close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY13676

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2010.10.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 13676
(13) C1
(19)
C 08J 11/00
B 29B 17/00
F 23G 5/027
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
(21) Номер заявки: a 20080312
(22) 2008.03.18
(43) 2009.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Нацинальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Журавский Геннадий Иванович (BY); Жданок Виталий Александрович (BY); Баккалон, Жан (FR);
Кури Гассан (FR); Калацкий Николай Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) BY 5430 C1, 2003.
RU 2076501 C1, 1997.
BY a 20050197, 2006.
BY 9767 C1, 2007.
BY 1012 C1, 1995.
EA 004393 B1, 2004.
WO 2004/031324 A1.
DE 19503963 C1, 1996.
RU 2213766 C1, 2003.
RU 2183794 C2, 2002.
BY 13676 C1 2010.10.30
(57)
Способ переработки отходов композиционных материалов с полимерной матрицей,
включающий подачу в реактор отходов, нагрев и термическое разложение отходов в среде
теплоносителя, вывод из реактора твердых и газообразных продуктов разложения и сжигание газообразных продуктов, отличающийся тем, что нагрев отходов осуществляют до
BY 13676 C1 2010.10.30
температуры 280-1100 °С путем подвода тепла радиацией от излучающего корпуса реактора и путем фильтрации теплоносителя через слой отходов в течение времени 70-120 мин
с расходом 0,1-1,0 кг теплоносителя на 1 кг отходов, в качестве которого используют перегретый до температуры 500-1100 °С водяной пар при давлении в реакторе в пределах
0,03-0,60 МПа, продукты сгорания газообразных продуктов используют для нагрева корпуса реактора до температуры 600-1100 °С и создания радиационного потока тепла от
корпуса к отходам, после чего продукты сгорания применяют в качестве теплоносителя
для получения водяного пара.
Изобретение относится к технологии переработки промышленных и бытовых отходов
композиционных материалов с полимерной матрицей и может быть использовано в машиностроении, самолетостроении, электротехнической и химической промышленности
для переработки отходов и получения наполнителей, используемых при производстве
композиционных материалов.
Известно устройство и способ для переработки композиционного материала при пиролитических условиях, согласно которому переработку материала (при пиролитических
условиях) осуществляют в три стадии: стадии нагрева (материала), стадии взаимодействия, на которой материал может становиться, по меньшей мере, частично пластичным, и
третьей стадии, на которой образуется один или несколько продуктов переработки (которые образуются из (материала) в корпусе реактора при принудительной транспортировке
материала (и продуктов в корпусе) посредством сдвоенного экструзионного шнека с поочередно расположенными лопастями соседних шнеков, имеющих противоположные
направления вращения. Продукты переработки материала перемешиваются во время
транспортировки. Время транспортировки материала (и перерабатываемых продуктов) в
корпусе реактора находится в пределах между 10 и 60 мин. При этом материал (и перерабатываемые продукты) перерабатываются при давлении твердой /жидкой/ газовой фазе от
0,5 до 5 бар и нагреваются до максимальной температуры от 300 до 1000 °С, предпочтительно до температуры от 400 до 700 °С, более предпочтительно до температуры приблизительно 600 °С [1].
К недостаткам данного способа следует отнести:
1. Высокий расход энергии на перемешивание и принудительную транспортировку
материала в корпусе реактора с помощью шнека, так как за счет трения пластифицированного материала о поверхность корпуса реактора создается большое сопротивление перемешиванию и транспортировке.
2. Высокую взрывоопасность из-за наличия в корпусе реактора легковоспламеняющихся газообразных продуктов переработки материала и высокой температуры, что может привести к взрыву и выбросу в окружающую среду токсичных продуктов.
3. Измельчение твердых продуктов переработки, вызванное перемешиванием и механическим воздействием сдвоенного экструзионного шнека, что снижает качество получаемых твердых продуктов как наполнителя и не позволяет использовать их для
производства новых композиционных материалов без дополнительной переработки (сортировки, прессования и др.).
Известен способ получения синтез - газа из отходов пластмасс, который включает
спутную подачу дисперсного сырья, плазмы и водяного пара, их смешение, последующую
плазмотермическую газификацию сырья и отвод образующихся продуктов. При этом
двухфазный поток дисперсного сырья и водяной плазмы направляют на ванну расплава,
образуемую за счет плавления непрореагировавшей части дисперсного сырья. Полученные продукты газификации отводят в противотоке к исходной двухфазной струе и перемешивают [2].
Недостатками данного способа являются:
2
BY 13676 C1 2010.10.30
1. Высокий удельный расход энергии на процесс переработки, обусловленный использованием плазмы для газификации отходов.
2. Расплавление твердых продуктов и необходимость дополнительной обработки расплава для получения товарных или сырьевых продуктов. 3. Высокая степень взрывоопасности образующихся газообразных продуктов, представляющих собой смесь водорода и
оксида углерода при высокой температуре процесса газификации.
Известен способ плазмотермической переработки твердых отходов, который включает
непрерывную подачу воздуха, подачу отходов, их газификацию и плавление золы плазменной струей, удаление расплава, сжигание, охлаждение и очистку дымовых газов. Газификацию отходов с образованием коксового остатка и выделением газообразных продуктов
разложения, сжигание коксового остатка и плавление золы осуществляют непрерывно и одновременно в разных зонах. Подачу отходов осуществляют периодически в виде упаковок,
причем период времени между загрузками отходов составляет 2-5 мин [3].
К недостаткам способа относятся:
1. Высокий удельный расход энергии на процесс переработки отходов, обусловленный
использованием высокотемпературной (плазменной) переработки, плавлением золы.
2. Выбросы вредных веществ в окружающую среду при сжигании коксового остатка
переработки отходов.
3. Образование вторичных отходов (золы) в результате сжигания коксового остатка.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является принятый нами за прототип
способ переработки радиоэлектронного лома [4].
Способ включает подачу в реактор лома и паровоздушного теплоносителя, термическое
разложение лома, вывод из реактора твердых и газообразных продуктов разложения, их
охлаждение, конденсацию газообразных продуктов, рециркуляцию водяного пара в реактор
и сжигание неконденсирующихся газов. Твердые продукты разложения охлаждают до температуры Т = 100-150 °С путем фильтрации паровоздушного теплоносителя, а газообразные
продукты разложения предварительно охлаждают до Т = 200-380 °С путем теплообмена с
теплоносителем, в качестве одного из компонентов которого используют парогазовую
смесь, образованную в результате фильтрации, а затем охлаждают до Т = 100-105 °С потоком воздуха с последующей конденсацией, при этом в том случае, если процентное содержание неконденсирующихся газов, полученных в результате разложения, не превышает
заданную величину, парогазовую смесь, полученную в результате конденсации после охлаждения до Т = 100-105 °С, используют при теплообмене в качестве другого компонента паровоздушного теплоносителя, который затем рециркулируют в реактор и количество
циклов рециркуляции паровоздушного теплоносителя устанавливают в пределах 1-4.
Недостатками данного способа являются:
1. Высокий удельный расход энергии на процесс переработки отходов, обусловленный
тепловыми потерями при конденсации парогазовой смеси (теплота конденсации отводится в окружающую среду), а также при нагреве теплоносителя за счет теплообмена с парогазовой смесью.
2. Высокая взрывоопасность парогазовой смеси, в которой при рециркуляции накапливаются горючие газообразные продукты разложения, что приводит к необходимости
постоянного контроля содержания горючих продуктов в парогазовой смеси и использования сложной системы регулирования процесса термического разложения отходов.
3. Повышенные выбросы вредных веществ в окружающую среду, обусловленные высоким расходом водяного пара для создания паровоздушного теплоносителя, при получении которого необходимо сжигать большое количество топлива, что является следствием
высоких энергетических затрат на проведение процесса переработки отходов.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергетических затрат на
переработку отходов композиционных материалов, снижение вредных выбросов в окружающую среду и повышение качества продуктов переработки отходов.
3
BY 13676 C1 2010.10.30
Поставленная задача решается тем, что в способе переработки отходов композиционных материалов с полимерной матрицей, включающем подачу в реактор отходов, нагрев и
термическое разложение отходов в среде теплоносителя, вывод из реактора твердых и газообразных продуктов разложения и сжигание газообразных продуктов, согласно изобретению, нагрев отходов осуществляют до температуры 280-1100 °С путем подвода тепла
радиацией от излучающего корпуса реактора и путем фильтрации теплоносителя через
слой отходов в течение времени 70-120 мин с расходом 0,1-1,0 кг теплоносителя на 1 кг
отходов, в качестве которого используют перегретый до температуры 500-1100 °С водяной пар при давлении в реакторе в пределах 0,03-0,60 МПа, продукты сгорания газообразных продуктов используют для нагрева корпуса реактора до температуры 600-1100 °С и
создания радиационного потока тепла от корпуса к отходам, после чего продукты сгорания применяют в качестве теплоносителя для получения водяного пара.
Отходы композиционных материалов с полимерной матрицей представляют собой
композиции (составленные) из термореактивных или термопластичных связующих и
наполнителей в виде углеродных нитей, жгутов, лент, тканей, стеклянных волокон и др.
Для выделения наполнителя, который может быть использован повторно при изготовлении композиционного материала, необходимо удалить связующее (матрицу) и при этом
сохранить качество самого наполнителя.
В предлагаемом изобретении для удаления связующего используют термическое разложение полимерного материала, в результате чего образуются газообразные продукты,
которые удаляются из материала с потоком теплоносителя. Термическое разложение полимера протекает при его нагреве до определенной температуры в среде, не содержащей
кислорода, в противном случае (при наличии кислорода) будет происходить горение и
нагрев всего материала до высокой температуры, что приведет к сгоранию или разрушению наполнителя. При нагреве материала до температуры ниже 280 °С процесс термического разложения полимерных связующих, используемых при производстве
композиционных материалов (эпоксидные, фенольные, полиэфирные и др. синтетические
смолы, а также полиамиды, поликарбонаты, полисульфиды) практически не протекает или
протекает с весьма низкой скоростью. Поэтому при нагреве материала до температуры
ниже 280 °С необходимо большое время для полного разложения связующего, что связано
с большими энергетическими затратами (т.к. материал необходимо длительное время выдерживать при высокой температуре). Нагрев материала до температуры 280 °С и выше
приводит к интенсификации процесса термического разложения связующего и, как следствие, снижаются энергетические затраты на процесс переработки отходов. В то же время
нагрев материала до температуры выше 1100 °С приведет к разрушению наполнителя
(плавлению стекловолокна, газификации углеродного волокна) и резкому возрастанию тепловых потерь, что связно с резким ростом энергетических затрат на процесс переработки
отходов.
На процесс термического разложения полимерного связующего расходуется энергия,
которую подводят излучением (тепловое излучение от нагретого корпуса реактора) и путем фильтрации перегретого водяного пара через слой отходов. Передача тепла излучением происходит с большей эффективностью, чем теплопроводностью, или конвекцией.
Однако излучением тепло передается только к поверхности материала, которая доступна
для лучистого потока, а в глубину материала тепло от поверхности передается теплопроводностью, которая лимитирует (ограничивает) скорость передачи тепла от излучающей
поверхности реактора к отходам. Для интенсификации передачи тепла, согласно данному
изобретению, используют конвективный перенос, т.е. фильтрацию перегретого водяного
пара через слой отходов. Таким образом, предотвращается перегрев поверхности и достигается равномерный нагрев всего объема отходов, что необходимо для равномерного удаления связующего из всей массы отходов. При фильтрации пара с температурой ниже
500 °С резко снижается эффективность теплообмена между отходами и паром, что приво4
BY 13676 C1 2010.10.30
дит к необходимости (для передачи заданного количества тепла) увеличивать расход пара,
т.е. повышаются энергетические затраты на процесс переработки. Фильтрация пара через
слой отходов с температурой выше 800 °С приводит к снижению теплообмена из-за низкой плотности пара при данной температуре, в результате чего необходимо также увеличивать расход пара. На теплообмен между паром и отходами существенное влияние
оказывает давление пара. С ростом давления интенсивность передачи тепла увеличивается, а при снижении давления интенсивность передачи тепла падает. Снижение давления
пара в реакторе ниже 0,03 МПа приводит к резкому уменьшению количества тепла, передаваемого от пара к отходам, и как следствие падению плотности пара при снижении давления. Повышение давления более 0,6 МПа приводит к необходимости использовать
оборудование (реактор), которое должно работать при высоком давлении и высокой температуре, что требует применения специальных жаростойких и высокопрочных сталей,
способных выдерживать агрессивную среду (воздействие газообразных продуктов разложения отходов). Очевидно, что количество передаваемого тепла от пара к отходам определяется расходом пара. Для снижения энергетических затрат (на производство пара
расходуется топливо) следует снижать расход пара. В тоже время снижение расхода ниже
0,1 кг водяного пара на 1 кг отходов приводит к тому, что снижается общее количество
передаваемого с паром тепла, в результате чего нарушается равномерный нагрев отходов,
т.е. отходы перегреваются с поверхности за счет лучистой (радиационной) передачи тепла, а в объеме отходы не нагреваются до заданной температуры (температуры термического разложения). Повышение расхода пара более 1,0 кг на 1 кг отходов приводит к
резкому росту энергетических затрат на процесс переработки. Снижение времени фильтрации пара менее 70 мин. приводит к недостаточному нагреву отходов, т.е. в течение
времени менее 70 мин. практически невозможно подвести необходимое для термического
разложения количество тепла. Повышение времени фильтрации более 120 мин приводит к
перерасходу пара и росту энергетических затрат на процесс переработки.
Для снижения энергетических затрат на процесс переработки отходов согласно изобретению сжигают газообразные продукты и продукты сгорания используют для нагревания корпуса реактора до температуры 600-1100 °С. Это позволяет также предотвратить
выброс газообразных продуктов разложения в окружающую среду. Нагрев корпуса реактора до температуры ниже 600 °С приведет к резкому снижению количества тепла, излучаемого корпусом, т.е. падению эффективности нагрева отходов и необходимости
увеличивать время процесса переработки. Нагрев корпуса реактора до температуры выше
1100 °С требует применения дорогостоящих жаропрочных сталей, а также приводит к перегреву поверхности отходов.
Поскольку продукты сгорания газообразных продуктов после нагрева корпуса реактора выводят при температуре 600-1100 °С, то целесообразно использовать их тепло для получения рабочего водяного пара, что в итоге обеспечит снижение энергетических затрат
на процесс переработки и приведет к предотвращению выбросов тепла в окружающую
среду.
На чертеже приведен общий вид устройства, с помощью которого реализуют способ
переработки отходов композиционных материалов с полимерной матрицей.
Устройство содержит накопитель отходов 1, транспортер 2 с весовым дозатором 3, затвор 4, контейнер 5, размещенный в камере 6, привод 8, подключенный к затвору 4, привод 9, подключенный к затвору 10, транспортер И с толкателем 12, реактор 13, патрубок
14, установленный в контейнере 5, газоход 15, установленный в реакторе 13, парогенератор 16 с краном расходомером 17, нагреватель газа 18 с подключенным вентилятором 19,
газоход 20 вывода парогазовой смеси из реактора 13, кран-расходомер 21, подключенный
к вентилятору 19, кран-расходомер 22, подключенный к теплообменнику 23, вентилятор
24, подключенный к рубашке 25 теплообменника 23, кран 26, подключенный к печи 27,
газовый анализатор 28, емкость с топливом 29 и краном 30, кожух 31 нагревателя газа 18,
5
BY 13676 C1 2010.10.30
датчик температуры 32, подключенный к нагревателю 18, кожух 33 реактора 13, датчик
температуры 34, подключенный к кожуху 33 реактора 13, датчик температуры 35, подключенный к выходу продуктов сгорания из кожуха 33 реактора 13, дымосос 36, подключенный к дымовой трубе 37, датчик температуры 38, датчик давления 39, датчик
температуры 40, датчик температуры 41, подключенный к теплообменнику 23, кран 42,
подключенный к сепаратору 43, кран 44, подключенный к фильтру 45, кран 46, подключенный к парогенератору 16, кран 47, подключенный к накопительной емкости 48, кранрасходомер 49, подключенный к насосу 50 с форсунками 51, клапан 52, датчик температуры 53, поворотный механизм 54, ленточный транспортер 55 с двигателем 56, затвор 57,
накопитель твердых продуктов 58, кран 59, подключенный к емкости с топливом 29.
Согласно изобретению способ переработки отходов композиционных материалов с
полимерной матрицей осуществляют следующим образом.
Из накопителя 1 с помощью транспортера 2 с весовым дозатором 3 при открытом затворе 4 в контейнер 5, размещенный в камере 6, загружают отходы композиционных материалов 7. Отходы загружают до заполнения контейнера 5, а количество загруженных
отходов (вес) определяют по показаниям весового дозатора 3. После загрузки отходов затвор 4 с помощью привода 8 закрывают. С помощью привода 9 открывают шлюзовой затвор 10 и, включив транспортер 11с толкателем 12, контейнер 5 из камеры 6 подают в
реактор 13, после чего затвор 10 закрывают. При этом контейнер 5 в реакторе 13 устанавливают таким образом, что патрубок 14 подачи парогазовой смеси в контейнер 5 соединяется (стыкуется) с газоходом 15 подачи парогазовой смеси в реактор 13.
От парогенератора 16 через кран-расходомер 17 с заданным расходом в нагреватель
газа 18 подают водяной пар при температуре 110-120 °С. Одновременно с подачей пара в
нагреватель газа 18 включают вентилятор 19 и осуществляют циркуляцию водяного пара
по контуру: нагреватель газа 18 - патрубок 14 подачи парогазовой смеси - слой отходов в
контейнере 5 - газоход 20 вывода парогазовой смеси из реактора 13 - вентилятор 19 нагреватель газа 18. При этом расход водяного пара через вентилятор 19 контролируют по
показаниям крана-расходомера 21.
В процессе циркуляции водяного пара открывают кран-расходомер 22 и частично водяной пар отводят в теплообменник 23 и конденсируют пар путем охлаждения воздухом,
который с помощью вентилятора 24 прокачивают через рубашку 25 теплообменника 23.
Водяной пар, проходя через слой отходов в реакторе, вытесняет воздух, который с потоком пара отводят в теплообменник 23. Так как воздух не конденсируется в теплообменнике 23, то его (воздух) через кран 26 подают в печь 27.
Отвод водяного пара в теплообменник 23 осуществляют до тех пор, пока концентрация воздуха в реакторе 13 не снизится до заданного содержания. После достижения заданного содержания воздуха в парогазовой смеси отвод этой смеси в теплообменник 23
прекращают путем закрытия крана 22. Содержание воздуха в реакторе контролируют по
показаниям газового анализатора 28. Удаление воздуха из реактора необходимо, чтобы
предотвратить окисление (горение) продуктов разложения отходов в реакторе 13. Одновременно с выводом из теплообменника 23 воздуха из емкости 29 через кран 30 в печь 27
подают жидкое топливо и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания из печи 27
направляют в кожух 31 нагревателя газа 18 (температуру нагрева пара контролируют по
показаниям датчика 32), после чего продукты сгорания подают в кожух 33 реактора 13
(температуру кожуха 33 реактора 13 контролируют по показаниям датчика 34), из которого затем продукты сгорания выводят в топку парогенератора 16 (температуру продуктов
сгорания контролируют по показаниям датчика 35), и далее с помощью дымососа 36 продукты сгорания подают в дымовую трубу 37. При этом температуру выводимых в трубу
37 продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика 38.
Проходя через кожух 31 нагревателя газа 18 высокотемпературные (Т = 1300 °С и более) продукты сгорания топлива в печи 27 нагревают протекающий по трубам нагревателя
6
BY 13676 C1 2010.10.30
водяной пар, а сами охлаждаются до температуры 600-1100 °С. При этой температуре
продукты сгорания содержат значительное количество тепла и для полезного использования данного тепла продукты сгорания из кожуха 31 нагревателя 18 подают в кожух 33 реактора 13.
Проходя через кожух 33 реактора 13, продукты сгорания нагревают корпус реактора
13 до температуры 600-1100 °С, в результате чего создается радиационный поток тепла от
корпуса реактора 13 к контейнеру 5 с отходами. Из кожуха 33 реактора 13 продукты сгорания при температуре 600-1100 °С выводят в топку парогенератора 16 и используют их
тепло для получения водяного пара. В парогенераторе продукты сгорания охлаждаются до
температуры 150-200 °С и при этой температуре с помощью дымососа 36 продукты сгорания выводят в дымовую трубу 37.
Проходя (фильтруясь) через слой отходов, водяной пар охлаждается, а отходы нагреваются. Путем циркуляции водяного пара и фильтрации его через слой отходов в течение
времени 70-120 минут снижают расход водяного пара на процесс переработки отходов, в
результате чего снижают расход энергии на переработку отходов (для получения водяного
пара необходимо сжигать топливо, т.е. затрачивать энергию).
Водяной пар фильтруют через слой отходов с расходом 0,1-1,0 кг на 1 кг отходов, а
давление в реактора поддерживают в пределах 0,03-0,60 МПа, которое контролируют по
показаниям датчика давления 39. Расход пара контролируют по показаниям кранарасходомера 17. При достижении температуры 280-1100 °С, что контролируют по показаниям датчика температуры 40, протекает процесс термического разложения полимерной
матрицы отходов с образованием твердых и газообразных продуктов, последние смешиваются с циркулирующим водяным паром, в результате чего образуется парогазовая
смесь. В момент начала процесса разложения (определяют по показаниям датчика температуры 40) открывают кран-расходомер 22 и отводят часть парогазовой смеси в теплообменник 23. При этом контролируют давление в реакторе по показаниям датчика давления
39, а краном-расходомером 22 регулируют величину открытия и устанавливают давление
в реакторе 13 в пределах 0,03-0,60 МПа. Отводимую из реактора 13 в теплообменник 23
парогазовую смесь охлаждают воздухом, прокачиваемым вентилятором 24 через рубашку
25 теплообменника 23.
Температуру, до которой охлаждают парогазовую смесь в теплообменнике 23, контролируют по показаниям датчика температуры 41 и устанавливают равной 100 °С и ниже. При данной температуре конденсируется водяной пар и часть газообразных продуктов
разложения, в результате чего образуется жидкая фракция, которую через кран 42 подают
в сепаратор 43. В сепараторе 43 отделяют воду от жидких продуктов разложения. Через
кран 44 воду подают в фильтр 45, где очищают от органических примесей и затем через
кран 46 очищенную воду подают в парогенератор 16 для получения водяного пара. Это
позволяет предотвратить образование загрязненных сточных вод и таким образом снизить
выбросы вредных веществ в окружающую среду. Жидкие продукты разложения из сепаратора 43 через кран 47 подают в накопительную емкость 48. Неконденсирующиеся газообразные продукты разложения полимерной матрицы из теплообменника 23 через кран 26
подают в печь 27, где их сжигают в смеси с жидким топливом. Сжигание неконденсирующихся продуктов разложения позволяет предотвратить их выброс в окружающую среду и
одновременно снизить расход топлива для нагрева парогазовой смеси в нагревателе газа 18.
Для поддержания давления парогазовой смеси в реакторе 13 в пределах 0,03-0,60 МПа
с помощью крана-расходомера 17 снижают подачу водяного пара в нагреватель газа 18 и с
помощью крана-расходомера 22 регулируют вывод части парогазовой смеси в теплообменник 23 таким образом, чтобы давление в реакторе 13 было в пределах 0,03-0,60 МПа,
что контролируют по показаниям датчика давления 39. Одновременно по показаниям газового анализатора 28 контролируют содержание водяного пара в парогазовой смеси. В
процессе разложения полимерной матрицы отходов содержание газообразных продуктов
7
BY 13676 C1 2010.10.30
разложения в парогазовой смеси на первом этапе возрастает до максимального значения, а
затем на втором этапе снижается до минимального значения (практически до нуля). Таким
образом, содержание водяного пара в парогазовой смеси на втором этапе возрастает практически до 100 %, а концентрация газообразных продуктов разложения матрицы снижается практически до нуля, что контролируют по показаниям газового анализатора 28. При
достижении содержания водяного пара практически 100 % в парогазовой смеси открывают шлюзовой затвор 10 и с помощью транспортера 11 с толкателем 12 контейнер 5 выводят из реактора 13 в камеру 6. Затем затвор 10 закрывают.
После вывода контейнера 5 в камеру 6 из фильтра 45 через кран - расходомер 49 с помощью насоса 50 в форсунки 51 подают воду и распыляют ее над слоем твердого остатка
в контейнере 5. Вода попадает на твердый остаток и охлаждает его, а сама испаряется, и
образующийся водяной пар через клапан 52 выходит из камеры 6 в реактор 13. Температуру охлаждения твердого остатка в контейнере 5 контролируют по показаниям датчика
температуры 53 и после достижения Т = 120 °С распыление воды прекращают. С помощью поворотного механизма 54 контейнер 5 поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердый остаток под действием собственного веса из
контейнера 5 вываливается на ленточный транспортер 55, который с помощью двигателя
56 приводят в движение и твердый остаток при открытом затворе 57 выгружают в накопитель 58. После разгрузки контейнер 5 устанавливают в рабочее положение (донной частью
вниз), загружают его как описано выше и процесс переработки отходов повторяют. С помощью крана 59 регулируют подачу топлива из емкости 29 в парогенератор 16 для обеспечения его работы.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Из накопителя 1 с помощью транспортера 2 с весовым дозатором 3 при открытом затворе 4 в контейнер 5, размещенный в камере 6, загружают отходы композиционных материалов 7. Отходы загружают до заполнения контейнера 5, а количество загруженных
отходов (вес) определяют по показаниям весового дозатора 3. Пусть в нашем случае загрузили 200 кг отходов углепластиков, представляющих собой композицию из поли(и)амидной матрицы (20 мас. %) и углеродных нитей (80 мас. %). Удельная плотность
такого материала 1500 кг/м3, а удельная теплоемкость - 1,5 кДж/(кг °С) [5]. Отходы представляют собой обрезки в виде пластинок неправильной геометрической формы со средним размером 100 мм и толщиной 15 мм. После загрузки отходов затвор 4 с помощью
привода 8 закрывают. С помощью привода 9 открывают шлюзовой затвор 10 и, включив
транспортер 11 с толкателем 12, контейнер 5 из камеры 6 подают в реактор 13, после чего
затвор 10 закрывают. При этом контейнер 5 в реакторе 13 устанавливают таким образом,
что патрубок 14 подачи парогазовой смеси в контейнер 5 соединяется (стыкуется) с газоходом 15 подачи парогазовой смеси в реактор 13.
От парогенератора 16 через кран-расходомер 17 с расходом 100 кг/ч в нагреватель газа
18 подают водяной пар при температуре 120 °С. Для получения такого количества водяного
пара в парогенераторе 16 сжигают 10 кг/ч топлива (дизельное топливо с теплотой сгорания
40 кДж/кг). Одновременно с подачей пара в нагреватель газа 17 включают вентилятор 19 и
осуществляют циркуляцию водяного пара по контуру: нагреватель газа 18-патрубок 14 подачи парогазовой смеси - слой отходов в контейнере 5 - газоход 20 вывода парогазовой смеси из реактора 13 - вентилятор 19-нагреватель газа 18. При этом расход водяного пара через
вентилятор 19 контролируют по показаниям крана - расходомера 21.
В процессе циркуляции водяного пара открывают кран-расходомер 22 и частично с
расходом 50 кг /ч в течение 12 минут водяной пар отводят в теплообменник 23 и конденсируют пар путем охлаждения воздухом, который с помощью вентилятора 24 прокачивают через рубашку 25 теплообменника 23. За это время в теплообменник 23 будет отведено
10 кг водяного пара. Для конденсации 10 кг водяного пара в теплообменнике 23 потребу8
BY 13676 C1 2010.10.30
ется количество воздуха 340 кг. Таким образом, расход воздуха составит {340 кг/(720 с)}
3600 с = 1700 кг/ч. При этом воздух будет нагрет от Т = 15 °С до Т = 80 °С.
Водяной пар, проходя через слой отходов в реакторе, вытесняет воздух, который с потоком пара отводят в теплообменник 23. Так как воздух не конденсируется в теплообменнике 23, то его (воздух) через кран 26 подают в печь 27.
Отвод водяного пара в теплообменник 23 в течение 12 мин позволяет снизить концентрацию воздуха в реакторе 13 до 5 мас. %. После достижения содержания воздуха в парогазовой смеси в количестве 5 мас. % (контролируют по показаниям газового анализатора
28) отвод этой смеси в теплообменник 23 прекращают путем закрытия крана 22. Одновременно с помощью крана 17 прекращают подачу водяного пара в нагреватель газа 18. Поскольку прекращается отбор водяного пара от парогенератора 16, то автоматика парогенератора снижает количество сжигаемого топлива с 10 кг/ч до минимума (этот минимум
определяется видом парогенератора и в нашем случае этот минимум составляет 3 кг/ч).
Одновременно с выводом воздуха из теплообменника 23 из емкости 29 через кран 30 в
печь 27 подают жидкое топливо с расходом 20 кг/ч и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания с расходом 220 кг/ч (при сжигании 1 кг топлива образуется 11 кг продуктов
сгорания) из печи 27 направляют в кожух 31 нагревателя газа 18. Проходя через кожух 31
нагревателя газа 18, высокотемпературные продукты сгорания (Т = 1300 °С) нагревают
протекающий по трубам нагревателя водяной пар до температуры Т = 500 °С, что контролируют по показаниям датчика температуры 32. Охлажденные до температуры Т = 600 °С
продукты сгорания из кожуха 31 нагревателя газа 18 подают в кожух 33 реактора 13. Проходя через кожух 33 реактора 13, продукты сгорания нагревают корпус реактора до температуры Т = 600 °С (контролируют по показаниям датчика температуры 34), в результате
чего создается радиационный (лучистый) поток тепла от корпуса реактора 13 к контейнеру 5 с отходами.
Интенсивность передачи тепла путем радиации (лучистого теплообмена) в несколько
раз выше, чем передача тепла путем конвекции. Таким образом, за счет радиационного
теплообмена интенсифицируют передачу тепла к контейнеру с отходами, в результате чего повышается скорость термического разложения полимерной матрицы и снижается время процесса переработки отходов. Однако полностью обеспечить необходимый подвод
тепла к отходам только за счет радиационного теплообмена невозможно, т.к. лучистым
теплообменом тепло к отходам передается только к поверхности обращенной к излучающим стенкам реактора, а к внутренним кускам отходов в контейнере 5 тепло от поверхности передается теплопроводностью. Это существенно (в несколько раз) снижает скорость
передачи тепла от теплоносителя к отходам внутри контейнера. Для устранения этого эффекта организуют передачу тепла к внутренним кускам отходов путем фильтрации теплоносителя (перегретого водяного пара) через слой отходов в контейнере 5.
Из кожуха 33 реактора 13 продукты сгорания выводят в топку парогенератора 16
(температуру выводимых продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика 35),
где тепло продуктов сгорания используют для получения водяного пара путем охлаждения продуктов сгорания от Т = 600 °С до Т = 150 °С (контролирую по показаниям датчика
температуры 38) и при данной температуре с помощью дымососа 36 их выводят в дымовую трубу 37.
В результате охлаждения 220 кг/ч продуктов сгорания от Т = 600 °С до Т = 150 °С в
парогенераторе может быть получено следующее количество рабочего водяного пара:
Мпара = {Qохл.}/qп = {Сп.с.Мп.с.(Т2-T1)}/qп =
= 1,2 кДж/кг °С 220 кг/ч (600 °С-150 °С)/3200 кДж/кг = 37 кг/ч,
где Мпара - масса генерируемого водяного пара при Т = 120 °С, кг;
Qохл. - количество тепла, выделяющееся при охлаждении продуктов сгорания от
Т = 600 °С до Т = 150 °С, кДж/ ч;
9
BY 13676 C1 2010.10.30
qп - удельный расход тепла на получение 1 кг водяного пара в парогенераторе,
3200 кДж/кг;
Сп.с. - удельная теплоемкость продуктов сгорания, 1,2 кДж/кг °С;
Мп.с. - количество продуктов сгорания, кг/ч;
Т2 - начальная температура продуктов сгорания, 600 °С;
T1 - конечная температура продуктов сгорания, 150 °С.
Путем циркуляции парогазовой смеси интенсифицируют передачу тепла от нагревателя газа 18 к отходам в контейнере 5, что в итоге приводит к снижению расхода водяного
пара на процесс переработки отходов, и таким образом снижают расход энергии на переработку отходов (для получения водяного пара необходимо сжигать топливо, т.е. затрачивать энергию). В нашем случае с помощью вентилятора 19 и крана-расходомера 21
устанавливают количество циклов циркуляции водяного пара равным 5 в течение 70 минут. Это означает, что через контейнер 5 с отходами 200 кг водяного пара будет прокачано
5 раз в течение 70 минут, т.е. расход через кран 20 устанавливают равным:
G2п = {(200 кг × 5)/4200 с} × 3600 с = 857 кг/ч.
Реальный же расход пара, подаваемого от парогенератора 16 для переработки 200 кг
отходов, будет равен 200 кг, т.е. удельный расход пара составит 1 кг на 1 кг отходов.
Проходя (фильтруясь) через слой отходов, водяной пар охлаждается, а отходы нагреваются. Водяной пар фильтруют через слой отходов в течение 70 мин и устанавливают
расход пара 1 кг на 1 кг отходов, а давление в реакторе поддерживают равным 0,03 МПа
(атмосферное давление составляет 0,101 МПа), которое контролируют по показаниям датчика давления 39. Расход пара контролируют по показаниям крана-расходомера 17. Поскольку в реакторе находится 200 кг отходов, то в течение 70 минут необходимо через
реактор прокачать 200 кг водяного пара. Это означает, что расход пара, который устанавливают с помощью крана-расходомера 17, будет равным:
G1п = {200 кг/4200 с}3600 с = 171,4 кг/ч.
При достижении температуры 290 °С, что контролируют по показаниям датчика температуры 40, протекает процесс термического разложения полимерной матрицы отходов с
образованием твердых и газообразных продуктов, которые смешиваются с циркулирующим водяным паром, в результате чего образуется парогазовая смесь.
Пусть в нашем случае в результате термического разложения полимерной матрицы образуется 65 мас. % газообразных продуктов (смесь СО, СО2 и др.) и 35 мас. % углерода.
Это означает, что в течение 70 минут в результате термического разложения полимерной матрицы образуется следующее количество газообразных продуктов:
Мг.п. = Мотх. 0,2 × 0,65 = 200 кг × 0,13 = 26 кг,
где Мг.п. - масса газообразных продуктов, кг; Мотх. - масса отходов, 200 кг;
коэффициент 0,2 - содержание полимерной матрицы в отходах, 20 мас. %;
коэффициент 0,65 - выход газообразных продуктов при разложении полимерной матрицы, 65 мас. %.
Поскольку процесс термического разложения протекает в течение 70 мин (4200 с), а
расход пара составляет 200 кг, то за время процесса из реактора 13 через кран-расходомер
22 в теплообменник 23 необходимо отвести 200 кг водяного пара и 26 кг продуктов разложения полимерной матрицы, т.е. 226 кг парогазовой смеси. Таким образом, средний
расход парогазовой смеси G см, которую выводят из реактора 13 в теплообменник 23 составит:
Gсм. = {226 кг/4200 с}3600 с = 193,7 кг/ч,
Таким образом, в момент начала процесса разложения (определяют по показаниям
датчика температуры) открывают кран-расходомер 22 и с расходом 193,7 кг/ч отводят парогазовую смесь в теплообменник 23. Одновременно от парогенератора 16 через кран 17 в
нагреватель газа 18 с расходом 167,7 кг/ч подают водяной пар для восполнения убыли пара, который отводится в теплообменник 23. При этом контролируют давление в реакторе
10
BY 13676 C1 2010.10.30
по показаниям датчика давления 39 и (манипулируя) краном-расходомером 22, и краном
17, регулируя величину их открытия, устанавливают давление в реакторе 13 равным 0,03
МПа (атмосферное давление равно 0,101 МПа). Отводимую из реактора 13 в теплообменник 23 парогазовую смесь охлаждают путем теплообмена с прокачиваемым вентилятором
24 через рубашку 25 теплообменника 23 воздухом.
В этом случае в реакторе 13 устанавливают давление ниже атмосферного, что обусловлено выводом части парогазовой смеси в теплообменник 23, который в данном случае
(за счет конденсации пара) работает как насос, отбирающий смесь из реактора 13, и создает в реакторе разрежение.
Температуру, до которой охлаждают парогазовую смесь в теплообменнике 23, контролируют по показаниям датчика температуры 41 и устанавливают равной 100 °С и ниже.
Для конденсации 226 кг парогазовой смеси в теплообменнике 23 потребуется количество воздуха 7684 кг. Таким образом, расход воздуха составит (7684 кг / (4200 с)}3600 с =
6586 кг/ч. При этом воздух будет нагрет от Т = 15 °С до Т = 80 °С.
При данной температуре конденсируется водяной пар в количестве 200 кг и часть газообразных продуктов разложения (для наших условий - 5 кг), в результате чего образуется жидкая фракция, которую в количестве (200 кг + 5 кг = 205 кг) через кран 42 подают в
сепаратор 43. В сепараторе 43 отделяют 200 кг воды от жидких продуктов разложения.
Через кран 44 воду подают в фильтр 45, где очищают от органических примесей и затем
через кран 46 очищенную воду подают в парогенератор для получения водяного пара. Это
позволяет предотвратить образование загрязненных сточных вод и таким образом снизить
выбросы вредных веществ в окружающую среду. Жидкие продукты разложения из сепаратора 43 через кран 47 в количестве 5 кг сливают в накопительную емкость 48. Неконденсирующиеся газообразные продукты разложения полимерной матрицы в количестве
(26 кг-5 кг) = 21 кг из теплообменника 23 через кран 26 подают в печь 27 и сжигают в
смеси с жидким топливом. Сжигание неконденсирующихся продуктов разложения позволяет предотвратить их выброс в окружающую среду и одновременно снизить расход топлива для нагрева парогазовой смеси в нагревателе газа 18. Пусть в нашем случае удельная
теплота сгорания газообразных продуктов составляет 5000 кДж/кг. Сжигание 21 кг данных продуктов позволит снизить расход топлива, подаваемого в печь 27 на 2,2 кг/ч, т.е.
расход топлива составит величину:
Мтоплива = 20 кг/ч - 2,2 кг/ч = 17, 8 кг/ч.
По показаниям газового анализатора 28 контролируют содержание водяного пара в
парогазовой смеси. В процессе разложения полимерной матрицы отходов содержание газообразных продуктов разложения в парогазовой смеси в первый период возрастает до
максимального значения, а затем во второй период снижается до минимального значения
(практически до нуля). Таким образом содержание водяного пара в парогазовой смеси во
второй период возрастает практически до 100 %, а концентрация газообразных продуктов
разложения матрицы снижается практически до нуля, что контролируют по показаниям
газового анализатора 28. При достижении содержания водяного пара практически 100 % в
парогазовой смеси открывают шлюзовой затвор 10 и с помощью транспортера 11 контейнер 5 выводят из реактора 13 в камеру 6. Затем затвор 10 закрывают.
После вывода контейнера 5 в камеру 6 из фильтра 45 через кран - расходомер 49 с помощью насоса 50 в форсунки 51 подают воду и распыляют ее над слоем твердого остатка
в контейнере 5 с расходом 90 кг/ч в течение 30 минут. Вода попадает на твердый остаток
и охлаждает его, а сама испаряется, и образующийся водяной пар через клапан 52 выходит
из камеры 6 в реактор 13. Температуру охлаждения твердого остатка в контейнере 5 контролируют по показаниям датчика температуры 53, и после достижения Т = 120 °С распыление воды прекращают. С помощью поворотного механизма 54 контейнер 5
поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердый остаток
под действием собственного веса из контейнера 5 вываливается на ленточный транспор11
BY 13676 C1 2010.10.30
тер 55, который с помощью двигателя 56 приводят в движение и при открытом затворе 57
твердый остаток выгружают в накопитель 58. После разгрузки контейнер 5 устанавливают
в рабочее положение (донной частью вниз), загружают его как описано выше и процесс
переработки отходов повторяют. С помощью крана 59 регулируют подачу топлива из емкости 29 в парогенератор 16 для обеспечения его работы.
Пример 2.
Из накопителя 1 с помощью транспортера 2 с весовым дозатором 3 при открытом затворе 4 в контейнер 5, размещенный в камере 6, загружают отходы композиционных материалов 7. Отходы загружают до заполнения контейнера 5, а количество загруженных
отходов (вес) определяют по показаниям весового дозатора 3. Пусть в нашем случае загрузили 300 кг отходов армированных пластиков, представляющих собой композицию из
поликарбонатной матрицы (30 мас. %) и углеродной ткани (70 мас. %). Удельная плотность такого материала 1200 кг/м3, а удельная теплоемкость - 1,2 кДж/(кг °С). Отходы
представляют собой обрезки в виде пластинок неправильной геометрической формы со
средним размером 200 мм и толщиной 20 мм. После загрузки отходов затвор 4 с помощью
привода 8 закрывают. С помощью привода 9 открывают шлюзовой затвор 10 и, включив
транспортер 11с толкателем 12, контейнер 5 из камеры 6 подают в реактор 13, после чего
затвор 10 закрывают. При этом контейнер 5 в реакторе 13 устанавливают таким образом,
что патрубок 14 подачи парогазовой смеси в контейнер 5 соединяется (стыкуется) с газоходом 15 подачи парогазовой смеси в реактор 13.
От парогенератора 16 через кран-расходомер 17 с расходом 150 кг/ч в нагреватель газа
18 подают водяной пар при температуре 110 °С. Для получения такого количества водяного
пара в парогенераторе 16 сжигают 15 кг/ч топлива (дизельное топливо с теплотой сгорания
40 кДж/кг). Одновременно с подачей пара в нагреватель газа 18 включают вентилятор 19 и
осуществляют циркуляцию водяного пара по контуру: нагреватель газа 18 - патрубок 14 подачи парогазовой смеси - слой отходов в контейнере 5 - газоход 20 вывода парогазовой смеси из реактора 13 - вентилятор 19 - нагреватель газа 18. При этом расход водяного пара
через вентилятор 19 контролируют по показаниям крана-расходомера 21.
В процессе циркуляции водяного пара открывают кран-расходомер 22 и частично с
расходом 60 кг/ч в течение 15 минут водяной пар отводят в теплообменник 23 и конденсируют пар путем охлаждения воздухом, который с помощью вентилятора 24 прокачивают через рубашку 25 теплообменника 23. За это время в теплообменник 23 будет отведено
14 кг водяного пара. Для конденсации 14 кг водяного пара в теплообменнике 23 потребуется количество воздуха 476 кг. Таким образом, расход воздуха составит (476 кг/(900 с)} ×
3600 с = 1904 кг/ч. При этом воздух будет нагрет от Т = 15 °С до Т = 80 °С.
Водяной пар, проходя через слой отходов в реакторе, вытесняет воздух, который с потоком пара отводят в теплообменник 23. Так как воздух не конденсируется в теплообменнике 23, то его (воздух) через кран 26 подают в печь 27.
Отвод водяного пара в теплообменник 23 в течение 15 минут позволяет снизить концентрацию воздуха в реакторе 13 до 5 мас. %. После достижения содержания воздуха в парогазовой смеси в количестве 5 мас. % (контролируют по показаниям газового анализатора 28)
отвод этой смеси в теплообменник 23 прекращают путем закрытия крана 22. Одновременно с
помощью крана 17 прекращают подачу водяного пара в нагреватель газа 18. Поскольку прекращается отбор водяного пара от парогенератора 16, то автоматика парогенератора снижает
количество сжигаемого топлива с 15 кг/ч до минимума (этот минимум определяется видом
парогенератора и в нашем случае этот минимум составляет 3 кг/ч).
Одновременно с выводом воздуха из теплообменника 23 из емкости 29 через кран 30 в
печь 27 подают жидкое топливо с расходом 30 кг/ч и сжигают его. Образующиеся продукты сгорания с расходом 330 кг/ч из печи 27 направляют в кожух 31 нагревателя газа 18.
Проходя через кожух 31 нагревателя газа 18 высокотемпературные продукты сгорания
(Т = 1400 °С) нагревают протекающий по трубам нагревателя водяной пар до температуры
12
BY 13676 C1 2010.10.30
Т = 1100 °С, что контролируют по показаниям датчика температуры 32. Охлажденные до
температуры Т = 1100 °С продукты сгорания из кожуха 31 нагревателя газа 18 подают в
кожух 33 реактора 13. Проходя через кожух 33 реактора 13, продукты сгорания нагревают
корпус реактора до температуры Т = 1100 °С (контролируют по показаниям датчика температуры 34), в результате чего создается радиационный (лучистый) поток тепла от корпуса реактора 13 к контейнеру 5 с отходами.
Интенсивность передачи тепла путем радиации (лучистого теплообмена) в несколько
раз выше, чем передача тепла путем конвекции. Таким образом, за счет радиационного
теплообмена интенсифицируют передачу тепла к контейнеру с отходами, в результате чего повышается скорость термического разложения полимерной матрицы и снижается время процесса переработки отходов. Однако полностью обеспечить необходимый подвод
тепла к отходам только за счет радиационного теплообмена невозможно, т.к. лучистым
теплообменом тепло к отходам передается только к поверхности обращенной к излучающим стенкам реактора, а к внутренним кускам отходов в контейнере 5 тепло от поверхности передается теплопроводностью. Это существенно (в несколько раз) снижает скорость
передачи тепла от теплоносителя к отходам внутри контейнера. Для устранения этого эффекта организуют передачу тепла к внутренним кускам отходов путем фильтрации теплоносителя (перегретого водяного пара) через слой отходов в контейнере 5.
Из кожуха 33 реактора 13 продукты сгорания выводят в топку парогенератора 16
(температуру выводимых продуктов сгорания контролируют по показаниям датчика 35),
где тепло продуктов сгорания используют для получения водяного пара путем охлаждения продуктов сгорания от Т = 1100 °С до Т = 200 °С (контролирую по показаниям датчика температуры 38), и при данной температуре с помощью дымососа 36 их выводят в
дымовую трубу 37.
В результате охлаждения 330 кг/ч продуктов сгорания от Т = 1100 °С до Т = 200 °С в
парогенераторе может быть получено следующее количество рабочего водяного пара:
Мпара = {Qохл.}/qп = {Сп.с.Мп.с.(Т2-T1)}/qп =
= 1,2 кДж/кг °С 330 кг/ч (1100 °С - 200 °С)/3200 кДж/кг = 111,3 кг/ч,
где Мп.с. - количество продуктов сгорания, 330 кг/ч;
Т2 - начальная температура продуктов сгорания, 1100 °С;
T1 - конечная температура продуктов сгорания, 200 °С.
Путем циркуляции парогазовой смеси интенсифицируют передачу тепла от нагревателя газа 17 к отходам в контейнере 5, что в итоге приводит к снижению расхода водяного
пара на процесс переработки отходов, и таким образом снижают расход энергии на переработку отходов (для получения водяного пара необходимо сжигать топливо, т.е. затрачивать энергию). В нашем случае с помощью вентилятора 19 и крана-расходомера 21
устанавливают количество циклов циркуляции водяного пара равным 5 в течение 120 минут. Это означает, что через контейнер 5 с отходами 30 кг водяного пара будет прокачано
20 раз в течение 120 мин, т.е. расход через кран 20 устанавливают равным:
G2п = {(30 кг × 20)/7200 с } × 3600 с = 300 кг/ч.
Реальный же расход пара, который подают от парогенератора 16 для переработки 30 кг
отходов, будет равен 30 кг, т.е. удельный расход пара составит 0,1 кг на 1 кг отходов.
Проходя (фильтруясь) через слой отходов водяной пар охлаждается, а отходы нагреваются. Водяной пар фильтруют через слой отходов в течение 120 мин и устанавливают расход пара 0,1 кг на 1 кг отходов, а давление в реакторе поддерживают равным 0,6 МПа,
которое контролируют по показаниям датчика давления 39. Расход пара контролируют с
помощью крана-расходомера 17. Поскольку в реакторе находится 300 кг отходов, то в течение 120 минут необходимо через реактор прокачать 30 кг водяного пара. Это означает, что
расход пара, который устанавливают с помощью крана-расходомера 17, будет равным:
G1п = {30 кг/7200 с}3600 с = 15 кг /ч.
13
BY 13676 C1 2010.10.30
При достижении температуры 320 °С, что контролируют по показаниям датчика температуры 40, начинает протекать процесс термического разложения полимерной матрицы
отходов с образованием твердых и газообразных продуктов, которые смешиваются с циркулирующим водяным паром, в результате чего образуется парогазовая смесь. Завершается процесс термического разложения при температуре 1100 °С.
Пусть в нашем случае в результате термического разложения полимерной матрицы образуется 70 мас. % газообразных продуктов (смесь СО, СО2 и др.) и 30 мас. % углерода.
Это означает, что в течение 120 минут в результате термического разложения полимерной матрицы образуется следующее количество газообразных продуктов:
Мг.п. = Мотх. 0,3 0,7 = 300 кг 0,21 = 63 кг,
где Мг.п. - масса газообразных продуктов, кг; Мотх. - масса отходов, 300 кг;
коэффициент 0,3 - содержание полимерной матрицы в отходах, 30 мас. %;
коэффициент 0,7 - выход газообразных продуктов при разложении полимерной матрицы, 70 мас. %.
Поскольку процесс термического разложения протекает в течение 120 мин (7200 с), а
расход пара составляет 30 кг, то за время процесса из реактора 13 через кран-расходомер
22 в теплообменник 23 необходимо отвести 30 кг водяного пара и 63 кг продуктов разложения полимерной матрицы, т.е. 93 кг парогазовой смеси. Таким образом, средний расход
парогазовой смеси G см, которую выводят из реактора 12 в теплообменник 23 составит:
Gсм. = {93 кг/7200 с } × 3600 с = 46,5 кг/ч.
Таким образом, в момент начала процесса разложения (определяют по показаниям
датчика температуры открывают кран-расходомер 22, и с расходом 46,5 кг/ч отводят парогазовую смесь в теплообменник 23. Одновременно от парогенератора 16 через кран 17 в
нагреватель газа 18 с расходом 46,5 кг/ч подают водяной пар для восполнения убыли пара,
который отводится в теплообменник 23. При этом контролируют давление в реакторе по
показаниям датчика давления 39 и краном-расходомером 22 и краном 17 регулируя величину открытия, устанавливают давление в реакторе 13 равным 0,6МПа. Отводимую из реактора 13 в теплообменник 23 парогазовую смесь охлаждают путем теплообмена с
прокачиваемым вентилятором 24 через рубашку 25 теплообменника 23 воздухом.
В этом случае в реакторе 13 устанавливают давление ниже атмосферного, что обусловлено выводом части парогазовой смеси в теплообменник 23, который в данном случае
(за счет конденсации пара) работает как насос, отбирающий смесь из реактора 13, и создает в реакторе разрежение.
Температуру, до которой охлаждают парогазовую смесь в теплообменнике 23, контролируют по показаниям датчика температуры 41 и устанавливают равной 100 °С и ниже.
Для конденсации 93 кг парогазовой смеси в теплообменнике 23 потребуется количество
воздуха
3162
кг.
Таким
образом,
расход
воздуха
составит
(3162 кг/(7200 с)} × 3600 с = 1581 кг/ч. При этом воздух будет нагрет от Т = 15 °С до
Т = 80 °С.
При данной температуре конденсируется водяной пар в количестве 30 кг и часть газообразных продуктов разложения (для наших условий - 10 кг), в результате чего образуется
жидкая фракция, которую в количестве (30 кг + 10 кг = 40 кг) через кран 42 подают в сепаратор 43. В сепараторе 43 отделяют 30 кг воды от жидких продуктов разложения. Через
кран 44 воду подают в фильтр 45, где очищают от органических примесей и затем через
кран 46 очищенную воду подают в парогенератор для получения водяного пара. Это позволяет предотвратить образование загрязненных сточных вод и таким образом снизить
выбросы вредных веществ в окружающую среду. Жидкие продукты разложения из сепаратора 43 через кран 47 в количестве 10 кг сливают в накопительную емкость 48. Неконденсирующиеся газообразные продукты разложения полимерной матрицы в количестве
(63 кг - 10 кг) = 53 кг из теплообменника 23 через кран 26 подают в печь 27 и сжигают в
смеси с жидким топливом. Сжигание неконденсирующихся продуктов разложения позво14
BY 13676 C1 2010.10.30
ляет предотвратить их выброс в окружающую среду и одновременно снизить расход топлива для нагрева парогазовой смеси в нагревателе газа 18. Пусть в нашем случае удельная
теплота сгорания газообразных продуктов составляет 7000 кДж/кг. Сжигание 53 кг данных продуктов позволит снизить расход топлива, подаваемого в печь 27 на 4,6 кг/ч, т.е.
расход топлива составит величину:
Мтоплива = 30 кг/ч - 4,6 кг/ч = 25, 4 кг/ч.
По показаниям газового анализатора 28 контролируют содержание водяного пара в
парогазовой смеси. В процессе разложения полимерной матрицы отходов содержание газообразных продуктов разложения в парогазовой смеси в первый период возрастает до
максимального значения, а затем во второй период снижается до минимального значения
(практически до нуля). Таким образом, содержание водяного пара в парогазовой смеси во
второй период возрастает практически до 100 %, а концентрация газообразных продуктов
разложения матрицы снижается практически до нуля, что контролируют по показаниям
газового анализатора 28. При достижении содержания водяного пара практически 100 % в
парогазовой смеси открывают шлюзовой затвор 10 и с помощью транспортера 11 с толкателем 12 контейнер 5 выводят из реактора 13 в камеру 6. Затем затвор 10 закрывают.
После вывода контейнера 5 в камеру 6 из фильтра 45 через кран-расходомер 49 с помощью насоса 50 в форсунки 51 подают воду и распыляют ее над слоем твердого остатка
в контейнере 5 с расходом 100 кг/ч в течение 30 минут. Вода попадает на твердый остаток
и охлаждает его, а сама испаряется, и образующийся водяной пар через клапан 52 выходит
из камеры 6 в реактор 13. Температуру охлаждения твердого остатка в контейнере 5 контролируют по показаниям датчика температуры 53 и после достижения Т = 120 °С распыление воды прекращают. С помощью поворотного механизма 54 контейнер 5
поворачивают и устанавливают донной частью вверх, в результате чего твердый остаток
под действием собственного веса из контейнера 5 вываливается на ленточный транспортер 55, который с помощью двигателя 56 приводят в движение и при открытом затворе 57
твердый остаток выгружают в накопитель 58. После разгрузки контейнер 5 устанавливают
в рабочее положение (донной частью вниз), загружают его, как описано выше, и процесс
переработки отходов повторяют. С помощью крана 59 регулируют подачу топлива из емкости 29 в парогенератор 16 для обеспечения его работы.
Таким образом заявленное изобретение отличается от аналогов более низкими энергетическими затратами на переработку отходов композиционных материалов, низкими выбросами в окружающую среду и высоким качеством получаемых продуктов переработки
отходов, которые могут быть использованы повторно при изготовлении композиционных
материалов.
Источники информации:
1. Международная заявка ЕР 03/11337, 2004.
2. Патент РФ 2213766, МПК 7 C 10J 3/18, 2003.
3. Патент РФ 2183794, МПК 7 F 23G 5/00, F 23G 5/16, 2002.
4. Патент РБ 5430, МПК 7 C 08J 11/00, 11/14, B 09B 5/00, 2003.
5. Химическая энциклопедия. Т. 5 / Н.С. Зефиров и др. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1988. - С. 25.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
15
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
532 Кб
Теги
by13676, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа