PL232742B1 - Pirolityczny reaktor rurowy z bezwałowym podajnikiem ślimakowym oraz sposób pirolizy odpadów - Google Patents

Abstract

Pirolityczny reaktor z ogrzewaną komorą w kształcie rury, w której zamontowany jest bezwałowy podajnik ślimakowy w kształcie sprężyny, charakteryzuje się tym, że zewnętrzna powierzchnia sprężyny podajnika (10) jest karbowana, przy czym karby mają głębokość "g" od 1 do 5 mm, a materiał na powierzchni zewnętrznej (13) sprężyny podajnika (10) ma większą gęstość niż średnia gęstość materiału sprężyny podajnika (10).

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest pirolityczny reaktor rurowy z bezwałowym podajnikiem ślimakowym oraz sposób pirolizy odpadów w procesie ciągłym.

Odpady, takie jak zużyte tworzywa sztuczne i opony gumowe stają się poważnym problemem ekologicznym. Jednym ze znanych sposobów recyklingu odpadów jest piroliza. W wyniku szeregu złożonych reakcji chemicznych w wysokiej temperaturze z tworzyw sztucznych lub gumy powstają frakcje gazowe, głównie niskowrzące węglowodory alifatyczne; frakcje ciekłe, w tym węglowodory aromatyczne; oraz frakcje stałe, w tym węgiel pizolityczny oraz pozostałości nieorganiczne.

Proces recyklingu tego typu odpadów jest kosztowny ze względu na konieczność u trzymywania wysokich temperatur w reaktorze w zakresie od 300-800°C. Zwykle energię cieplną doprowadza się do reaktora przeponowo, za pomocą powietrznych wymienników ciepła - płaszczowych bądź rurowych. Reaktory to zasadniczo podłużne rury z wlotem substratów na jednym końcu oraz osobnym wylotem frakcji ciekłej i gazowej, które umiejscowione są na drugim końcu korpusu reaktora. Reaktory mogą ponadto być zaopatrzone w różnego rodzaju systemy podajników, takich jak podajniki ślimakowe wałowe lub bezwałowe, które służą do mieszania wsadu podczas reakcji i transportu wsadu wzdłuż reaktora.

Znane są różne konstrukcje urządzeń do pirolitycznego przetwarzania odpadów z tworzyw sztucznych lub gumy z podajnikami ślimakowymi do transportu wsadu w reaktorze.

Z polskiego zgłoszenia patentowego P.389120 znane jest urządzenie do pirolitycznego recyklingu odpadów gumowych. Urządzenie zawiera reaktor z rurowym korpusem o osi poziomej, wewnątrz którego znajduje się bezwałowy ślimak o kształcie sprężyny. Urządzenie jest stosunkowo długie, co zapewnia odpowiedni czas pirolizy. Ze względu na znaczną długość, sprężynowy ślimak bezwałowy jest napędzany synchronicznie na obydwu końcach, przy czym ze względu na znaczne wymiary liniowe ślimak może uginać się. Rozdrobniony odpad może swobodnie wypełniać całą przestrzeń wewnątrz sprężyny, przez co nie jest nadmiernie wciskany między sprężynę a korpus reaktora i nie blokuje przenośnika. Sprężyna przenośnika jest wykonana w procesie kucia.

Celowym byłoby opracowanie alternatywnych do opisanej powyżej konstrukcji pirolitycznego reaktora rurowego z bezwałowym podajnikiem ślimakowym i sposobu pirolizy odpadów.

Przedmiotem wynalazku jest pirolityczny reaktor z ogrzewaną komorą w kształcie rury, w której zamontowany jest bezwałowy podajnik ślimakowy w kształcie sprężyny, charakteryzujący się tym, że zewnętrzna powierzchnia sprężyny podajnika jest karbowana, przy czym karby mają głębokość „g” od 1 do 5 mm, a materiał na powierzchni zewnętrznej sprężyny podajnika ma większą gęstość niż średnia gęstość materiału sprężyny podajnika.

Korzystnie, karby mają kształt przylegających do siebie łukowatych wgłębień.

Korzystnie, wewnętrzna powierzchnia sprężyny podajnika jest gładka.

Korzystnie, sprężyna podajnika składa się z zespawanych i wygiętych krążków blachy, których zewnętrzne krawędzie są wycięte za pomocą punktowego wypalania arkusza blachy wiązką lasera.

Korzystnie, rurowa komora reaktora ogrzewana jest trójsekcyjnym systemem grzewczym o temperaturze nastawnej indywidualnie dla każdej sekcji.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto sposób pirolizy odpadów, w szczególności z tworzyw sztucznych lub gumy, w reaktorze pirolitycznym z ogrzewaną komorą w kształcie rury, w której zamontowany jest bezwałowy podajnik ślimakowy w kształcie sprężyny, charakteryzujący się tym, że zewnętrzna powierzchnia sprężyny podajnika jest karbowana, przy czym karby mają głębokość „g” od 1 do 5 mm, a materiał na powierzchni zewnętrznej sprężyny podajnika ma większą gęstość niż średnia gęstość materiału sprężyny podajnika, przy czym rurowa komora reaktora ogrzewana jest trójsekcyjnym systemem grzewczym o temperaturze nastawnej indywidualnie dla każdej sekcji, w którym to sposobie ogrzewa się sekcję początkową reaktora do temperatury od 400°C do 500°C doprowadzając do roztopienia wsadowych tworzyw sztucznych, które w sekcji środkowej, którą ogrzewa się do temperatury niższej niż temperatura sekcji początkowej, za pomocą karbowanej powierzchni zewnętrznej sprężyny podajnika rozprowadza się po wewnętrznych ściankach bocznych komory doprowadzając do ich odparowania, natomiast w sekcji końcowej utrzymuje się temperaturę wyższą niż temperatura sekcji środkowej doprowadzając do dopalenia resztek wsadu w reaktorze.

PL 232 742 B1

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie reaktor do pirolitycznego recyklingu odpadów z tworzyw sztucznych z bezwałowym podajnikiem ślimakowym z karbowaną powierzchnią boczną według wynalazku;

Fig. 2 przedstawia schematycznie fragment bezwałowego podajnika ślimakowego z karbowaną powierzchnią boczną w widoku z ukosa;

Fig. 3 przedstawia schematycznie fragment bezwałowego podajnika ślimakowego z karbowaną powierzchnią boczną w przekroju poprzecznym.

Na Fig. 1 przedstawiono schematycznie reaktor do pirolitycznego recyklingu tworzyw sztucznych, takich jak poliolefiny, jak również opon gumowych. Reaktor ma korpus 21 w postaci rury o okrągłym przekroju poprzecznym, wykonanej przykładowo ze stali nierdzewnej o dużej wytrzymałości na wysoką temperaturę oraz o wysokim współczynniku przewodzenia ciepła. Korpus 21 reaktora jest połączony z trójsekcyjnym układem grzewczym 22, takim jak powietrzny wymiennik ciepła płaszczowy bądź rurowy. Wewnątrz korpusu 21 znajduje się bezwałowy podajnik ślimakowy 10 w kształcie sprężyny z karbowaną powierzchnią zewnętrzną, usytuowany równolegle do osi wzdłużnej korpusu 21 reaktora, lecz nieco poniżej tej osi, tak że opiera się na dnie reaktora. Średnica zewnętrzna „d” sprężyny podajnika 10 jest mniejsza od średnicy wewnętrznej „D” korpusu 21 reaktora. Skok zwojów sprężyny jest dobrany w zależności od założonych parametrów pirolizy, w tym stopnia rozdrobnienia materiału wsadowego i pożądanej prędkości przejścia materiału przez reaktor (tzw. czasu przebywania cząsteczek w reaktorze). Sprężyna podajnika 10 jest jednostronnie zamocowana do tarczy napędowej 25 połączonej z układem napędowym 26, który umożliwia obrotowy ruch podajnika. Rurowy korpus 21 reaktora może być usytuowany swą wzdłużną osią równolegle do poziomu lub nachylony pod kątem, korzystnie od 1,5° do 3,0°, co ułatwia przepływ gazowych produktów pirolizy w kierunku filtra gazów i skraplacza 27 oraz zapobiega gromadzeniu się gazu w przedniej części reaktora.

W celu przeprowadzenia pirolizy, wstępnie rozdrobnione odpady wprowadza się przez lej zasypowy 23 do wnętrza korpusu 21 reaktora, niewielkimi porcjami, co umożliwia równomierną pracę. Wielkość porcji wsadu powinna być dobierana w zależności od wymiarów komory reaktora 21, tak aby cała ilość wprowadzonego tworzywa po stopieniu w sekcji 22A mogła zostać roztarta po ściankach reaktora w sekcji 22B za pomocą bezwałowego podajnika ślimakowego 10, tworząc na ściankach wewnętrznych korpusu 21 reaktora warstwę o grubości umożliwiającej efektywną wymianę ciepła pomiędzy reagentami a ścianką reaktora na całej grubości utworzonej warstwy. Karbowana powierzchnia zewnętrzna obracającego się podajnika ślimakowego 10, przemieszcza po ściance wewnętrznej korpusu 21 reaktora w kierunku otworów wylotowych 27, 28 warstwę stopionych reagentów. W warunkach ciągłego mieszania oraz efektywnej wymiany ciepła, długie łańcuchy węglowodorowe zawarte we wsadzie ulegają przekształceniu do niższych frakcji węglowodorowych, które na wylocie z reaktora mogą być rozdzielane na frakcje ciekłe odprowadzane wylotem 28 i gazowe odprowadzane wylotem 27.

Układ grzewczy ma wydzielone trzy sekcje: sekcję początkową 22A, w której utrzymywana jest wysoka temperatura, i w której wsad ulega roztopieniu, sekcję środkową 22B, w której utrzymywana jest niższa temperatura, w której roztopione tworzywa sztuczne są rozprowadzane po ściankach reaktora i ulegają odparowaniu, oraz sekcję końcową 22C, w której utrzymywana jest temperatura wyższa od sekcji środkowej 22B, w której dopalane są pozostałości, które nie zostały odparowane w sekcji środkowej 22B, takie jak pozostałości nieorganiczne, katalizator, zanieczyszczenia. Zakres temperatur określa się eksperymentalnie w zależności od rodzaju wsadu, tak aby uzyskać optymalny przebieg procesu i doprowadzić do skutecznej pirolizy wsadu.

Na Fig. 2 i 3 przedstawiono schematycznie fragment sprężyny podajnika 10 z karbowaną powierzchnią zewnętrzną do stosowania w reaktorze według wynalazku. Zewnętrzna powierzchnia 13 sprężyny 10 jest karbowana, tworzy ją szereg wgłębień 14.

Korzystnie, sprężynę bezwałowego podajnika ślimakowego wytwarza się z krążków wyciętych z arkusza blachy metalowej, które wygina się na odległość równą skokowi sprężyny i spawa się ze sobą po złożeniu w miejscach 11. Krążki wycina się z arkusza blachy, korzystnie ze stopów m etalicznych chemo- i termoodpornych o dobrych parametrach wytrzymałościowych. Grubość „h” arkusza blachy dobiera się do wymaganej grubości zwojów ślimaka 10. Zewnętrzna średnica sprężyny „d” jest mniejsza, korzystnie od 50 mm do 150 mm, od średnicy wewnętrznej komory „D” reaktora 21, która wynosi korzystnie od 400 do 1000 mm.

PL 232 742 B1

Korzystnie, w celu uzyskania karbowanej powierzchni zewnętrznej bezwałowego podajnika ślimakowego 10, krążki wycina się poprzez punktowe wypalanie laserem pojedynczych otworów w arkuszu sąsiadujących ze sobą wzdłuż linii okręgu o średnicy zewnętrznej „d” sprężyny. Przykładowo, wypalać można w arkuszu otwory przelotowe o średnicy od 1 mm do 10 mm, korzystnie 2 mm.

Wewnętrzną krawędź krążka wycina się korzystnie laserowo korzystając z ciągłej wiązki lasera przesuwanej wzdłuż okręgu 12 wyznaczającego wewnętrzną średnicę krążka.

W celu uzyskania karbowanej powierzchni zewnętrznej bezwałowego podajnika ślimakowego 10, krążki można również wycinać laserowo prowadząc ciągłą wiązkę lasera wzdłuż zewnętrznej granicy krążków po torze w takim kształcie, który zapewni uzyskanie karbów na powierzchni zewnętrznej 13 sprężyny.

Twórcy zauważyli, że zastosowanie techniki wypalania laserowego powoduje, że materiał podajnika na powierzchni zewnętrznej 13 uzyskuje większą gęstość niż średnia gęstość materiału podajnika. Przy czym wypalanie punktowe, ze względu na dużą koncentrację energii wiązki lasera, prowadzi do uzyskania większego wzrostu gęstości materiału na powierzchni zewnętrznej w porównaniu do wypalania wiązką prowadzoną wzdłuż linii.

Głębokość karbów „g” powinna wynosić od 1 mm do 5 mm i określa zasadniczo maksymalną grubość warstwy, na jaką wsad będzie rozprowadzany po ściankach reaktora.

Karbowana powierzchnia zewnętrzna 13 podajnika ślimakowego 10 umożliwia wydłużenie średniego czasu przebywania materiału w reaktorze, bez zmiany rozmiarów reaktora, gdyż materiał zostaje częściowo „rozsmarowany” na ściankach reaktora i nie jest w całości przenoszony przez podajnik ślimakowy. W konsekwencji prowadzenie pirolizy z zastosowaniem bezwałowego podajnika ślimakowego z karbowaną powierzchnią zewnętrzną 10 umożliwia zmniejszenie wymiarów liniowych korpusu reaktora oraz zmniejszenie ilości dostarczanego do ścianek reaktora ciepła, przy zachowaniu stałego średniego czasu przebywania cząsteczek w reaktorze, bez obniżenia wydajności procesu pirolizy, co znacząco zmniejsza koszty procesu w tym materiałowe koszty instalacji. Średni czas przebywania materiału w reaktorze jest więc dłuższy niż czas wynikający z pomnożenia ilości zwojów sprężyny przez czas jednego obrotu.

Do efektywnej wymiany ciepła w procesie przyczynił się także sposób wprowadzania wsadu odpadowego do komory reaktora. Według wynalazku wsad wprowadzany jest w ilości umożliwiającej utworzenie warstwy na powierzchni ścianki reaktora z całej porcji wsadu, o grubości umożliwiającej efektywną wymianę ciepła w całej objętości warstwy stopionych reagentów.

Produkcja bezwałowych ślimaków z karbowaną powierzchnią zewnętrzną za pomocą metody wypalania punktowego laserem pozwala na uzyskanie podajnika ślimakowego o bardzo dobrych parametrach wytrzymałościowych i długiej żywotności, ze względu na duże utwardzenie jego karbowanej powierzchni zewnętrznej.

P r z y k ł a d 1

W reaktorze rurowym do pirolitycznego recyklingu tworzyw sztucznych o średnicy wewnętrznej komory reakcyjnej „D” wynoszącej 600 mm oraz długości komory reakcyjnej równej 9 m zainstalowano bezwałowy podajnik ślimakowy o średnicy zewnętrznej „d” równej 550 mm i karbowaniu o głębokości „g” równej 1 mm. Poprzez lej zasypowy wprowadzano wsad w postaci zużytych opon gumowych rozdrobnionych do fragmentów 10 x 10 cm w ilości 2000 kg/godzinę. W sekcji grzewczej początkowej 22A o długości 3 m utrzymywano temperaturę 480°C, w sekcji środkowej 22B o długości 4 m utrzymywano temperaturę 460°C i w sekcji końcowej 22C o długości 2 m utrzymywano temperaturę 480°C. Materiał rozgrzanych opon był więc rozprowadzany w sekcji środkowej 22B na ściankach komory na grubość warstwy do 1 mm, dzięki czemu skutecznie odbierał ciepło z układu grzewczego 22 przechodząc w fazę ciekłą i gazową.

P r z y k ł a d 2

W reaktorze rurowym do pirolitycznego recyklingu tworzyw sztucznych o średnicy wewnętrznej komory reakcyjnej „D” wynoszącej 800 mm oraz długości komory reakcyjnej równej 10 m zainstalowano bezwałowy podajnik ślimakowy o średnicy zewnętrznej „d” równej 700 mm i karbowaniu o głębokości „g” równej 4 mm. Poprzez lej zasypowy wprowadzano wsad w postaci rozdrobnionych odpadów poliolefinowych w ilości 1500 kg/godzinę. W sekcji grzewczej początkowej 22A o długości 3 m utrzymywano temperaturę 500°C, w sekcji środkowej 22B o długości 5 m utrzymywano temperaturę 420°C i w sekcji końcowej 22C o długości 2 m utrzymywano temperaturę 500°C. Materiał odpadowy był więc rozprowadzany w sekcji środkowej 22B na ściankach komory na grubość warstwy do 4 mm, dzięki czemu skutecznie odbierał ciepło z układu grzewczego 22 przechodząc w fazę ciekłą i gazową.

Claims (6)

1. Pirolityczny reaktor z ogrzewaną komorą w kształcie rury, w której zamontowany jest bezwałowy podajnik ślimakowy w kształcie sprężyny, znamienny tym, że zewnętrzna powierzchnia (13) sprężyny podajnika (10) jest karbowana, przy czym karby mają głębokość „g” od 1 do 5 mm, a materiał na powierzchni zewnętrznej (13) sprężyny podajnika (10) ma większą gęstość niż średnia gęstość materiału sprężyny podajnika (10).

2. Pirolityczny reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że karby mają kształt przylegających do siebie łukowatych wgłębień.

3. Pirolityczny reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzna powierzchnia (12) sprężyny podajnika (10) jest gładka.

4. Pirolityczny reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężyna podajnika (13) składa się z zespawanych i wygiętych krążków blachy, których zewnętrzne krawędzie (13) są wycięte za pomocą punktowego wypalania arkusza blachy wiązką lasera.

5. Pirolityczny reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że rurowa komora reaktora ogrzewana jest trójsekcyjnym systemem grzewczym (22) o temperaturze nastawnej indywidualnie dla każdej sekcji (22A, 22B, 22C).

6. Sposób pirolizy odpadów, w szczególności z tworzyw sztucznych lub gumy, w reaktorze pirolitycznym z ogrzewaną komorą w kształcie rury, w której zamontowany jest bezwałowy podajnik ślimakowy w kształcie sprężyny, znamienny tym, że zewnętrzna powierzchnia (13) sprężyny podajnika (10) jest karbowana, przy czym karby mają głębokość „g” od 1 do 5 mm, a materiał na powierzchni zewnętrznej (13) sprężyny podajnika (10) ma większą gęstość niż średnia gęstość materiału sprężyny podajnika (10), przy czym rurowa komora (21) reaktora ogrzewana jest trójsekcyjnym systemem grzewczym (22) o temperaturze nastawnej indywidualnie dla każdej sekcji (22A, 22B, 22C), w którym to sposobie ogrzewa się sekcję początkową (22A) reaktora do temperatury od 400°C do 500°C doprowadzając do roztopienia wsadowych tworzyw sztucznych, które w sekcji środkowej (22B), którą ogrzewa się do temperatury niższej niż temperatura sekcji początkowej (22A), za pomocą karbowanej powierzchni zewnętrznej (13) sprężyny podajnika (10) rozprowadza się po wewnętrznych ściankach bocznych komory (21) doprowadzając do ich odparowania, natomiast w sekcji końcowej (22C) utrzymuje się temperaturę wyższą niż temperatura sekcji środkowej (22B) doprowadzając do dopalenia resztek wsadu w reaktorze.