PL B1. Sposób utylizacji termicznej odpadów kompozytowych zawierających kauczuk, zwłaszcza odpadów gumowych zawierających elementy stalowe

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. F23G 7/12 ( ) B09B 3/00 ( ) C10L 5/48 ( ) (54) Sposób utylizacji termicznej odpadów kompozytowych zawierających kauczuk, zwłaszcza odpadów gumowych zawierających elementy stalowe (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA KRAKOWSKA IM. TADEUSZA KOŚCIUSZKI, Kraków, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 09/09 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/11 (72) Twórca(y) wynalazku: STANISŁAW KANDEFER, Kraków, PL WITOLD ŻUKOWSKI, Kraków, PL MAŁGORZATA OLEK, Kraków, PL JERZY BARON, Chrosna, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Zbigniew Korzeniowski PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji termicznej odpadów kompozytowych zawierających kauczuk, zwłaszcza odpadów gumowych zawierających elementy stalowe, umożliwiający odzyskanie pożądanego składnika strukturalnego kompozytu. Rozwiązanie przydatne jest szczególnie do odzyskiwania złomu metalowego z odpadów gumowych zawierających elementy stalowe. Zużyte lub zniszczone materiały kompozytowe, powstające głównie przy produkcji i utylizacji zużytych opon samochodowych, zawierają składniki organiczne oraz części metalowe w postaci drutów, plecionek, blach stalowych, stanowiących zwykle zbrojenie kompozytu. W szczególności dotyczy to odpadów przemysłu gumowego, z produkcji opon oraz zużytych opon lub ich części. Składnikami organicznymi tych wyrobów może być spolimeryzowany lub częściowo spolimeryzowany kauczuk. Dotychczas stosowanie odpadów gumowych jako paliwa alternatywnego w procesach współspalania, np. w cementowniach, może być skutecznie zrealizowane, pod warunkiem wcześniejszego odseparowania elementów metalowych. Rozwiązanie takie znane jest przykładowo z polskiego patentu nr (Int.Cl. 8 F23G7/12, C10L5/48, B09B3/00). Rozwiązanie to wymaga we wstępnej fazie granulacji oddzielenia elementów metalowych przy pomocy separatora elektromagnetycznego i zmagazynowania ich w pojemniku odpadów metalowych. Taki złom ma strukturę metalowo - gumową i jest trudny do oczyszczenia na drodze mechanicznej. Celem zaproponowanego rozwiązania jest takie przeprowadzenie spalania składników organicznych kompozytów gumowo - stalowych, aby zawartość elementów metalowych nie stanowiła technologicznej przeszkody w procesie spalania, a równocześnie by możliwy był odzysk metalu w stanie jak najmniej zmienionym pod względem składu chemicznego. Odzyskany materiał metalowy jako użyteczny złom może być powtórnie przetworzony. Sposób charakteryzuje się tym, że odpad wprowadza się do pęcherzowego złoża fluidalnego, gdzie pozbawia się go części organicznych poprzez destrukcję, polegającą na odgazowaniu zgazowaniu i spalaniu tych części w reaktorze fluidalnym, w warunkach zapewniających utlenienie części organicznej wsadu, głównie do CO 2 i H 2 O, po czym odzyskuje się materiał zbrojeniowy, korzystnie metalowy, głównie w formie nieutlenionej. Korzystne jest w fazie wstępnej rozdrabnianie mechaniczne odpadu na porcje, których maksymalne rozmiary liniowe są mniejsze od minimalnego wymiaru dystrybutora czynnika fluidyzującego. Zalecane jest prowadzenie procesu w warunkach nadmiaru powietrza. Nad złożem fluidalnym może być też zorganizowana strefa wtórnego spalania. Do złoża fluidalnego może być dodawane paliwo wspomagające albo może być także dodawany addytyw odsiarczający. Z kolei czynnikiem fluidyzującym może być powietrze lub mieszanka powietrza z dodatkiem pary wodnej albo spalin albo tlenu. Natomiast czynnik fluidyzujący może mieć temperaturę otoczenia lub wyższą, przy czym, dla uzyskania wyższej temperatury, czynnik ten korzystnie może być ogrzewany ciepłem wydzielającym się w procesie spalania. Temperaturę złoża fluidalnego korzystnie ustala się w granicach od około 550 do 1050 C, a szczególnie korzystnie dla odzysku elementów stalowych, proces prowadzi się w temp. ok. 850 C. Elementy metalowe z wnętrza reaktora można usuwać okresowo lub w sposób ciągły. Zaletą proponowanego rozwiązania jest odzysk cennego metalu z kompozytu kauczukowostalowego i usunięcie z niego części organicznych, co stanowi główny cel procesu. Natomiast uzyskiwana w procesie energia może być wykorzystana na potrzeby własne procesu lub może być traktowana jako produkt uboczny tego procesu. W przypadku, gdy materiał spalany zawiera inne niż metalowe składniki kompozytu, np. wzmocnienia włóknami polimerowymi lub szklanymi, to w procesie ulegają one destrukcji. Polimery ulegają spaleniu wraz z gumą, a włókno szklane, po stopieniu, staje się składnikiem materiału inertnego. Przedstawione rozwiązanie objaśnione jest rysunkiem oraz przykładami. Schemat technologiczny urządzenie do spalania i odzyskiwania materiału zbrojeniowego przedstawiony jest na rysunku. Reaktor fluidyzacyjny 1 posiada komorę złożową A i komorę nadzłożową B stanowiącą strefę dopalania reaktora 1. Na dnie komory złożowej A znajduje się dystrybutor 2 z kolektorem czynnika fluidyzującego 3. Do komory złożowej A dochodzą doprowadzenia przetwarzanego materiału 4, paliwa wspomagającego 5 i addytywu odsiarczającego 6. W dolnej części komory nadzłożowej B zabudowany jest układ doprowadzenia powietrza wtórnego 7, a w górnej części kolektor spalin gorących 8. Kolektor spalin 8 podłączony jest do rekuperatora ciepła 9, z którego spaliny usuwane są do atmosfery

3 PL B1 3 poprzez wylot gazów spalinowych 10. Rekuperator 9 posiada wlot powietrza 11, będący wlotem zimnego czynnika fluidyzującego oraz wylot ciepłego powietrza 12, który podłączony jest do kolektora czynnika fluidyzującego 3. Złoże fluidalne składa się z odpowiedniej frakcji materiału inertnego i/lub addytywu odsiarczającego. Materiałem inertnym może być piasek i/lub cząstki niepalne pochodzące z paliwa dodatkowego. Addytywem odsiarczającym może być rozdrobniony wapień, dolomit, wapno pokarbidowe lub inny materiał mający właściwości wiązania SO 2. Materiałem wsadowym utylizowanym w związku z wynalazkiem mogą być opony zawierające kord stalowy i/lub drutówkę. Mogą to być też odpady z przetwarzania opon, w wyniku którego usunięto z opony znaczną ilość materiału organicznego. Wsadem może być również odpad powstający w trakcie produkcji opon, składający się z częściowo lub całkowicie spolimeryzowanej gumy oraz elementów stalowych, a także inne odpady gumowe zawierające elementy stalowe. Materiał wsadowy wprowadzany jest do komory złożowej A reaktora 1 w postaci porcji, których maksymalne rozmiary liniowe są mniejsze od minimalnego wymiaru dystrybutora 2 czynnika fluidyzującego. Bezpośrednio do komory złożowej A może być wprowadzany przetwarzany kompozyt, addytyw odsiarczający i paliwo wspomagające. Stan fluidalny osiąga się wprowadzając do złoża przez dystrybutor 2, w odpowiedniej ilości, czynnik fluidyzujący. Pobierane wlotem 11 powietrze, jako zimny czynnik fluidyzujący, może być za pomocą gorących spalin ogrzane w rekuperatorze 9. Temperatura złoża fluidalnego może mieścić się w przedziale od 550 do 1050 C. Temperatura złoża jest kontrolowana przez utrzymywanie odpowiedniej wartości stosunku strumieni powietrza i składników palnych zawartych w materiale odpadowym oraz paliwie wspomagającym. Preferowane jest utrzymywanie wartości współczynnika nadmiaru powietrza większego od 1 tak, aby nie powstawały gazy odlotowe zawierające palne składniki, mogące tworzyć mieszaninę wybuchową z powietrzem. Utrzymanie właściwej temperatury złoża fluidalnego uzyskuje się przez rekuperację ciepła zawartego w spalinach, w celu ogrzania powietrza służącego do fluidyzacji i utlenienia części organicznych. Liniowa prędkość czynnika fluidyzującego utrzymywana jest jako co najmniej dwukrotność prędkości minimum fluidyzacji, natomiast wysokość złoża fluidalnego dobrana jest tak, aby gwarantować całkowite zanurzenie porcji materiału wsadowego w złożu pęcherzowym, oraz by zapewnić wystarczający czas kontaktu pomiędzy czynnikiem utleniającym a materią organiczną zawartą we wsadzie i paliwie, w celu zminimalizowania powstawania palnych produktów gazowych. Typowa prędkość liniowa czynnika fluidyzacyjnego ustala się w zakresie 0,4 do 6,0 m/s. W podanych przykładach odpady kauczukowo-stalowe wprowadzane są do pęcherzowego złoża fluidalnego, gdzie w temperaturze poniżej temperatury topnienia elementów metalowych zachodzi spalanie składników organicznych. W przypadku, gdy temperatura złoża przekracza temperaturę topnienia cząstek złoża fluidalnego lub temperaturę topnienia elementów metalowych wprowadzanych z odpadem, co może powodować zlepianie się cząstek ciała stałego i zakłócenie procesu fluidyzacji oraz uniemożliwiać dalszy stabilny przebieg procesu, to koniecznym jest wtedy zastosowanie odpowiedniego układu regulacji, który sterując np. strumieniami powietrza, odpadu czy paliwa dodatkowego, zapobiega nadmiernemu wzrostowi temperatury złoża. Odpowiednia dla procesu temperatura w złożu fluidalnym utrzymywana jest wskutek wydzielania się energii podczas spalania materiału odpadowego lub/i paliwa dodatkowego. Temperaturę złoża, czas przebywania odpadu w złożu oraz kształt strefy reakcji dobiera się tak, by zapewnić prawie całkowity przebieg reakcji w złożu fluidalnym, ograniczając powstawanie lotnych lub stałych produktów palnych. Natomiast w komorze nadzłożowej B korzystne jest zorganizowanie strefy dopalania w celu spełnienia standardów emisji. W tym celu, dla zwiększenia efektywności procesów spalania, do komory nadzłożowej B, poprzez układ doprowadzenia powietrza wtórnego 7, doprowadza się do komory nadzłożowej B dodatkowy strumień powietrza. Powstające spaliny stanowią źródło energii, która może być przetworzona w użyteczną postać energii cieplnej lub elektrycznej. Ochłodzone spaliny mogą być poddane procesom oczyszczania i odzysku energii. Stworzenie ww. warunków pozwala na stabilne prowadzenia procesu oraz spełnienie norm środowiskowych. Po wypaleniu części organicznych elementy metalowe są wydobywane ze złoża fluidalnego i ochładzane. Elementy metalowe ze złoża są usuwane w sposób ciągły lub okresowy metodami mechanicznymi. Jeśli odpady umieszczono w koszu zanurzonym w złożu separacja polega na wyjęciu

4 4 PL B1 kosza i jego opróżnieniu. W innym przypadku elementy stalowe mogą być usunięte ze złoża, ze spodu paleniska fluidalnego, po obniżeniu jego temperatury, metodą magnetyczną lub wygarnięte z niego wybierakiem mechanicznym. W przedstawionych przykładach zostało potwierdzone, że w procesie przeprowadzonym zgodnie z opisem następuje całkowite usuniecie składników organicznych z powierzchni elementów metalowych, co praktycznie jest równoważne całkowitemu odzyskaniu energii z materiału odpadowego, natomiast utlenienie elementów metalowych zachodzi w nieznacznym stopniu. P r z y k ł a d 1 Zgodnie z opisem wynalazku przeprowadzono próbę odzysku kordu stalowego, zawartego w odpadowym kompozycie kauczukowo-stalowym, uzyskiwanym na zakończenie jednego z etapów produkcji opon. Proces przeprowadzono w rurowym reaktorze fluidyzacyjnym 1, zamkniętym od dołu dystrybutorem 2 w postaci dna sitowego, w którym warstwę złoża stanowił piasek kwarcowy o średnicy ziaren 0,375-0,43 mm. Stan fluidalny złoża osiągnięto przedmuchując od dołu warstwę złoża czynnikiem fluidyzującym, którym była mieszanka powietrza i propanu, paląca się wewnątrz złoża. Kompozyt kauczukowo-stalowy, zawierający nie mniej niż 55% mas stali dozowano porcjami bezpośrednio do reaktora 1. Masa porcji kompozytu stanowiła nie mniej niż 0,2% i nie więcej niż 2% masy złoża. W trakcie procesu termicznej degradacji materiału organicznego polegającej na odgazowaniu, zgazowaniu i spaleniu tego materiału, mierzono w sposób quasi-ciągły, w przestrzeni nadzłożowej, stężenie lotnych substancji organicznych, tlenu, oraz tlenków węgla, azotu i siarki. Po termicznej destrukcji kompozytu, przeprowadzonej w temp. 850 C, uzyskano pozbawione składników organicznych druty stalowe (kord), które usunięto mechanicznie z dna sitowego. Zmierzona w spalinach zawartość substancji organicznych, tlenków azotu oraz ditlenku siarki wynosiła odpowiednio: 38,4 g, 3,24 g oraz 3,79 g w przeliczeniu na 1 kg przetwarzanego kompozytu. P r z y k ł a d 2 W celu utworzenia w reaktorze fluidyzacyjnym 1 strefy dopalania substancji organicznych, do wnętrza reaktora, jak w przykładzie 1, wprowadzano do komory nadzłożowej B dodatkowy strumień powietrza poprzez układ doprowadzania powietrza wtórnego 7. W takim reaktorze poddano termicznej destrukcji porcje kompozytu kauczukowo-stalowego w złożu fluidalnym o temp. 850 C. Masa porcji kompozytu stanowiła nie mniej niż 0,65% i nie więcej niż 3,5% masy złoża fluidalnego. Stwierdzono, że odzyskane druty stalowe (kord) są wolne od substancji organicznych. Zmierzona w spalinach zawartość substancji organicznych, tlenków azotu oraz ditlenku siarki wynosiła odpowiednio: 8,3 g, 3,24 g oraz 3,79 g w przeliczeniu na 1 kg przetwarzanego kompozytu. P r z y k ł a d 3 W reaktorze fluidyzacyjnym 1 jak w przykładzie 2 poddano termicznej destrukcji kompozyt kauczukowo-stalowy, załadowany do specjalnego stalowego kosza, który zanurzono w złożu fluidalnym o temp. 850 C. Masa próbki kompozytu stanowiła 3,0% masy złoża fluidalnego. Po upływie ok. 80 s kosz wraz z zawartymi w nim drutami stalowymi usunięto z reaktora. Stwierdzono, że odzyskane druty stalowe (kord) są wolne od substancji organicznych. Analiza uzyskanych wyników stężeń składników spalin wykazała, że zawartość w spalinach substancji organicznych, tlenków azotu oraz ditlenku siarki wynosiła odpowiednio: 10,4 g, 2,37 g oraz 2,89 g w przeliczeniu na 1 kg przetwarzanego kompozytu. P r z y k ł a d 4 Do komory złożowej A reaktora fluidyzacyjnego 1 jak w przykładzie 2 dodano addytyw odsiarczający (wapno pokarbidowe) w ilości stanowiącej 13,4% pierwotnej masy złoża. Po uzyskaniu w złożu temp. 850 C wprowadzono do złoża próbkę kompozytu kauczukowo-stalowego o masie stanowiącej 2,8% masy złoża fluidalnego. Stwierdzono, że odzyskane w wyniku takiego postępowania druty stalowe (kord) są wolne od substancji organicznych. Analiza uzyskanych wyników stężeń składników spalin wykazała, że zawartość w spalinach substancji organicznych, tlenków azotu oraz ditlenku siarki wynosiła odpowiednio: 3,77 g, 1,54 g oraz 0,61 g w przeliczeniu na 1 kg przetwarzanego kompozytu. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób utylizacji termicznej odpadów kompozytowych zawierających kauczuk, zwłaszcza odpadów gumowych zawierających elementy stalowe, znamienny tym, że odpad wprowadza się do pęcherzowego złoża fluidalnego gdzie pozbawia się go części organicznych poprzez destrukcję, polegającą na odgazowaniu, zgazowaniu i spalaniu tych części w reaktorze fluidyzacyjnym (1) w warun-

5 PL B1 5 kach zapewniających utlenienie części organicznej wsadu, głównie do CO 2 i H 2 O, po czym odzyskuje się materiał zbrojeniowy, korzystnie metalowy, głównie w formie nieutlenionej. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w fazie wstępnej rozdrabnia się mechanicznie odpad na porcje, których maksymalne rozmiary liniowe są mniejsze od minimalnego wymiaru dystrybutora (2) czynnika fluidyzującego. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przebiega on w warunkach nadmiaru powietrza w reaktorze fluidyzacyjnym (1). 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym. że nad złożem fluidalnym zorganizowana jest strefa dopalania spalin. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do złoża fluidalnego dodaje się paliwo wspomagające (5). 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do złoża fluidalnego dodaje się addytyw odsiarczający (6). 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnikiem fluidyzującym jest powietrze. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnikiem fluidyzującym jest mieszanka powietrza i pary wodnej albo spalin albo tlenu. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnik fluidyzujący wprowadzany do reaktora (1) ma temperaturę otoczenia lub wyższą. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że czynnik fluidyzujący przed wprowadzeniem do reaktora fluidyzacyjnego (1) ogrzewany jest ciepłem wydzielającym się w procesie spalania. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperaturę złoża fluidalnego ustala się w granicach od 550 do 1050 C. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że temperaturę złoża fluidalnego dla odzysku elementów stalowych ustala się na ok. 850 C. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy metalowe z wnętrza reaktora fluidyzacyjnego (1) usuwane są okresowo. 14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy metalowe z wnętrza reaktora fluidyzacyjnego (1) usuwane są w sposób ciągły. Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)