PL 194973 B1 - Recykling i Energia

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
PL
(21) Numer zgłoszenia: 354272
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
Urządzenie do pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych
15.12.2003 BUP 25/03
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.07.2007 WUP 07/07
PL 194973 B1
(51) Int.Cl.
F23G 5/027 (2006.01)
(22) Data zgłoszenia: 05.06.2002
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
(57)
194973
(13) B1
(11)
Urządzenie do pirolizy odpadowych tworzyw
sztucznych, pracujące pod ciśnieniem normalnym, podwyższonym lub obniżonym, składające się z reaktora ogrzewanego przeponowo,
dozownika odpadowych tworzyw sztucznych
oraz wylotu produktów pirolizy, przy czym reaktor posiada zamontowany wewnątrz komory
reakcyjnej co najmniej jeden element grzejny
w postaci rury grzejnej o kształcie krzywoliniowym o stosunku długości do średnicy co najmniej 10, korzystnie 50-250, znamienne tym,
że na wlocie rury grzejnej (7), w jej wnętrzu,
zamontowany jest palnik (13), przy czym korzystnie rura grzejna (7) podparta jest co najmniej jedną podporą (22).
(76) Uprawniony i twórca wynalazku:
Bogacka Izabella,Warszawa,PL
Lewandowski Stanisław,Warszawa,PL
Kubiak Ho-Chi Stefan,Konstancin Jeziorna,PL
(74) Pełnomocnik:
Bocheńska Joanna
2
PL 194 973 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych, pracujące
pod ciśnieniem normalnym, podwyższonym lub obniżonym.
W Polsce zużycie tworzyw sztucznych jest dużo mniejsze niż w krajach wysoko uprzemysłowionych, ilość odpadów tworzyw sztucznych powstających w kraju i wymagających utylizacji jest
znacznie większa, niż wynikałoby to z ilości przetwarzanych tworzyw. Na rynek krajowy trafia dodatkowo duża ilość opakowań towarów i wyrobów, często krótkotrwałego użytku. Wielkość ta jest trudna do
oszacowania, ale w sumie ilość odpadów tworzyw sztucznych nie jest mniejsza niż 500 - 800 tys.t/rok.
Opakowania z tworzyw sztucznych po wykorzystaniu prawie w 100% trafiają do odpadów komunalnych.
Problem wykorzystania odpadowych tworzyw sztucznych natrafia na problemy już na etapie ich
selekcjonowania. W Polsce do dziś nie skupuje się opakowań z tworzyw sztucznych w sposób systemowy. Są one razem z innymi odpadami kierowane na wysypiska. Selekcja śmieci na wysypiskach
w Polsce odbywa się w zasadzie wyłącznie w sposób ręczny. Forma odpadów, rodzaj i stopień ich
zanieczyszczenia zależą od źródła ich powstawania. Odpady z tworzyw sztucznych powstałe jako
poużytkowe z różnych dziedzin gospodarki są wspólnie gromadzone i wymagają oczyszczenia i rozdzielenia. Także zbieranie odpadów bezpośrednio u użytkownika nie gwarantuje ich czystości. Szczególnie uciążliwe i kosztowne jest jednak odzyskiwanie tworzyw z odpadów komunalnych, gdyż wymaga dużych nakładów na sortowanie i oczyszczanie. Podstawą każdego sposobu rozdzielania mieszaniny odpadów tworzyw sztucznych jest identyfikacja poszczególnych składników. W wielu ośrodkach
są prowadzone próby wykorzystania do tego celu np. spektrometrii masowej, spektroskopii fluorescencji rentgenowskiej, spektroskopii w bliskiej podczerwieni, spektroskopii neutronowej, metod
optycznych i termooptycznych. Niektóre z tych metod znalazły już zastosowanie praktyczne.
Wybór sposobu rozdziału zależy od tego, czy ma się do czynienia z odpadami w całości, kawałkach, czy też są to odpady już bardzo rozdrobnione. Odpady transportowane przenośnikiem są rozdzielane ręcznie przez załogę lub mechanicznie za pomocą specjalnych urządzeń optoelektronicznych. Po wstępnym rozdrobnieniu mieszaniny odpadów konieczne jest oddzielenie zanieczyszczeń,
możliwych do usunięcia za pomocą klasyfikatora powietrznego bądź magnesów (metale) oraz dalsze
rozdrobnienie. Kolejnym etapem jest usunięcie składników mineralnych cięższych od wody myjącej
(piasek, glina, ziemia), zanieczyszczeń zdolnych do flotacji (drewno, papier, tytoń) lub też składników
rozpuszczalnych (sole, tłuszcze, proszek mleczny). Odpady tworzyw sztucznych mogą też być rozdrabniane na mokro. Do segregacji tworzyw sztucznych wykorzystywane są różnice w niektórych ich
właściwościach fizycznych lub chemicznych, takich jak gęstość właściwa, stała dielektryczna, rozpuszczalność, zwilżalność, przewodność cieplna i dielektryczna, temperatura mięknienia itp. W metodzie flotacyjnej mieszanina typowych termoplastów opakowaniowych poddana flotacji rozdziela się na
pływającą frakcję poliolefinową (PE-HD, PE-LD i PP) oraz na frakcję opadającą (PVC, PS i PA). Wadą
tej metody jest brak rozdziału na poszczególne rodzaje tworzyw. Metoda rozdziału w hydrocyklonach,
działających na zasadzie dużej siły odśrodkowej jest metodą znacznie wydajniejszą, ale również ona
nie pozwala wyodrębnić poszczególnych polimerów. Metody, w których wykorzystuje się różnice gęstości są najczęściej stosowane do oddzielania poliolefin (PE i PP) od innych polimerów o większej
gęstości, natomiast rozdział PVC od PET bądź PE od PP za pomocą tej techniki jest już zupełnie niemożliwy. Niekompatybilność termodynamiczna tworzyw, będąca przyczyną ich ograniczonej mieszalności, stwarza możliwość rozdzielenia tworzyw na drodze selektywnego rozpuszczania. (Rensselaer
Polytechnic Institute, Troy, Nowy Jork). Istota metody polega na sukcesywnym rozpuszczaniu przez
rozpuszczalnik kolejnych składników mieszaniny tworzyw. Metodą tą stopniowo odzyskuje się zawarte
w mieszaninie polimery.
Ogólnie można wyróżnić trzy metody ponownego wykorzystania odpadów tworzyw sztucznych:
recykling materiałowy, tj. ponowne, bezpośrednie przetwarzanie odpadów bez stosowania procesów
chemicznych z uzyskaniem materiału stanowiącego pełnowartościowy surowiec do dalszego przetwarzania, recykling surowcowy tj. degradacja cząsteczek na frakcje o mniejszej masie cząsteczkowej,
które mogą być następnie ponownie użyte jako monomery lub surowce do wytwarzania innych lub
takich samych produktów chemicznych i recykling termiczny, tj. spalanie odpadów tworzyw sztucznych
z odzyskaniem zawartej w nich energii.
Recyklingowi termicznemu mogą być poddawane wszystkie rodzaje tworzyw sztucznych, dodatkowo nie zachodzi potrzeba ani wstępnej segregacji odpadów, ani ich oczyszczania. Termiczny
recykling odpadów tworzyw sztucznych polega na destruktywnej konwersji polimerów, zawartych
PL 194 973 B1
3
w tych tworzywach, do związków małocząsteczkowych i użyciu ich jako surowców chemicznych lub
paliw. Można wyróżnić cztery podstawowe procesy jednostkowe i są to: piroliza, hydrokraking, zgazowanie i spalanie.
Piroliza jest procesem termicznej degradacji związków wielkocząsteczkowych i przebiega bez
dodatku innych surowców chemicznych. Metoda ta jest o tyle ciekawa, że nie tworzą się odpadowe
popioły a jedynie koksik wytlewny, będący niskokalorycznym, wysoko popiołowym paliwem lub dodatkiem stosowanym w przemyśle budowlanym. Budowa nowych instalacji do pirolizy odpadów tworzyw
sztucznych jest przedsięwzięciem wymagającym znacznych nakładów inwestycyjnych, wynikających
nie tylko ze skomplikowanej konstrukcji reaktora do pirolizy, ale głównie układu do odbioru, oczyszczania i kondensacji produktów lotnych. W literaturze opisano liczne instalacje badawcze, pilotowe
i demonstracyjne do pirolizy odpadów, w których dokonuje się odzysku lotnych produktów pirolizy,
stosowanych częściowo lub całkowicie do ogrzewania pieca do pirolizy. Do prowadzenia procesu
wykorzystuje się różne typy reaktorów, głównie obrotowe piece bębnowe, piece tunelowe lub pionowe
reaktory ze złożem ruchomym albo fluidalnym. W niektórych przypadkach, w razie braku bezpośrednich powiązań z odbiorcami, uzyskiwany w procesie gaz opałowy wykorzystuje się po oczyszczeniu
do ogrzewania pieca do pirolizy i/lub spala w pochodni. Odpady komunalne najczęściej spalane są
w paleniskach rusztowych, niezbyt dogodnych w przypadku tworzyw sztucznych ze względu na oklejanie rusztu termoplastycznymi polimerami. Korzystniejsze jest więc stosowanie pieców rurowych
obrotowych, w których zachodzi piroliza odpadów, połączona z równoczesnym spalaniem jej lotnych
produktów pod kotłami parowymi. Spalanie można też prowadzić w paleniskach ze złożem fluidalnym
(800-900°C). Spalanie odpadów tworzyw sztucznych w konwencjonalnych instalacjach do spalania
śmieci nie rozwiązuje problemu, ponieważ mogą temu procesowi towarzyszyć emisje gazów toksycznych, szkodliwych dla środowiska. Ponadto instalacje do spalania odpadów są bardzo kosztowne, jak
również w przypadku przestoju czy awarii ponowny ich rozruch wymaga czasu i nakładów.
Ograniczona liczba wysypisk, zwiększająca się ilość odpadów, wzrost cen składowania, a także
protesty mieszkańców przeciw zakładaniu nowych sprawiają, że coraz większa ilość odpadów trafia
do spalarni. Chociaż spalarnie skutecznie przyczyniają się do redukcji objętości odpadów, są jednak
źródłem znacznego zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Krytyce poddawane jest szczególnie
spalanie odpadów z PVC i towarzyszące temu procesowi wydzielanie HCI i związków chloroorganicznych, szczególnie silnie toksycznych dioksyn. Dioksyny, od czasu wypadku w Seveso w 1976 r. oraz
wykrycia ich w popiołach lotnych i gazach holenderskiej spalarni śmieci w 1977 r., stały się centralnym
punktem wszelkich dyskusji ekologicznych.
Dotychczas nie znaleziono skutecznej metody utylizacji frakcji tworzyw z odpadów, która przy
niskich nakładach finansowych, nawet w małej skali, dawałaby produkty, które można by z powodzeniem zastosować w innych dziedzinach gospodarki.
Proces pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych jest procesem wymagającym dużych nakładów energetycznych. Z tego powodu znane dotychczas reaktory do pirolizy ogrzewane są przeponowo poprzez zewnętrzny płaszcz grzejny, ogrzewany gorącymi spalinami. W reaktorach tych dąży się
do jak największej powierzchni grzejnej w celu jak najszybszego ogrzania mieszaniny tworzyw sztucznych do wysokiej temperatury, rzędu minimum 500°C. Przyjęto niepodważalną dotychczas zasadę, że
powierzchnia grzejna powinna być jak największa. Proces rozkładu, fragmentacji węglowodorów jest
dość silnie endotermiczny - bardzo energochłonny. Dlatego prowadzi się go w podwyższonej temperaturze przy możliwie dużej różnicy temperatur między ścianką elementu grzejnego a masą reagujących
węglowodorów. Jednakże przekroczenie temperatury 500°C sprzyja tworzeniu się koksu i tendencja ta
ostro nasila się ze wzrostem temperatury i wydłużeniem czasu jej trwania. Stanowi to przykre ograniczenie i zmusza do stosowania małych stężeń węglowodorów w gazach inertnych albo w przypadku
cieczy, intensywnego mieszania z użyciem pomp obiegowych i mieszadeł mechanicznych. Oczywiście
nie eliminuje to narastania warstwy koksu na powierzchni grzejnej a jedynie zmniejsza tempo jej zakoksowania. Proces ten jest szczególnie istotny w przypadku pirolizy węglowodorów zawierających
wielkocząsteczkowe polimery, których niewielki już dodatek gwałtownie zwiększa lepkość masy i w efekcie
przy intensywnym przepływie ciepła sprzyja narastaniu koksu na ściance przekazującej ciepło. Hamuje
to szybkość pirolizy, mimo intensywnego mieszania. Jednocześnie zmienia skład produktów pirolizy.
Znany jest również układ do pirolizy z zastosowaniem reaktora fluidalnego o wysokości 2 m
z ogrzewaniem przeponowym w temp. 700-800°C przy użyciu piasku jako stałego nośnika ciepła.
Ogrzewanie przeponowe realizuje się poprzez umieszczenie we wnętrzu reaktora wężownicy ogrzewanej od wewnątrz gazami spalinowymi. Wężownica ta ma kształt rury o dużej średnicy tak, aby po-
4
PL 194 973 B1
wierzchnia grzejna była jak największa. Rozwiązanie takie może być zastosowane wyłącznie w konstrukcji reaktorów fluidalnych.
Znane jest z opisu GB 2274908 urządzenie do pirolizy odpadowych opon samochodowych.
Urządzenie to zawiera wewnątrz komory reakcyjnej krzywoliniową rurę grzewczą do ogrzewania przeponowego wnętrza reaktora. Źródłem ciepła jest gorące powietrze wytwarzane przez palnik. Powietrze
to ma temperaturę na wlocie do rury około 1300°C. Temperatura panująca w reaktorze maksymalnie
może wynosić 400°C a więc proces prowadzony jest poniżej temperatury powstawania koksu. Reaktor
przystosowany jest do pracy okresowej.
Znane jest z opisu EP0947573 urządzenie do otrzymywania olejów z odpadowych tworzyw
sztucznych. Urządzenie zawiera dwukrotnie wygiętą rurę grzewczą oraz dwie strefy grzania. Rura
zasilana jest gorącym powietrzem wytwarzanym w generatorze. Powietrze to na wejściu do rury grzejnej ma temperaturę około 1300°C, temperatura powietrza w trakcie jego przepływu przez rurę spada
liniowo. W trakcie przenikania przez ściany rury grzejnej i ogrzewania wnętrza reaktora temperatura
we wnętrzu reaktora wynosi 400°C w części górnej rury i 250°C w części dolnej rury. Proces ten jest
prowadzony poniżej temperatury powstawania koksu. Stosunek długości rury do jej średnicy wynosi,
co najmniej 10. Reaktor zaopatrzony jest w dozownik odpadowych tworzyw sztucznych oraz wylot
produktów pirolizy. Reaktor przystosowany jest do pracy ciągłej.
Znany jest z opisu EP1101811 reaktor do regeneracji produktów odpadowych zawierający wewnątrz komory reakcyjnej rurę krzywoliniową jako element grzewczy. Rura ogrzewana jest od wewnątrz gorącym powietrzem Ogrzewanie prowadzi się do temperatury wymaganej do rozkładu produktów odpadowych a więc poniżej 400°C. Reaktor przystosowany jest do pracy okresowej.
Nieoczekiwanie stwierdzono, że ścianki elementów grzejnych ukształtowanych rurowo nie zarastają warstwą koksu, jeśli umieścić je w płynnej masie depolimeryzowanych tworzyw sztucznych
a wnętrze rury ogrzewać bezpośrednio płomieniem palnika. Co najmniej jedna rura grzejna zamontowana jest wewnątrz komory reakcyjnej pirolizera, przy czym rura ta ma kształt krzywoliniowy a stosunek jej długości do średnicy wynosi co najmniej 10, korzystnie 50-250. Korzystnie rura podparta jest
co najmniej jedną podporą. Na wlocie rury grzejnej, w jej wnętrzu, zamontowany jest palnik. Proces
zakoksowania ścianek nie zachodzi mimo silnego obciążenia cieplnego ścianki rur. Badając proces
wysunięto przypuszczenie, że za mechanizm ten odpowiedzialne są drgania wywołane niejednoczesnym spalaniem paliwa w rurowym elemencie grzejnym. W efekcie rozprowadzenie ciepła w ogrzewanej masie jest bardzo szybkie a przegrzana warstwa przyścienna depolimeryzatu jest niezwykle
szybko rozprowadzana co uniemożliwia koksowanie a jednocześnie nie dopuszcza do przegrzewania
się powierzchni mimo nasilonego przepływu ciepła. Drgania te wzmacniane są w rurze - efekt tuby –
a ich energia konsumowana jest w wyniku samoistnego intensywnego mieszania przy ściance elementu grzejnego. Przypadkowe nierówności warstwy przyściennej depolimeryzatu, jego zmienna lepkość oraz krzywoliniowy przebieg rury grzejnej powodują, że aparatura nie wpada w rezonans. Z kolei
wykonanie elementu grzejnego w postaci rury o dużej smukłości (wysoki stosunek długości rury do jej
średnicy) zapewnia powstawanie drgań i brak efektu osadzania się koksu na elemencie grzejnym.
Ponadto zaletą urządzenia według wynalazku jest to, że nawet jeśli element grzejny ulegnie częściowemu zakoksowaniu, to usunięcie tej warstwy jest znacznie prostsze lub można doprowadzić urządzenie do pełnej sprawności cieplnej przez wymianę rury grzejnej, która jest elementem tanim i prostym w wykonaniu i wymianie.
Polimery użytkowe kształtuje się w formę pojemników i folii. Zajmują one dużo przestrzeni
transportowo - magazynowej. Dlatego bardzo wygodne jest podzielenie przerobu na dwa etapy: Etap l
- wytworzenie stopu tworzyw sztucznych, Etap Il - wykorzystanie stopu do depolimeryzacji. Jeśli stapianie prowadzi się w wysokiej temperaturze, to przy okazji usuwa się prawie w całości związane
i zaabsorbowane zanieczyszczenia takie jak; woda, tlenki węgla, chlorowodór, itp. Ponadto taki stop,
jako materiał jednolity ułatwia zautomatyzowanie procesu. Rura grzejna powinna być zanurzona
w cieczy reakcyjnej a płomień z palnika najlepiej wdmuchiwać bezpośrednio do jej wnętrza lub też
płomień wytwarzać bezpośrednio w niej, przy czym rura grzejna nie powinna opierać się bezpośrednio
na ściance aparatu, gdyż tarcie drgających elementów może doprowadzić do jej uszkodzenia a jednocześnie jej drgania przenoszą się na całą aparaturę.
Urządzenie według wynalazku może pracować pod ciśnieniem normalnym, podwyższonym lub
obniżonym. Można również projektując instalację do przerobu tworzyw sztucznych połączyć dwa
urządzenia według wynalazku w sposób równoległy, tak, aby częściowo zawracać skroplone produkty
pirolizy z pierwszego urządzenia do drugiego urządzenia, przy czym zasady budowy i funkcjonowania
PL 194 973 B1
5
obu aparatów są analogiczne. Korzystne jest, aby jeśli pierwsze urządzenie według wynalazku pracuje pod ciśnieniem normalnym, drugie urządzenie pracowało pod ciśnieniem podwyższonym.
Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia urządzenie z rurą grzewczą w kształcie litery S, Fig. 2 przedstawia urządzenie z rurą grzewczą w kształcie
litery U oraz zamocowaną przegrodą, Fig. 3 przedstawia urządzenie z dwiema rurami grzewczymi,
jedna rura ma kształt litery U, druga rura jest trzyzwojowa, Fig. 4 przedstawia urządzenie z rurą
grzewczą w postaci trzyzwojowej helisy, Fig. 5 przedstawia urządzenie zawierające dwa aparaty, przy
czym pierwszy aparat wyposażony jest w rurę grzewczą w kształcie spirali trzyzwojowej a drugi aparat
wyposażony jest w rurę wygiętą w kształcie zbliżonym do litery Z, Fig. 6 przedstawia urządzenie
z dwuzwojową rurą grzewczą przymocowaną w pokrywie górnej, Fig. 7 przedstawia urządzenie z rurą
grzewczą zwiniętą w kształt przypominający okrąg.
Poniższe przykłady ilustrują bliżej urządzenie według wynalazku nie ograniczając jego zakresu.
Figura 1 przedstawia urządzenie 1 w kształcie cylindra zbudowane z rury długości 2000 mm
o średnicy 1626 mm i grubości ścianki 3 mm, obustronnie zakończonej kołnierzem 2 służącym do
przymocowania pokryw. W pokrywie przedniej 3a i tylnej 3b wykonano po dwa otwory. W pokrywie
przedniej znajdował się otwór 4a o średnicy 105 mm do zamocowania wlotu rury grzejnej 7 oraz otwór
5a służący do zasilania mieszaniną tworzyw sztucznych (średnica 120 mm) połączony z pompą 6
(podajnik ślimakowy). W pokrywie tylnej 3b wykonano jeden otwór 4b służący do zamocowania wylotu
rury grzejnej 7 o średnicy 105 mm a drugi 5b do zamocowania rury odprowadzającej opary 8 o średnicy 105 mm. Wylot rury oparowej połączono z przestrzenią rurową chłodnicy rurkowej 9, chłodzonej
przeciwprądowo zimną wodą. Wylot chłodnicy 9 połączono z separatorem 10. Skropliny z separatora
10 odprowadzano do zbiornika 11 a gazy do pochodni 12 celem spalenia. Rura grzejna 7 zamocowana w urządzeniu 1, miała długość 2300 mm i średnicę 114,3 mm, była wygięta w środkowej części
w kształt litery S a na jej wlocie znajdował się palnik 13. Urządzenie 1 naprzemiennie zaizolowano
czterema warstwami wełny mineralnej i folii aluminiowej - grubość wełny 40 mm.
Do aparatu załadowano 1200 kg uprzednio przygotowanego w temp. 160°C stopu tworzyw
sztucznych o składzie 66% - polietylen, 30% - polipropylen, 4% - polistyren a następnie uruchomiono
palnik 13 (R-20 firmy GIERSCH) z zamontowaną dyszą 0,75, zasilany paliwem płynnym. Wylot palnika 13 zamocowano we wlocie rury grzejnej 7. W podanych warunkach palnik uzyskiwał moc 28,5 kW.
Po wykonaniu tych czynności ogrzewano urządzenie 1 do uzyskania śladów destylatu w separatorze
10 za chłodnicą 9. Czas ogrzewania 24 godz. Włączono wodę na chłodnicę 9 i uruchomiono zasilanie
urządzenia 1 mieszaniną tworzyw sztucznych o składzie 66% - polietylen, 30% - polipropylen, 4% polistyren, w tempie 50 kg/godz. Tempo odbioru destylatu narastało przez 8 godz., po czym utrzymywało się na stałym poziomie 47-48 kg/godz. Równolegle narastało tempo wydzielania się nie skroplonych
gazów, które skierowano do palnika 12 pochodni - pochodnię zapalono. Proces prowadzono 60 godz., po
czym ogrzewanie wyłączono a zasilanie tworzywami zatrzymano. Po 90 min. destylacja ustała a wydzielanie się gazów zmalało tak, że palnik pochodni 13 zgaszono. Po kolejnych 60 godz. urządzenie 1
wystygło na tyle, że można było odkręcić pokrywy 3a i 3b i usunąć zawartość urządzenia. Na ściankach urządzenia 1 i rurze grzejnej 7 nie znaleziono warstwy koksu. W zakrzepłym stopie na dole była
niewielka ilość ciemnego osadu. Oszacowano, że jest go 11 l łącznie ze stopem. Koks ten powstał
głównie z wprowadzonych papierów (węglowodanów).
Bilans procesu
Zużyto
Stopu tworzyw wsadowych
Mieszaniny tworzyw
Ponadto zużyto paliwa:
Na podgrzanie
Na bieg procesu
Uzyskano
1200 kg
3000 kg
55,4 kg
156,4 kg
Stopu tworzyw pozostałych
1200 kg
Organicznego destylatu
2890 kg
Ponadto uzyskano:
Destylatu wodnego
7 kg
Obliczono ilość gazu spalonego w pochodni 10 kg
Wydajność procesu: 2890 : 3000 x 100 = 96,3%
Figura 2 przedstawia urządzenie 1 o kształcie cylindra wykonanego z rury długości 2000 mm,
średnicy 1626 mm, o grubości ścianki 3 mm, obustronnie zakończonego kołnierzem 2 służącym do
przymocowania pokryw 3a i 3b. Urządzenie 1 zaizolowano wełną mineralną i folią aluminiową. W pokrywie przedniej 3a u góry znajdował się otwór wylotowy 5c do odbioru oparów o śr. 60 mm a obok
otwór do zasilania mieszaniną tworzyw sztucznych 5a o śr. 120 mm, u dołu dwa otwory o śr, 115 mm.
Wlotowy 4a /niżej/ i wylotowy 4b /wyżej/ do przymocowania rury grzejnej 7 wygiętej w kształt litery U.
PL 194 973 B1
6
Rura grzejna 7 miała długość 4,25 m, śr.114,3 mm, grubość ścianki 4,5 mm. Na wlocie rury grzejnej 7
zamontowano palnik 13. W pokrywie tylnej 3b znajdował się otwór wylotowy do odbioru oparów 5b.
Wewnątrz urządzenia 1 wspawano przegrodę 14 wykonaną z płata blachy w kształcie okręgu o średnicy 1620 mm z odciętą od dołu linią poziomą częścią koła - wysokości 700 mm. Przegrodę tę wspawano w odległości 700 mm od przedniej pokrywy. Spowodowało to podzielenie urządzenia na dwie
komory, których przestrzenie oparowe nie kontaktowały się ze sobą dopóki poziom cieczy w zbiorniku
przewyższał 700 mm. Otwór zasilający 5a przedniej pokrywy połączono z pompą - podajnikiem ślimakowym 6 a otwór wylotowy 5c z aparatem skraplająco - odkwaszającym oparów 15. Otwór wylotowy
5b pokrywy tylnej 3b połączono rurą oparową 8b z krótką chłodnicą płaszczową 16, dalej separatorem
10a z zamknięciem syfonowym, układem skraplająco - rozdzielczym 17 zakończonym separatorem
10b, następnie rurkową chłodnicą skraplającą 9 zakończoną separatorem 10c, którego odpowietrzenie połączono z retencyjnym zbiornikiem gazu 18 pojemności max. 480 l. Do tego samego zbiornika
podłączono odpowietrzenie aparatu skraplająco - odkwaszającego 15. Gromadzące się w tym zbiorniku gazy spalano w silniku 19 napędzającym prądnicę 20 z wydechem zakończonym katalizatorem.
W separatorach zamontowano termometry pomiarowe. Skropliny z separatorów kierowano do zbiorników 11a, 11b i 11c. Do urządzenia 1 załadowano 1200 kg uprzednio przygotowanego stopu tworzyw
sztucznych krzepnącego w temperaturze ok. 115°C. Następnie uruchomiono palnik 13 (R - 20 firmy
GIERSCH) z zamontowaną dyszą 1,5 zasilany paliwem płynnym. Wylot palnika zamocowano we wlocie rury grzejnej 7. W podanych warunkach palnik osiągał moc 57,0 kW. Po wykonaniu tych czynności
ogrzewano aparat do pojawienia się skroplin w pierwszym separatorze 10a za krótką chłodnicą 16.
Czas ogrzewania wynosił 13 godz. Uruchomiono studzenie aparatury i mieszanie w aparacie skraplająco - odkwaszającym 15 a następnie rozpoczęto zasilanie urządzenia mieszaniną tworzyw sztucznych w tempie 125 kg/godz. Tempo odbioru destylatu narastało przez ok. 6 godz. a następnie malało
i po kolejnych 4 godzinach ustabilizowało się. Temperaturę mierzoną w separatorach regulowano tak,
by wynosiła odpowiednio w pierwszym 350 - 330°C, w drugim 160 - 170°C i w trzecim 10 - 12°C.
Spowodowało to podział destylatu na frakcje o temperaturach wrzenia: ponad 330°C - 17,5 kg/godz.,
340 - 165°C - 80,0 kg/godz., 165 - 11°C - 20,5 kg/godz. Równolegle narastało tempo wydzielania gazów nie skroplonych zarówno z aparatury odkwaszającej jak i wykraplającej. Gazy te zbierano
w zbiorniku retencyjnym 18, ale dopiero po odebraniu łącznie ok. 40 kg destylatu. Po zapełnieniu
zbiornika w ok. 30% gazy podłączono do silnika prądnicy i uruchomiono ją. Moc użyteczna generowana przez prądnicę, pomijając początkowe 10 godzin pracy wynosiła 20,2 kW - 20,4 kW. Proces prowadzono 120 godzin licząc od momentu rozpoczęcia podawania tworzyw sztucznych, czyli 133 godziny od momentu uruchomienia palnika, po czym wyłączono kolejno ogrzewanie i zasilanie tworzywami
sztucznymi. Po kolejnej godzinie odłączono silnik prądnicy a po następnych 35 minutach chłodzenie
i aparaturę odkwaszającą. Połączenia aparatury ze zbiornikiem gazu odłączono, przy czym połączenie z aparaturą odkwaszającą zaślepiono tak by był tylko jeden wlot napowietrzający aparaturę, po
czym zostawiono całość do wystudzenia na 60 godzin. Następnie aparaturę przedmuchano azotem
usuwając gazy palne i pozostawiono na kolejne 20 godzin, po czym rozmontowano urządzenie 1 usuwając
stop tworzyw sztucznych. Na ściankach aparatu i rurze grzejnej nie znaleziono warstwy koksu. W zakrzepłym stopie na dole była warstwa ciemnego osadu. Oszacowano jej ilość na ok. 50 l. Po analizie średniej
próbki stwierdzono że znajduje się w niej 19% substancji nie rozpuszczalnych na gorąco w ksylenie a więc
był to koks zawierający popiół. Wyprażenie z dostępem powietrza dało 47% białego popiołu.
Bilans
Zużyto
Uzyskano
Stopu tworzyw
Mieszaniny tworzyw o składzie
jak w przykładzie 1
Ponadto zużyto paliwa:
Na podgrzanie
Na bieg procesu
1200 kg
Stopu tworzyw
1200 kg
15000 kg
Parafinowa frakcja
2100 kg
50,4 kg
620,0 kg
Olejowa frakcja
Benzynowa frakcja
Energii elektrycznej
Obliczona ilość gazów
Zawartość odkwaszacza
w tym fazy organicznej
przybyło fazy wodnej
9600 kg
2460 kg
2520 kWh
527 kg
463 kg
261 kg
52 kg
roztwór 10% NaOH do odkwaszania
150 kg
PL 194 973 B1
7
Wydajność węglowodorów płynnych i stałych 96,14% liczona na wsadowe tworzywa sztuczne.
Figura 3 przedstawia urządzenie 1 w kształcie cylindra wykonane z rury o długości 4000 mm,
średnicy 1626 mm, grubość ścianki 3 mm obustronnie zakończonego kołnierzem 2 służącym do przymocowania pokryw 3a i 3b. Pokrywy wykonano z blachy grubości 8 mm. Urządzenie zaizolowano
wełną mineralną i folią aluminiową trzykrotnie warstwą grubości po 40 mm. Urządzenie 1 podzielono
na cztery komory poprzez wspawanie od góry wewnątrz trzech przegród 14 z płatów blachy - okręgów
z wycięciem części koła od dołu. Średnica okręgu 1620 mm, wycinek koła wysokości 700 mm. Przegrody wspawano w odległości od przedniej pokrywy 700 mm, 1400 mm i 2000 mm. Spowodowało to,
że powstało jedno urządzenie czterokomorowe długości całkowitej ok. 4000 mm. W pierwszej przegrodzie u góry możliwie blisko ściany urządzenia wykonano okrągły otwór przepływowy 21, średnicy
60 mm celem połączenia komory pierwszej z drugą. Ze środkowej najmniejszej komory zrobiono
osobne wyprowadzenie oparów 5c poprzez wspawanie w ścianę urządzenia rury 8a średnicy 60 mm
zakończonej kołnierzem. W pokrywie przedniej 3a u góry wykonano otwór wylotowy oparów 5c i obok
zasilający 5a - oba o średnicy 120 mm. Odległość między krawędziami otworów wynosząca 240 mm
umożliwiała swobodne przymocowanie kołnierzy rur zasilającej 5a i oparowej 5c. W dolnej części pokrywy przedniej wykonano dwa otwory średnicy 105 mm - jeden wlotowy 4a z zamocowanym palnikiem 13 a drugi - wylotowy 4b. Oba otwory wykonano w odległości 100 mm od ściany urządzenia,
umożliwiającej dokręcenie kryz rury grzejnej i przymocowanie pokrywy. Rura grzejna 7a wygięta była
w kształt litery U o długości 4,25 m, średnicy 114,3 mm i grubości ścianki 4,5 mm. Odległość między
środkami otworów 4a i 4b 686 +\- 1 mm. W pokrywie tylnej u góry znajdował się otwór wylotowy oparów 5b średnicy 150 mm, poniżej dwa otwory średnicy 105 mm do zamocowania rury grzejnej 7b.
Rurę grzejną 7b wykonano poprzez zespawanie odcinków wygiętych w kształt litery U uzyskując trzy zwoje. Całkowita długość rury 7b 11,0 m, średnica 114,3 mm, grubość ścianki 4,5 mm. Obie
rury grzejne 7a i 7b podparto, by nie opierały się o dno urządzenia 1, podpórkami 22 umieszczonymi
w odległości 130 cm od pokrywy, przy czym rurę grzejną 7b podparto na obu ramionach. Opary
z otworu w pokrywie przedniej skierowano rurą oparową 8a śr 114,3/4,5 do aparatu skraplająco - odkwaszającego 15 chłodzonego płaszczowo o pojemności całkowitej 600 I zaopatrzonego w mieszadło
i spust dolny. Odpowietrzenie aparatu skierowano do zbiornika retencyjnego gazów 18. Opary ze
środkowej komory odprowadzono rurą 8c o średnicy 60 mm, grubość ścianki 2 mm do kolumny 23
z wypełnieniem z siatki metalowej. Kolumnę 23 wykonano z rury śr. 200/2 wysokości 200 cm. Doprowadzenie oparów od dołu, odpowietrzenie od góry do retencyjnego zbiornika gazów 18. Przeciwprądowo zasilano tę kolumnę zimnym roztworem o początkowym stężeniu 2% węglanu sodu. Roztwór
spływał do zamkniętego stalowego zbiornika 24 pojemności 500 l studzonego wężownicą gdzie gromadziły się również skropliny. Pompa obiegowa pobierała roztwór z dna zbiornika a gromadzące się
skropliny organiczne okresowo usuwano. Opary uchodzące przez otwór w pokrywie tylnej kierowano
rurą oparową 8b śr.150 /3,5 kolejno do krótkiej - 1 m długości - chłodnicy płaszczowej 16 zakończonej
separatorem 10a, dalej do kolumny 17 śr. 800 mm, wysokości 6 m z wstawioną do środka wężownicą
2
wodną o powierzchni 6 m z odprowadzeniem do separatora 10b i w końcu do chłodnicy rurkowej 9
2
powierzchni 6 m studzonej wodą o temp. 5 do 6°C zakończonej separatorem 10c. Nie skroplone opary kierowano tak jak i poprzednie do zbiornika retencyjnego gazów 18. Gazy te spalano następnie
w silniku spalinowym 19 prądnicy 20. We wszystkich separatorach umieszczono termometry a gromadzące się w nich skropliny kierowano do zbiorników 11 a, 11b i 11c.
Do aparatu załadowano 2400 kg uprzednio przygotowanego stopu tworzyw sztucznych krzepnących w temperaturach 115 - 130°C. Następnie uruchomiono dwa palniki 13a i 13b (R-20 firmy
GIERSCH) każdy z dyszą 1,5 i zasilane paliwem płynnym. Wyloty palników zamocowano we wlocie
rur grzejnych 7a i 7b. Łączna moc wyzwalana w tym momencie przez palniki wynosiła 114 kW. Aparaturę ogrzewano przez 12 godz., po czym palniki wyłączono i zdemontowano. Zmieniono dyszę palnika
13a pokrywy przedniej na 2,0 a palnika 13b pokrywy tylnej na 3,0. Palniki uruchomiono i wstawiono
ich wyloty do rur grzejnych, po czym uruchomiono zasilanie tworzywami poprzez pompę ślimakową 6
podłączoną do otworu 5a w pokrywie przedniej 3a. Tempo zasilania 500 kg/h. Następnie uruchomiono
mieszadło w aparacie odkwaszająco - skraplającym 15, pompę obiegową kolumny skraplającej 17
i chłodzenie całości aparatury. W tym czasie odpowietrzenia nie były podłączone do zbiornika retencyjnego gazów 18. Po ok. godzinie od momentu ponownego uruchomienia ogrzewania zaobserwowano pierwsze krople destylatu a po następnych 2 godzinach destylacja biegła w pełni we wszystkich
punktach aparatury. Wtedy podłączono odpowietrzenia do zbiornika gazów i po napełnieniu go w 30%
PL 194 973 B1
8
uruchomiono silnik napędzający prądnicę. Po 12 godz. od momentu zmiany dysz w palnikach pracę
aparatury ustabilizowano. Parametry były następujące:
Separator pierwszy:
330°C - 68,0 kg/h
Separator drugi:
340-165°C - 324,0 kg/h
Separator trzeci:
165-11°C - 80,0 kg/h
Moc prądnicy:
82 - 83 kVV
Od tego momentu prowadzono proces przez 100 godz. po czym wyłączono zasilanie tworzywami i ogrzewanie, po 60 min silnik prądnicy a następnie odłączono odpowietrzenie aparatury odkwaszającej i kolumny skraplającej. Po kolejnych 30 min. wyłączono chłodzenie aparatu.
Bilans 100 godzin procesu
(skład mieszaniny tworzyw jak w urządzeniu przedstawionym na Fig. 1)
Zużyto
Mieszaniny tworzyw:
Roztwór odkwaszający:
10% NaOH
2% Na2CO3
ponadto zużyto paliwa
Uzyskano
50.000 kg
200 kg
200 kg
1.764 kg
Frakcja parafinowa
Frakcja olejowa
Frakcja benzynowa
6.800 kg
32.400 kg
8.000 kg
Energia elektryczna
8250 kWh
W porównaniu do urządzenia przedstawionego na Fig. 2 uzyskano zbliżone parametry za wyjątkiem minimalnie wyższej wydajności frakcji olejowej, czyli frakcji wrzącej w zakresie temperatur 340
- 165°C i dużo lepszego wykorzystania dostarczonej energii:
Urządzenie przedstawiono na Fig. 2 - 500 kg/h tworzyw - 20,16 kg/h paliwa
Urządzenie przedstawione na Fig. 3 - 500 kg/h tworzyw - 17,64 kg/h paliwa
Wynika stąd sprawność energetyczna procesu 71%.
Figura 4 przedstawia urządzenie 1 w kształcie cylindra wykonane z rury długości 2000 mm,
średnicy 1626 mm, grubość ścianki 3 mm, obustronnie zakończonej kołnierzem służącym do przymocowania pokryw 3a i 3b. Pokrywy z blachy grubości 8 mm. Całość wykonana ze stali 00H18N9. Urządzenie zaizolowano na przemian wełną mineralną i folią aluminiową - czterema warstwami każda grubości 40 mm. Urządzenie ustawiono na pokrywie dolnej - czyli w pozycji roboczej przypominało krótką
kolumnę dużej średnicy. W pokrywie dolnej 3b dwa otwory dużej średnicy 115 mm 4a i 4b do zamocowania rury grzejnej 7 oraz jeden otwór spustowy do zamocowania króćca spustowego zakończonego zaworem. Średnica otworu 40 mm, średnica króćca 50 mm, średnica zaworu kulowego 2 cale.
Rurę grzejną 7 zwinięto w trzyzwojową helisę opartą w dwóch miejscach na podporach 22, wykonanych z kątowników, przymocowaną kołnierzami do obrzeży otworów odpowiednio wlotowego 4a i wylotowego 4b. Rurę grzejną 7 wykonano z rury o średnicy 114,3 mm, grubości ścianki 6,3 mm, całkowita długość 14,20 m. W pokrywie górnej znajdowały się dwa otwory: załadowczy 5a (430 mm) i wylotowy dla oparów 5b (130 mm). Do otworu załadowczego przymocowano kołnierzowe trójnik z rury
457 mm, grubość ścianki 10,0 mm, jego boczny otwór połączono z podajnikiem ślimakowym 6 służącym do załadunku stopu tworzyw sztucznych z granulatora. Otwór wylotowy oparów 5b połączono
rurą 8 śr.133 mm, grubość ścianki 4,0 mm z aparaturą skraplającą składającą się z krótkiej chłodnicy
Liebiga 16 o powierzchni chłodzącej 0,2 m2, zakończonej separatorem 10a, z którego opary odprowadzono do krótkiej kolumny skraplająco - rozdzielczej 17 o pow. studzenia 6 m2 pracującej współprądowo o regulowanym studzeniu, zakończonej separatorem 10b połączonym ze skraplaczem oparów chłodnicą rurkową 9 o pow. 8 m2, zakończonym separatorem 10c. Nie skroplone gazy odprowadzano
do zbiornika retencyjnego gazów 18 poj. 480 l połączonego z silnikiem generatora prądu elektrycznego. W separatorach dokonywano pomiaru temperatury oparów i studzeniem regulowano tak, by temperatura w separatorze za chłodnicą wynosiła 340 - 330°C, za kolumną współprądową 150 - 170°C,
za skraplaczem ok.15°C. Ciecz zbierającą się w separatorach odprowadzano do zbiorników 11a, 11b i 11c.
Do aparatu załadowano 1.000 kg uprzednio przygotowanego granulatu stopionych tworzyw
sztucznych krzepnącego w temp. ok. 120°C. Następnie uruchomiono palnik 13 (R-20 firmy GIERSCH)
zasilany paliwem płynnym z zamontowaną dyszą 0,75. Wylot palnika zamocowano we wlocie rury
grzejnej 7. Po trzech godzinach palnik wyłączono, zdemontowano i wymieniono dyszę na 3,00. Palnik
ponownie uruchomiono i zamontowano we wlocie rury grzejnej. W podanych warunkach zwiększając
ciśnienie pompowanego paliwa wyzwalano moc 128-130 kW. Po wykonaniu tych czynności ogrzewano aparat do momentu przekroczenia temperatury 200°C mierzonej w pierwszym separatorze. Czas
PL 194 973 B1
9
ogrzewania 6 godz. W tym momencie uruchomiono studzenie aparatury a następnie, po ok. 15 min
rozpoczęto podawanie granulatu stopionych tworzyw sztucznych w tempie 345 kg na godz. Tempo
odbioru destylatów narastało przez 5 godz., po czym ustabilizowało się na poziomie: separator za
chłodnicą 49 kg, separator za kolumną współprądową 226 kg, separator za skraplaczem 56 kg. Równolegle ustabilizowało się tempo wydzielania gazów, które konsumowano w silniku generatora. Jego
moc użyteczna ustabilizowała się na poziomie 77,6-77,8 kW. Proces prowadzono 100 godz. licząc od
momentu rozpoczęcia podawania tworzyw sztucznych, po czym wyłączono kolejno ogrzewanie a następnie podawanie granulatu tworzyw sztucznych. Po 40 min. wydzielanie się oparów tak zmalało, że
trzeba było wyłączyć silnik prądnicy a po kolejnych 20 min. wyłączono studzenie i pozostawiono aparaturę na 36 godz. Zawartość urządzenia w ilości 960 kg rozładowano poprzez zawór spustowy. W
temp. 126°C zawartość ta była płynna, ale krzepła w 71°C. Dalsze 40 kg usunięto z aparatu po kolejnych 70 godz., kiedy temp. spadła do 30°C. Po analizie średniej próbki znaleziono w niej 84% substancji rozpuszczalnych w toluenie - a więc oszacowano ilość wytworzonego koksu na 6,4 kg.
Bilans próby
Zużyto:
Stopu tworzyw
34.500 kg
Na ogrzewanie i bieg procesu
zużyto paliwa
1165,1 kg
Uzyskano:
Frakcja krzepnąca
4.900 kg
Frakcja olejowa
22.600 kg
Frakcja benzynowa
5.600 kg
Energii elektrycznej
7.800 kW
Obliczona ilość gazów 1.383,6 kg
Wydajność węglowodorów płynnych liczona na wsadowy stop tworzyw sztucznych 95,94%
Figura 5 przedstawia urządzenie składające się z dwóch pracujących równolegle aparatów.
Pierwszy 1 pracował pod ciśnieniem normalnym a drugi 1a pod ciśnieniem podwyższonym do 0,4 0,6 MPa. Aparatura skraplająco - rozdzielcza była wspólna. Aparat do procesu prowadzonego pod
normalnym ciśnieniem wykonano z rury średnicy 1626 mm, długość 2000 mm, grubość ścianki 3 mm
obustronnie zakończony kołnierzem służącym do mocowania pokryw. Pokrywy 3a i 3b wykonano
z blach grubości 8 mm. Całość wykonano ze stali 00H18N9. Aparat zaizolowano na przemian wełną
mineralną i folią aluminiową - czterema warstwami każda grubości 40 mm i ustawiono jak kolumnę na pokrywie dolnej, w której wykonano dwa otwory średnicy 115 mm, wlotowy 4a i wylotowy 4b rury
grzejnej 7 oraz jeden spustowy o średnicy 40 mm do zamocowania króćca spustowego śr. 50 mm
zakończonego zaworem 2 cale. Rurę grzejną 7 średnicy 114,3 mm, grubość ścianki 4,5 mm, zwinięto
w spiralę trzyzwojową. Ze względów konstrukcyjnych - promień gięcia rur oraz grubość kołnierzy mocujących - odległość między dnem aparatu a spiralą grzejną wynosiła 308 mm. Całkowita długość rury
grzejnej 11,0 m. Rurę tę przymocowano kołnierzami do odpowiednich otworów w dnie aparatu. W pokrywie górnej wykonano dwa otwory - załadowczy 5a i wylotowy 5b oparów (oba średnicy 430 mm)
i do obu przymocowano trójniki. Boczne ramię trójnika załadowczego połączono z podajnikiem ślimakowym 6 służącym do załadunku stopu tworzyw sztucznych z granulatora a górny otwór, służący do
wstępnego załadunku zamknięto pokrywą mocowaną śrubami. Górny otwór drugiego trójnika służył do
odprowadzania oparów do aparatury skraplająco - rozdzielczej. Boczny otwór służył do przyjmowania
rozprężonych oparów z aparatu pracującego pod wyższym ciśnieniem 0,4 - 0,6 MPa. Aparat ten wykonano z rury (323,9 mm, grubość ścianki 10 mm, stal zwykła St37) długości 4,6 m obustronnie zakończonej kołnierzem służącym do przymocowania pokryw. Rurę tę wygięto w pobliżu jej końców pod
kątem rozwartym 150° z obu stron, co spowodowało, że jej kształt był nieco zbliżony do spłaszczonej
litery Z. Poza łukami proste odcinki z obu końców miały po 35 cm długości a środkowy 290 cm. Aparat
zaizolowano wełną mineralną i folią aluminiową pięcioma warstwami każda grubości 36 mm i owinięto
siatką drucianą. W środku aparatu umieszczono rurę grzejną 7b wykonaną ze stali kwasoodpornej
00H17N14M2 o wymiarach: średnica 88,9 mm, grubość ścianki 4 mm, długość 4,6 m wygiętą podobnie jak aparat 1a. Rura ta była przyspawana do górnej pokrywy /centralnie/ oraz po zamontowaniu do dolnej pokrywy. Na dole rury 7b zamontowano palnik 13a. Powyżej wlotu wspawano rurę załadowczą średnicy 17,2 mm, grubość ścianki 2,6 mm z zaworem kulowym a poniżej identyczną jako spustową także ze stali 00H17N14M2. W górną pokrywę powyżej wylotu wspawano trójnik średnicy 17,2 mm,
grubość ścianki 2,6 mm. Na bocznym ramieniu zamontowano manometr o zakresie pomiarowym nadciśnienia 0 do 1 MPa. Ramię główne połączono kołnierzowo z bocznym ramieniem trójnika odprowadzenia oparów aparatu 1. Aparatura skraplająco - rozdzielcza składa się kolejno z doprowadzenia
PL 194 973 B1
10
2
oparów do chłodnicy 16 o pow., chłodzącej 0,35 m , rurą 8 (159 mm, grubość ścianki 4,5 mm), zakończonej separatorem 10a. Dalej zamontowano krótką kolumnę skraplająco - rozdzielczą 17 pracującą
2
współprądowo, zakończoną separatorem. Powierzchnia studząca kolumny 5 m . Za kolumną 17 znaj2
dował się skraplacz - chłodnica rurkowa 9 o pow. 8 m zakończona separatorem 10c. Następnie za2
montowano sprężarkę 25 do ciśnienia 0,3 MPa i chłodnicę wężownicową 26 o powierzchni 2,5 m
zakończoną separatorem 10d, z którego ciecz odprowadzana była do zbiornika gazów skroplonych
11d, a nie skroplone gazy do silnika 19 prądnicy 20. W każdym z separatorów umieszczono termometr celem pomiaru temperatury. Każda z chłodnic miała możliwość regulacji studzenia zaworem
dopływu wody chłodniczej. Ciecz z separatora pierwszego połączonego z chłodnicą 16 odprowadzono
do ogrzewanego zbiornika pośredniego 11e o poj. 600 l, w którym utrzymywano temp. 50°C +/- 5°C.
Zamontowana w nim pompa zębata pobierała stopione parafiny i tłoczyła pod ciśnieniem ok. 1,5 MPa
do aparatu ciśnieniowego 1a poprzez rurę załadowczą. Z pozostałych separatorów ciecz odprowadzano do odpowiednich zbiorników 11a i 11b i gazy skroplone do zbiornika 11d.
Do aparatu 1 pracującego pod normalnym ciśnieniem załadowano 900 kg uprzednio przygotowanego stopu tworzyw sztucznych krzepnącego w temp. ok. 120°C. Następnie uruchomiono palnik
(R-20 firmy GIERSCH) zaopatrzony w dyszę 0,75, zasilany paliwem płynnym i zamontowano go we
wlocie rury grzejnej. Po czterech godzinach palnik wyłączono i zastąpiono go innym z dyszą 3,00.
W podanych warunkach przy nieco zwiększonym ciśnieniu pompowanego paliwa wyzwalano moc 128
- 130 kW. Po wykonaniu tych czynności ogrzewano aparat do momentu przekroczenia temp. 330°C
w pierwszym separatorze, tuż za krótką chłodnicą. Czas ogrzewania 6 godzin. W międzyczasie przygotowano do pracy aparat ciśnieniowy. Do zbiornika pośredniego przyjmującego skropliny z pierwszej
chłodnicy płaszczowej załadowano 280 kg destylatu uzyskiwanego poprzednio z pierwszego separatora. Destylat ten był płynny w temperaturze ponad 45°C. Włączono ogrzewanie elektryczne i po
ogrzaniu do 60°C włączono pompę zębatą i wtłoczono do aparatu ciśnieniowego 120 kg tego destylatu. Uruchomiono drugi palnik firmy GIERSCH z zamontowaną dyszą 0,75 i zamocowano go we wlocie
rury grzejnej aparatu ciśnieniowego. Po przekroczeniu temperatury 330°C w pierwszym separatorze
uruchomiono załadunek stopu tworzyw sztucznych pompą ślimakową w tempie 338 kg na godz.
A następnie studzenie całej aparatury. W 4 godz. i 30 min. od rozpoczęcia ogrzewania aparatu ciśnieniowego uruchomiono ponownie pompę zębatą podającą stopiony surowiec do aparatu ciśnieniowego. W tym czasie manometr zamontowany na wylocie z tego aparatu zaczął pokazywać wzrost ciśnienia. Jednocześnie kontrolowano ubytek masy w zbiorniku pośrednim dbając, by było w nim stopionego destylatu, co najmniej połowę zbiornika. Po 4 godzinach włączono sprężarkę skraplacza i silnik
generatora. Po 8 godzinach regulacji praca aparatury ustabilizowała się na poziomie:
Podawanie stopu tworzyw sztucznych - 338 kg/godz; temperatura w separatorze za pierwszą chłodnicą 330 - 340°C przy ilości odbieranego destylatu 48 kg/godz i uzupełnianiu destylatu 30 kg/godz do aparatu ciśnieniowego podawano 78 kg/godz.
Odbiór z separatora za kolumną współprądową 283,0 kg/godz przy temperaturze 160 - 170°C;
odbiór z separatora za skraplaczem - chłodnicą rurkową 67,0 kg; moc użyteczna generatora prądu elektrycznego spalającego nie skroplone gazy przy utrzymaniu stałego ciśnienia 0,3 hPa i temperatury 30°C w
separatorze za chłodnicą wężownicową 79,2 - 79,5 kW.
Proces prowadzono 80 godzin licząc od momentu ustabilizowania się pracy aparatury, po czym
wyłączono kolejno: podawanie stopu tworzyw sztucznych i palnik aparatu 1, palnik aparatu 1a i podawanie surowca do tego aparatu, sprężarkę skraplacza, silnik generatora i otwarto zawór odpowietrzający aparaturę znajdujący się przed sprężarką skraplacza. Po 60 minutach wyłączono studzenie i pozostawiono aparaturę do ostygnięcia na 72 godziny.
Bilans:
Zużyto w czasie 80 godzin:
Stopu tworzyw
Destylatu krzepnącego
Paliwa w palnikach
27.040 kg
2.400 kg
1.075,2 kg
Uzyskano w czasie 80 godzin:
Frakcja olejowa
Frakcja benzynowa
Pozostałość wrząca ponad 20°C:
W zbiorniku gazów
energii elektrycznej
Obliczona ilość gazów
22.640 kg
5.360 kg
304 kg
6.348 kW
1.126 kg
Straty obliczone - gazy wypuszczone w powietrze po zatrzymaniu aparatury ok. 10 kg
PL 194 973 B1
11
Pozostałość w zbiorniku gazów dołączono do frakcji benzynowej co spowodowało, że uzyskano wydajność:
Olej pędny /zawartość siarki poniżej 0,05%/ 76,9%
Benzyna niskooktanowa
19,2%
razem
96,1%
Figura 6 przedstawia urządzenie 1 w kształcie cylindra wykonanego z rury o długości 2700 mm,
średnicy 1626 mm, grubości ścianki 3 mm od dołu zakończonej kołnierzem, służącym do przymocowania płaskiej pokrywy 3b poprzez uszczelkę 2. Od góry wycięto połowę rury wzdłuż jej osi na głębokość 700 mm. Niższą część i bok po odcięciu połowy rury zakryto płaskim, przyspawanym dnem
i płaskim przyspawanym bokiem wykonanym z blachy grubości 8 mm w gatunku tak jak cała aparatura
00H18N9. W dnie wycięto dwa otwory o średnicy 115 mm służące jako wlot i wylot zamontowanej tam
wężownicy grzejnej 7, wykonanej w postaci dwóch zwojów z rury bezszwowej stalowe (St.37,0), średnicy 114,3 mm, grubość ścianki 4,5 mm. Całkowita długość rury wynosiła 8,14 m. Na wlocie rury grzejnej zamocowano palnik 13 wkładając go tak głęboko, by spalanie paliwa następowało wewnątrz aparatu 1 w odcinku rury 9 zanurzonej zawsze w masie tworzyw.
W płaskim boku półrury wykonano otwór wlotowy 5a o średnicy 430 mm, służący do zamocowania wylotu załadowczej pompy ślimakowej 6 podającej tworzywa. Wyższą część półrury zakończono kołnierzem służącym do przymocowania pokrywy 3a z blachy grubości 8 mm poprzez uszczelkę 2.
W pokrywie tej wykonano otwór wylotowy dla oparów 5b o średnicy 130 mm. Zamocowana tam rura
oparowa 8 o średnicy 139,7 mm, grubość ścianki 2 mm odprowadzała opary produktów do zespołu
2
skraplającego, składającego się z krótkiej chłodnicy Liebiga 16 o powierzchni chłodzącej 0,2 m zakończonej separatorem 10a z którego opary odprowadzano do krótkiej kolumny skraplającorozdzielczej 17 o powierzchni chłodzącej 6 m2 o regulowanym studzeniu pracującej współprądowo,
zakończonej separatorem 10b, połączonym z chłodnicą rurkową 9 o powierzchni 8 m2, zakończonej
separatorem 10c. Nie skroplone gazy odprowadzano do zbiornika retencyjnego gazów 18 o pojemności 480 l, połączonego z silnikiem 19 generatora prądu elektrycznego 20. W separatorach dokonywano pomiaru temperatury i studzeniem regulowano tak, aby temperatura w separatorze za chłodnicą 16
wynosiła 340-350°C, za kolumną 17, 150-170°C, za chłodnicą 9 około 15°C. Ciecz zbierającą się
w separatorach 10a, 10b i 10c odprowadzano do zbiorników produktów 11a frakcji oleju napędowego,
11b frakcji benzynowej, 11c frakcji krzepnącej.
Do aparatu 1 załadowano 960 kg płynnej pozostałości uzyskanej w urządzeniu przedstawionym
na Fig. 4 o temperaturze 126°C a następnie 1640 kg uprzednio przygotowanych, rozdrobnionych zlepów tworzyw o temperaturze 45°C, zamknięto i dokręcono pokrywę 3a a następnie podłączono rurę
oparową 8. Po zaizolowaniu pokrywy 3a uruchomiono palnik 13 (R-20 firmy Giersch) zasilany paliwem
płynnym z zamontowaną dyszą 0,75. Palnik 13 włożono głęboko w otwór wlotowy rury grzejnej 7 skutkiem czego spalanie paliwa następowało w części rury zanurzonej i otulonej masą znajdująca się
w aparacie. Ogrzewając masę w aparacie przez 24 godziny okresowo doładowywano łącznie 150 kg
rozdrobnionych tworzyw przy pomocy pompy ślimakowej 6. Po wykonaniu tych operacji palnik 13 wyłączono i zamieniono dyszę na 3,00 a następnie ponownie zamontowano i uruchomiono tak jak poprzednio. W podanych warunkach zwiększając ciśnienie pompowanego paliwa wyzwalano moc użyteczną 128-130 kW. Ogrzewano aparat do momentu przekroczenia temperatury 200°C mierzonej
w pierwszym separatorze 10a. Czas ogrzewania 4 godziny. W tym momencie uruchomiono studzenie
zespołu skraplającego a następnie pompę ślimakową 6. Ładowano mieszaninę poużytkowych tworzyw sztucznych składającą się z przegrzanego stopu tworzyw sztucznych, uzyskanego z przerobu
folii i opakowań. Tworzywa podawano w tempie 345 kg na godzinę.
Otrzymano następujące wyniki:
Uzyskano
Zużyto
Stopu tworzyw
Paliwa na 60 godzin
19.800 kg
659 kg
Frakcja krzepnąca
Frakcja oleju pędnego
Frakcja benzynowa
Energii elektrycznej
2.820 kg
12.960 kg
3.180 kg
4.662 kW
Obliczona ilość gazów
840 kg
Przybliżona wydajność produktów stałych i płynnych - 95,7%.
12
PL 194 973 B1
Figura 7 przedstawia urządzenie i wykonane w wersji dostosowanej do pracy pod zwiększonym
ciśnieniem. Wykonano go z rury zwiniętej w kształt przypominający okrąg, przy czym końce jej minęły
się stykając tylko bokiem na dole urządzenia. Na górze opary uchodziły poprzez trójnik do odpieniacza 29. Aparat wykonano z rury 355,6 grubość ścianki 8 bezszwowej poprzez przyspawanie
dwóch łuków do przelotowych ramion trójnika wykonanego też z rury 355,6/8. Łuki te, wolne ramię
miały przedłużone o 1070 mm rury prostej, przy czym proste odcinki stykały się ze sobą bokami
/"na zakładkę"/. W miejscu styku wykonano w obu ramionach otwory śr.120 mm. Otworami tymi połączono ramiona i krawędzie ich zespawano co spowodowało powstanie otworu cyrkulacyjnego 30.
Ciecz w aparacie mogła krążyć dookoła. Końce rury zamknięto dennicami. W jednej dennicy u góry
przyspawano rurkę śr. 17,2 zakończoną zaworem. Do środka aparatu, w światło otworu wlotowego
5a, możliwie centralnie, wstawiono rurę grzejną 7 średnicy 88,9 mm, grubość ścianki 3 mm wykonaną
ze stali 00H17N14M2 a jej końce wyprowadzono przez otwory w dennicach i przyspawano do ich
krawędzi. Rura grzejna miała całkowitą długość 10,2 m. W najwyższym punkcie przebiegu rury grzejnej wspawano trójnik z bocznym ramieniem skierowanym do góry. Przyspawano do niego zwężkę
355,6/8 węższym końcem a szerszy 406,4/8,8 zakończono przyspawaną kryzą wykonaną z blachy
20 mm. Jej średnica zewnętrzna wynosiła 980 mm - była to dolna pokrywa odpieniacza 29. Odpieniacz 29 wykonano z rury stalowej średnicy 813 mm grubości ścianki 12,5 mm wysokości 1800 mm od
góry zakończony dennicą a od dołu kryzą. Kryza ta służyła do połączenia z wylotem aparatu - bocznym ramieniem trójnika.
Do dennicy odpieniacza nie wycinając otworu przyspawano trójnik stalowy 114,3/3,6 mm jednym z przelotowych ramion a następnie w blasze dennicy wywiercono otwór 25 mm. Obok trójnika
wspawano rurkę z manometrem o zakresie 0-1,0 MPa. Pozostałe ramiona trójnika zakończono kryzami, przy czym boczne jego ramię służyło do odprowadzania oparów. Drugie przelotowe ramię zamknięto kryzą zaślepiającą, w której środku poprzez otwór z dławicą uszczelniającą zamontowano
pręt dławiący 31, średnicy 24 mm zaostrzony w stożek. Na zewnątrz pręt ten nagwintowano i wprowadzono poprzez nagwintowanie, jarzmo tak, że po zamontowaniu kołka do obracania można było regulować ciśnienie w aparacie dławiąc wypływ oparów.
Aparaturę zaizolowano dokładnie matą z wełny mineralnej grubości 40 mm z wkładką z folii
aluminiowej (pięć warstw) a następnie postawiono na specjalnie przygotowanym podeście na warstwie piasku. Zgranulowane przetopione tworzywa przed załadowaniem do aparatu ogrzewano do
stopienia w osobnym naczyniu a następnie przelewano do zbiornika pośredniego 11e, w którym łączono je z ciężkim destylatem z kolumny i pompą zębatą wtłaczano poprzez rurę zasilającą do aparatu. Opary opuszczające aparat po rozprężeniu wprowadzano do typowej półkowej kolumny rektyfikacyjnej 27 stosowanej w mniejszych rafineriach destylujących ropę naftową. Kolumna ta pracowała pod
normalnym ciśnieniem. Ciecz z dołu kolumny, będąca ciężkim destylatem zawracana była ponownie
do urządzenia 1. Było jej ok. 2% w stosunku do załadowanych surowców. Ze szczytu kolumny odbierano nie skroplone gazy, które dodatkowo chłodzono w skraplaczu rurkowym 9 do osiągnięcia
10°C a następnie odprowadzano do retencyjnego zbiornika 18 skąd kierowano je do palnika
ogrzewającego aparaturę.
Do aparatu załadowano przy włączonym ogrzewaniu 660 kg stopu tworzyw sztucznych. Włączono ogrzewanie stosując palnik gazowy zasilany gazem ze zbiornika retencyjnego gazów, przy
czym na tym etapie zbiornik zasilano gazem propan - butan z butli. Uregulowano zużycie gazów na
8,7 kg/h co wyzwalało moc 118 -120 kW, przy czym pręt dławiący 31 odkręcono do pozycji całkowicie
otwartej. Ogrzewanie prowadzono do czasu, kiedy zaobserwowano skraplanie się gazów w kolumnie
27, co trwało 4 godz. W międzyczasie przygotowano w zbiorniku pośrednim 11e stopione i ogrzane do
150°C tworzywa z granulatu - stopu tworzyw sztucznych. Gdy środkowa część kolumny została już
zagrzana uruchomiono chłodzenie i podawanie stopu.
Uregulowano tempo jego podawania na 259 kg/h. W czasie regulacji tempa podawania surowca dławiono wypływ gazów z aparatu poprzez dokręcenie pręta dławiącego 31. Po 8 godz. od momentu rozpoczęcia ogrzewania gazy kierowano do zbiornika retencyjnego i po 15 min wyłączono zasilanie
z butli. Po 9 godz. regulowania bieg aparatury ustawiono jak poniżej:
Podawanie surowca - stopu tworzyw 260 kg/godz.
Odbiór frakcji olejowej
200 kg/godz.
Odbiór frakcji benzynowej
49 kg/godz.
PL 194 973 B1
13
Po 100 godz. pracy wyłączono palnik i zasilanie stopionym tworzywem i wypuszczano tworzący
się nadmiar gazów. Aparaturę pozostawiono do ostygnięcia.
Bilans 100 godzin pracy aparatu:
Zużyto
Stopu tworzyw sztucznych
26,000 kg
Wydajność
produktów ciekłych
wydajność komponentu olejowego
Komponent ten miał liczbę cetanową
Gęstość w 20°C
Siarka
pH wyciągu wodnego
Zakres temperatur wrzenia
Temperatura zapłonu
Uzyskano:
Frakcja oleju pędnego
Frakcja benzynowa
Energia elektryczna
Obliczona ilość nadmiaru gazów
20.000 kg
4.900 kg
1.300 kW
2.300 kg
95,77% w tym
76,92%
77
3
0,82 g/cm
poniżej 0,005%
6,6
170-330°C
55°C
Zastrzeżenie patentowe
Urządzenie do pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych, pracujące pod ciśnieniem normalnym,
podwyższonym lub obniżonym, składające się z reaktora ogrzewanego przeponowo, dozownika odpadowych tworzyw sztucznych oraz wylotu produktów pirolizy, przy czym reaktor posiada zamontowany wewnątrz komory reakcyjnej co najmniej jeden element grzejny w postaci rury grzejnej o kształcie krzywoliniowym o stosunku długości do średnicy co najmniej 10, korzystnie 50-250, znamienne
tym, że na wlocie rury grzejnej (7), w jej wnętrzu, zamontowany jest palnik (13), przy czym korzystnie
rura grzejna (7) podparta jest co najmniej jedną podporą (22).
Rysunki
14
PL 194 973 B1
PL 194 973 B1
15
16
PL 194 973 B1
Departament Wydawnictw UP RP
Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.