PL232213B1 - Sposób utylizacji termoplastycznych tworzyw sztucznych i urządzenie do realizacji tego sposobu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji odpadów termoplastycznych tworzyw sztucznych, zwłaszcza różnego rodzaju odpadowych tworzyw sztucznych poużytkowych i zanieczyszczonych, pochodzących z wysypisk komunalnych i urządzenie do realizacji tego sposobu.

Stale wzrastające zastosowanie tworzyw sztucznych w przemyśle, budownictwie a szczególnie w przemyśle spożywczym jako różnego typu opakowania dla produktów żywnościowych, a także w gospodarstwach domowych powodują ogromne problemy związane z ilością odpadów powstających po ich wykorzystaniu i zużyciu. Składowanie odpadów tworzyw sztucznych na wysypiskach śmieci jest uciążliwe i szkodliwe dla środowiska naturalnego a wynika to z faktu, że charakteryzują się one dużą objętością w stosunku do swojej masy, oraz że w bardzo małym stopniu podlegają degradacji i biodegradacji i zalegają na wysypiskach przez kilkadziesiąt lat.

Odpady tworzyw sztucznych termoplastycznych można zasadniczo utylizować trojako. Pierwszy sposób to wykorzystanie powtórnie do wytwarzania tych samych wyrobów poprzez ich rozdrobnienie i dodanie do pełnowartościowego surowca w ilości nieprzekraczającej kilku procent albo użycie do produkcji wyrobów, ale o mniejszych wymaganiach użytkowych i technicznych. Dotyczy to jednak niewielkiej ilości odpadów powstających przy produkcji wyrobów finalnych jako nadlewki, obrzyny i odpady poprodukcyjne.

Drugi sposób utylizacji polega na wykorzystaniu odpadów tworzyw sztucznych, głównie poliolefin, również tych wyodrębnianych ze strumienia odpadów komunalnych, albo z segregacji na miejscu ich powstawania jako paliwa poprzez ich pirolizę lub kraking. Sposoby przetwarzania metodami krakingu termicznego i/lub katalitycznego oraz urządzenia do realizacji tych sposobów, znane są z licznych opisów patentowych. Przedstawione w nich wynalazki dotyczą różnych aspektów procesu i różnią się między sobą rodzajem stosowanych katalizatorów, sposobem przygotowania i podawania surowca, sposobem dostarczania ciepła do procesu, układami instalacji oraz konstrukcją głównych urządzeń i aparatów.

Przykładowo w sposobie znanym z polskiego patentu nr 188 936 rozdrobniony surowiec poliolefinowy poddaje się stopniowemu ogrzewaniu w zamkniętym reaktorze z katalizatorem, a produkt po schłodzeniu i skropleniu poddaje się destylacji na frakcje o różnych temperaturach wrzenia, przy czym reakcję prowadzi się w zakresie temperatur do 600°C, korzystnie pomiędzy 3OO-450°C a katalizatorem są substancje obejmujące cementy, krzemiany metali ciężkich oraz kalafoniany metali ciężkich, a także mieszaniny tych substancji, przy czym katalizator stosuje się w ilości do 30% wagowych masy surowca poliolefinowego, korzystnie w ilości 5-10% wagowych w stosunku do masy surowca poliolefinowego.

Urządzenie reakcyjne ujawnione w tymże opisie ma kształt pionowego zbiornika zapatrzonego we właz zasypowy połączony z systemem dozowania surowca poliolefinowego i katalizatora, króciec odbioru par produktu oraz układ regulacyjny poziomu cieczy i mieszadło, a układ grzewczy jest w postaci otaczającej zbiornik od dołu komory spalinowej, ogrzewanej korzystnie przynajmniej jednym palnikiem zasilanym produktami reakcji, przy czym w komorze spalinowej, symetrycznie na obwodzie reaktora, korzystnie w kilku rzędach rozmieszczone są przelotowe rury grzewcze przechodzące przez wnętrze reaktora powyżej górnej krawędzi mieszadła i wyprowadzone poprzez przegrodę sitową do komory odlotowej spalin. Podobne rozwiązanie przedstawiono w opisie do patentu USA nr 5771821, którego sposób przeróbki odpadów przemysłowych i komunalnych tworzyw sztucznych polega na stapianiu odpadów tworzyw sztucznych w atmosferze przegrzanej pary i degradacji termicznej odpadów w temperaturze 400-500°C tak, że cząstki zmniejszają swój rozmiar, warstwa po warstwie w kierunku przepływu stopu od 3,83 do 0,12 mm, a produkty gazowe usuwa się i poddaje kondensacji. Bardziej dojrzałe rozwiązanie technologiczne proponuje inny patent USA nr 5 738 025. Surowiec w rozdrobnionej formie jest wprowadzany do reaktora za pomocą wytłaczarki, podajnika ślimakowego lub innego urządzenia tłoczącego do reaktora, w którego połowie wysokości jest rozpięta gęsta siatka (lub krata) na którą trafia niestopiona jeszcze mieszanina tworzyw. Podgrzane w reaktorze tworzywo topi się i przez siatkę kroplami spada do dolnej części, w której zachodzi kraking termiczny w temperaturze rzędu 350-450°C.

Wadą powyższych rozwiązań jest powstawanie w dużej ilości frakcji gazowej oraz tworzenie się gazów toksycznych z dodatków polepszających właściwości zawartych w tworzywach oraz różnorakich zanieczyszczeń.

Tworzywa sztuczne są złymi przewodnikami ciepła, mają bardzo małe ciepło właściwe oraz nieoznaczone i niejednorodne ciepło molowe. Powoduje to przegrzewanie się cienkiej warstwy przypowierzchniowej odbioru ciepła, która nagrzewa się szybciej i zatrzymuje więcej energii cieplnej niż

PL 232 213 B1 warstwy położone głębiej. Tworzy się niekorzystny gradient tempera tur. Nadwyżka energii grzewczej, która nadmiernie wzrasta powoduje niepożądane skutki w postaci powstawania tzw. koksu, który musi być usuwany okresowo z przestrzeni reakcyjnej.

Kolejnym problemem jest to, że wraz z rozdrobnionymi odpadami poużytkowych, odpadowych tworzyw sztucznych do topielnika, wprowadzone zostaje powietrze atmosferyczne, które po zmieszaniu z powstającymi gazowymi produktami rozpadu tworzywa może spowodować zapalenie się wsadu, a w przypadku niekorzystnego stosunku gazu palnego (zazwyczaj wydzielającego się przy topieniu) do ilości wprowadzonego powietrza może powstać nawet mieszanka wybuchowa.

W utylizacji poużytkowych tworzyw sztucznych znanymi sposobami dużym problemem technicznym jest bezpieczne stopienie ich do postaci płynnej, przy jak najmniejszym zużyciu energii elektrycznej bez negatywnego wpływu na środowisko.

Niedogodność tą eliminuje częściowo sposób utylizacji ujawniony w polskim opisie patentowym nr 200875, polegający na topieniu odpadowych tworzyw sztucznych poliolefinowych ciepłem powstającym przy częściowym spalaniu tych odpadów wewnątrz komory topielnikowo-paleniskowej, dozując odpowiednio powietrze poprzez dystrybutor rurowy z powietrzem, natomiast upłynnione tworzywo sztuczne odbierane jest u dołu topielnika z rury zamykanej hydraulicznie. Ciekła pozostała niespalona część poliolefin wypływa na zewnątrz z wnętrza topielnika poprzez siatkę metalową, którą należy okresowo oczyszczać z zatrzymanych, nagromadzonych, nietopliwych i niepalnych zanieczyszczeń.

Podobny sposób utylizacji odpadów tworzyw sztucznych został ujawniony w polskim opisie patentowym 202415, który polega na prowadzeniu procesu krakingu w objętości roztopionego surowca z poużytkowych tworzyw sztucznych, przy czym jako nośnik ciepła zastosowane są gorące lekkie gazy węglowodorowe przepuszczane przez masę roztopionego, ciekłego tworzywa sztucznego znajdującego się w zbiorniku topielnikowym. Gorące gazy podawane są w dolnej części tego zbiornika topielnikowego za pomocą tak zwanego dystrybutora gazów. Poprzez przewód rurowy w strefie reakcji uzyskuje się efekt mieszania gorącej kipieli, co powoduje ograniczanie zjawiska tworzenia się i osadzania się koksu blokującego przepływ strumienia energii grzewczej niezbędnej do procesu. Rozwiązanie takie zmniejsza gęstość mieszaniny reakcyjnej, co ułatwia opadanie na dno topielnika zanieczyszczeń stałych.

Instalacja jako całość jest bardzo rozbudowana i ma kilka niedogodności, potencjalnie duże prawdopodobieństwo występowania poważnych awarii i zagrożenia bezpieczeństwa pracy. Niską na poziomie nieopłacalności wydajność uzyskiwania pożądanych produktów są też duże trudności w nadzorowaniu i kontrolowaniu przebiegu procesu, zagwarantowania jego poprawnego przebiegu, co też przekłada się na parametry jakościowe otrzymywanych produktów mogą być niezgodne z założonymi.

Niedogodności te eliminuje sposób utylizacji oraz urządzenie do realizacji tego sposobu według wynalazku.

Istotą sposobu jest to, że rozdrobnione odpady poprzez walcowy zgniatacz podajnikiem ślimakowym wtłacza się do wnętrza topielnika nierozszczelniając go, w którego wnętrzu wytworzone jest podciśnienie rzędu od 10 Pa do minus 11 Pa za pomocą pompy próżniowej oraz temperatura rzędu od 80°C do 300°C wytworzona za pomocą rury spalinowej, po czym rozdrobnione odpady przechodzą przez siatkę opóźniającą i poddawane są działaniu sprężystych drgań fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu i częstotliwości od 50 kHz do 200 kHz, a następnie wyłącza się pompy próżniowe oraz generatory ultradźwięków, zamyka zawory wylotowe w głowicy pomiarów gazów, po czym poprzez zawór umiejscowiony w mechanizmie ślimaka zagęszczającego i po jego otwarciu tłoczy się gaz inertny, celem wytworzenia ciśnienia wypychającego i odbiera uzyskany ciekły produkt z różnych wysokości poprzez zamontowane w płaszczu topielnika wyloty a na nich zamontowane zawory oraz dozujące pompki zębate, przy czym płynny produkt odbierany jest w kolejności jego zalegania od góry kolejno w dół.

Korzystnie, gdy temperatura we wnętrzu topielnika wynosi od 120°C do 250°C.

Korzystnie, gdy temperatura we wnętrzu topielnika wynosi od 150°C do 200°C.

Istotą urządzenia według wynalazku do realizacji powyższego sposobu ma postać walcowatego zbiornika zwanego dalej topielnikiem usytuowanego pionowo, zakończonym lejowatym dnem. Wnętrze topielnika jest zamknięte hermetycznie górną pokrywą, a odpady topione są ciepłem przeponowym z rury spalinowej posiadającej podwójne przegięcie i przechodzącej wzdłuż topielnika, a na jej wlocie jest zamontowany na zewnątrz topielnika palnik, przy czym rura spalinowa ma na końcu pod pokrywą zamontowaną kołnierzowo rurę kominową wychodzącą ponad górną pokrywę. Rura spalinowa we wnętrzu topielnika na całej swej długości ma nałożoną gęsto wstęgę żebrową z pofałdowanej blachy w funkcji radiatora w celu wielokrotnego zwiększenia powierzchni wymiany ciepła na podobieństwo grzejników Faviera.

PL 232 213 B1

Korzystnie, gdy ta rura spalinowa zamontowana jest we wnętrzu topielnika kołnierzowo i ma zastosowane zamocowania ceramiczne, nieprzenoszące na konstrukcje topielnika drgań ultradźwiękowych a topielnik posiada otulinę termoizolacyjną.

W płaszczu bocznym topielnika i w części dolnej po obwodzie leja, zamontowane są, uszczelnione oringami, tulejowe falowody sonotrody wytwarzające we wnętrzu topielnika ultradźwiękowe drgania sprężyste, natomiast przetworniki ultradźwiękowe umieszczone są poza sferą reakcji na zewnątrz topielnika za warstwą izolacji termicznej w połączeniu falowodu, przy czym pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy ma moc od 100 W do 700 W na 1 m³ objętości topielnika a sumaryczna ilość przetworników ultradźwiękowych wynosi od 10 do 60. W górnej pokrywie topielnika zamontowany jest króciec rurowy z osadzoną na nim głowicą pomiarów gazów z przyłączoną do niej rurą wylotową do zamontowana pompy próżniowej dla uzyskiwania podciśnienia we wnętrzu topielnika.

Korzystnie, gdy pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy ma moc od 300 W do 600 W na 1 m³ objętości topielnika a sumaryczna ilość przetworników ultradźwiękowych wynosi od 20 do 30.

Korzystnie, gdy do rury wylotowej zamontowana jest pompa próżniowa, dyfuzyjna poprzedzona wstępną pompą rotacyjną.

Korzystnie, gdy do rury wylotowej zamontowana jest pompa próżniowa, turbo-molekularna dużej mocy poprzedzona wstępną pompą rotacyjną.

Proces utylizacji przebiega następująco: rozdrobnione, zabrudzone i pomieszane odpady tworzyw sztucznych za pomocą ślimaka uszczelniającego, wtłoczone zostają do wnętrza topielnika spadają na siatkę opóźniającą, a temperatura wewnątrz jest tak dobrana, że ich przejście w stan ciekły poprzez działanie na nie ultradźwięków, tj. drgań fal mechanicznych, ultradźwiękowych z tzw. sonotrody (ogniskującej fale kierunku ich propagacji) oraz zastosowana wysoka próżnia, która również wpływa na lepszą przewodność dla tych fal, powoduje uwalnianie stopniowo drobin odpadów na coraz mniejsze cząstki, aż do uwolnienia całych partii łańcuchów polimerowych, orientacje tych łańcuchów wzdłużnie zgodnie z kierunkiem propagacji rozchodzenia się fal, które jednocześnie pozbywają się zanieczyszczeń mineralnych, obcych wtrąceń praktycznie bez ich depolimeryzacji. Działanie ultradźwięków już w masie bardzo płynnej tworzyw polimerowych prowadzi do zjawiska kawitacji, a to z kolei powoduje mieszanie i ujednorodnienie masy polimerowej. Taki sposób prowadzenia procesu utylizacji radykalnie poprawił płynność masy polimerów, udarność i termoplastyczność, nadają się do prostego przetworzenia wytłoczenia przez sita i wodnym cięciu wprost do postaci granulatów i ponownej produkcji masowych wyrobów termoplastycznych czy folii opakowaniowej.

Z uzyskiwanej w topielniku masy tworzywowej można odlewać lite bloki tworzyw łatwych w przechowywaniu i transportowaniu albo nadawać im zadane kształty celem ich użytecznego wykorzystywania np. podkłady, wypełnienia podpory czy też osłony, a uzyskane tej jakości tanie tworzywa sztuczne doskonale nadają się na mieszanki kompozytowe przez wymieszanie ich z trocinami czy też pyłem drzewnym. Po osuszeniu można formować sztuczne deski ogrodzeniowe, wylewając tak przygotowaną mieszankę wprost do formy odciśniętej z surowej, niestruganej deski. Uzyskana forma takiej sztucznej deski jest wielokrotnie trwalsza: nie trzeba jej malować ani konserwować, jest odporna na wodę i deszcz.

Kolejnym wykorzystaniem produktu z topielnika jest kierunek paliwowy, płynne tworzywo podane rurą wprost do reaktora optymalnie wykorzystuje dostępność energii grzewczej w zamkniętym reaktorze.

Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, nieograniczającym go jednak w żaden sposób.

Walcowy zgniatacz 1 zamocowany jest na podajniku ślimakowym zagęszczającym 2 z króćcem gazu inertnego 3, który umocowany jest w górnej części topielnika 4 zaopatrzonego w kratkę opóźniającą 5. Na obwodzie ściany bocznej w środkowej części topielnika 4 z uszczelnieniem za pomocą oringów 6 zamocowane są falowody sonotrody 7. W dolnej części topielnik 4 ma właz rewizyjny dolny 8, a poniżej niego na obwodzie topielnika 4 uszczelnieniem za pomocą oringów 6 zamocowane są również falowody sonotrody 7. Lejowate dno 9 ma również na obwodzie zamocowane falowody sonotrody 7 a poprzez połączenie kołnierzowe 10 ma zamocowaną zasuwę 11, do której zamocowany jest osadnik grawitacyjny 12. W górnej pokrywie topielnika 4 zamocowana jest rura kominowa 13, głowica pomiarowa gazów 14 z rurą wylotową 15 i pompą próżniową 16. Wewnątrz topielnika 4 zamocowana jest rura spalinowa 17 dostarczająca ciepło do jego wnętrza pochodzące z palnika 24. W górnej części topielnik zaopatrzony jest we właz rewizyjny górny 18. Topielnik 4 otoczony jest warstwą izolacji termicznej 19. W bocznej ścianie topielnika 4 zamocowane są górny króciec roztopu 20, środkowy króciec roztopu 21 i dolny króciec roztopu 22 tworzące zespół odbioru roztopu 23. Do palnika 24 gaz doprowadzony jest przewodem 25 a osadnik grawitacyjny podgrzewany jest grzałkami elektrycznymi 26.

Claims (8)

1. Sposób utylizacji termoplastycznych tworzyw sztucznych, znamienny tym, że rozdrobnione odpady poprzez walcowy zgniatacz (1) podajnikiem ślimakowym zagęszczającym (2) wtłacza się do wnętrza topielnika (4) nierozszczelniając go, w którego wnętrzu wytworzone jest podciśnienie rzędu od 10 Pa do minus 11 Pa za pomocą pompy próżniowej (16) oraz panuje temperatura od 80°C do 300°C wytworzona za pomocą rury spalinowej (17), po czym rozdrobnione odpady przechodzą przez siatkę opóźniającą (5) i poddawane są działaniu sprężystych drgań fal ultradźwiękowych o dużym natężeniu i częstodiwości od 25 kHz do 1000 kHz, a następnie wyłącza się pompy próżniowe (16) oraz generatory ultradźwięków, zamyka zawory wylotowe w głowicy pomiarów gazów, po czym poprzez zawór umiejscowiony w mechanizmie ślimaka zagęszczającego (2) i po jego otwarciu tłoczy się gaz inertny celem wytworzenia ciśnienia wypychającego i odbiera uzyskany ciekły produkt z różnych wysokości poprzez zamontowane w płaszczu topielnika wyloty a na nich zamontowane zawory oraz dozujące pompki zębate, przy czym płynny produkt odbierany jest w kolejności jego zalegania od góry kolejno w dół.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura we wnętrzu topielnika (4) wynosi od 120°C do 250°C.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura we wnętrzu topielnika (4) wynosi od 150°C do 200°C.

4. Urządzenie do utylizacji termoplastycznych tworzyw sztucznych w postaci walcowatego zbiornika usytuowanego pionowo, znamienne tym, że jest zakończone lejowatym dnem i jest zamknięte hermetycznie górną pokrywą, a odpady topione są ciepłem przeponowym z rury spalinowej (17) posiadającej podwójne przegięcie i przechodzącej wzdłuż topielnika (4), a na jej wlocie jest zamontowany na zewnątrz topielnika palnik (24), przy czym rura spalinowa (17) ma na końcu pod pokrywą zamontowaną kołnierzowo rurę kominową (13) wychodzącą ponad górną pokrywę a rura spalinowa (17) we wnętrzu topielnika na całej swej długości ma nałożoną gęsto wstęgę żebrową z pofałdowanej blachy w funkcji radiatora w celu wielokrotnego zwiększenia powierzchni wymiany ciepła na podobieństwo grzejników Faviera, przy czym w płaszczu bocznym topielnika (4) i w części dolnej po obwodzie leja zamontowane są uszczelnione oringami (6), tulejowe falowody sonotrody (7), wytwarzające we wnętrzu topielnika ultradźwiękowe drgania sprężyste, natomiast przetworniki ultradźwiękowe umieszczone są poza sferą reakcji na zewnątrz topielnika (4) za warstwą izolacji termicznej (19) w połączeniu falowodu, przy czym pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy ma moc od 100 W do 700 W na 1 m³ objętości topielnika a sumaryczna ilość przetworników ultradźwiękowych wynosi od 10 do 60, natomiast w górnej pokrywie topielnika (4) zamontowany jest króciec rurowy z osadzoną na nim głowicą pomiarów gazów (14) z przyłączoną do niej rurą wylotową (15) do zamontowana pompy próżniowej (16) dla uzyskiwania podciśnienia we wnętrzu topielnika.

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że pojedynczy przetwornik ultradźwiękowy ma moc od 300 W do 600 W na 1 m³ objętości topielnika a sumaryczna ilość przetworników ultradźwiękowych wynosi od 20 do 30.

6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że rura spalinowa (17) zamontowana jest we wnętrzu topielnika (4) kołnierzowo i ma zastosowane zamocowania ceramiczne, nieprzenoszące na konstrukcje topielnika drgań ultradźwiękowych a topielnik (4) posiada otulinę termoizolacyjną (19).

7. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do rury wylotowej (15) zamontowana jest pompa próżniowa, dyfuzyjna poprzedzona wstępną pompą rotacyjną.

8. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do rury wylotowej (15) zamontowana jest pompa próżniowa, turbo-molekularna dużej mocy poprzedzona wstępną pompą rotacyjną.