Способ термической переработки органических веществ

Способ термической переработки органических веществ

Реферат

 

Способ термической переработки органических веществ, в частности древесных, промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, включает уплотнение и нагрев органических веществ в дисперсном состоянии в защитной газовой среде, причем термическую переработку осуществляют за счет нагрева до температуры не ниже температуры разложения с одновременным и непрерывным уплотнением в процессе нагрева путем обжатия материала между нагретыми поверхностями, а защитную среду создают за счет газов, образующихся при разложении материалов с недостатком окислителя. Изобретение позволит обеспечить термическую переработку органических веществ с минимально возможными энергозатратами и со скоростями, соответствующими предельно достижимым скоростям подвода необходимого количества тепла. 2 ил.

Изобретение относится к технике переработки древесных, промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающей отраслях, в теплоэнергетике и других отраслях промышленности.

Термическую переработку органических веществ осуществляют путем нагрева до 700-900^oC в вакууме, в нейтральной газовой атмосфере или при незначительных количествах окислителя. Исходный материал обычно дробят или измельчают, а при загрузке уплотняют.

Известен способ переработки дисперсных материалов, содержащих органические вещества, заключающийся в обработке их в вакууме в вертикальном слое, движущемся в герметичной колонне, охваченной нагревателем, через слой вибрирующих магнитных шаров, приводимых в движение импульсным магнитным полем (а. с. СССР N 1306267, кл. F 26 B 3/347, 1995). Этот способ применим, в частности, для пиролиза древесных опилок, стружек и даже бревен, которые по мере обжига дробятся шарами. Движущийся сверху вниз по колонне материал представляет собой псевдоожиженный слой.

Недостатком этого способа является большая толщина прогрева, так как нагреватель расположен с внешней стороны стенки колонны и необходимо прогревать всю толщину слоя. Отсюда ограниченные производительности, низкое качество продукта, большие расходы тепла. Кроме того, наличие вакуум-насоса и устройства для импульсного магнитного поля усложняет процесс и увеличивает его энергоемкость.

Известен способ переработки отходов, содержащих органические вещества, в капсулах с послойной загрузкой обрабатываемого и инертного материалов, охватываемых нагревателем (а.с. СССР N 1475281, кл. B 22 F 9/04, 1995). Способ позволяет обрабатывать дисперсные и даже пылевидные органические материалы. Недостатком его является смешение обрабатываемого материала с инертным, который также находится в дисперсном состоянии, что представляет значительные трудности при последующем их разделении. Кроме того, капсулу также нагревают с внешней стороны, а нагрев инертной массы требует дополнительных энергетических затрат.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ переработки отходов, содержащих органические вещества, путем отжига их в капсулах под слоем аморфного графита как инертного материала с предварительным уплотнением отходов при загрузке (а.с. СССР N 1791672, кл. F 23 G 5/027, 1993). Этот способ не требует разделения обработанного материала и инертной массы, так как аморфный графит представляет собой древесные опилки, отожженные в инертной массе. При этом требуется дополнительное устройство для получения аморфного графита.

Недостатком этого способа также является большое тепловое сопротивление обжигаемой массы отходов, так как обогрев капсулы осуществляют с внешней стороны. Способ громоздок и не исключает дополнительного расхода энергии на нагрев инертной засыпки и затрат на предварительное уплотнение.

Кроме того, при нагреве материала в неподвижном слое (в капсулах) теплопроводность уменьшается по мере разложения органических веществ и выхода газов. Так как прогрев массы идет от стен капсулы в центр цилиндра, то и разложение массы и выделение газов начинается в пристенной области. Там образуется за счет усадки зазор, по которому удаляются газы. По мере прогрева зазор увеличивается или образуются новые зазоры концентрической формы. При этом центральная часть столба обжигаемой массы остается на месте. Как хорошо известно, теплопроводность газов в десятки раз ниже теплопроводности массы, поэтому коэффициент теплопроводности слоя в направлении теплового потока резко уменьшается. При этом может оказаться, что теплопроводность слоя в горизонтальном направлении гораздо ниже, чем в вертикальном, что особенно неблагоприятно для процесса термической переработки.

Таким образом, известные способы громоздки, энергоемки и малопроизводительны, в экологическом плане не совершенны, а качество обожженного материала недостаточно высокое.

Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить термическую переработку органических веществ с минимально возможными энергозатратами и со скоростями, соответствующими предельно достижимым скоростям подвода необходимого количества тепла. При этом кардинально изменяется тепловой режим переработки, качество продуктов и количественное соотношение между ее компонентами по сравнению с существующими способами термической обработки.

Поставленная задача решается тем, что термическую переработку органических веществ в дисперсном состоянии осуществляют за счет нагрева тонкого слоя до температуры не ниже температуры разложения с одновременным и непрерывным уплотнением в процессе всего времени нагрева путем обжатия материала между нагретыми поверхностями, а защитную среду создают за счет газов, образующихся при разложении материалов с недостатком окислителя.

Данное изобретение обладает новизной, что следует из сравнения с прототипом, имеет изобретательский уровень, так как явно не следует из уровня техники. Изобретение промышленно применимо, не требует громоздкого оборудования, позволяет значительно ускорить технологический процесс, уменьшить энергопотребление, улучшить экологию, получить продукцию высокого качества.

На фиг. 1 представлена схема установки, на фиг. 2 - ее поперечный разрез.

Сущность способа состоит в следующем.

Вещества, содержащие органические соединения, измельчают, перемешивают для обеспечения равномерного состава и при необходимости подсушивают и подогревают. Подают обрабатываемый материал между нагретыми до необходимой температуры поверхностями ровным слоем периодически или непрерывно в зависимости от характера работы установки. Слой материала сжимают нагретыми поверхностями в течение всего времени прогрева и разложения. Газообразную фазу удаляют в процессе обжатия, а твердый остаток удаляют после снятия давления от обжатия. Газообразная фаза заполняет объем рабочего пространства и служит защитной атмосферой для подаваемого материала и твердого остатка, собираемого в промежуточном накопителе. Газы отводят из рабочего пространства, охлаждают их, отделяя жидкие фракции, и используют по назначению в зависимости от состава. Твердый остаток также используют по назначению.

Непрерывное уплотнение тонкого слоя материала нагретыми поверхностями обеспечивает быстрый нагрев (подвод тепла) за счет гарантированного контакта материала с поверхностями, увеличения теплопроводности слоя за счет его прессования при усадке и уменьшения количества твердой фазы, а также за счет увеличения давления при бурном выделении газообразной фазы в процессе разложения.

Все эти факторы в несколько раз ускоряют процесс пиролиза, позволяют снизить энергозатраты до минимально возможных, т.е. практически изменить технологический процесс термической переработки органических веществ.

В процессе термической переработки получают твердую и газообразную фазы.

Реализацию предложенного способа можно осуществить путем нагрева и одновременного обжатия исходного материала между нагреваемыми поверхностями периодически по типу штамповки и непрерывно по типу прокатки.

Пример осуществления способа на установке периодического действия представлен на фиг. 1 и 2.

Под цилиндрическим кожухом 1 на вращающейся платформе 2 расположены под углом 120^o три металлических цилиндра 3, в которые входят толкатели в виде поршней 4. Поршни перемещаются вертикально вверх и вниз. Первый поршень с цилиндром, расположенный в кожухе, представляет собой загрузочное устройство 5, предназначенное для прессования исходного материала, который поступает из бункера 6 через дозатор 7. После прессования платформа 2 поворачивается на 120^o, и материал в цилиндре располагается между обогреваемыми цилиндром и подставкой 8. При ходе поршня вниз в нагревательном устройстве 9 происходят сжатие и нагрев спрессованного материала. Здесь происходит термическое разложение материала, при котором газовая фаза выходит в рабочее пространство кожуха, из которого через патрубок 15 отводится. Твердая фаза после пиролиза остается в цилиндре 3 и при последующем повороте платформы располагается под выталкивающим поршнем разгрузочного устройства 10.

В каждом положении вращающейся платформы 2 в загрузочном устройстве 5 происходит прессование материала, в нагревательном устройстве - термическое разложение, а в разгрузочном устройстве 10 - выталкивание твердого остатка в накопительный бункер.

Поршни через штоки соединены с общим силовым цилиндром 11 через центральный шток 12, который перемещается цилиндром вверх и вниз.

Поворотная платформа 2 через зубчатое зацепление 14 соединяется с приводом 13, который обеспечивает поворот на 120^o с фиксирующими упорами.

Опробование предложенного способа осуществлялось на лабораторной установке. Нагретыми поверхностями являлись торцы двух металлических цилиндров диаметром 30 мм с электрическим обогревом. В цилиндры зачеканивались термопары для контроля их температуры. Торцы цилиндров прижимались давлением 0,3 бар. Фиксировалось время контакта. В качестве исходного вещества использовались древесные опилки. В результате термического разложения получались твердый остаток и газообразная фаза, которая отводилась и охлаждалась. При охлаждении конденсировались водяные пары, углеводороды, уксусная кислота, спирт и др. Неконденсированным газом являлся углекислый газ. Твердый остаток составлял около 30% по массе и представлял собой древесный активированный уголь. Смесь жидких углеводородов составляла также около 30% исходной массы и представляла массу в виде дегтя. Водный раствор составлял 20% и представлял собой воду, уксусную кислоту, спирт и др. Несконденсированная газовая фаза составляла около 20%.

Режим термического разложения соответствовал 650^oC и времени разложения менее сотой доли секунды.

Кроме древесного угля опробовались полиэтилен, бумага и др. вещества.

Таким образом, предложенный способ термической переработки органических веществ решает задачу экономии энергии, улучшения экологии, повышения производительности и получения продукции высокого качества.

Формула изобретения

Способ термической переработки органических веществ в дисперсном состоянии путем уплотнения и нагрева их в защитной газовой среде, отличающийся тем, что термическую переработку осуществляют за счет нагрева до температуры разложения с одновременным и непрерывным уплотнением в процессе всего времени нагрева путем обжатия материала между нагретыми поверхностями, а защитную среду создают за счет газов, образующихся при разложении материалов с недостатком окислителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2