一种将塑料废弃物高效资源化利用的方法和系统与流程

本发明涉及固体废弃物处理领域，具体涉及将塑料废弃物高效资源化利用的方法和系统。

背景技术：

废弃塑料由于质轻且体积庞大，被丢弃后不易分解，因此会造成土壤板结，妨碍作物呼吸和吸收养分，在紫外线作用下或燃烧时，会排放出co、氯乙烯单体、hcl、甲烷、nox、so2、芳烃等，对水体和空气造成污染。特别是含氯塑料在焚烧后会产生二噁英等有害物质，对环境造成的污染更加严重。因此，寻找将塑料废弃物高效无害化、减量化和资源化的技术显得日益迫切。

塑料热解制油是塑料废弃物回收方法中最具有工业应用价值的。热解油经过处理后可以成为优质的汽油、柴油、液化气、化工原料或炉用燃料等，从而可以替代大量进口的原油，并创造显著的社会效益和经济效益。但塑料热解制油的工艺仍然存在许多技术难点，如塑料废弃物导热性能很差，导致裂解炉中温度极不均匀，热解能耗较高、热解油产品难以分级、规模难以放大，反应釜传热效率低，排渣连续性较差，由于裂解加热不均匀，容易发生热解过程中结焦现象，并且由于加热不均匀，产生油品的品质较差难以回收等问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种将塑料废弃物高效资源化利用的方法和系统。

本发明的将塑料废弃物高效资源化利用的方法，包括以下步骤：

将塑料废弃物烘干至水分含量低于10重量％，并将塑料废弃物破碎至粒径小于50mm；

将破碎后的塑料废弃物在无氧或缺氧的条件下进行加热熔融，所述加热熔融的温度在120-180℃范围内。熔融倾向于发生物理变化过程，如果加热熔融的温度高于180℃，则可能会发化学键断裂等，发生化学反应。如果加热熔融的温度低于120℃可能熔融效果不好。

将熔融的塑料废弃物在无氧或缺氧的条件下进行热解，热解温度在500-800℃范围内，产生热解蒸汽和热解炭。此温度范围为较为适宜的热解温度范围，如果热解温度低于500℃，则热解程度低，如果热解温度高于800℃，从工艺角度则导致能耗会更多。

将所述热解蒸汽在具有温度梯度的换热器组件中进行分馏，得到热解油分级产品，其中，

所述换热器组件包括按照所述热解蒸汽的工艺走向依次布置的至少3个换热器，所述换热器的温度按照所述热解蒸汽的工艺走向梯度递减。

在一些实施方案中，所述温度梯度的范围为50-500℃。

在一些实施方案中，按照所述热解蒸汽的工艺走向，所述温度梯度依次为350-500℃、200℃-350℃、50℃-200℃。

在一些实施方案中，所述换热器中的导热介质为导热油。

在一些实施方案中，在所述烘干中，烘干后的塑料废弃物水分含量低于10重量％范围内。例如5-10重量％。

在一些实施方案中，所述烘干的温度在80-110℃范围内，例如100-105℃范围内。烘干的温度过低，则干燥效率低，烘干的温度过高，会使物料的物化状态发生变化或发生反应。

本发明的将塑料废弃物高效资源化利用的系统，包括依次相连的干燥装置、破碎装置、加热熔融装置、热解装置、换热器组件和烟气炉，其中换热器组件包括依次相连的换热器i、换热器ii、换热器iii。

在一些实施方案中，所述加热熔融装置具有套筒结构，包括外环本体和内环本体，所述内环本体内置于所述外环本体之内，并且在所述内环本体和所述内环本体之间形成烟气室，所述外环本体上设置有烟气进口和烟气出口，所述内环本体的内腔形成加热熔融室，所述内环本体上设置有物料进口和熔融物料出口，在所述内环本体的中心轴上布置有螺旋进料机。

在一些实施方案中，所述热解装置包括烟气进口和烟气出口，所述加热熔融装置的烟气进口与所述烟气炉的烟气出口相连，所述热解装置的烟气进口与所述加热熔融装置的烟气出口相连。

本发明的发明人在研究将塑料废弃物高效资源化利用的方法和系统中，通过大量的实验研究，获得了能够将热解油梯度分级的方法，并对系统进行合理设计，获得了能耗低、效率高、热解油产率高的系统，最终获得的热解油产品包括产率大于9.8重量％的汽油、产率大于35.7重量％的柴油、产率大于25.2重量％的润滑油重油。其中裂解气的产率大于13.1重量％。

附图说明

图1是用于实施本申请塑料废弃物高效资源化利用的方法的系统的结构示意图；

图2是本申请所述系统中加热熔融装置的结构示意图；

图3是本申请所述系统中热解装置的结构示意图；

图4是本申请热解装置中搅拌刮板的结构示意图；

图5是本申请将塑料废弃物高效资源化利用的方法中热解蒸汽的换热过程示意图；

图6是本申请将塑料废弃物高效资源化利用的方法中高温烟气的换热过程示意图。

附图标记说明：

干燥装置-1；破碎装置-2；加热熔融装置-3；热解装置-4；换热器ⅰ-5；换热器ⅱ-6；换热器ⅲ-7；换热器ⅳ-8；烟气炉-9；废弃塑料-101；热解炭-102；润滑油及重油馏分-103；柴油馏分-104；汽油馏分-105；空气-106；烟气-107；

物料进口-31；熔融物料出口-32；烟气进口-33；烟气出口-34；螺旋进料机-35；烟气室-36；加热熔融室-37；电机-38；

热解室-41；进料口-42；烟气出口-43；第一热解蒸汽出口-44；第二热解蒸汽出口-45；烟气进口-46；出炭口-47；螺旋-48；搅拌刮板-49；烟气室-410；保温层-411；传热层-412；变频电机-413；刮板-491；连接杆-492；固定槽-493；弹簧-494。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面将对本发明做详细的说明。

本发明提供了一种安全、可靠、高效的塑料热解方法和系统。本发明的技术方案是根据塑料废弃物的特性，将含水量高的塑料废弃物首先经过干燥装置进行烘干，烘干的目的是降低塑料废弃物中水分含量，从而降低后续热解装置的能耗，并且减少混入热解油中的水分的量，由此可以降低污水处理的费用。塑料废弃物中的塑料可以包括聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料等。

烘干后的物料经过破碎装置进行破碎，破碎到小粒径的物料更有利于后续进料及有利于塑料废弃物的均匀受热。破碎后的塑料废弃物的粒径小于50mm，优选小于30mm。

破碎后的物料在热解熔融装置中进行加热，以使物料被加热至熔融状态。控制加热熔融的温度是尤为重要的。在本发明中，考虑到塑料废弃物物料的复杂性，加热熔融的温度在120℃-180℃的范围内。如果温度过低，则不能确保物料全部处于熔融状态，影响后续的热解步骤；如果温度过高，则容易导致物料发生热裂解反应，使得后续工艺难以控制。

熔融状态的废弃塑料经挤压泵送至热解装置内，在热解装置内发生热裂解反应，由于是熔融状态热塑料进入热解装置，可实现快速加热，并且受热均匀。物料在热解装置中的停留时间例如为10-60min。热解是在无氧或缺氧的条件下进行的，热解温度在500-800℃范围内，例如可以是600℃、650℃、700℃、750℃。物料在极短的时间内，可以实现全部有效热解。

在热解装置中通过热解反应产生高温的热解蒸汽，热解蒸汽通过特定设计的换热器组件，可以通过控制换热器的温度将热解油产品分离，得到润滑油及重油馏分、柴油馏分、汽油馏分。在本发明中，换热器组件的温度梯度总体上在50℃-500℃的范围内。在一个实施方案中，换热器组件包括顺序连接的换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ。从热解装置排出的热解油气依次进入换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ，不同换热器的温度控制在不同的温度，使不同馏程的热解油分段冷凝，得到润滑油及重油馏分、柴油馏分、汽油馏分。从最后一个换热器排出的不可凝的热解气富含h2、ch4、co及烃类气体，可以将热解气回收利用，也可以作为燃料气送至烟气炉进行燃烧，产生高温烟气依次为热解装置、加热熔融装置、干燥装置提供热量。换热器采用导热油作为换热介质，在分段冷却热解蒸汽的同时，导热油被加热至一定温度。换热组件导出的导热油可通过换热器与空气进行换热，将空气进行加热，加热后的空气可作为助燃空气用于烟气炉中燃气的燃烧，由此可以将能耗高效利用，节省能耗。采用导热油作为换热介质的优点在于：导热油比热容大，换热器体积小，投资低。并且避免了热解气与空气换热带来的安全风险。可用的导热油例如是联苯导热油。

在一个实施方案中，热解蒸汽的换热过程如图5所示。

在一个实施方案中，由烟气炉产生的高温烟气在整个系统中从高温单元流向低温单元，实现了热能的循环利用。例如，由烟气炉排出的高温烟气(温度在800-1000℃)被送往热解装置中作为热解反应的热源，从热解装置排出的烟气被送往加热熔融装置，作为加热熔融的热源，接着从加热熔融装置排出的烟气被送往干燥装置作为烘干介质。高温烟气的换热过程如图6所示。

在一个实施方案中，本发明的将塑料废弃物高效资源化利用的方法具体步骤包括：

(1)塑料废弃物在干燥装置内在烟气加热条件下进行烘干，烘干温度控制在100-105℃，烘干至水分含量在5-10重量％。若废弃塑料水分低于10％则无需干燥；

(2)干燥后的塑料废弃物在破碎装置中进行破碎，破碎后粒径小于50mm，破碎后的塑料废弃物在加热熔融装置内进行加热熔融，根据塑料类型调整加热温度，温度范围控制在120℃-180℃，停留时间为10-60min；

(3)加热熔融的塑料在热解装置内在无氧或缺氧的条件下发生热裂解反应，热解温度在500-800℃，产生的高温热解蒸汽从热解蒸汽出口导出，热解炭从出炭口排出；

(4)高温热解蒸汽从热解装置导出后依次通过换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ，在不同的温度条件下，实现不同馏程的热解油分离，通过换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ得到的馏分分别为润滑油及重油馏分、柴油馏分、汽油馏分；换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ中与热解蒸汽换热的介质选用导热油，导热油依次通过换热器ⅲ、换热器ⅱ、换热器ⅰ。换热器ⅰ温度控制在350-500℃，换热器ⅱ温度控制在200℃-350℃，换热器ⅲ温度控制在50℃-200℃；

(5)从换热器ⅰ导出的导热油温度在300-400℃范围内，导热油经循环泵输送至换热器ⅳ，在换热器ⅳ中与空气进行换热，被加热的空气温度为100-200℃，作为助燃空气通入烟气炉内；

(6)从换热器ⅲ导出的不可凝气为富含h2、ch4、co及烃类气体的热解气，热解气的一部分作为燃料气送入烟气炉，排出烟气温度在800-1000℃；

(7)高温烟气从烟气炉导出后依次经过热解装置、加热熔融装置、干燥装置，烟气流动方向与废弃塑料输送方向呈逆流，对塑料进行加热；在整体系统的运行过程中，热烟气与热解物料呈逆流。

在一个实施方案中，用于实施本申请塑料废弃物高效资源化利用的方法的系统如图1所示，所述系统包括依次相连的干燥装置1、破碎装置2、加热熔融装置3、热解装置4、换热组件、换热器ⅳ8、烟气炉9。所述换热组件包括依次相连的换热器ⅰ5、换热器ⅱ6、换热器ⅲ7。

所述干燥装置1的物料出口与破碎装置2的物料进口连接；所述破碎装置2的物料出口与加热熔融装置3的物料进口连接；所述加热熔融装置3的物料出口与热解装置4的物料进口连接；所述热解装置4的热解蒸汽出口与换热器ⅰ5的气体进口连接；换热器ⅰ5的气体出口与换热器ⅱ6的气体进口连接，换热器ⅱ6的气体出口与换热器ⅲ7的气体进口连接；所述换热器ⅲ7的气体出口与烟气炉9的燃气进口连接；换热器ⅳ8的导热油出口与换热器ⅲ7的导热油进口连接；所述换热器ⅲ7的导热油出口与热器ⅱ6的导热油进口连接；所述换热器ⅱ6的导热油出口与换热器ⅰ5的导热油进口连接；所述换热器ⅰ5的导热油出口与换热器ⅳ8的导热油进口连接；所述热器ⅳ8的空气出口与烟气炉9的助燃空气进口连接；所述烟气炉9的烟气出口与热解装置4的烟气进口连接；所述热解装置4的烟气出口与加热熔融装置3的烟气进口连接；所述加热熔融装置3的烟气出口与干燥装置1的烟气进口连接。

干燥装置可以采用链板式烘干机，链板式烘干机为常规设备，可商购得到。

破碎装置可以采用旋转刀快速打料的破碎机，可选用广东东莞市荣信机械生产的塑料破碎机。

换热器可以采用列管式换热器。

在本申请中，加热熔融装置3的结构示意图如图2所示。如图2所示，加热熔融装置3包括：物料进口31、熔融物料出口32、螺旋进料机35、烟气室36、加热熔融室37、烟气进口33、烟气出口34、电机38。所述物料进口31与加热熔融室37连通；熔融物料出口32设置在加热熔融装置3本体的末端，与加热熔融室3连通；烟气进口33和烟气出口34与烟气室36连通，分别设置在加热熔融装置3的两端；在加热熔融室37内的中心轴上设置有螺旋进料机35；烟气室36外壁设置有保温材料，保温材料可以选用岩棉。物料从物料进口31进入加热熔融室37，在螺旋进料机35的推送下，物料在输送搅拌过程中，在烟气加热条件下发生熔融，并通过熔融物料出口32排出；烟气从烟气进口33送入烟气室36，从烟气出口34排出，烟气流动方向与物料的流动方向呈逆流。

在本申请中，热解装置4包括热解室41和烟气室410，所述热解室41包括进料口42、第一热解蒸汽出口44、第一热解蒸汽出口45、出炭口47，所述烟气室410包括烟气进口46和烟气出口43；热解室41中的热解反应采用烟气室410中的热烟气进行加热，使得热解反应是在无氧或缺氧的条件下进行的。

所述的热解装置如图3所示，其包括：热解室41、进料口42、烟气出口43、第一热解蒸汽出口44、第二热解蒸汽出口45、烟气进口46、出炭口47、螺旋48、搅拌刮板49、烟气室410、保温层411、传热层412、变频电机413。

所述热解室41用于发生热解反应，所述热解室41的外壁包裹有传热层412，其采用波纹状，以增加热烟气与热解室的传热面积，达到增强传热的目的。

第一热解蒸汽出口44设置于所述热解室41的中部并且与所述热解室41连通，第二热解蒸汽出口45设置在所述热解室41的末端并且与所述热解室41连通。

所述热解室41的中心轴上设置有转动轴，所述转动轴贯穿所述热解室41，并由外部的变频电机驱动。所述热解室41的内部设置有螺旋48，所述螺旋48的中心轴与所述转动轴的轴心重合，并且所述螺旋48布置在所述热解室41的前段。所述螺旋48的长度占所述热解室41长度的1/3-1/2。本申请利用螺旋48可实现将物料均匀地布置在所述热解室41内。

所述热解室41内设置有搅拌刮板49，搅拌刮板49固定布置在所述中心轴上，并且能够随着中心轴的转动而转动。搅拌刮板49遍布在所述热解室41的后段。搅拌刮板49遍布的长度占所述热解室长度的1/2-2/3。本申请采用搅拌刮板可实现热解物料的搅动，并可以不断清除在所述热解室41的内壁上由于受热而产生的结焦物料，由此有效防止结焦产生的热滞现象。

其中，所述螺旋与所述热解室41外壁的间距为2-5mm；搅拌刮板可与热解室的内壁接触。

所述烟气室410为传热层412与保温层411之间形成的夹层空间。热烟气在所述烟气室内流通，通过间接换热方式将热量传递到热解室41，对热解室41进行加热，为热解反应提供能量。

所述热解室41的外壁上设置有进料口42，位于所述热解室41的前段并且与所述热解室41连通。

所述热解室41的外壁上设置有出炭口47，位于所述热解室的末端底部，与所述热解室41连通。热解物料经进料口42加入到热解装置内，热解产生的热解炭则经过出炭口47排出热解装置。

烟气室410的外壁上设置有烟气出口43和烟气进口46。烟气出口43位于烟气室410的前段靠近进料口42，并且与烟气室410连通。烟气进口46设置在烟气室410的末端与烟气室410连通。热烟气的流动方向与热解室内物料的输送方向呈逆流方式。

热解装置的外部设置有变频电机413，与热解室41内部的转动轴驱动连接，用于驱动转动轴。

保温层411的材料可以是岩棉，厚度在50-80mm范围内，这样的保温层具有很好的保温效果。

传热层412包裹在所述热解室的外壁上，传热层412的材质为不锈钢材料，与热解室41外壁的材质相同，传热层412的表面上设置有波纹状，以增强传热效果。

在另一个实施方案中，本申请中，热解装置中的搅拌刮板49如图4所示。

所述搅拌刮板49包括刮板491、连接杆492、固定槽493和内置在所述固定槽中的弹簧494，所述刮板491固定在所述连接杆492的末端，所述连接杆492的另一端固定连接至所述弹簧494，所述固定槽493固定连接在热解装置的中心轴上。

所述刮板491的材质为不锈钢板，厚度30-50mm。连接杆492为不锈钢圆柱，直径30-50mm。固定槽493为不锈钢圆柱，直径100-200mm。弹簧494为可伸缩弹簧，选用不锈钢材质；直径为30-50mm。刮板491与连接杆492以焊接方式连接。连接杆492与弹簧494连接。所述弹簧494与固定槽493底部连接；所述固定槽493与热解装置的中心轴焊接。

所述固定槽493圆柱体中心有圆柱型凹槽，弹簧494及连接杆492安装在凹槽内。

刮板491与热解装置的中心轴呈10-20°的角度。

在实施过程中，热解室内的物料在输送过程中，不断地被刮板搅动和刮起。弹簧能够解决由不同温度的热变形导致的装置无法运转的问题。

结合图1，本申请的系统在运行过程中的大体过程描述如下：

(1)高含水的废弃塑料101送至干燥装置1进行干燥，干燥到一定程度后排出，输送至破碎装置2内进行破碎，破碎到规定粒径后排出；

(2)由破碎装置2排出的物料被输送至加热熔融装置3进行加热熔融，根据塑料类型调整加热温度；

(3)经加热熔融的物料送至热解装置4内，在热解装置4内发生热裂解反应，产生的高温热解蒸汽从热解蒸汽出口导出，热解炭102从出炭口排出；

(4)高温热解蒸汽从热解装置4导出后依次通过换热器ⅰ5、换热器ⅱ6、换热器ⅲ7，在不同的温度条件下，实现不同馏程的热解油分离；换热器ⅰ5、换热器ⅱ6、换热器ⅲ7中与热解蒸汽换热的介质选用导热油，导热油依次通过换热器ⅲ7、换热器ⅱ6、换热器ⅰ5；从换热器ⅰ5、换热器ⅱ6、换热器ⅲ7得到的馏分分别为润滑油及重油馏分103、柴油馏分104、汽油馏分105；

(5)从换热器ⅰ5导出的导热油通过循环泵输送至换热器ⅳ8，在换热器ⅳ8中与空气106进行换热，被加热的空气作为助燃空气通入烟气炉9内；

(6)由换热器ⅲ7导出的不可凝气为富含h2、ch4、co及烃类气体的热解气，热解气的一部分作为燃料气送入烟气炉9；

(7)高温烟气从烟气炉9导出后依次经过热解装置4、加热熔融装置3、干燥装置1，在干燥装置1中，烟气的流动方向与物料输送方向呈逆流，以实现对物料进行加热。

本申请提供的方法和系统，包括塑料干燥、破碎、加热熔融、热解、高效换热系统及热烟气高效利用等。整套方法和系统设备简单，易于操作，热效率高。由塑料废弃物热解产生的热解油根据馏程进行了分离，得到润滑油及重油馏分、柴油馏分、汽油馏分，使得热解油的利用价值更高；通过在方法和系统中设置加热熔融工序解决了塑料废弃物在热解过程中由于塑料导热性差，而导致的塑料热解过程慢、易结焦的问题；并且通过将干燥、破碎、加热熔融、热解和换热系统整合，解决了现有热解技术中加热塑料缓慢，二次裂解程度严重，热解油收率低的问题；并且通过将高温烟气在整个系统中的加热循环，实现了高效的能量分级利用，解决了塑料热解过程中能量利用低的问题。

实施例1

从某造纸厂获得的富含聚乙烯的塑料废弃物分析结果如表1所示：

表1

富含聚乙烯的塑料废弃物输送至干燥装置内，在烟气加热条件下进行烘干，烘干温度控制在105℃，将塑料烘干至水分含量在约8重量％。干燥后的塑料废弃物送至破碎装置进行破碎，破碎后粒径小于50mm。破碎后的塑料废弃物输送至加热熔融装置内进入加热熔融，温度范围控制在140℃。随后熔融态塑料送至热解装置内，在热解装置内发生热裂解，热解温度为600℃，产生的高温热解蒸汽从热解蒸汽出口导出，热解炭从出炭口排出；高温热解蒸汽从热解装置导出后依次通过换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ，换热器ⅰ温度控制在400℃，换热器ⅱ温度控制在300℃，换热器ⅲ温度控制在150℃。换热器ⅰ、换热器ⅱ、换热器ⅲ中与热解蒸汽换热的介质为联苯导热油(商购得到)，联苯导热油依次通过换热器ⅲ、换热器ⅱ、换热器ⅰ。从换热器ⅰ导出的导热油温度300℃，经循环泵输送至换热器ⅳ，在换热器ⅳ中与空气进行换热，被加热的空气温度为120℃，作为助燃空气通入烟气炉内；从换热器iii导出的不可凝气为富含h2、ch4、co及烃类气体的热解气，热解气的一部分作为燃料气送入烟气炉，排出烟气温度为900℃；高温烟气从烟气炉导出后依次经过热解装置、加热熔融装置、干燥装置，烟气流动方向与废弃塑料输送方向呈逆流，对废弃塑料进行加热。产物分析如表2所示。

表2

本实施例的运行过程中，热解停留时间20min，无明显结焦现象，热解能耗为2.1gj/t。

对比例

将实施例1中的塑料废弃物直接进行热解，具体过程描述如下：

将废弃塑料直接采用螺旋热解反应器进行热解，热解温度控制在600℃，热解停留时间为40min，并且出现较严重的结焦现象，热解能耗为2.5gj/t。无法将热解油根据馏程进行分离，并且由于塑料物料受热不均匀及传热效率低，导致热解时间长，易发生二次裂解，导致油产率降低，并且能耗过高。产物分析如表3所示。

表3

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。