一种废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置及方法

1.本发明涉及固体废弃物无害化、资源化利用技术领域，具体地说，涉及一种废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置及方法。


背景技术：

2.2018年我国废旧乘用车轮胎超过1300万吨，以废旧轮胎为主的废橡塑是我国典型的大宗工业废弃物，具有难处理、难降解、环境危害大的特点。废旧轮胎属于高分子热固性聚合物，主要由碳、氢两种元素组成，并含有少量氧、氮、硫等元素，由于其分子结构稳定、难以自然降解，原料组成复杂、往往含有多种添加剂，具有很强的抗热、抗生物、抗机械性，直接焚烧会释放出大量的有毒致癌污染物，严重污染大气。
3.废轮胎的资源化利用方式包括：直接翻新利用、生产再生胶粉、直接焚烧、热解等。与轮胎翻新、生产再生胶粉、直接焚烧相比，废轮胎热解具有节能和资源回收率高的优势，更重要的是废轮胎热解对原轮胎无要求，适应性广，具有处理量大、效益高和环境污染小等特点，更符合节能减排理念。被认为是当今处理废轮胎的最佳途径之一。
4.废轮胎热解是在惰性气氛下通过加热的方式破坏橡胶的交联结构和化学键，将其分解成可燃气、热解油及热解炭等产品的过程。热解气可作为燃料气燃烧，提供或补充热解过程所需的热量；热解油可进一步加工精制作为燃料或化工品；热解炭黑可作为商业炭黑使用，或经过处理后制成活性炭用于吸附等。
5.废旧轮胎热解工艺简单、操作方便，所得产品属于急需而短缺的能源及化工原材料。该法较其他方法处理量大，适用范围广，产品品种多，废轮胎减容量大，热解过程所需能源可以自给。废旧轮胎热解处理具有明显的环境效益及可观的经济效益。
6.虽然废轮胎热解具有极高的经济价值，但其技术难度大，对装备和系统的要求极高，特别是热解反应器和工艺参数的控制对热解产物的品质影响极大。废轮胎的热解有很多方法，如催化热解、真空热解、加氢热解、低温热解、过热蒸汽气提热解、共热解和等离子体热解等；采用的反应器以移动床、固定床、回转窑和流化床为主。
7.现有热解技术及装备为了保证废轮胎完全热解，废轮胎在反应器内的停留时间达40～50min，热解气在高温下发生二次反应，同时还存在热解产物组分较难控制，热解炭黑含油率较高不能直接作为商业炭黑使用。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置和方法，实现了废橡塑颗粒的快速热解，提高了热解产物品质。
9.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置包括：
10.壳体，呈长筒状，一端设有给料单元，另一端设有炭黑排放口；所述给料单元中废橡塑的直径为4～6mm；所述壳体上设有若干热解气排放口；
11.螺杆，设置在所述壳体内，与壳体的内腔相匹配；所述壳体的内壁面与螺杆的齿顶间距为0.1～0.2mm，所述螺杆齿高为6～8mm；
12.动力单元，用于驱动所述螺杆旋转；
13.阶梯加热单元，设置在所述壳体外，分为若干加热段，从进料口开始温度依次升高；
14.测量单元，用于监测温度和压力，提供反馈控制信号；
15.氮气密封单元，设置在所述给料单元和所述炭黑排放口上方，用于减少漏入热解系统的空气量。
16.上述技术方案中，对于废橡塑颗粒热解特点，不同热解状态控制不同温度，及时排除热解气，提高了热解气的品质；在废橡塑颗粒热解过程中通过旋转螺杆进行原位挤压碾磨，大大提高了热解效率；同时，采用氮气密封，降低了热解炭黑的含油率，提高了热解炭黑的商业价值。
17.靠近进料口的温度低，而靠近炭黑排放口温度高，也就是说热解初温低，热解终温高，这与一般热解装置的温度控制相反。在废橡塑颗粒热解的初始阶段，热解气析出的多，较低的温度可以避免热解气裂解的程度，提高得油率，而在热解基本完成的热解炭黑碾磨段，较高的温度一方面可以保证废橡塑颗粒完全热解，另一方面温度越高，热解炭黑吸附热解气的能力下降，可以降低热解炭黑的含油率。
18.废橡塑颗粒热解完全后生成的热解炭黑经炭黑排放口排出，在高温下炭黑的吸附能力下降，但炭黑排出后即冷却，如果部分热解气随炭黑排出，降温后热解气冷凝吸附在热解炭黑表面，会导致炭黑的含油率上升。在热解炭黑排放口上方布置氮气密封单元，进入热解装置的氮气流向与炭黑排出的方向相反，氮气大大的降低了炭黑中热解气的分压力，使排出炭黑中热解气的含量明显减少，提高了热解炭黑的品质。
19.为了提高热解产物的品质，精确控制热解温度，可选地，在一个实施例中，所述的阶梯加热单元包括从进料口开始依次设置的第一加热段、第二加热段和第三加热段；所述第一加热段的温度为420～430℃，升温幅度为20～30℃。
20.为了减少阶梯加热单元向周围环境的散热，可选地，在一个实施例中，所述的阶梯加热单元外包覆有一层保温层，且各加热段上设有温度测点。
21.可选地，在一个实施例中，所述的给料单元包括料室、设置在所述料室顶部的料斗、以及将所述料室与所述料斗之间的密封隔板，所述料斗的底部安装所述的氮气密封单元。
22.在给料时，料斗中加满废橡塑颗粒，密封隔板关闭，氮气密封单元的阀门打开，料斗里废橡塑中的空气被氮气置换；随后打开密封隔板，废橡塑进入料室，然后关闭密封隔板；待料室内的废橡塑颗粒快热解完时打开密封隔板，以此循环给料，实现废橡塑颗粒的连续给料，同时减少了料中含有的空气量。
23.可选地，在一个实施例中，所述的测量单元包括设置在各加热段上的温度计，和设置在所述壳体的炭黑排放口端的压力计。
24.可选地，在一个实施例中，其中一个热解气排放口设置在所述炭黑排放口的上方；所述的压力计用于检测该热解气排放口的热解气压力。
25.为了使废橡塑颗粒热解气及时排出，避免在高温下发生二次反应，优选所述热解
气排出口主要布置在壳体的前半部分，两侧各均布5个，后半部分布置2个。进一步优选每个热解气排出口均可取样。在废橡塑颗粒热解过程中，前半部分热解段内约有75％～80％的热解气析出，为了使热解气及时排出，在前半部分套筒的两侧各均布5个排气孔。随着废橡塑颗粒逐渐热解完全，排气孔的数量减少，在后半部分热解段布置两个排气孔，在热解装置排炭黑侧端部布置一个排气孔。
26.为了使套筒上的热量能够传给螺杆，提高废橡塑颗粒受热的均匀性，可选地，在一个实施例中，所述的壳体壁厚为10～12mm，使壳体内壁面周向温度均匀，避免出现局部热点。
27.为了提高废橡塑颗粒热解效率，可选地，在一个实施例中，所述的螺杆的齿厚为2～3mm，齿间距等于轴径。
28.螺杆为碳钢材质，导热系数高，较小的间距及较厚的齿厚可以使套筒上的热量传给螺杆后反过来加热废橡塑颗粒，加快废橡塑颗粒的热解。
29.废橡塑颗粒热解料层的厚度基本等于齿高，由于废橡塑颗粒的导热系数小，较薄的料层厚度可以使颗粒快速被加热热解，提高热解效率，减少热解气在高温区的停留时间。
30.在较高的热解效率下，废橡塑颗粒能够快速热解，其在热解系统内的停留时间可以减短，优选的所述动力单元包括变频电机和减速机，可以调节变频电机的转速，改变螺杆的转速，控制废橡塑在热解系统内停留时间在10～15min。
31.第二方面，本发明提供的废橡塑颗粒快速热解提质增值的方法，包括以下步骤：
32.1)废橡塑破碎为4～6mm的胶粒；
33.2)开启梯级加热单元，控制各加热段的温度；
34.3)打开氮气密封单元，通入氮气；
35.4)开启动力单元调节螺杆转速，使胶粒停留时间在8～10min；
36.5)给料，废橡塑颗粒受热快速热解；
37.6)热解气从壳体的各处热解气排出口及时排出冷凝，停留时间小于胶粒的停留时间；
38.7)热解炭黑经过氮气密封单元后排出；
39.8)热解炭黑和冷凝热解油用于工业原料，不凝结的热解气燃烧供热。
40.为了避免热解气泄漏，同时有利于热解气的析出，热解过程中，测量热解装置的压力，反馈控制使装置负压40～50pa运行。
41.为了提高热解油产率，优选步骤2)中梯级加热模块中进料口侧温度为420～430℃，升温幅度为20～30℃。靠近进料口的温度低，而靠近排炭黑口温度高。
42.为了提高热解产物的品质，增加热解产物的价值，优选步骤6)中，热解气及时排出冷凝减少了热解气在高温区的停留时间，提高了得油率；在步骤7)中热解炭黑经过氮气密封模块，降低了热解炭黑的含油率。本方法热解油产率达45％，热解炭黑含油率低于2％。
43.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
44.通过本发明的废橡塑颗粒热解装置结构紧凑，易调控，成本低，能够实现废橡塑颗粒的快速热解，且热解产物品质高，增值幅度大。
附图说明
45.图1为本发明实施例中废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置的结构示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
48.实施例
49.参见图1，本实施例的废橡塑颗粒快速热解提质增值的装置包括壳体4、螺杆、动力单元、给料单元、阶梯加热单元、保温层6、测量单元、氮气密封单元、测量单元、热解气排出单元、热解炭黑排放口11和热解炭黑排放阀门12。
50.其中，动力单元包括变频电机101和减速机102，用于驱动螺杆旋转。给料单元包括料斗201、密封隔板202和料室203，用于废橡塑给料。螺杆包括螺杆轴301和螺杆齿303。阶梯加热单元包括第一加热段501、第二加热段502和第三加热段503，用于给废橡塑热解提供热量。热解气排出单元包括前半部分热解气排出口701、后半部分热解气排出口702和端部热解气排出口703。氮气密封单元包括料斗处的氮气密封单元801和排炭黑口处的氮气密封单元802，用于减少漏入热解系统的空气量，提高热解产物品质。测量单元包括设置在各加热段上的温度计和设置在壳体4的炭黑排放口端的压力计。
51.本实施例中壳体内腔与螺杆配套，将热量传给废橡塑和螺杆。保温层用于减少梯级加热模块向周围环境的散热。测量单元用于监测热解系统的温度和压力，提供反馈控制信号。热解炭黑排放口用于收集热解炭黑。
52.在给料时，料斗中加满废橡塑颗粒，密封隔板关闭，氮气密封单元801的氮气阀门打开，料斗201里废橡塑中的空气被氮气置换；随后打开密封隔板202，废橡塑进入料室203，然后关闭密封隔板202；待料室203内的废橡塑颗粒快热解完时打开密封隔板202，以此循环给料，实现废橡塑颗粒的连续给料，同时减少了料中含有的空气量。
53.本实施例的螺杆齿高设置为6～8mm，齿间距等于轴径，以提高废橡塑颗粒热解效率。废橡塑颗粒热解料层的厚度基本等于齿高，由于废橡塑颗粒的导热系数小，较薄的料层厚度可以使颗粒快速被加热热解，提高热解效率，减少热解气在高温区的停留时间。
54.本实施例给料单元中料斗201里的废橡塑颗粒粒径范围4～6mm，使废橡塑颗粒能够进入螺杆的齿间隙。
55.在较高的热解效率下，废橡塑颗粒能够快速热解，其在热解系统内的停留时间可
以减短，动力单元可以调节变频电机的转速，改变螺杆的转速，控制废橡塑在热解系统内停留时间在10～15min。
56.为了使套筒上的热量能够传给螺杆，本实施例壳体4的内壁面与螺杆齿顶间距为0.1～0.2mm，齿厚为2～3mm。螺杆为碳钢材质，导热系数高，较小的间距及较厚的齿厚可以使套筒上的热量传给螺杆后反过来加热废橡塑颗粒，加快废橡塑颗粒的热解。
57.为了废橡塑颗粒受热的均匀性，本实施例壳体的壁厚为10～12mm，使壳体内壁面周向温度均匀，避免出现局部热点。
58.为了提高热解产物的品质，精确控制热解温度，阶梯加热单元采用电加热，单个加热段的温度分别为425℃，450℃，475℃，温度可调，从进料口开始温度依次升高，升温幅度为25℃。靠近进料口的温度低，而靠近炭黑排放口温度高，也就是说热解初温低，热解终温高，这与一般热解装置的温度控制相反。在废橡塑颗粒热解的初始阶段，热解气析出的多，较低的温度可以避免热解气裂解的程度，提高得油率，而在热解基本完成的热解炭黑碾磨段，较高的温度一方面可以保证废橡塑颗粒完全热解，另一方面温度越高，热解炭黑吸附热解气的能力下降，可以降低热解炭黑的含油率。
59.为了使废橡塑颗粒热解气及时排出，避免在高温下发生二次反应，热解气排出口主要布置在套筒的前半部分，两侧各均布5个，后半部分和端部分别布置2个和1个。每个热解气排出口均可取样。在废橡塑颗粒热解过程中，前半部分热解段内约有75％～80％的热解气析出，为了使热解气及时排出，在前半部分套筒的两侧各均布5个排气孔。随着废橡塑颗粒逐渐热解完全，排气孔的数量减少，在后半部分热解段布置两个排气孔，在热解装置排炭黑侧端部布置一个排气孔。
60.为了提高热解炭黑的品质，同时起到密封的作用，热解炭黑排出口上方布置氮气密封模块。废橡塑颗粒热解完全后生成的热解炭黑经排炭黑口排出，在高温下炭黑的吸附能力下降，但炭黑排出后即冷却，如果部分热解气随炭黑排出，降温后热解气冷凝吸附在热解炭黑表面，会导致炭黑的含油率上升。在热解炭黑排放口上方布置氮气密封单元802，进入热解装置的氮气流向与炭黑排出的方向相反，氮气大大的降低了炭黑中热解气的分压力，使排出炭黑中热解气的含量明显减少，提高了热解炭黑的品质。
61.为了避免热解气泄漏，同时有利于热解气的析出，测量单元的压力计设置在压力测点10处，监测热解装置压力，反馈控制使热解系统微负压45pa运行。为了精确控制热解系统温度，在外壳不同位置布置温度测点9，反馈控制各热解段的温度。
62.利用上述废橡塑颗粒快速热解提质增值装置实现废轮胎热解，包括以下步骤：
63.(1)废轮胎破碎为4～6mm的胶粒，去掉钢丝；
64.(2)开启阶梯加热单元，控制各段的温度；
65.(3)打开氮气密封单元的阀门，通入氮气；
66.(4)开启动力单元调节螺杆转速，使胶粒停留时间在8～10min；
67.(5)给料，废轮胎颗粒受热快速热解；
68.(6)热解气从壳体各位置处热解气排出口及时排出冷凝，停留时间小于胶粒的停留时间；
69.(7)热解炭黑经过氮气密封模块排出；
70.(8)热解炭黑和冷凝热解油用于工业原料，不凝结的热解气燃烧供热。
71.为了提高热解油产率，步骤(2)中阶梯加热调节中进料口侧温度425℃，升温幅度25℃。靠近进料口的温度低，而靠近炭黑排放口温度高。
72.为了提高热解产物的品质，增加热解产物的价值，步骤(6)中，热解气及时排出冷凝减少了热解气在高温区的停留时间，提高了得油率；在步骤(7)中热解炭黑经过氮气密封模块，降低了热解炭黑的含油率。本方法热解油产率达45％，热解炭黑含油率低于2％。
73.本实施例的装置结构紧凑，可以阵列布置多个，以提高废橡塑颗粒的处理规模。