SK50042012A3 - Method of thermal decomposition of organic material and device for implementing this method - Google Patents

Description

Spôsob termického rozkladu organického materiálu a zariadenie na vykonávanie tohto spôsobu

Oblasť techniky

Uvedený vynález sa týka spôsobu termického rozkladu organického materiálu a konštrukčného riešenia zariadenia na termický rozklad organického materiálu. Uvedené zariadenie umožňuje kontinuálne spracovávanie organického materiálu a výroby alternatívnych nosičov energie druhej generácie (chemikálii, tuhých, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov) a tuhých uhlíkových materiálov termickým rozkladom špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, biomasy, organických podielov komunálnych odpadov systémom rúrkového prietočného krakovacieho reaktora na spracovanie odpadových uhlíkových surovín.

Doterajší stav techniky

Doposiaľ na spracovanie organického odpadu sa používa prevažne konvenčná metóda mechanickou recykláciou. Ďalej sa používajú termické procesy, z ktorých tepelne krakovanie a pyrolýza umožňujú konvertovať polymérny materiál na monoméry a ďalšie produkty. Termické krakovanie ojazdených pneumatík, odpadných plastov, biomasy a komunálnych odpadov umožňuje ich termickú degradáciu bez prítomnosti kyslíka/vzduchu. V priebehu termického krakovania sa odpady vyhrievajú na vysoké teploty, pri ktorých sa ich makromolekulárne štruktúry štiepia na menšie molekuly. Produkty z termického krakovania môžeme rozdeliť na nekondenzovateľnú plynovú frakciu, kvapalnú frakciu a tuhé zvyšky (koks). Ďalej termické krakovanie odpadov poskytuje veľmi široké kompozičné spektrum uhľovodíkov i neuhľovodíkov, od nízkomolekulových plynov (vodík, oxid uhoľnatý, oxid uhličitý, alkány a alkény C! - C₅) cez kvapalné podiely až po koks. Kvapalné produkty z termického krakovania sa využívajú na výrobu hodnotných automobilových benzínov, petrolejov, motorových naft, vykurovacích olejov, alternatívnych olejov i cenných chemikálii, akým je napríklad d,llimonén z termického krakovania ojazdených pneumatík. Hľadajú sa optimálne podmienky termického krakovania a/alebo výhodné katalyzátory, aby sa získali trhovo úspešné produkty. Medzi najcennejšie zložky komunálnych odpadov patria polyméme materiály z priemyselných alebo komunálnych zdrojov. Polyméme materiály a z nich najmä polyetylén a polypropylén sa podrobujú termickému krakovaniu pri teplote 165 až 750°C a atmosférickom tlaku za vzniku olejovoskov s teplotou varu 30 až 450°C s obsahom nasýtených a nenasýtených uhľovodíkov s počtom uhlíkov C₅ až C₃₀. Následne sa z olejovoskov destiláciou pri atmosférickom tlaku oddelí frakcia benzínov pri teplote 30 až 180°C obsahujúca nasýtené a nenasýtené nerozvetvené i rozvetvené uhľovodíky C₅ až Cn. Destilačný zvyšok po atmosférickej destilácii sa ďalej podrobí vákuovej destilácii pri tlaku 10 Pa až 110 kPa, pričom sa oddelí frakcia motorovej nafty pri teplote 150 až 360°C s obsahom nasýtených a nenasýtených uhľovodíkov C₉ až C22 od zvyšku s počtom uhlíkov nad C22· Benzíny získané atmosférickou destiláciou olejovoskov a niektoré nafty získané vákuovou destiláciou olejovoskov sa môžu ďalej hydrogenačne rafinovať na heterogénnych katalyzátoroch [ Patent SR, číslo 287556, (2011); EP 2135923 A1],

Medzi rozhodujúce technologické parametre, ktoré v najväčšej miere ovplyvňujú zloženie reakčných produktov pri termickom krakovaní patria : chemické zloženie suroviny, teplota, rýchlosť prestupu tepla, tlak, reakčný čas, typ reaktora, prítomnosť reaktívnych plynov (napríklad kyslíka), katalyzátor, aditíva prítomné v surovine, plynná a kvapalná fáza procesu. Typ reaktora rozhoduje o kvalite prestupu tepla, o miešaní, o zádržnej dobe v plynnej a kvapalnej fáze a uvoľňovaní primárnych rozkladných produktov. Reaktor sa vyberá hlavne na základe technických predpokladov, akými sú prestup tepla a pracovné vlastnosti suroviny a produktov. Vo viacerých procesoch sa polymémy materiál sa najprv rozpustí v tavenine polyméru alebo vosku alebo disperguje v soľnom kúpeli, aby sa znížila viskozita taveniny. Ďalšie procesy využívajú excelentný prestup tepla a látky vo fluidnom lôžku termických alebo katalytických reaktorov. Zvýšená teplota ovplyvňuje termodynamiku, cez relatívnu stabilitu jednotlivých produktov ako aj kinetiku a cez fyzikálne podmienky reakčnej zmesi. Vysoká teplota a prestup tepla, nízke tlaky a zdržné doby favorizujú tvorbu primárnych produktov.

Aby krakovacie reaktory mali vysokú účinnosť pri chemickom štiepení polyalkénov, musia byť skonštruované v prietočnom prevedení. Z rovnakých dôvodov, v dôsledku vysokej tvorby koksu a minerálnych zvyškov by mali v priebehu rozkladu plastického odpadu umožňovať kontinuálne odstraňovanie koksu.

Najlepšie riešenia poskytujú procesy s fluidným lôžkom, známych z rafinérii ako fluidné katalytické krakovanie (FCC) pri spracovaní ropných frakcií s krakovacím katalyzátorom alebo fluidné termické krakovanie s koksom alebo s inými minerálnymi čiastočkami ako fluidizačným médiom.

Podľa amerického patentu [ Patent USA, No 5856599], krakovanie alebo skvapalňovanie' plastového odpadu sa realizuje vtroj- alebo štvorstupňovom skrutkovom extrudéri s rastúcou teplotou. Podobne, katalyzátor (ak sa používa) sa odstraňuje s koksom a minerálnym zvyškom. Na konci procesu, destilovateľné uhľovodíkové frakcie sa separujú od tuhého zvyšku a koksu.

V ďalšom americkom patente [Patent USA, No 5744688] sa zmes polyalkénov a ojazdených pneumatík nadávkuje do vsádzkového reaktora, ktorý je vybavený špeciálnym mixérom. Na naplnenie reaktora sa používa, buď skrutkový extrudér alebo iné zariadenie.

V tomto semi-kontinuálnom reaktore sa surovina dávkuje určitý čas a hlavnými produktmi sú plynné a kvapalné frakcie ako aj zmes sadzí, minerálnych nečistôt a koksu. Na konci produkčného cyklu sa proces zastaví a zapne sa spätný chod mixéru. V tomto cykle lopatky mixéra zoškrabujú koks z vnútorných stien reaktora. Hlavnou nevýhodou tohto riešenia je polokontinuálny pracujúci reaktor s relatívne malou produkčnou kapacitou a problémami s použitím krakovacieho katalyzátora.

V ďalšom reaktorovom riešení [Patent USA No 5811606] lopatky mixéra majú presne rovnaký tvar a veľkosť ako vnútorná časť reaktora. Počas termického rozkladu dochádza k zoškrabovaniu uloženého tuhého materiálu lopatkami z horúcich stien reaktora. Zoškrabaný koks padá dole a odsáva sa z dna reaktora s časťou reakčných produktov pomocou odsávacieho potrubia. Hlavnými produktmi z tepelného krakovania sú plynné frakcie (vhodné na vykurovanie), benzín a ľahký vykurovací olej (VOĽ) a parafínové frakcie.

Vsádzkový reaktor vybavený skrutkovým dávkovačom a mixérom je popísaný v ďalšom americkom patente [Patent USA No 5738025], Špeciálny rošt je nainštalovaný vo vnútri reaktora nad roztavenou krakujúcou sa zmesou odpadných plastov. Odpadné plasty dávkované do štiepneho reaktora sa tavia na špeciálnom rošte a padajú dole do reakčnej zmesi. Podobne ako v prípade popisu v predchádzajúcom patente [Patent USA No 5811606] aj v tomto prípade, mixér v špeciálne skonštruovanom tvare zoškrabuje koks zo stien reaktora do špeciálne tvarovaného dna reaktora, odkiaľ sa odstraňujú skrutkovnicovým dopravníkom. Teplota v tomto procese dosahuje 450°C.

Nemeckí výskumníci [EP 0591703] prezentovali splynovanie odpadných plastov v plazmovom reaktore s následným využitím odpadného tepla z turbíny na výrobu pary. Chýbajú údaje o účinnosti procesu. Hlavnou výhodou riešenia je možnosť využitia rozdielneho zloženia suroviny.

Postup podľa poľských pracovníkov [WO 03104354] umožňuje konštrukcia špeciálneho semi-kontinuálneho reaktora vybaveného vymeniteľnými ohrevnými rúrkami (telieskami). Ohrevné rúrky, ktoré sú vo vnútri vyhrievané spalinami, zabezpečujú ohrev vstupnej suroviny s následným topením a umožňujú štiepenie plastov. V dôsledku priebehu sekundárnych krakovacích reakcií dochádza k tvorbe koksu. Koks sa usadzuje na vonkajšom povrchu ohrevných rúrok. Špeciálna konštrukcia krakovacieho reaktora umožňuje odstraňovať uhlíkové usadeniny pomocou vibrácii ohrevných rúrok. Ohrevné rúrky sa môžu rozobrať a vymeniť po odstavení zariadenia.

Keďže v plastoch sa nachádzajú i anorganické komponenty, má využitie chemických a nekatalytických procesov určité výhody pred katalytickými procesmi. Čínski výskumníci [CN 1397627/2003] navrhli dvojstupňový proces. V prvom stupni prebieha tepelné krakovanie, pri ktorom sa plasty čiastočne naštiepia. Súčasne dôjde k oddeleniu anorganických zlúčenín. V ďalšom stupni sa čiastočne naštiepené produkty krakujú na pevne uloženom katalyzátore.

Japonskí a čínski inventori navrhli a patentovali viaceré originálne riešenia pre krakovacie reaktory. Rovnaká konštrukcia krakovacieho reaktora sa nachádza v dvoch prezentovaných patentoch [WO 9620254 (1996), Patent USA No 2156332], Odpadné plasty sa dávkujú pomocou skrutkového extrudéra cez paralelne tvarovaný rúrkový reaktor s vnútorným dopravníkom, v ktorom po zmiešaní dochádza k taveniu, krakovaniu a odparovaniu v jednotlivých zónach. Japonskí výskumníci vyvinuli rúrkový reaktor so skrutkovým mixérom a dopravným zariadením [JP 100446158 (1998)]. Hoci dizajnové riešenie reaktorov nie je zrozumiteľné, z návrhov je zrejmé, že hlavnou výhodou týchto reaktorov je odstraňovanie koksu, uhlíkových zvyškov a katalyzátora (ak sa používa) z vnútra reaktora. V riešení nie je žiadna zmienka o výstupe produktov z reaktorového systému.

Na Wroclavskej technickej univerzite vyvinuli rúrkový reaktor so špeciálnym vnútorným skrutkovým mixérom [Polish patent application No P 355826; J. Walendzievski, Continuous flow cracking of waste plastics, Fuel Proc. Technol. 86, 1265 (2005)]. Roztavené plasty zo skrutkového extrudéra prechádzajú do multi-rúrkového reaktora, kde dochádza k ich krakovaniu pri teplote 420 až 500°C. Úlohou špeciálne tvarovaného vnútorného mixéra je miešanie roztavených plastov, zoškrabovanie koksu z vnútorného povrchu rúrkového reaktora a odvádzanie koksu von z reaktora. Granule odstraňovaného koksu padajú do zásobníka na konci reaktorového ukončenia, zatiaľ čo uhľovodíkové pary následne postupujú cez vzduchové a vodné chladiče do separátorov na oddelenie plynov od kvapalín. Laboratórne experimenty (0,3 - 2 kg) a poloprevádzkové zariadenia s kapacitou 20 - 30 kg/h ukázali, že tento typ reaktorov môže nájsť komerčnú aplikáciu v prietočnom prevedení. Hlavnou prednosťou tohto riešenia je kontinuálne odstraňovanie koksu z reakčných rúrok. Reaktorová krakovacie jednotka sa bude skladať zo 6. alebo viacerých rúrok, ktoré budú vybavené internými mixérmi, umožňujúce buď termické alebo katalytické krakovanie odpadných polyaikénov.

Zdá sa, že krakovacie reaktory s fluidným lôžkom (termické alebo katalytické) sú najlepším riešením pre ich priemyselné využitie. Avšak, regenerácia a cirkulácia takzvaného rovnovážneho katalyzátora je možná len pre relatívne čisté nástreky, napríklad zvyškov z vákuovej destilácie plynových olejov z ropy. Komunálne plastové odpady obsahujú rôzne minerálne nečistoty, stopové množstvá produktov a aditívov, ktoré môžu rýchlo dezaktivovať drahý katalyzátor. Vo viacerých prípadoch regenerácia katalyzátora nie je možná. Preto by sa pri krakovaní plastov mal použiť lacný a dostupný katalyzátor. Drahé a sofistikované zeolity alebo iné molekulové sitá ako aj katalyzátory na báze vzácnych kovov nájdu pravdepodobne len obmedzené použitie v recyklačných procesoch.

Ďalším riešením sú termické procesy s inertným fluidizačným médiom, ktoré majú sekciu na odstraňovanie koksu. Pre menšie prevádzky prichádzajú do úvahy multi-rúrkové reaktory s vnútornými mixérmi.

A tak známe údaje o spôsoboch recyklácie odpadov, reaktoroch termického krakovania využíva a nedostatky odstraňuje spôsob výroby chemikálií, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov, tuhých uhlíkových materiálov termickým krakovaním, čiže cestou špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, biomasy, organických podielov komunálnych odpadov v univerzálnom krakovacom prietočnom rúrkovom reaktore podľa toho vynálezu, ktorého cieľom je spracovanie odpadných uhlíkových surovín na alternatívne nosiče energie druhej generácie (chemikálie, kvalitné ekologické palivá) a nové uhlíkové materiály.

Napriek enormnému výskumnému úsiliu, vo vedeckej a patentovanej literatúre existuje veľmi málo údajov o tvorbe koksu v priebehu radikálových dejov. Tvorba koksu je nežiaduca, pretože uhlíkové produkty sa postupne usadzujú na vnútornom povrchu reaktora, čím zhoršujú hlavne prestup tepla cez stenu reaktora. Účinná kontrola rozkladného procesu sa stáva problematická. V dôsledku koksovania, vznikajúce produkty nielenže nemajú želané zloženie, ale nemôžu sa ani efektívne vyrábať. Klesá výkon reaktorov a tým aj ekonomika procesu. Produkty sú kontaminované uhlíkovými sadzami, takže nie sú vhodné ako palivá pre trhové použitie.

Aby sa zabránilo tvorbe koksu, a tým sa umožnilo vyrábať produkty o želaným zložením, potrebujeme mať k dispozícii exaktné znalosti o mechanizme rozkladu polymérnych uhlíkových surovín a priebehu sekundárnych reakcií, v dôsledku ktorých vzniká koks. Z toho pohľadu sú v súčasnosti existujúce konvenčné technológie neefektívne, pretože nedokážu ani účinne zabrániť tvorbe koksu, ani efektívne zamerať tepelný rozklad želaným smerom. Na základe nášho detailného výskumu a poznania mechanizmu rozkladu uhlíkových polymérnych materiálov a priebehu sekundárnych reakcií vedúcich k tvorbe koksu môžeme konštatovať, že rozklad polymérnych uhlíkových surovín na plynné, kvapalné a tuhé produkty prebieha nasledujúcimi procesmi : tuhá východisková surovina mäkne, topí sa a prechádza do kvapalného stavu. Surovina v kvapalnom stave sa potom ďalej vyhrieva a následne rozkladá z vyšších polymérnych štruktúr na nízkomolekulové štruktúry v závislosti od teploty rozkladu. Plynné zložky sa ochladzujú na produkty štandardného zloženia. Zloženie získaných produktov a ich molekulová hmotnosť je v rozhodujúcej miere ovplyvnená rozkladnou teplotou. Pre výsledné zloženie získaných produktov je dôležitý priebeh krakovacích reakcií v kvapalnom stave.

V najväčšej miere pri termickom krakovaní uhlíkových polymérnych materiálov vzniká koks (uhlík) najmä vtedy, keď vznikajúce plynné nízkomolekulové nenasýtené uhľovodíky zotrvávajú v reakčnom priestore a dlhodobo sa prehrievajú. Všetky konvenčné procesy sa v súčasnosti realizujú za podmienok, pri ktorých sa plynné zložky pomaly uvoľňujú z intenzívne vyhrievaného reakčného priestoru v reaktore. Zachytávajú sa buď adsorpčne na tuhej surovine a vznikajúcom kokse alebo sa absorbujú v kvapalných produktoch. To sú hlavné dôvody tvorby obrovského množstva koksu. Najdôležitejšie je preto zabezpečiť realizáciu termického krakovania uhlíkových materiálov tak, aby sa plynné, veľmi reaktívne (hlavne nenasýtené) zložky uvoľnené rozkladom kvapalných podielov, čo najrýchlejšie odviedli z reakčného priestoru, tak aby nedošlo k ich intenzívnemu a dlhodobému prehrievaniu. Tu je treba pripomenúť, že pri konvenčných technológiách využívajúcich zariadenia na princípe vytláčania taveniny, kvapalné zložky po skvapalnení sa tak dopravujú vo vysokohustotnej forme. Pri zadržiavaní takýchto tekutín v reakčnom priestore vzniká veľké množstvo koksu. Okrem toho, vznikajúca tenká vrstva vytváraná polymérmi má nízku tepelnú vodivosť, čo môže viesť k nesprávnej kontrole teploty v strede reaktora, a tým k zhoršeniu kontroly zloženia získaných produktov.

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu, ktorý odstraňuje vyššie uvedené nedostatky je spôsob výroby alternatívnych nosičov energie druhej generácie (chemikálii, tuhých, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov) a tuhých uhlíkových materiálov termickým rozkladom špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, biomasy a organických podielov komunálnych odpadov. Podstatou riešenia je vytvorenie novej konštrukcie rúrkového prietočného krakovacieho reaktora, ktorý umožňuje kontinuálne spracovanie odpadných uhlíkových surovín.

Podľa tohto spôsobu sa termické krakovanie uskutočňuje v hermeticky uzavretom prietočnom zariadení. Vstupná surovina upravená do formy drviny, odrezkov alebo štiepok o veľkosti do 350 mm sa dopravuje do dávkovacieho násypníka. Transport upravenej vstupnej suroviny umožňuje dávkovací špirálový dopravník cez náplň rozkladného oleja tvoriaceho vstupný olejový uzáver do rúrkového prietočného krakovacieho reaktora vybaveného posúvacím špirálovým dopravníkom. Termické krakovanie vstupnej uhlíkovej suroviny prebieha v rúrkovom prietočnom krakovacom reaktore pri teplote 165 až 750°C atmosférickom tlaku od 100834,6675 Pa do 101815,3325Pa (t.j. pri atmosférickom tlaku od -50mm až do + 50mm vodného stĺpca) na plynné, kvapalné a tuhé produkty. Doprava vzniknutých plynných rozkladných produktov z rúrkového prietočného krakovacieho reaktora sa uskutočňuje dvoma výstupmi smerom do kondenzačného systému. Tuhé produkty (koks) sa transportujú hornou časťou reaktora pomocou šnekového dopravníka cez vodný chladič otvorom pre výstup tuhých produktov do výstupného vodného uzáveru, ktorý vytvára hydraulický uzáver. Z neho sa vyberajú špirálovým dopravníkom.

Ohrev rúrkového prietočného krakovacieho reaktora sa uskutočňuje v ohrievacej peci, ktorá pozostáva z dvoch častí, prvého a druhého stupňa, a to prestupom tepla zo spalín. Tie vznikajú spaľovaním privedeného vyčisteného ochladeného plynu z procesu termického krakovania s predhriatym vzduchom z rekuperátora v pecných horákoch. K pred ohrevu vstupnej suroviny dochádza už v počiatočnej fáze dávkovania a to teplom z olejovej náplne, tu vytvára kondenzát vysoko vriacich podielov rozkladného oleja stekajúci samospádom z priestoru rúrkového prietočného krakovacieho reaktora. Rúrkový prietočný krakovací reaktor je umiestnený na kovovom ráme pod sklonom s horizontálnou rovinou. V rúrkovom prietočnom krakovacom reaktore sa nachádza posúvací špirálový dopravník, ktorého spodná časť je ponorená do olejového uzáveru. Hornú časť uzatvára vodný uzáver, pričom olejový a vodný uzáver ho hermeticky uzatvárajú. Olejový a vodný uzáver sú podstatnými a nevyhnutnými súčasťami rúrkového prietočného krakovacieho reaktora. Termický rozklad uhlíkových surovín prebiehajúci vo vnútri rúrkového prietočného krakovacieho reaktora sa tak uskutočňuje pri atmosférickom tlaku od 100834,6675 Pa do 101815,3325Pa (t.j. pri atmosférickom tlaku od -50mm až do + 50mm vodného stĺpca). Pri uvedenom usporiadaní, kedy nedochádza v rúrkovom prietočnom krakovacom reaktore k pretlaku, sú hladiny oleja a vody stabilizované. Počas náhleho (prudkého) uvoľnenia pár vznikajúcich produktov dochádza vreaktorovom priestore k pretlaku. Vtedy vďaka kvapalinovým uzáverom sa môže pretlak plynu uvoľniť do ovzdušia a tým nedochádza k zvýšeniu tlaku vznikajúcich plynov nad dovolenú hranicu, pretože cez kvapalné uzávery môže uniknúť do atmosféry. Tým sa zabraňuje možnej deštrukcii, prípadne inému poškodeniu rúrkového prietočného krakovacieho reaktora. Bezpečnostný systém napojený na kvapalinové uzávery dokáže v prípade náhleho zvýšenia tlaku v reaktore okamžite odstaviť dávkovanie suroviny do systému a spustiť bezpečné odstavenie prevádzky termického krakovania.

Spektrum a kvalita produktov v rozhodujúcej miere závisí od prebiehajúcich reakcií. K prvým, ktoré prevládajú, patrí primárne krakovanie uhlíkových surovín na nízkomolekulové produkty. K druhým, patria sekundárne kondenzačné reakcie, termické alkylácie, oligomerizácie, polymerizácie a cyklizácie primárnych splodín, ktoré môžu viesť až ku karboidom (koksu). Z rovnovážneho zloženia vyplýva, že termický rozklad termodynamicky podporuje zmenšenie celkového tlaku v reakčnom systéme. Na rozdiel od rozkladných reakcií sú sekundárne reakcie vyššieho než prvého poriadku. Sú podporované vyššou koncentráciou reaktívnych zložiek, akými sú alkény, acetylény, diény, aromáty a tlakom. Preto je vyšší tlak i z kinetického dôvodu pri krakovaní nežiaduci. Nežiaduce sú aj kondenzácie so vznikom koncentrovanej kvapalnej fázy. Preto sú kondenzácie, pri ktorých napokon vzniká koks, ešte citlivejšie na výkyvy teplôt v reaktore a výmenníkoch. Výraznejšie sú molekulové kondenzačné reakcie, napríklad DielsAlderové syntézy. Postupne pri nich vznikajú polyény, polyaromáty, decht a koks.

Pri termickom krakovaní sa pravidelne ukladá koks na vnútornom povrchu reaktora. Názory na mechanizmus tvorby koksu nie sú ustálené. Pravdepodobne existujú dva mechanizmy. Podľa prvého sa koksotvorné látky adsorbujú priamo z plynnej fázy na aktívnych miestach povrchu a tu postupnými reakciami s radikálmi z plynnej fázy a nasledujúcimi polymerizáciami a kondenzáciami prechádzajúci až na koks. Podľa druhého prebiehajú tieto interakcie, polymerizácie a kondenzácie v plynnej fáze až po vznik aerosólu. Vytvorené kvapky sa usadzujú na povrchu a ďalšími reakciami prechádzajú na koks. V druhom prípade vzniká vláknitý koks. V druhom prípade závisí forma koksu od toho, či kvapky povrch zmáčajú alebo nie. Ak áno, vzniká pri ňom plocha amorfného koksu. Ak nie, vzniká globulárny (sferoidný) koks. Významnými prekurzormi sú vinylové a fenylové radikály a z nich vzniknuté polyény, polyacetylény a polyaromáty. Vplyv zloženia povrchov je významný. Výhodou redukovaného tlaku (nie pretlaku) v reaktore je, že sa obmedzuje priebeh sekundárnych reakcií plynných uhľovodíkov. Spôsob výroby alternatívnych nosičov energie druhej generácie (chemikálii, tuhých, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov) a tuhých uhlíkových materiálov v prietočnom krakovacom rúrkovom reaktore podľa predloženého riešenia predstavuje originálnu technológiu využívajúcu na výrobu kvalitných ekologických palív odpadné uhlíkové poiymérne materiály z komunálnych odpadov s univerzálnym použitím. Univerzálnosť rúrkového prietočného krakovacieho reaktora sa prejavuje predovšetkým vtom, že umožňuje recykláciu surovinovo rôznorodého materiálu, akými sú napríklad ojazdené pneumatiky, odpadové plasty, biomasa a komunálne odpady. Podľa vynálezu sa realizuje efektívny priebeh aj tým, že sa využíva odpadné teplo na predhrievanie vzduchu. Vzduch, pred vstupom do horákov sa ohrieva v rekuperátoroch. Ako ohrevné médium sa používajú spaliny. Odpadné procesové teplo sa využíva aj kpredohrevu vstupujúcej suroviny, ktorá odoberá teplo z olejového uzáveru.

Prednosťou spôsobu termického rozkladu podľa tohto vynálezu je aj jeho technická jednoduchosť v spojení reaktorovej krakovacej rúry s dávkovacím násypníkom cez vstupný olejový uzáver, pričom krakovací rúrkový reaktor v hornej čaetf vybavený dopravníkom tuhých produktov a vyberacím dopravníkom. Krakovací rúrkový reaktor je realizovaný tak, aby plynné a tuhé produkty mohli čo najrýchlejšie opustiť reakčnú zónu.

Tým sa zabraňuje ich prehrievaniu a priebehu sekundárnych reakcií vedúcich k vzniku koksu.

Spôsob termického rozkladu podľa vynálezu je energetický aj materiálovo nenáročný proces. Recykláciou uhlíkových polymémych odpadov sa chráni životné prostredie za súčasnej výroby kvalitných alternatívnych ekologických palív druhej generácie. Nahrádza sa tým časť fosílnych palív, hlavne ropy, ktorú mnohé krajiny (aj Slovensko) dovážajú zo zahraničia.

Ďalšie údaje o spôsobe výroby alternatívnych nosičov energie druhej generácie (chemikálii, tuhých, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov) a tuhých uhlíkových materiálov termickým krakovaním špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, biomasy, organických podielov komunálnych odpadov v univerzálnom krakovacom príetočnom rúrkovom reaktore, ako aj ďalšie výhody, sú zrejmé z príkladov prevedenia, ktoré však rozsah vynálezu neobmedzujú.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie ozrejmený pomocou obrázkov na výkresoch. Na obr. 1 je znázornené zariadenie na termický rozklad organického materiálu. Na obr. 2 je zobrazený detail olejového uzáveru a na obr. 3 je znázornený detail vodného uzáveru.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Technologický proces termického rozkladu uhlíkových materiálov sa realizuje v prietočnom krakovacom rúrkovom reaktore. Univerzálnosť rúrkového krakovacieho reaktora sa prejavuje predovšetkým vtom, že umožňuje recykláciu surovinovo rôznorodého materiálu, akými sú napríklad, ojazdené pneumatiky, odpadové plasty, biomasa a komunálne odpady. Technologické zariadenie sa skladá z troch sekcií : z dávkovacej časti, reaktorovej časti (horúca sekcia) a výstupnej časti (studená vyberacia sekcia). Krakovací prietočny rúrkový reaktor je schematicky znázornený na obrázku 1. Dávkovanie suroviny je umiestnené v dolnej časti prietočného krakovacieho rúrkového reaktora la. Zabezpečuje vstup suroviny cez dávkovací násypník 15, v spojení s dávkovacím špirálovým dopravníkom 16, v ktorom sa nachádza náplň rozkladného oleja tvoriaca vstupný hydraulický uzáver 8. Spojenie dávkovacieho špirálového dopravníka 16 a prietočného rúrkového krakovacieho reaktora 1a je pod uhlom od 90 do 125 stupňov. Dávkovanie suroviny zabezpečuje špirálový dávkovací dopravník 16 s elektrickým pohonom 18 dávkovacieho špirálového dopravníka.

Základom horúcej sekcie je prietočný krakovací rúrkový reaktor 1a umiestnený na ráme 32 pod uhlom 8 až 38 stupňov s horizontálnou rovinou. Rúrkový prietočný krakovací reaktor la je skonštruovaný z nehrdzavejúcej ocele o svetlosti do 550mm a dĺžke do 16,0 m, v ktorom sa nachádza špirálový dopravník 2 na dopravu suroviny a produktov pozdĺž rúrkového prietočného krakovacieho reaktora la. Pohon 3 špirálového dopravníka je uložený v spodnej časti reaktora. Ďalšími časťami horúcej sekcie sú ohrievacia pec 4 prvého stupňa rúrkového prietočného krakovacieho reaktora a ohrievacia pec 5 druhého stupňa rúrkového prietočného krakovacieho reaktora, ďalej plynový horák 12, predhrievač vzduchu 6, vstupný olejový uzáver 8 na vstupe suroviny a vodný chladič na tuhé zvyšky 7. Rúrkový prietočný krakovací reaktor má dva za sebou idúce stupne s rozdielnymi prevádzkovými teplotami. V prvej časti ohrievacej pece 4 sa udržuje teplota od 165 do 500°C, v druhej časti ohrievacej pece 5 je teplota 520 až 750°C pričom regulácia teploty závisí od vstupnej suroviny. Rúrkový prietočný krakovací reaktor je umiestnený v ohrievacej peci prvého 4 stupňa a ohrievacej peci druhého 5 stupňa rúrkového prietočného krakovacieho reaktora s tepelnou izoláciou. Rúrkový prietočný krakovací reaktor 1a je ohrievaný teplom horúcich spalín prúdiacich protismeme proti pohybu suroviny z plynového horáka 12 nachádzajúceho sa v ohrievacej peci 5 druhého stupňa. V plynovom horáku 12 sa po nábehu procesu so vzduchom spaľuje rozkladný plyn, ktorý vzniká termickým krakovaním nastrekovaných surovín. Spaliny z ohrievacej pece 4 prvého stupňa sa odvádzajú v mieste 11. Vedú sa cez predhrievač vzduchu 6 do komína 29.

Plynné štiepne produkty vznikajúce termickým krakovaním uhlíkových surovín opúšťajú rúrkový prietočný krakovací reaktor otvorom 13 v prvej časti. Rozkladný plyn vznikajúci v procese radikálového krakovania odchádza z rúrkového prietočného krakovacieho reaktora aj výstupom 14 v druhej časti reaktora. V telese rúrkového prietočného krakovacieho reaktora je v jeho spodnej časti otvor 17 pre vstup suroviny. V hornej časti reaktora je otvor 19 pre výstup tuhých produktov (koks, oceľové kordy z pneumatík). Vznikajúci rozkladný plyn sa z rúrkového prietočného krakovacieho reaktora prvým výstupom 13 a druhým výstupom 14, odvádza na kondenzáciu. Prechádza dvojstupňovým kondenzačným systémom. V prvom kondenzačnom stupni vstupuje do kvenčovacej kolóny. Pary rozkladného plynu sa ochladzujú kvenčovaním vznikajúcim rozkladným olejom na teplotu 65 až 80°C. V druhom kondenzačnom stupni sa pary plynných produktov ochladia na teplotu 30 až 35°C, kedy vykondenzujú hlavne uhľovodíky C₄ a C₅. V separátore sa oddelí voda od ľahkého vykurovacieho oleja. Vykondenzovaná voda sa zberá v medzisklade a vracia sa späť do technologického procesu. Rozkladné plyny sa komprimujú do zásobníkov. Po filtrácii a vytia ková n í sa používajú na spaľovanie v plynových horákoch krakovacej pece.

Sklon rúrkového prietočného krakovacieho reaktora 1a plní nasledujúce funkcie: prirodzeným spôsobom vytvára potrebný vstupný olejový uzáver 8 v dolnej časti krakovacieho rúrkového reaktora la; umožňuje ľahký a bezproblémový posun aj vstupnej suroviny formou drviny, štiepok a aj reakčných medziproduktov a produktov (koks, oceľové kordy) pozdĺž rúrkového prietočného krakovacieho reaktora la; zabezpečuje plynulý a ľahký prestup tepla a látky pre rozkladné plyny, kvapaliny a koks počas rozkladného procesu; umožňuje prirodzený tok zvyškových rozkladných olejov do olejového uzáveru.

V hornej výstupnej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora la sa nachádza vtláčací špirálový dopravník 20 tuhých produktov s pohonom 21 vtláčacieho špirálového dopravníka (koksu, oceľových kordov z ojazdených pneumatík) a vyberači špirálový dopravník 22 s pohonom 23. Medzi vtláčacím špirálovým dopravníkom 20 tuhých produktov a vyberacím špirálovým dopravníkom 22 sa nachádza výstupný vodný uzáver

9. Hladina 24 výstupného vodného uzáveru vytvára zábranu pre vstup vzduchu z vonkajšieho prostredia do inertného prostredia v reaktore. Prívod vody do výstupného vodného uzáveru je v mieste 25. Spojenie medzi dopravníkom 26 tuhých produktov a vyberacím skrutkovým dopravníkom 22 je pod uhlom 90 až 125 stupňov.

Vstupný olejový uzáver 8 umiestnený na vstupno-dávkovacej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora 1a a výstupný vodný uzáver 9 nachádzajúci sa na výstupnej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora sú podstatnými a nevyhnutnými súčasťami reakčného systému. Olejová a vodná náplň zabezpečujú hermetické uzavretie reakčného priestoru. Termický rozklad prebiehajúci vo vnútri rúrkového prietočného krakovacieho reaktora la sa tak uskutočňuje pri atmosférickom tlaku. Pri uvedenom usporiadaní sú hladiny oleja 10 a vody 24 stabilizované. Niekedy, počas náhleho uvoľnenia pár vznikajúcich produktov (bublinková teória rozkladného procesu) dochádza v reaktorovom priestore k pretlaku. Vďaka kvapalinovým uzáverom sa môže pretlak plynu uvoľniť do ovzdušia a tým zabrániť k zvýšeniu tlaku vznikajúcich plynov nad bezpečnú hranicu. Tým sa zabraňuje možnej deštrukcii, prípadne inému poškodeniu rúrkového prietočného krakovacieho reaktora la. Bezpečnostný systém napojený na kvapalinové uzávery 8 a 9, dokáže v prípade náhleho zvýšenia tlaku v reaktore okamžite odstaviť dávkovanie suroviny do reaktora a spustiť bezpečné odstavenie prevádzky tepelného krakovania.

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob termického rozkladu výroby alternatívneho kvapalného nosiča energie druhej generácie (chemikálii, plynných a kvapalných palív, vykurovacích olejov) a tuhých uhlíkových materiálov termickým krakovaním zo špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, papiera, textilu, biomasy a organických podielov komunálnych odpadov v zariadení na termický rozklad organických materiálov pomocou rúrkového prietočného krakovacieho reaktora podľa predloženého vynálezu je využiteľný hlavne pri recyklácii odpadných uhlíkových surovín v malej aj veľkej energetike. Umožňuje flexibilne využívať buď menšie zariadenia s ročnou spracovateľskou kapacitou do 20.000 ton postavené na zelenej lúke alebo veľkokapacitné zariadenia pri rafinériách spracovania ropy umožňujúcich ešte vo väčšej miere valorizovať získané produkty.

/T'S’OM'- 1j_

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob termického rozkladu organického materiálu zo špecifikovaných a/alebo zmesných odpadov z ojazdených pneumatík, plastov, papiera, textilu, biomasy a organických podielov komunálnych odpadov v inertnej atmosfére bez prítomnosti vzduchu/ kyslíka vyznačujúci sa tým, že termický rozklad prebieha kontinuálne v hermeticky uzavretom prietočnom zariadení na termický rozklad (1) tak, že upravený materiál vo forme drviny, odrezkov alebo štiepok o veľkosti do 350 mm sa dopravy do dávkovacieho násypníka (15), potom sa transportuje špirálovým dávkovacím dopravníkom (16) cez náplň rozkladného oleja (17) tvoriaci vstupný olejový uzáver (8) do prietočného krakovacieho rúrkového reaktora (1a) pomocou posúvacieho špirálového dopravníka (2), kde prebieha tepelné krakovanie materiálu v prietočnom krakovacom rúrkovom reaktore (1a) pri teplote 165 až 750°C atmosférickom tlaku od 100834,6675 Pa do 101815,3325Pa (t.j. pri atmosférickom tlaku od -50mm až do + 50mm vodného stĺpca) na plynné, kvapalné a tuhé produkty, ďalej prebieha transport plynných rozkladných produktov z prvej časti (1b) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora cez výstup (13) a výstupom (14) v druhej časti (1c) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora do kondenzačného systému, ďalej prebieha transport tuhých produktov do druhej časti (1c) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora pomocou špirálového dopravníka (2) cez vodný chladič (7) otvorom (19) pre výstup tuhých produktov do výstupného vodného uzáveru (9), tvoriaceho hydraulický uzáver, z ktorého sa tuhé produkty vyberajú vtláčacím dopravníkom (20) a špirálovým vyberacím dopravníkom (22).
2. 2. Spôsob termického rozkladu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že vyhrievanie rúrkového prietočného krakovacieho reaktora (1a) prebieha v ohrievacej peci (4) prvého stupňa (1b) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora a v ohrievacej peci (5) druhého stupňa (1c) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora prestupom tepla zo spalín, ktoré vznikajú spaľovaním privedeného vyčisteného studeného plynu z termického krakovania (30) s predhriatym vzduchom (27) z rekuperátora (6) v horáku (12).
3. 3. Spôsob termického rozkladu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že predhrievaniu východiskovej suroviny dochádza už v počiatočnej fáze dávkovania a to teplom z olejovej náplne (17), tvorenou vykondenzovanými vysokovriacimi podielmi rozkladného oleja z priestoru prvého stupňa (1b) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora, stekajúcimi samospádom.

   14 - 15
4. 4. Zariadenie na termický rozklad organického materiálu pre uskutočnenie spôsobu termického rozkladu podľa nárokov 1 a/alebo 2 a/alebo 3, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z rúrkového prietočného krakovacieho reaktora (1a), ktorý je umiestnený na ráme (32) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora pod uhlom 8 až 38 stupňov s horizontálnou rovinou, pričom v rúrkovom prietočnom krakovacom reaktore (1a) je umiestnený posúvací špirálový dopravník (2), ktorého spodná časť je ponorená do vstupného olejového uzáveru (8), pričom druhú časť (1c) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora uzatvára výstupný vodný uzáver (9).
5. 5. Zariadenie na termický rozklad organického materiálu podľa nároku 4, vyznačujúce sa tým, že prvá časť (1b) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora je umiestnená v ohrievacej peci (4) prvej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora a druhá časť (1c) rúrkového prietočného krakovacieho reaktora je umiestnená v ohrievacej peci (5) druhej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora, pričom na ohrievacej peci (4) prvej časti rúrkového prietočného krakovacieho reaktora je umiestnený predhrievač vzduchu (6) potrebný na spaľovanie plynu z termického krakovania (30) v horáku (12).
6. 6. Zariadenie na termický rozklad organického materiálu podľa nároku 4, vyznačujúce sa tým, že spojenie rúrkového prietočného krakovacieho reaktora (1a), s dávkovacím dopravníkom (16) cez vstupný olejový uzáver (8) je pod uhlom 90 až 125 stupňov, pričom rúrkový prietočný krakovací reaktor (1a) má v druhej časti vytvorený otvor (19) pre výstup tuhých častíc a vytvorené spojenie medzi vtláčacím špirálovým dopravníkom (21) a vyberacím dopravníkom (22) pod uhlom 90 až 125 stupňov.
7. 7. Zariadenie na termický rozklad organického materiálu podľa nároku 4, vyznačujúce sa tým, že plynné produkty z termického krakovania opúšťajú rúrkový prietočný krakovací reaktor (1a) výstupným otvorom (13) prvého stupňa rúrkového krakovacieho prietočného reaktora a výstupným otvorom (14) druhého stupňa rúrkového krakovacieho prietočného reaktora a tuhé produkty výstupným otvorom (19).