm długości 4500 mm zamkniętej obustronnie pokrywami podzielonej wewnątrz półkrążkami co 500 mm na przemian od góry i od dołu na 9 półkomór przez co zawartość płynąca wewnątrz lepiej mogła się mieszać. Dodatkowo celem lepszego mieszania centralnie wzdłuż umieszczono wał mieszadła obracający się w tempie 120 obrotów na minutę do którego przyczepiono w każdej komorze po dwa ramiona wykonane z kątowników równoramiennych 40x40x4 mm każde długości 140 mm. Wał mieszadła wyprowadzono na zewnątrz poprzez centralnie umieszczone w pokrywach dławice, przy czym w pokrywie od strony wylotowej umieszczono nad dławicą króciec 76,1x2 mm służący do odprowadzania zawartości ekstraktora 4 a nad nim króciec 48,3x2 mm służący do wprowadzania gorących par rozpuszczalnika z aparatu wyparnego 17 a obok niego króciec wlotowy średnicy 21,3x2 mm służący do wprowadzania roztworu tworzyw ze zbiornika 7. Roztwór ten ułatwiał transport zawiesiny z ekstraktora 4 do cedzaka 5. Zawartość ekstraktora 4 odprowadzano do wnętrza cedzaka 5. Składała się ona z roztworu tworzyw i nie rozpuszczonej pozostałości. Cedzak 5 składał się z konstrukcji zbudowanej z 40 krążków średnicy zewnętrznej 386 mm z otworem średnicy 360 mm wyciętych z blachy grubości 3 mm. Krążki ustawiono obok siebie równolegle w odległości 100 mm jeden od drugiego. Celem ustabilizowania a zarazem wzmocnienia konstrukcji wykonano w każdym krążku promieniście od zewnątrz ku środkowi nacięcia na głębokości 10 mm szerokości około 3 mm, co 45° kątowych i wciśnięto w nie a następnie przyspawano spawem długości 8 mm do każdego krążka pręty płaskie o przekroju 10x3 mm długości 4400 mm każdy. Prętów tych było 8 sztuk, co po połączeniu spawami dało bardzo mocną ruropodobną ażurową konstrukcję, którą zamknięto od strony wlotowej 41 krążkiem średnicy 386 mm z otworem 230 mm a od strony wylotowej 42 krążkiem średnicy 386 mm z otworem 376 mm, które przyspawano do końców prętów płaskich spawami długości 5 mm w miejscach zetknięć. Następnie wzięto dwa odcinki długości 1000 mm pręta okrągłego średnicy 32 mm i wsunięto z obu stron centralnie na głębokość 600 mm w głąb zbudowanego uprzednio ruropodobnego ażuru i przymocowano po trzy promieniście do każdego z mijanych krążków za wyjątkiem pierwszych dwóch od strony wlotowej i wylotowej - czyli każdy z odcinków wału połączono z pięcioma krążkami po trzy prętami średnicy 8 mm łącząc w miejscach styku z wałem i krążkiem spawami podwójnie grubymi. Na zewnątrz ruropodobnego ażuru w każdym z krążków wycięto miejsce a następnie włożono i przyspawano równolegle do odcinków wału do każPL 217 262 B1 dego krążka pręt o przekroju 6x6 mm długości 4400 mm. W pręcie tym wywiercono od zewnątrz otwory co 100 mm i nagwintowano M3 ale pierwszy otwór 50 mm od jego końca. Uzyskaną konstrukcję z krążków owinięto siatką wykonaną z drutu grubości 0,6 mm o oczkach 2x2 mm w ten sposób, że jej końcowe krawędzie założono na siebie dokładnie na pręcie 6x6 mm a rozsuwając nieco druty naciągniętej mocno siatki przymocowano ją śrubami M3 do pręta uzyskując gotowy cedzak 5. Umieszczono go wewnątrz szczelnej obudowy 6 wykonanej z rury kwasoodpornej średnicy 406x3 mm długości 4500 mm, której wylot znajdował się 50 mm niżej niż wlot. Rurę tę zamknięto obustronnie pokrywami płaskimi z blachy grubości 6 mm przez które centralnie poprzez dławice wyprowadzono końcówki wałów średnicy 32 mm do których przymocowano i którymi napędzano obracający się wewnątrz cedzak 5. W pokrywie wlotowej obudowy 6 tuż nad dławicą umieszczono króciec średnicy 76,1x2 mm przedłużony wewnątrz rurą 150 mm. Króćcem tym zawiesina z ekstraktora 4 trafiała do wnętrza obracającego się cedzaka 5. Przesącz trafiał do obudowy 6 a stąd poprzez wykonany w niej otwór stosowną zamontowaną tam rurą ściekał do pośredniego zbiornika 7 skąd część zawracano do ekstraktora 4 a resztę kierowano do wyodrębniania zeń tworzyw. Pozostający wewnątrz cedzaka 5 osad skutkiem jego obrotów przemieszczał się powoli w kierunku wylotu przy czym po drodze wymywano zeń resztkę roztworu tworzyw przy pomocy czystego rozpuszczalnika podawanego rurą poprzez obudowę króćcem 12 średnicy 17,2x2 mm. Króciec ten umieszczono na górze obudowy 6900 mm od jej wylotowego końca dzięki czemu rozpuszczalnik zraszał z góry cedzak 5 i przenikał przez siatkę, z której go wykonano, do wnętrza cedzaka 5. Tam mieszał się z osadem i już w postaci rozcieńczonego roztworu przeciekał do obudowy 6 a stąd do pompy 11, która wtłaczała go ponownie do wnętrza obudowy króćcem podobnym jak 12 ale umiejscowionym już 1800 mm od wylotowego końca obudowy 6. Wykorzystany tak jak czysty rozpuszczalnik ściekał do obudowy 6 i zawracany był ponownie pompą 10 i wtłaczany kolejnym króćcem ale odległym od końca 2700 mm. Zawracany pompą 9 ponownie jak poprzednio wtłoczony otworem odległym od końca obudowy 3600 mm ściekał do pompy 8 przesyłającej go do komory przyjęć 2. Opisane tu przeciwprądowe wymywanie resztek nieodcedzonego na początku roztworu z osadu zapewniało dobre usunięcie znajdujących się w surowcu substancji rozpuszczalnych w użytym rozpuszczalniku, czyli głównie tworzyw sztucznych. W obudowie 6 od dołu wykonano w odległości 50 mm od krawędzi wlotu otwór z króćcem wylotowym do zbiornika 7, 700 mm dalej z króćcem wylotowym do pompy 8, kolejne 900 mm dalej z króćcem wylotowym do pompy 9, kolejne 900 mm dalej do pompy 10 i kolejne 900 mm dalej do pompy 11. Pompy 8, 9, 10 i 11 służyły do transportu popłuczyn roztworów w czasie wymywania resztek tworzyw z nierozpuszczalnej reszty.

Proces wymywania prowadzono przeciwprądowo czyli obracający się w tempie jeden obrót na minutę cedzak 5 przesyłał nierozpuszczalne resztki skutkiem helikoidalnej budowy i jakby półek utworzonych z płaskowników stabilizujących helisę wzdłuż jej osi a podany od góry króćcem 12 rozpuszczalnik wymywał roztwór tworzyw i zawracany kolejno pompami 11, 10 i 9 spływał do pompy 8 która ten już dosyć stężony roztwór podawała do komory przyjęć 2. Po około 44 obrotach pozbawione tworzywa resztki wypadały z cedzaka 5 na jego końcu przez otwór średnicy 114,3 mm do wnętrza suszarki 13 służącej do usuwania rozpuszczalnika z nierozpuszczalnych resztek oraz ogrzewania ich do odpowiedniej temperatury. Jak wcześniej wspomniano, pozbawione tworzyw nierozpuszczalne resztki surowca osypywały się z cedzaka 5 do wnętrza suszarki 13. W tak małej skali urządzenie to zbudowano jako dwupółkowe grabkowe. Każda z podgrzewanych półek i przestrzeń nad nią stanowiły jeden moduł. Każdy moduł miał kształt odcinka stojącej rury średnicy 795x3 mm wysokości 320 mm wykonanej poprzez zwinięcie paska blachy grubości 3 mm długości 2500 mm szerokości 320 mm otoczonej na górze i na dole kołnierzami wykonanymi z pręta płaskiego o przekroju 35x15 mm od dołu szczelnie zamkniętej przegrodą-krążkiem średnicy zewnętrznej około 795 mm z otworem pośrodku 34 mm wykonanym z blachy grubości 3 mm. Taki sam krążek wspawano 115 mm wyżej. W otwory pośrodku wstawiono i szczelnie przyspawano odcinek rury średnicy 33,7x3 mm wysokości 120 mm. W ścianę boczną dbając, by było to po środku zamkniętej przestrzeni wstawiono i przyspawano we wcześniej przygotowane otwory dwa króćce średnicy 60,3x2 mm zakończone wywijką, skutkiem czego można było w nie włożyć i szczelnie przymocować dwie grzałki elektryczne o mocy 2 kW każda. Obok niezależnie na tej samej wysokości ale naprzeciw wspawano jeszcze dwa króćce średnicy 33,7x2 mm służące jako cyrkulacyjne - jeden doprowadzenie oleju, drugi odprowadzenie oleju. Przed ustawieniem jednej półki nad drugą w półce górnej wykonano po dwa stosowne otwory przesypowe około naprzeciw przy ścianie bocznej półki w obu przegrodach i wstawiono w nie odcinki rury 114,3x3 mm, a następnie szczelnie przyspawano do przegród górnej i dolnej. W półce dolnej pośrodku w miejsce rury średnicy 33,7x3 mm wstawiono rurę średnicy 114,3x3 mm poszerzając do tej średnicy otwory w prze6

PL 217 262 B1 grodach. Rurę tę poniżej przegrody dolnej przedłużono o 150 mm i zakończono kołnierzem pasującym wymiarowo do otworu zasypowego ślimaka 14. Z okrągłego pręta średnicy 25 mm wykonano wał zgarniaków - czyli poprzeczek przypominających grabie przymocowanych trwale do wału. Ze względu na ułatwienie montażu obie pary poprzeczek wykonano z pręta płaskiego o przekroju 50x4 mm długości 785 mm każda para. Wykonano to następująco: pręt płaski długości 785 mm, leżąc przypominający prostokąt szeroki na 50 mm i długi na 785 mm podzielono na trzy części - dokładnie środkową długości 57 mm przeznaczoną do mocowania, oraz dwie z lewej i prawej strony każda długości 364 mm które to nacięto na głębokość 35 mm co 14 mm przekształcając zarówno lewą jak i prawą stronę w grabie po 26 zębów. Następnie skręcono każdy ząb tak, by po przymocowaniu do obracającego się wału materiał przegarniany na górnej półce przesuwany był także do zewnątrz a materiał przegarniany na dolnej półce przesuwany był również do środka, by wreszcie wpaść do środkowego otworu rury 114,3x3 mm będącej otworem zasypowym ślimaka 14. Mocowanie do wału wykonano wiercąc dwa otwory średnicy 8,3 mm w odległości na lewo i prawo od środka pary grabi a następnie przygotowano nakładkę z pręta takiego jak grabie długości 57 mm z dwoma otworami 8,3 mm. Suszarkę 13 zmontowano wkładając pręt do środkowego otworu górnej półki i mocując poprzeczki przy udziale nakładek za pomocą dwóch śrub M8 tak, że po ustawieniu górnej półki na dolnej z zastosowaniem uszczelki grubości 2 mm grabie obracały się około 1,5 mm nad powierzchnią półki dolnej i górnej. Półki połączono śrubami a następnie górną półkę zakryto pokrywą płaską z krążka blachy grubości 5 mm przez środek której wyprowadzono wał napędzający grabie stosując uszczelnienie dławicowe (sznur grafitowy). Obok dławicy zrobiono otwór i wspawano króciec do zasypu surowca z cedzaka 5 średnicy 114,3x3 mm wysokości 400 mm co umożliwiło połączenie z cedzakiem 5 i bezkolizyjne zamontowanie napędu obracającego wał grabi. Następnie suszarkę 13 zamontowano na konstrukcji nośnej umożliwiającej zmieszczenie pod nią zwęglacza 15. Na końcu połączono wlot oleju górnej półki z wylotem oleju dolnej a wylot oleju z górnej półki ze zbiornikiem oleju czyli cylindryczną puszką średnicy 400 mmx3 mm wysokości 500 mm, w pokrywie króciec wlotu oleju i oddechowy średnicy 33,7 mmx2 mm a na dole z boku trzeci króciec 33,7 mmx2 mm - wylot oleju do zamontowanej tam pompy obiegowej oleju. Wlot z pompy połączono giętkim przewodem z otworem wlotu oleju dolnej półki suszarki. Wreszcie w otwory włożono cztery grzałki elektryczne o mocy 2 kW każda i szczelnie zamontowano, a następnie połączono w szereg i cały układ napełniono olejem mogącym pracować długotrwale w temperaturach do 280°C.

Jak wyżej wspomniano suszarkę 13 zamontowano by zmieścił się pod nią ślimak 14 i zwęglacz 15. Ślimak ten pełnił podwójną rolę bowiem transportował resztki ale lekko je sprężając odcinał przepływ gazów z suszarni 13 do zwęglacza 15 i odwrotnie a więc odzyskiwano czysty rozpuszczalnik bez strat. Zwęglacz 15 był bardzo dobrze zaizolowanym pojemnikiem cylindrycznym średnicy 954x3 mm wysokim 1300 mm od dołu zamkniętym szczelnie przyspawanym dnem a od góry zamykany szczelnie dokręcaną śrubami pokrywą mocowaną do kryzy otaczającej górną krawędź cylindra wykonanej z płaskownika o przekroju 50x10 mm z zastosowaniem uszczelki grafitowej. W środku pokrywy średnicy 1054 mm wykonanej z blachy grubości 6 mm wycięto otwór średnicy 400 mm i przyspawano króciec średnicy 406x3 mm wysokości 240 mm zamknięty dokręcaną śrubami pokrywą - czyli kołpak. Z boku w połowie wysokości kołpaka wycięto otwór i szczelnie przyspawano wylot ślimaka 14 a naprzeciw wspawano króciec średnicy 60,3x2 mm do odprowadzania gazów i par do skraplacza 16 wykonanego w kształcie kołpaka średnicy 400x2 mm wysokości 800 mm otoczonego płaszczem z wlotem i wylotem wody średnicy 477x2 mm zamkniętego od góry szczelnie przyspawaną pokrywą z zamontowaną w centrum chłodnicą wykonaną z rury średnicy 60,3x2 mm wysokości 1250 mm otoczonej płaszczem średnicy 76,1x2 mm długości/wysokości 1000 mm. Chłodnica ta pracowała jako chłodnica zwrotna chłodzona wodą, przy czym wodę wykorzystywano także do chłodzenia kołpaka. Skraplacz 16 postawiono w okrągłej misie średnicy 800x2 mm wysokości 400 mm posadowionej na wadze. Od dołu pod skraplacz 16 wprowadzono rurą opary i gazy ze zwęglacza 15. Dzięki temu wprowadzone do zwęglacza 15 ślimakiem 14 gorące nierozpuszczalne resztki ogrzewały się ciepłem z uprzednio zwęglonych resztek a tworzące się gazy i opary wykraplano w skraplaczu 16 a gazową resztę uwalniano do atmosfery poprzez zamontowaną na nim chłodnicę. Skropliny gromadzono w misie pod skraplaczem 16 skąd usuwano je po zakończeniu próby. Wytworzony węgiel biologiczny gromadzono w zwęglaczu 15. Przed zaizolowaniem zwęglacza 15 położono na jego dnie płytkę grzejną elektryczną o mocy 600 W, a następnie zwęglacz 15 dokładnie zaizolowano cieplnie czterema warstwami wełny mineralnej termoodpornej grubości 40 mm z przekładką folii aluminiowej błyszczącej.

PL 217 262 B1

Obliczenia sugerowały, że 600 W jest mocą traconą do otoczenia przez zwęglacz 15 w momencie gdy temperatura zwęglacza 15 wynosiła ponad 400°C ale poniżej 450°C. Jak wcześniej wspomniano zawiesina doprowadzana do wnętrza cedzaka 5 rozdzielała się tam na przesącz spływający do zbiornika 7 i osad. Przesącz ten był roztworem tworzyw w użytym rozpuszczalniku. Większość tego przesączu zawracano ponownie stosowną pompą o wydajności ok. 20 l/min do ekstraktora 4 celem wytworzenia strumienia zawiesiny na tyle szybkiego, by nie zatykał się rurociąg transportujący tę zawiesinę z ekstraktora 4 do wnętrza cedzaka 5. Reszta spływała ze zbiornika 7 do aparatu wyparnego 17, gdzie odparowywano większą część zawartego w roztworze rozpuszczalnika wtłaczając opary do ekstraktora 4 a uzyskany stężony roztwór tworzyw przekazując do aparatu granulującego tworzywa 18 w którym usuwano resztę rozpuszczalnika z wytworzeniem zawiesiny wyekstrahowanych tworzyw w znajdującej się tam wodzie. Opary rozpuszczalnika i wody wytworzone w tym aparacie odprowadzano rurą 60,3x2 mm do chłodnicy gdzie je skraplano. Skropliny ściekały do latarki rozdzielczej 19 z której fazę dolną wodną kierowano z powrotem do aparatu 18 a fazę górną organiczną do rozdzielacza 3. Aparaty 17 i 18 zbudowane były identycznie. Aparat o średnicy 900x4 mm wysokości 900 mm zamknięto od dołu dennicą wypukłą wysokości 310 mm pośrodku której umieszczono króciec średnicy 26,9x2,6 mm zakończony zaworem ¾ cala. Od góry zamknięto go płaską pokrywą z blachy grubości 8 mm przymocowaną śrubami M10 do kryzy otaczającej górną krawędź aparatu wykonanej poprzez wygięcie i przyspawanie płaskownika o przekroju 50x10 mm. Pośrodku pokrywy umieszczono mieszadło, którego wał średnicy 32 mm tędy wyprowadzono i podłączono do napędu obracającego w tempie około 60 obrotów na minutę a 750 mm poniżej pokrywy wyposażono w dwa przyspawane do wału ramiona każde długości 350 mm wykonane z kątownika 40x40x50 mm. W pokrywie umieszczono jeszcze trzy króćce średnicy 48,3x2 mm, jeden służący do przyjmowania cieczy, drugi do odprowadzania oparów a trzeci zaopatrzony w zawór kulowy i lej z rurą wygiętą w kształt syfonu służył do wlewania mediów w czasie pracy aparatu. Kub otoczono płaszczem grzejnym średnicy 1000 mm sięgającym do około 2/3 wysokości aparatu 17 i 18, czyli 600 mm. W płaszczu tym umieszczono sześć grzałek elektrycznych każda o mocy 2 kW po dwie połączone w szereg. Płaszcz napełniono olejem służącym do przenoszenia ciepła przez umieszczoną w nim u góry rurę wydechową. Na dole płaszcza przed napełnieniem go olejem umieszczono spust oleju wykonany z nakrętki M10 przyspawanej szczelnie do płaszcza, w środku wywiercono otwór średnicy 3 mm, włożono krążek z uszczelki i dokręcono śrubą M10. Aparaty 7, 17 i 18 pracowały w kaskadzie. Tuż ponad płaszczem w ścianie bocznej aparatu wykonano otwór i wspawano króciec średnicy 48,3x2 mm zakończony zamkniętym zaworem kulowym 1,5 cala. Aparaty 17 i 18 umieszczono na wagach. W przypadku aparatu 17 posadowionego wyżej wspomniany zawór połączono najpierw z kompensatorem a dopiero potem z kolanem skierowanym w dół do króćca w pokrywie aparatu 18. Takie rozwiązanie eliminujące fałszowanie wskazań wag zastosowano jeszcze między zbiornikiem 7 a aparatem 17. Przed uruchomieniem całą aparaturę dokładnie zaizolowano wełną mineralną i przedmuchano dwutlenkiem węgla sprawdzając przy okazji jej szczelność.

Przygotowano mieszaninę 800 kg rozdrobnionego do 10 - 12 mm surowca o składzie: 49% wag. polietylen i polipropylen, 0,8% wag. polistyren, 0,2% wag. olej jadalny, 1% wag. PET, 27% wag. tektura sucha, 22% wag. woda i zapakowano do szczelnie zamkniętych worków polietylenowych. Przewody elektryczne płytki grzejnej zwęglacza 15 podłączono do autotransformatora mocy maksymalnej 2 kW ustawiono go na 230 W i włączono. Następnie włączono ogrzewanie elektryczne oraz obieg oleju w pólkach suszarki 13. Ze zbiorników zasobowych wlano do aparatu 17 około 300 kg ksylenu a do aparatu 18 dokładnie zważone 450 kg wody po czym włączono ogrzewanie i mieszanie obu aparatów. Po około 8 godzinach uruchomiono nie uwidoczniony na Fig. 1 agregat prądotwórczy o mocy 20 kW. Spaliny wydychane przez ten agregat mieszano z powietrzem w takich proporcjach by uzyskać temperaturę około 70°C i taką mieszaninę wtłaczano od strony wylotu do wnętrza suszarni 1. W około 9 godzin od włączenia płytki grzejnej aparatu 15 osiągnięto w nim temperaturę blisko 320°C i od tego momentu zaczęto obniżać napięcie, czyli moc grzejną płytki tak, że po 5 godzinach regulacji ustawiono około stałą temperaturę zwęglacza 15 300°C. Włączono obroty suszarni 1 i zaczęto podawać do niej przygotowany uprzednio surowiec w możliwie równym tempie 10 kg/godz. Po 2 godzinach zaobserwowano wzrost masy aparatów 17 i 18 co oznaczało również że z suszarki 13 podawany jest surowiec do zwęglacza 15. Włączono wodę studzącą aparat 16 i obserwowano przyrosty masy aparatów 16, 17 i 18. Po dziesięciu godzinach licząc od rozpoczęcia podawania surowca zaobserwowano że przyrosty masy aparatu 16 są równe a oznaczało to, że aparatura pracuje już stabilnie. Odnotowano wskazania wag aparatów 16, 17, 18 i ilości surowca, a następnie kontynuowano pracę przez pięć8

PL 217 262 B1 dziesiąt godzin po czym wstrzymano podawanie surowca i wyłączono pracę suszarni 1 a następnie przyjmowanie surowca do komory przyjęć 2. Po trzech godzinach wyłączono pozostałe aparaty za wyjątkiem studzenia skraplacza 16 i ogrzewania aparatu 18, które wyłączono po kolejnych 5 godzinach. Aparaturę pozostawiono do wystygnięcia na 24 godziny po czym zważono zawartość zwęglacza 15 i zawartość misy skraplacza 16 uzyskując wyniki:

Zużyto 600 kg surowca

Uzyskano węgla biologicznego 60,45 kg wody kwaśnej 50,40 kg smoły dziegciowej 31,70 kg obliczono gazów 25,45 kg a ponadto z aparatu 18 uzyskano 300 kg wysuszonych tworzyw sztucznych. Obliczono, że w suszarni 1 odparowało 48 kg wody, a ponadto wydestylowano 84 kg wody z ekstraktora 4.

P r z y k ł a d 2.

Przygotowano 400 kg rozdrobnionego surowca o składzie: 14% wag. polietylenów i polipropylenów, 70% wag. tektury suchej, 8% wag. wody, 4% wag. tkanin bawełnianych, 2,5% wag. grubo emaliowanej stali, 0,5% wag. PVC i 1% wag. Al. Zastosowano aparaturę opisaną w przykładzie 1. Ze względu na małą zawartość wody w surowcu i jego wysoką temperaturę 25°C nie włączono suszarni 1 ale pominięto ją dozując surowiec bezpośrednio do komory przyjęć 2. Aparatu 17 nie opróżniano po poprzedniej próbie opisanej w przykładzie 1, gdyż uznano, że dokładny bilans ilościowy tworzyw nie jest tu istotny. Ze względu na fakt, że kontrolując aparaturę po poprzedniej próbie stracono niewielką ilość rozpuszczalnika dolano go przed rozpoczęciem próby do aparatu 17 w ilości 6 kg. Do pustego aparatu 18 wlano (tak jak w przykładzie 1) 450 kg wody. Próbę prowadzono tak jak w przykładzie 1 to znaczy rozruch aparatury 10 godzin i jej kontrolowana praca 50 godzin dozując surowiec w tempie 6 kg/godzinę. Po zakończeniu próby wyodrębniono magnesem przedmioty żelazne. Uzyskano następujące wyniki:

Zużyto 360 kg surowca

Uzyskano węgla biologicznego 93,3 kg wody kwaśnej 84,2 kg smoły dziegciowej 53,0 kg stali emaliowanej 8,0 kg obliczono, że wytworzono gazów 42,30 kg wody przybyło 28,8 kg

Tworzyw sztucznych mokrych było 60,4 kg a po wysuszeniu 50,4 kg.

P r z y k ł a d 3

Celem porównania przeprowadzono próbę stosując jako surowiec rozdrobnioną tekturę w uproszczonej aparaturze składającej się tylko z suszarni 1 ogrzewanej bezpośrednio spalinami z agregatu prądotwórczego z której to suszarni surowiec wpadał od razu do suszarki 13 gdzie dosuszał się i dogrzewał a następnie był wtłaczany ślimakiem 14 do zwęglacza 15, z którego opary odprowadzano do skraplacza 16. Aparaturę naszkicowano na rysunku Fig. 2. Przygotowano partię 200 kg surowca to jest rozdrobnionej tektury o typowej wilgotności 7% wody, włączono dopływ prądu do płytki grzejnej zwęglacza 15 tak jak w przykładzie 1, a następnie włączono ogrzewanie elektryczne oraz obieg oleju w półkach suszarki 13. Następnie uruchomiono nie uwidoczniony na Fig. 2 agregat prądotwórczy o mocy 20 kW. Wydychane z niego gorące spaliny mieszano z powietrzem w takich proporcjach by uzyskać temperaturę 120°C i taką mieszaninę wtłaczano do suszarni 1 od strony wylotu surowca. Włączono obroty suszarni 1. W około 9 godzin od włączenia ogrzewania płytki grzejnej zwęglacza 15 osiągnięto w nim temperaturę blisko 320°C. Włączono ogrzewanie i obieg oleju suszarki 13 a następnie zaczęto obniżać napięcie czyli moc grzejną płytki zwęglacza 15 tak, że po około 5 godzinach regulacji ustawiono stalą temperaturę zwęglacza 15 na około 350°C. W tym momencie zaczęto dozować do suszarni 1 surowiec w tempie 3 kg/godz., a następnie włączono wodę studzącą skraplacza 16 i obroty ślimaka 14. Po jednej godzinie i dwudziestu minutach zaobserwowano na wylocie z suszarki 13, że ogrzany i wysuszony surowiec dotarł do zasypu ślimaka 14 i jest wtłaczany do zwęglacza 15 odnotowano ten moment i w 60 godzin później wyłączono obroty ślimaka 14 podawanie surowca oraz wyłączono pracę suszarni 1 i suszarki 13 a wreszcie wyłączono agregat prądotwórczy zasilający gorącymi spalinami aparat 1. Po kolejnych trzech godzinach wyłączono zasilanie płytki grzejnej zwęglacza 15

PL 217 262 B1 a po następnych 5 godzinach wyłączono studzenie skraplacza 16. Aparaturę pozostawiono do wystygnięcia na 24 godziny po czym zważono zawartość zwęglacza 15 i zawartość misy skraplacza 16 uzyskując następujące wyniki:

Zużyto 180 kg surowca

Uzyskano węgla biologicznego 60,4 kg wody kwaśnej 50,5 kg

Smoły 31,6 kg

Z obliczeń wynika, że gazów wytworzono 25,5 kg.

Jak więc widać w przykładzie 1 i 3 uzyskano przybliżone wyniki mimo stosowania w przykładach surowca czystego (przykład 3) oraz surowca odpadowego (przykład 1).

P r z y k ł a d 4.

Przykład porównawczy. Próbę prowadzono w sposób jak najbardziej zbliżony do przykładu 3 stosując jako surowiec typową tekturę zanieczyszczoną w niewielkim stopniu innymi substancjami. Przygotowano partię 200 kg surowca tj. 93% wag. rozdrobnionej tektury zawierającej 7% wag. wody z dodatkiem 5% polietylenu i polipropylenu, 0,5% wag. PET, 0,5% wag. PVC, 1% wag. metali. Jak wyżej wspomniano rozruch i próbę prowadzono możliwie najbardziej identycznie jak w przykładzie 3. Zaobserwowano, że na początku w misie skraplacza 16 pojawiły się skropliny tak samo jak w przykładzie 3 ale od tego momentu przebieg próby zachodził rozbieżnie. Zaobserwowano, że tempo przyrostu ilości skroplin we wspomnianej misie wyraźnie malało a po około 20 godzinach stało się prawie niezauważalne. Mimo to próbę doprowadzono do końca. Pod koniec zaobserwowano trudności w pracy ślimaka 14 charakterystyczne dla przeładowania ślimaka. Po zakończeniu próby aparaturę zastawiono na 24 godziny do wystudzenia a następnie rozmontowano ją i produkty zważono uzyskując wyniki:

Zużyto 180 kg surowca

Uzyskano zawartość zwęglacza 153,1 kg wody kwaśnej 13,1 kg

Z obliczeń wynika, że wytworzono gazów 6,2 kg.

Zawartość zwęglacza 15 nie przypominała w niczym zawartości uzyskiwanych w próbach poprzednich. Górną część stanowiły bryły i zlepy w dotyku lekko wilgotne i słabo brudzące dłonie na kolor żółto-brązowy. Na samym dnie niewielka ilość węgla przypominająca na oko ten uzyskany w przykładzie 2. Pomiędzy tymi warstwami znajdowała się warstwa przejściowa. Warstwa górna i warstwa przejściowa stanowiły ponad 80% całości. Wedle przypuszczeń gdyby można było prowadzić próbę kilkakrotnie dłużej to dolna warstwa węgla przyrosłaby nie więcej niż drugie tyle. Próba ta miała na celu zobrazowanie, że surowiec stosowany w sposobie według wynalazku jest niemożliwy do obróbki w celu uzyskania węgla biologicznego bez specjalnych procesów.

Claims (10)

1. Sposób wytwarzania węgla biologicznego z odpadów komunalnych, znamienny tym, że odpady komunalne poddaje się działaniu rozpuszczalnika organicznego o temperaturze wrzenia 60-200°C wybranego z grupy węglowodory aromatyczne, węglowodory aromatyczne podstawione chlorowcem, węglowodory cykloalifatyczne, węglowodory cykloalifatyczne podstawione chlorowcem, chlorowcopochodne węglowodory alifatyczne lub ich mieszaniny, w temperaturze 80-200°C, ewentualnie wyodrębnia się nadmiar wody, a po usunięciu wytworzonego roztworu tworzyw sztucznych, parafin i tłuszczów pozostałą masę podgrzewa się do temperatury nie wyższej niż 270°C, a następnie przenosi się do aparatu zwęglającego i podgrzewa do temperatury 290°C.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla procesu prowadzonego w sposób ciągły podgrzewanie masy reakcyjnej w aparacie zwęglającym prowadzi się jedynie na etapie rozruchu instalacji.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla procesu prowadzonego okresowo podgrzewa się część masy reakcyjnej w aparacie zwęglającym, a pozostałą część wprowadza się po rozpoczęciu reakcji samoistnego zwęglania.

PL 217 262 B1

4. Sposób według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że proces prowadzi się po wstępnym procesie sortowania, w którym usuwa się szkło, złom, aluminium i tworzywa sztuczne.

5. Sposób według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że proces sortowania metali i szkła prowadzi się w gotowym produkcie.

6. Sposób według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że surowiec poddaje się wstępnemu rozdrobnieniu i/lub podsuszeniu.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako węglowodory aromatyczne stosuje się toluen, ksylen lub dwuetylobenzen.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako węglowodory aromatyczne podstawione chlorowcem stosuje się chlorobenzen.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako węglowodory cykloalifatyczne podstawione chlorowcem stosuje się cyklochloroheksan.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako chlorowcopochodne węglowodory alifatyczne stosuje się 1,2-dwuchloropropan, 1,2-dwuchloroetan lub trójchloroetylen.