Способ получения сажи из резиновых отходов

Способ получения сажи из резиновых отходов

Реферат

Изобретение относится к технологии переработки органических отходов и может быть применено в химической промышленности для производства сажи из альтернативного сырья (резинотехнических отходов), а также в резиновой промышленности для получения компонентов резиновых смесей.

Известен способ утилизации отработанных шин и отходов резинотехнических изделий, при котором осуществляют термическую обработку сырья, которое помещают в экстрактор, заполненный нефтепродуктами при температуре 260-290°C, полностью растворяют резину, после чего полученную резинобитумную композицию сливают, а остаток сажи, минеральных компонентов и металлический корд промывают бензиновым растворителем, который затем отгоняют с водяным паром и после этого твердый остаток измельчают и извлекают из него металлический корд и сажу (см. патент РФ №2153415, опубл. БИ, 2000, №17).

Недостатком данного способа является высокий расход энергии, обусловленный как необходимостью нагрева экстрактора с отходами и нефтепродуктами до температуры 260-290°C, так и использованием водяного пара, на производство которого затрачивается энергия.

Существенными недостатками данного способа являются необходимость промывки остатка сажи и металлического корда бензиновым растворителем, который затем необходимо регенерировать, а также низкое качество получаемой сажи, которая содержит значительное (до 15 масс.%) количество золы в виде минеральных компонентов, что приводит к необходимости дополнительной очистки сажи от зольных компонентов с целью улучшения ее качественных показателей.

Известен способ получения сажи из полимерных композиций, включающий пиролиз твердого углеродсодержащего сырья - отходов полимерных композиций при 400-1500°C с образованием твердого углеродного остатка и выделением парогазовых продуктов, последующее измельчение углеродного остатка в потоке парогазовых продуктов при 350-500°C.

Пиролиз отходов осуществляют в парогазовой среде, в качестве которой используют парогазовую смесь, содержащую, об.%:

Перегретый пар	35-50
Двуокись углерода	5-10
Окись углерода	1-3
Кислород	0,1-2,0
Азот	Остальное

Парогазовые продукты подвергают термическому разложению при 1400-1500°C; (авт. свид. СССР №747868, опубл. БИ. 1980, №26).

К недостаткам данного способа следует отнести большой расход энергии, который обусловленный высокой температурой процесса пиролиза, достигающей 1500°C, выбросы вредных газообразных веществ в окружающую среду при термическом разложении парогазовых продуктов, а также низкое качество получаемой сажи из-за наличия посторонних примесей в виде золы.

Известен способ термической переработки изношенных шин и установка для его осуществления, обеспечивающий получение твердого углеродного остатка (сажи) с показателями: йодное число (мл/100 г) - 112; светопропускание толуольного экстракта (%) - 98; адсорбция дибутилфталата (мл/100 г) - 93, пригодной для повторного использования.

В данном способе осуществляют пиролиз изношенных шин в реакторе при температуре 550-800°C в среде восстановительного газа, полученного в генераторе восстановительных газов сжиганием газов, содержащих углеводороды, и осуществляют разделение продуктов пиролиза. По меньшей мере часть выходящих из реактора газообразных продуктов пиролиза с парами жидких углеводородов подают в генератор восстановительных газов и тепловой агрегат. По меньшей мере, часть выходящих из теплового агрегата дымовых газов подают в генератор восстановительных газов и реактор (см. патент РФ №2269415, опубл. БИ 2006, №5).

Недостатками данного способа являются высокий расход энергии на переработку, что обусловлено необходимостью получать восстановительный газ путем неполного сжигания углеводородов, высокие выбросы токсичных соединений в окружающую среду, а также сложное аппаратурное оформление процесса.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является принятый нами за прототип способ получения сажи из резиновых отходов (см. патент РФ №2276170, опубл. БИ 2006, №13)

Способ включает термическое разложение отходов в реакторе в парогазовой среде, разделение продуктов разложения на парогазовые продукты и твердый углеродный остаток, измельчение углеродного остатка.

Из парогазовых продуктов путем конденсации выделяют масло и подвергают его термическому разложению на сажу и газы при температуре 900-2000°C, а парогазовые продукты после выделения масла сжигают совместно с измельченным углеродным остатком и путем фильтрации из продуктов сгорания выделяют сажу.

Сжигание парогазовых продуктов после выделения масла совместно с измельченным углеродным остатком осуществляют при коэффициенте избытка воздуха 0,4-0,9.

Предварительно перед измельчением из углеродного остатка путем магнитной сепарации выделяют металл.

Газы термического разложения масла сжигают, и продукты сгорания используют в качестве теплоносителя для внешнего обогрева реактора.

Недостатками данного способа являются высокий удельный расход энергии на производство 1 кг сажи, поскольку значительное количество углеродного остатка сгорает без образования сажи при совместном сжигании с парогазовыми продуктами, а также большие выбросы вредных продуктов сгорания в окружающую среду, обусловленные значительным количеством сжигаемых веществ: газов термического разложения масла, парогазовых продуктов, части измельченного углеродного остатка.

Недостатком данного способа является также низкое качество получаемой сажи, поскольку из-за выгорания части измельченного углеродного остатка содержание углерода в образующейся саже снижается, а содержание золы увеличивается.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергетических затрат на получение сажи и снижение количества вредных выбросов в окружающую среду, а также повышение качества получаемой сажи из резиновых отходов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения сажи из резиновых отходов, включающем их термическое разложение в реакторе, разделение продуктов разложения на газообразные и углеродный остаток, выделение из газообразных продуктов масла и термическое разложение его, согласно изобретению предварительно перед выделением масла газообразные продукты подвергают термической обработке путем нагрева до 1200-1300°C, а масло распыляют до размеров капель 0,2-2,0 мм, после чего капли масла смешивают с измельченным до размеров частиц 0.1-1,0 мм углеродным остатком при весовом соотношении 1:(0,0-3,0), и полученную смесь подвергают термическом разложению на сажу и газы, отделяют сажу от газов путем механического разделения, после чего путем электромагнитной сепарации разделяют сажу и золу, а газы сжигают и полученную тепловую энергию используют для обеспечения термической обработки газообразных продуктов, а газообразные продукты после выделения масла сжигают и используют полученную тепловую энергию для обеспечения термического разложения смеси масла и углеродного остатка.

Газы термического разложения масла и углеродного остатка сжигают, а полученную тепловую энергию используют для обеспечения термической обработки газообразных продуктов.

Предварительная термическая обработка газообразных продуктов перед выделением масла позволяет осуществить термическое разложение соединений с высокой молекулярной массой (в основном смол и асфальтенов, молекулярная масса которых изменяется в пределах от 500 до 1500), что в итоге приводит к сужению интервала кипения получаемого из газообразных продуктов масла и снижению его коксуемости, т.е. обеспечиваются показатели масла, удовлетворяющие требования, которые предъявляются к высокосортному жидкому сырью для получения сажи.

Как известно (см. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. - М.: Химия, 1965, с.33-37), для получения однородной сажи используемое сырье должно представлять фракцию, выкипающую в возможно более узких пределах. Поэтому наилучшим сырьем следует считать такое, температура начала кипения которого равна 340°C, а конца кипения 400°C. Без существенного ухудшения технологических показателей температуру начала кипения сырья можно принимать не ниже 220°C. Такое сырье имеет молекулярную массу 200-300.

Содержание в сырье смолистых веществ и асфальтенов должно быть минимальным. Опыт работы сажевых производств показал, что коксуемость сырья для производства печных саж не должна превышать 1,5%.

Предварительная перед выделением масла термическая обработка газообразных продуктов позволяет обогатить данные продукты горючими газами, которые образуются при разложении высокомолекулярных соединений, что приводит к повышению удельной теплоты сгорания газообразных продуктов после выделения масла и позволяет сжигать их для обеспечения термического разложения масла и углеродного остатка.

Нагрев газообразных продуктов ниже 1200°C приводит к резкому снижению скорости термического разложения высокомолекулярных соединений, в результате чего необходима длительная выдержка газообразных продуктов при данной температуре для обеспечения полного разложения высокомолекулярных соединений, что в итоге приводит к резкому росту энергетических затрат на осуществление процесса получения сажи. Нагрев газообразных продуктов до температуры выше 1300°C приводит к резкому росту количества образующихся неконденсирующихся газов и, как следствие, к снижению количества масла, выделяемого из газообразных продуктов. При этом образующиеся неконденсирующиеся газы термического разложения газообразных продуктов необходимо сжигать для предотвращения их выброса в окружающую среду, что приводит к резкому росту продуктов сгорания, которые вбрасываются в окружающую среду и загрязняют воздух.

Термическое разложение масла совместно с углеродным остатком позволяет одновременно с получением сажи (образуется в результате термического разложения масла) осуществить прогрев и прокаливание углеродного остатка. В результате прогрева и прокаливания углеродного остатка из него удаляются остаточные летучие продукты (остаются после термического разложения резиновых отходов в количестве до 10-20 масс.%), выгорают сернистые соединения, разрушаются сростки частиц золы и углерода, происходит измельчение частиц углеродного остатка. Данные эффекты приводят к тому, что углеродный остаток обогащается углеродом и снижается содержание водорода, т.е. устанавливается требуемое по показателям качества сажи атомное отношение водорода к углероду (H:C). В противном случае (при более высоких значениях атомного отношения водорода к углероду) углеродный остаток будет представлять собой не сажу, а кокс.Известно (см. Сюняев З.И. Нефтяной углерод. - М.: Химия, 1980, с.21), что атомное отношение водорода к углероду в качественных сажах должно изменяться в пределах 0,02-0,07, а в коксах данное находится в пределах H:C=0,2-0,6.

Поскольку при изготовлении резины используется сажа, которая при термическом разложении резиновых отходов не изменяет своей структуры (остается сажей), то для получения сажи из углеродного остатка (регенерации ее) необходимо из данного остатка удалить все примеси (золу и летучие соединения). Однако в процессе термического разложения резины частицы золы образуют сростки с частицами сажи, т.е. происходит соединение частиц углерода с частицами золы. Таким образом, для обогащения углеродного остатка (удаления золы) данные сростки необходимо разрушить, после чего специальными методами (электромагнитная сепарация, механическое разделение, флотация) возможно разделение частиц углерода и частиц золы, т.е. выделение сажи из углеродного остатка.

При прокаливании углеродного остатка в результате возникающих термических напряжений в сростках (из-за разных объемных расширений частиц сажи и частиц золы) частицы сажи отделяются от частиц золы, что обеспечивает возможность на последующих этапах произвести выделение сажи из углеродного остатка.

При образовании сажи из масла, часть последнего сгорает, а из оставшейся части образуется сажа в виде частиц, которые нагреты до высокой температуры. Таким образом, при термическом разложении масла совместно с углеродным остатком теплота, выделяющаяся при сгорании части масла расходуется не только на образование сажи, но и на нагрев частиц углеродного остатка. При этом нагретые (раскаленные) до высокой температуры (1100°C и более) образовавшиеся из масла частицы сажи контактируют (соприкасаются) с частицами углеродного остатка, что приводит к быстрому разогреву последних, в результате чего из остатка удаляются остаточные летучие продукты и возникают термические напряжения в частицах углеродного остатка. Остаточные летучие продукты, которые удаляются из углеродного остатка, подвергаются интенсивному нагреву (при отсутствии кислорода) в результате теплообмена с нагретыми частицами сажи и продуктами сгорания масла, что приводит к термическому разложению летучих продуктов с образованием газов и сажи. Таким образом, выход сажи при совместном термическом разложении масла с углеродным остатком увеличивается за счет дополнительного образования сажи из остаточных летучих продуктов.

Предварительное перед термическим разложением распыление масла и смешивание с измельченным углеродным остатком позволяет предотвратить выгорание сажи из углеродного остатка (сажи, которая была использована при изготовлении резины и находится в углеродном остатке), что повышает выход сажи из резиновых отходов и, в конечном счете, обеспечивает снижение энергоемкости всего процесса получения сажи из отходов.

Эффект предотвращения выгорания сажи из углеродного остатка достигается за счет того, что частицы углеродного остатка при смешивании с каплями масла осаждаются на последних (капли масла захватывают частицы углеродного остатка). При термическом разложении такой смеси на сажу и газы путем ее неполного сжигания в первую очередь сгорают пары масла, которые образуются при нагреве капель масла, а сгорания частиц углеродного остатка, т.е. сажи практически не происходит.

Распыление масла до капель размером менее 0,2 мм связано ростом энергетических затрат на процесс распыления, а также приводит к резкому росту удельной поверхности такой дисперсной системы (аэрозоля), в результате чего такие капли при термическом разложении будут быстро испаряться (при подаче таких частиц в нагретую до высокой температуры газовую среду происходит их быстрое испарение), в результате чего частицы углеродного остатка, которые находились на поверхности капель масла будут интенсивно сгорать (будет происходить выгорание сажи), что приведет к снижению выхода сажи и, как следствие, к росту энергоемкости процесса получения сажи из резиновых отходов.

Распыление масла до частиц более 2 мм и подача такой смеси (капли масла и частицы углеродного остатка) в реактор для получения сажи приведет к осаждению капель на стенки реактора для получения сажи и коксованию их, в результате чего процесс получения сажи будет нарушен.

Для приготовления смеси капли масла и частицы углеродного остатка, в которой частицы углеродного остатка находятся на поверхности капель масла, или же внутри их необходимо использовать измельченный до определенных размеров углеродный остаток. При этом измельчение углеродного остатка до размеров менее 0,1 мм связано со значительным ростом энергетических затрат на процесс измельчения, а также с тем, что частицы размером менее 0,1 мм интенсивно агрегируют (создают агрегаты), которые необходимо разрушать перед смешиванием углеродного остатка с распыленным маслом.

Использование углеродного остатка с размером частиц более 1,0 мм не позволит создать смесь, в которой частицы остатка находятся на поверхности капель масла, либо внутри данных капель. В этом случае будет происходить интенсивное выгорание сажи из частиц углеродного остатка, так как испарение масла приводит к уменьшению капель, в результате чего частицы углеродного остатка начинаю выгорать, т.е. сгорает сажа.

Смешивание капель масла с частицами углеродного остатка при весовом соотношении менее 0,05 кг остатка на 1 кг масла (менее 1:0,05) и термическое разложение такой смеси не приводит к увеличению выхода сажи, а также не обеспечивает создание равномерной смеси. Из-за малого количества углеродный остаток распределяется неравномерно по объему смеси, что приводит к нарушению процесса получения сажи.

Смешивание капель масла с частицами углеродного остатка при весовом соотношении более 3 кг остатка на 1 кг масла приведет к тому, что углеродный остаток будет интенсивно поглощать масло (масло будет впитываться в частицы углерода), в результате чего не будет образовано масляной пленки, покрывающей частицы остатка, и углерод будет выгорать, а выход сажи резко уменьшится.

Газообразные продукты после выделения масла содержат горючие газы, которые необходимо утилизировать для предотвращения выброса их в окружающую среду и, поэтому данные газы целесообразно сжигать в горелках печи для получения сажи, в результате чего необходимость в использовании дополнительного топлива.

Газы термического разложения масла и углеродного остатка содержат горючие составляющие, поэтому их целесообразно сжигать для получения энергии, которая необходима для термической обработки газообразных продуктов разложения отходов, в результате чего снижается энергоемкость процесса получения сажи и предотвращаются выбросы вредных соединений (газы содержат оксид углерода, бензапирен и др.) в окружающую среду.

На чертеже приведена схема установки, на которой реализуют способ получения сажи из резиновых отходов.

Устройство содержит бункер 1 с отходами, дозатор 2, подключенный к бункеру 1, приемный бункер 3, установленный на реакторе 4, весы 5, двигатель 6, подключенный к шнеку 7, выход 8, подключенный к реактору 4, емкость с топливом 9, горелку 10, вентилятор 11, теплообменник 12 подключенный к рубашке 13, дымовую трубу 14, газодувку 15, датчики температуры 16 и 17, выход 18, подключенный к реактору 4, кран - распределитель 19, датчик давления 20, конденсатор 21, кран 22, подключенный к емкости 23,горелки 24 и 25, установленные в печи для получения сажи 26, вентилятор 27 с краном 28, лопастной дозатор 29, подключенный к охлаждающему барабану 30, двигатель 31, подключенный к шнеку 32, выход 33, подключенный к охлаждающему барабану 30 и магнитному сепаратору 34, накопители 35 и 36, подключенные к магнитному сепаратору 34, мельницу с набором сит 37, накопитель 38, насос 39, подключенный к емкости 23, расходомер 40, форсунку 41, камеру смешения 42, воздуходувку 43, двойной инжектор 44, весовой дозатор 45, камеру сгорания 46, холодильник 47, емкость 48, насос 49, форсунку 50, циклон 51, магнитный сепаратор 52, накопитель 53, гранулятор 54, сушилку 55, накопитель56.

Согласно изобретению, получение сажи из резиновых отходов осуществляют следующим образом.

Из бункера 1 через дозатор 2 в приемный бункер 3 реактора 4 через весы 5 с заданным весовым расходом подают измельченные резиновые отходы. Одновременно с помощью двигателя 6 приводят во вращение шнек 7, который забирает отходы из приемного бункера 3 и перемещает их по реактору 4 к выходу из него 8. Из емкости с топливом 9 в горелку 10 подают жидкое топливо и сжигают его, а образующиеся продукты сгорания с помощью вентилятора 11 прокачивают через кожухотрубный теплообменник 12, рубашку 13 реактора 4 и выбрасывают в дымовую трубу 14. Одновременно с помощью газодувки 15 через трубы теплообменника 12 прокачивают газовую среду (в начале процесса основной составляющей данной среды является воздух) и подают ее в реактор 4 навстречу перемещаемым шнеком 7 резиновым отходам.

Проходя через трубы теплообменника 12, газовая среда нагревается, и температуры нагрева ее контролируют по показаниям датчика температуры 16. Нагретая газовая среда, протекая через реактор 4, отдает тепло резиновым отходам, которые нагреваются до заданной температуры, что контролируют по показаниям датчика температуры 17. Пройдя через реактор 4, газовая среда через выход 18 реактора 4 поступает в кран-распределитель 19, с помощью которого газовую среду направляют в трубы теплообменника 12.

Таким образом, газовую среду прокачивают по контуру теплообменник 12 реактор 4 до тех пор, пока не начнется выделение газов пиролиза из резиновых отходов.

Необходимое для нагрева и пиролиза резиновых отходов тепло передается им как от нагретых стенок реактора, так и в результате теплообмена с прокачиваемой через реактор 4 газовой средой. При этом стенки реактора нагреваются в результате прокачки через рубашку 13 продуктов сгорания топлива в горелке 10.

Перемещаясь под действием шнека 7 по реактору 4 отходы нагреваются и при достижение определенной температуры (зависит от вида резиновых отходов) начинается их термическое разложение (пиролиз) с выделением газообразных продуктов и образованием углеродного остатка.

В результате выделения газообразных продуктов, которые поступают в циркулирующую по контуру теплообменник 12 - реактора 4 газовую среду, давление в реакторе поднимается, что контролируют по показаниям датчика давления 20. При достижение определенного избыточного давления, например 1 атм, с помощью крана-распределителя 19 часть газообразных продуктов в смеси с газовой средой выводят в конденсатор 21 и охлаждают путем теплообмена с прокачиваемой через конденсатор водой, в результате чего в конденсаторе 21 выделяют масло.

Количество отводимых газообразных продуктов из теплообменника 12 в конденсатор 21 и возвращаемых в реактор 4 регулируют с помощью крана-распределится 19 таким образом, чтобы давление в реакторе 4 не снижалось ниже атмосферного (в этом случае возможен подсос в реактор воздуха из окружающей среды и возгорание, что приведет к остановке процесса), а также не превышало 1 атм, поскольку при более высоких давлениях необходимо использовать реактор с более прочными стенками, что в результате приведет к росту металлоемкости всей установки.

Газообразные продукты, проходя через трубы теплообменника нагреваются до температуры 1200-1300°C, в результате чего происходит термическое разложение высокомолекулярных соединений и молекулярная масса данных продуктов снижается. Далее, проходя через реактор 4, газообразные продукты отдают тепло резиновым отходам и охлаждаются. Таким образом предотвращается вывод нагретых до высокой температуры газообразных продуктов в конденсатор 21, полезно используется тепло газообразных продуктов (на нагрев и пиролиз отходов) и снижается расход охлаждающей воды, прокачиваемой через конденсатор 21. Все это приводит к снижению энергетических затрат на процесс получения сажи из отходов.

Выделенное из газообразных продуктов масло из конденсатора 21 через кран 22 сливают в емкость 23, после чего газообразные продукты подают в горелки 24 и 25 печи для получения сажи 26 и сжигают. Для этого с помощью вентилятора 27 и крана 28 регулируют подачу воздуха в горелки 24 и 25, чтобы обеспечить полное сжигание газообразных продуктов.

Образующийся углеродный остаток непрерывно выводят из реактора 4 через выход 8 и подают в лопастной дозатор 29, который выгружает остаток в охлаждающий барабан 30. Одновременно с подачей углеродного остатка в охлаждающий барабан 30 с помощью двигателя 31 приводят во вращение шнек 32 и перемещают углеродный остаток по барабану к его выходу 33. При этом через рубашку барабана прокачивают охлаждающую воду. Перемещаясь по барабану 30, углеродистый остаток охлаждается в результате теплообмена с холодными стенками барабана и одновременно под действием шнека 32 измельчается, в результате чего металлический корд отдаляется от углеродного остатка, что необходимо для последующего выделения металлического корда из углеродного остатка.

Из охлаждающего барабана через выход 33 непрерывно углеродный остаток и металлический корд подают в магнитный сепаратор 34, где отделяют металл от углеродного остатка и направляют металл в накопитель 35, а углеродный остаток подают в накопитель 36. Из накопителя 36 углеродный остаток подают в мельницу с набором сит 37, измельчают остаток и с помощью сит выделяют фракцию с частицами диаметром 0,1-1,0 мм, которую подают в накопитель 38, а остаточную крупную фракцию возвращают в мельницу 37 для дополнительного измельчения.

Из емкости с маслом 23 с помощью насоса 39 с заданным расходом (контролируют по показаниям расходомера 40) в форсунку 41 подают масло и распыляют его в камере смешения 42 печи для получения сажи 26 до размеров капель 0,2-2,0 мм. Одновременно из накопителя 38 с помощью воздуходувки 43 через двойной инжектор 44 с заданным весовым расходом (контролируют по показаниям весового дозатора 45) в поток распыленного масла в камере смешения 42 печи для получения сажи 26 инжектируют частицы углеродного остатка.

Из камеры смешения 42 образовавшаяся смесь масла и частиц углеродного остатка поступает в вихревой факел пламени, который образуется при сжигании газообразных продуктов в горелках 24 и 25, установленных тангенциально в камере сгорания 46.

Поток продуктов сгорания и сажи, которая образовалась в результате термического разложения масла и выделилась из углеродного остатка, из печи 26 выводят в холодильник 47, куда из емкости 48 с помощью насоса 49 через форсунку 50 распыляют воду, в результате чего температура продуктов сгорания и сажи снижается. Охлажденную смесь из холодильника 47 подают в циклон 51, в котором из газового потока выделяют частицы сажи и золы и подают их в магнитный сепаратор 52, в котором разделяют сажу и магнитные примеси (золу).

Золу из магнитного сепаратора 52 подают в накопитель 53, а сажу подают в гранулятор 54 и гранулируют, после чего гранулы подают в сушилку 55, сушат и выгружают в накопитель 56.

Очищенные в циклоне 51 от сажи и золы газы содержат горючие составляющие и поэтому газы подают в горелку 10 и сжигают, а тепло используют для термической обработки газообразных продуктов, что приводит к снижению энергоемкости процесса и позволяет предотвратить выброс вредных соединений (сгорают в горелке 10) в атмосферу.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами

Пример 1

Из бункера 1 через дозатор 2 в приемный бункер 3 реактора 4 через весы 5 с весовым расходом 500 кг/ч непрерывно подают измельченные резиновые отходы. Одновременно с помощью двигателя 6 приводят во вращение шнек 7, который забирает отходы из приемного бункера 3 и перемещает их по реактору 4 к выходу из него 8. Из емкости с топливом 9 в горелку 10 подают жидкое топливо с расходом 35 кг/ч и сжигают его, а образующиеся продукты сгорания в количестве 420 кг/ч с помощью вентилятора 11 прокачивают через кожухотрубный теплообменник 12, рубашку 13 реактора 4 и выбрасывают в дымовую трубу 14. Одновременно с помощью газодувки 15 через трубы теплообменника 12 прокачивают газовую среду (в начале процесса основной составляющей данной среды является воздух) и подают ее в реактор 4 навстречу перемещаемым шнеком 7 резиновым отходам.

Проходя через трубы теплообменника 12, газовая среда нагревается до температуры 1200°C, что контролируют по показаниям датчика температуры 16. Нагретая газовая среда, протекая через реактор 4, отдает тепло резиновым отходам, которые нагреваются, что контролируют по показаниям датчика температуры 17. При этом температура нагрева отходов изменяется по длине реактора. На входе в реактор отходы имеют температуру близкую к температуре окружающей среды, а на выходе из реактора температура отходов возрастает (контролируют по показаниям датчика температуры). Поэтому при заданном расходе отходов с помощью газодувки изменяют расход газовой среды, прокачиваемой через реактор таким образом (уменьшают или увеличивают расход), чтобы на выходе из реактора температура отходов не превышала 400°C. В нашем случае при данной температуре (зависит от вида отходов) основное количество газообразных продуктов выделяется из отходов.

Пройдя через реактор 4, газовая среда через выход 18 реактора 4 поступает в кран-распределитель 19, с помощью которого газовую среду направляют в трубы теплообменника 12.

Таким образом, газовую среду прокачивают по контуру теплообменник 12 реактор 4 до тех пор, пока не начнется выделение газов пиролиза из резиновых отходов.

Необходимое для нагрева и пиролиза резиновых отходов тепло передается им как от нагретых стенок реактора, так и в результате теплообмена с прокачиваемой через реактор 4 газовой средой. При этом стенки реактора нагреваются в результате прокачки через рубашку 13 продуктов сгорания топлива в горелке 10.

Необходимое количество тепла для термического разложения 500 кг изношенных шин определяется следующим образом:

Qобщ=Qнагр+Qразл+Qпотерь,

Qобщ=1,2{(Ср отходовМотх.(T2-T1)+qMотх)}.

Qобщ.=1,2{(1,4 кДж/кг °C 500 кг (400°C-20°C)+

+600 кДж/кг 500 кг)}=679200 кДж,

где Qобщ - общее количество тепла, необходимого для термического разложения отходов: Qнагр - тепло нагрева отходов до температуры 400°C;

Qразл - тепло, затрачиваемое на разложение отходов; Qпотерь - тепловые потери, составляющие 20% от общего количества тепла; q - удельное тепло разложения, составляющее для резиновых отходов 600 кДж/кг; Мотх=500 кг - масса отходов; T1=20°C и T2=400°C - начальная и конечная температура отходов; Ср отходов - удельная теплоемкость отходов, равная 1,4 кДж/кг °C.

При сжигании 35 кг/ч топлива в горелке 8 выделяется количество теплоты равное 35 кг/ч, 40000 кДж/кг=1400000 кДж/ч. Пусть коэффициент полезного действия теплообменника 12 в данном случае составляет 40%, т.е. газовой среде, которая протекает через трубы теплообменника 12, передается следующее количество тепла 1400000 кДж/ч. 0,4=560000 кДж/ч.

Часть тепла, которое выделяется в результате сжигания топлива в горелке 10 с потоком дымовых газов, которые проходят через рубашку 13 реактора 4 передается стенкам реактора и далее от стенок реактора передается резиновым отходам. Пусть в нашем случае стенкам реактора передается 16,51% тепла, т.е. 1400000 кДж/ч. 0,1651=231200 кДж/ч. Таким образом отходы нагреваются как в результате прямой передачи тепла при течении нагретой газовой среды через реактор 4, так и путем теплообмена от нагретых стенок реактора 4. Пусть в нашем случае от газовой среды отходам передается 80% тепла, т.е. 560000 кДж/ч. 0,8=448000 кДж/ч. Суммарное количество тепла, которое передается резиновым отходам составит величину 448000 кДж/ч+231 200 кДж/ч=679200 кДж/ч. Таким образом, в течение 1 ч отходам предается необходимое для их нагрева и термического разложения (пиролиза) количество тепла.

Перемещаясь под действием шнека 7, по реактору 4 отходы нагреваются и при достижении определенной температуры (зависит от вида резиновых отходов) начинается их термическое разложение (пиролиз) с выделением газообразных продуктов и образованием углеродного остатка.

Пусть в нашем случае при термическом разложении резиновых отходов выделяется 40 масс.% газообразных продуктов и образуется 60 масс.% углеродного остатка, в котором содержится 10 масс.% металлического корда, 10 масс.% золы и 10 масс.% летучих углеводородов. Таким образом, в нашем случае при разложении отходов образуется 500 кг.0,4=200 кг газообразных продуктов и 300 кг углеродного остатка, в котором содержится 30 кг металлического корда и 30 кг золы и 30 кг летучих углеводородов.

В результате выделения газообразных продуктов, которые поступают в циркулирующую по контуру теплообменник 12 - реактор 4, газовую среду, давление в реакторе поднимается, что контролируют по показаниям датчика давления 20.

Газообразные продукты, проходя через трубы теплообменника нагреваются до температуры 1200°C, в результате чего происходит термическое разложение высокомолекулярных соединений и молекулярная масса данных продуктов снижается. Далее, проходя через реактор 4, газообразные продукты отдают тепло резиновым отходам и охлаждаются. Таким образом, предотвращается вывод нагретых до высокой температуры газообразных продуктов в конденсатор 21, полезно используется тепло газообразных продуктов (на нагрев и пиролиз отходов) и снижается расход охлаждающей воды, прокачиваемой через конденсатор 21. Все это приводит к снижению энергетических затрат на процесс получения сажи из отходов.

При достижении определенного избыточного давления, например 1 атм. с помощью крана - распределителя 19 газообразные продукты с расходом 200 кг/ч непрерывно выводят в конденсатор 21 и охлаждают путем теплообмена с прокачиваемой через конденсатор водой, в результате чего в конденсаторе 21 выделяют масло.

В нашем случае из газообразных продуктов выделяется 160 кг/ч масла. Выделенное из газообразных продуктов масло из конденсатора 21 через кран 22 с расходом 160 кг/ч сливают в емкость 23, после чего газообразные продукты подают в горелки 24 и 25 печи для получения сажи 26 с расходом 40 кг/ч и сжигают. Для этого с помощью вентилятора 27 и крана 28 в горелки 24 и 25 подают воздух с расходом 400 кг/ч, что обеспечивает полное сжигание газообразных продуктов, в результате чего образуется 440 кг/ч продуктов сгорания.

Образующийся углеродный остаток с расходом 300 кг/ч непрерывно выводят из реактора 4 через выход 8 и подают в лопастной дозатор 29, который выгружает остаток в охлаждающий барабан 30. Одновременно с подачей углеродного остатка в охлаждающий барабан 30 с помощью двигателя 31 приводят во вращение шнек 32 и перемещают углеродный остаток по барабану к его выходу 33. При этом через рубашку барабана прокачивают охлаждающую воду. Перемещаясь по барабану 30, углеродистый остаток охлаждается в результате теплообмена с холодными стенками барабана и одновременно под действием шнека 32 измельчается, в результате чего металлический корд отдаляется от углеродного остатка, что необходимо для последующего выделения металлического корда из углеродного остатка.

Из охлаждающего барабана через выход 33 непрерывно с расходом 300 кг/ч углеродный остаток и металлический корд подают в магнитный сепаратор 34, где отделяют металл в количестве 30 кг/ч от углеродного остатка и направляют металл в накопитель 35, а углеродный остаток с расходом 270 кг/ч подают в накопитель 36. Из накопителя 36 углеродный остаток подают в мельницу с набором сит 37, измельчают остаток и с помощью сит выделяют фракцию с частицами диаметром 0,1 мм, которую подают в накопитель 38, а остаточную крупную фракцию возвращают в мельницу 37 для дополнительного измельчения.

Из емкости с маслом 23 с помощью насоса 39 с расходом 160 кг/ч (контролируют по показаниям расходомера 40) в форсунку 41 подают масло и распыляют его в камере смешения 42 печи для получения сажи 26 до размеров капель 0,2 мм. Одновременно из накопителя 38 с помощью воздуходувки 43 через двойной инжектор 44 с заданным весовым расходом 8 кг/ч (контролируют по показаниям весового дозатора 45) в поток распыленного масла в камере смешения 42 печи для получения сажи 26 инжектируют частицы углеродного остатка (размер частиц 0,1 мм). Таким образом устанавливают весовое соотношение масла и углеродного остатка равное 160 кг:8 кг = 1:0,05.

Из камеры смешения 42 образовавшаяся смесь масла и частиц углеродного остатка с расходом 168 кг/ч поступает в вихревой факел пламени, который образуется при сжигании газообразных продуктов в горелках 24 и 25, установленных тангенциально в камере сгорания 46.

В нашем случае часть масла сгорает (20% от массы масла, т.е. 160 кг/ч. 0,2=32 кг/ч), часть масла термически разлагается с образованием сажи (40% от массы масла, т.е. 160 кг/ч. 0,4=64 кг/ч), а часть масла термически разлагается с образованием горючих газов (40% от массы масла, т.е. 160 кг/ч. 0.4=64 кг/ч). Удельная теплота сгорания данных газов составляет 20 МДж/кг.

Углеродный остаток в вихревом факеле пламени нагревается и частично сгорает (10% от массы остатка, т.е. 8 кг/ч. 0,1=0,8 кг/ч). В результате нагрева до высокой температуры (более 1000°С) из углеродного остатка удаляются летучие в количестве 10% от массы, т.е. 0,8 кг/ч, которые подвергаются термическому разложению с образованием сажи и газов. Пусть в нашем случае из летучих образуется 15 масс.% сажи (0,12 кг/ч) и 85 масс.% газов (0,68 кг/ч).

Таким образом, из углеродного остатка выделяется 0,8 кг/ч летучих продуктов, 0,8 кг/ч углеродного остатка сгорает, разрушаются сростки и отделяется зола в количестве 10 масс.% (т.е. 0,8 кг/ч) и выделяется сажа, которая была использована при производстве резины, т.е. из углеродного остатка выделяется сажа в количес