一種新型廢塑料裂解反應(yīng)釜的研究與設(shè)計(jì)

丁亞峰，黃秀玲，王志偉，朱 勇，葉 恒

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.暨南大學(xué) 包裝工程研究所，廣東 珠海 519070）

1 引言

反應(yīng)釜是廢塑料裂解過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，到目前為止，關(guān)于反應(yīng)釜的研究很多，國(guó)外的有恒溫式攪拌釜、流化床式反應(yīng)釜和管式反應(yīng)釜。恒攪拌反應(yīng)釜根據(jù)運(yùn)行的連續(xù)性可分為間歇式和連續(xù)式，間歇式反應(yīng)釜工作不連續(xù)，能耗較高，生產(chǎn)效率低，頻繁開(kāi)停爐存在安全隱患，所以該工藝現(xiàn)在基本已淘汰；連續(xù)式反應(yīng)釜雖然解決了連續(xù)進(jìn)料、反應(yīng)傳熱、連續(xù)排渣3 個(gè)主要問(wèn)題，提高了反應(yīng)的安全性和效率，但是在塑料裂解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的重油和石蠟，這些產(chǎn)品利用率低。流化床具有良好的傳熱、傳質(zhì)性能，且反應(yīng)停留時(shí)間短，加熱效率高，但是國(guó)內(nèi)外流化床反應(yīng)器大多處于試驗(yàn)研究階段，工業(yè)化成功案例較少，而且反應(yīng)過(guò)程中容易出現(xiàn)灰渣黏結(jié)成塊的情況，導(dǎo)致“失流化”故障，裂解油氣中含塵率較高，設(shè)備管理復(fù)雜，投資較大，尚未形成成熟的流化床裂解制油工藝[1]。國(guó)內(nèi)的反應(yīng)釜以專(zhuān)利為最多，主要有文獻(xiàn)[2]發(fā)明的離心刮板成膜熱裂解反應(yīng)裝置，該專(zhuān)利主要描述的是一種螺旋加熱反應(yīng)釜裝置，該反應(yīng)釜分為三大部分：低溫反應(yīng)區(qū)、高溫反應(yīng)區(qū)和碳化區(qū)，然而本裝置有一個(gè)最大的缺點(diǎn)在于廢塑料的受熱不均勻，造成裂解后生成的產(chǎn)物比重?zé)o法控制。文獻(xiàn)[3]發(fā)明的一種廢塑料煉油裂解釜，雖然提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱面積大且物料受熱均勻的臥式廢塑料煉油裂解釜，但是它無(wú)法克服間斷生產(chǎn)這個(gè)弊端，因?yàn)樗谂盘歼^(guò)程中需要停機(jī)，利用專(zhuān)門(mén)的清理機(jī)構(gòu)進(jìn)行炭黑的清理，這樣會(huì)造成巨大的熱量浪費(fèi)。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外反應(yīng)釜存在的諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的廢塑料裂解反應(yīng)釜，為實(shí)現(xiàn)廢塑料回收設(shè)備小型化、連續(xù)生產(chǎn)、提高油品質(zhì)量、減少能耗等奠定了基礎(chǔ)。

2 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)形式

廢塑料裂解原理分為四種：熱解法、催化裂解法、熱解-催化改質(zhì)法和催化熱解-催化改質(zhì)[4]。反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)采用了熱解-催化改質(zhì)法，熱解-催化改質(zhì)法是指先將廢塑料加熱熔融裂解，然后將熱裂解氣通入到催化罐中進(jìn)行催化改質(zhì)的方法。這種方法與其他三種相比，不但會(huì)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的油品，而且催化劑的反復(fù)使用率最高，從而節(jié)約成本，所以這種方法應(yīng)用的最為廣泛。

根據(jù)廢塑料裂解原理，可以設(shè)計(jì)反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)由反應(yīng)釜外殼、攪拌器和刮板三部分組成，攪拌器需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刮板固定在攪拌器上，跟隨攪拌器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

反應(yīng)釜的工作原理是從注塑機(jī)出來(lái)的熔融廢塑料，沿?cái)嚢杵髁飨拢ㄟ^(guò)右邊的刮板將其攤薄，由于反應(yīng)釜底部具有非常高的溫度，熔融塑料又很薄，所以廢塑料會(huì)瞬間汽化裂解，變成氣態(tài)，從而進(jìn)入到催化劑罐中，進(jìn)行改質(zhì)。反應(yīng)釜中的刮板由兩部分組成，其功能不同。右邊的那部分用來(lái)攤薄熔融廢塑料，有局部視圖可以看出，它與反應(yīng)釜底部有一定的間距；左邊部分是用來(lái)清理裂解產(chǎn)物碳黑，與反應(yīng)釜底部沒(méi)有間距，由于反應(yīng)釜底部有一定的傾角，炭黑會(huì)由于重力的作用滑動(dòng)到反應(yīng)釜底部側(cè)面，通過(guò)出碳口排出反應(yīng)釜。

圖1 反應(yīng)釜的平面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Plane Structure Of Reactor

反應(yīng)釜的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）利用刮板的方式，克服了停機(jī)清理炭黑的弊端，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的生產(chǎn)。

（2）由于熔融廢塑料被攤平后會(huì)瞬間被裂解氣化，所以不會(huì)出現(xiàn)結(jié)碳現(xiàn)象。

（3）反應(yīng)釜的體積非常小，所以實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。

3 反應(yīng)釜機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在我國(guó)目前的廢塑料垃圾中，聚乙烯（PE）占46%，聚丙烯（PP）占28%，聚苯乙烯（PS）占18%，這三種廢塑料是最常見(jiàn)的[5]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮這三種廢塑料。

3.1 反應(yīng)釜的技術(shù)參數(shù)

反應(yīng)釜設(shè)計(jì)之前，首先要明確一些技術(shù)參數(shù)，這些相關(guān)的技術(shù)參數(shù)有：一天的工作時(shí)間T，一天處理廢塑料的量M，反應(yīng)釜底部的溫度。由于要求反應(yīng)釜能夠連續(xù)生產(chǎn)并能實(shí)現(xiàn)快速裂解，所以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要確定T 為20h，M 為1t，反應(yīng)釜底部的溫度根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，如表1 所示。由表1 可以看出常見(jiàn)的幾種廢塑料裂解溫度一般都在（450～500）℃之間，所以反應(yīng)釜底部的溫度要設(shè)計(jì)為500℃。

表1 常見(jiàn)的幾種廢塑料裂解溫度及其產(chǎn)物Tab.1 The Pyrolysis Temperature and Product of Several Common Waste Plastics

3.2 反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 反應(yīng)釜底部?jī)A角的設(shè)定

廢塑料裂解會(huì)產(chǎn)生大概為（5～10）%碳粉和殘?jiān)?，如果不及時(shí)把這些殘?jiān)謇沓龇磻?yīng)釜，不但影響裂解的速度，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，所以要對(duì)反應(yīng)釜設(shè)置一定的傾角，使得殘?jiān)谥亓凸伟宓木C合作用下沿反應(yīng)釜的邊緣被及時(shí)清理出去，并便于收集。傾角的存在不但可以減少內(nèi)部體積，使得能量損失減少，而且還有利于殘?jiān)捻樌懦觯侨绻麅A角過(guò)大，熔融廢塑料的流速也將變快，裂解將不充分，并且反應(yīng)釜的高度也將相應(yīng)的被增加。出于上述原因的考慮以及企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終選擇反應(yīng)釜底部?jī)A角為30°。

3.2.2 刮板的轉(zhuǎn)速

刮板的轉(zhuǎn)速與攤薄熔融廢塑料的厚度和氣化時(shí)間有關(guān)，實(shí)際生產(chǎn)中攤薄厚度選為0.2mm，氣化時(shí)間由實(shí)驗(yàn)確定。

實(shí)驗(yàn)條件：0.2mm 厚的熔融PE，平板表面加熱溫度500℃。

實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2 所示。

圖2 廢塑料氣化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 The Experiment Device about Waste Plastics Gasification

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）打開(kāi)加熱裝置煤氣罩，用紅外測(cè)溫儀探測(cè)底板上部某一點(diǎn)的溫度。

（2）當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，把熔融的廢塑料倒在底板上。

（3）迅速利用刮板把熔融的廢塑料攤平，開(kāi)始用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)。

（4）當(dāng)測(cè)溫點(diǎn)熔融的廢塑料全部氣化后，終止計(jì)時(shí)，讀取秒表。

（5）按照上邊的步驟重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。

表2 0.2mm厚熔融PE氣化所對(duì)應(yīng)的時(shí)間表Tab.2 The Gasification Time of 0.2mm Thick Molten PE

由實(shí)驗(yàn)可以計(jì)算出0.2mm 厚的廢塑料氣化，需要的平均時(shí)間為1.74s，為了安全期間，取2s 作為0.2mm 厚的熔融廢塑料完全氣化時(shí)間。先設(shè)定左側(cè)刮板與反應(yīng)釜底部的距離是0.2mm，為了使左側(cè)刮板攤平的廢塑料完全氣化，則刮板的轉(zhuǎn)速要設(shè)定為0.5r/s。

3.2.3 反應(yīng)釜直徑

反應(yīng)釜半徑的組成部分，如圖3 所示。由圖3 可以得知，反應(yīng)釜半徑包括三部分：攪拌器半徑、反應(yīng)釜底部斜面長(zhǎng)度和反應(yīng)釜底部平面長(zhǎng)度。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中所選的攪拌器規(guī)格和實(shí)際試驗(yàn)得出：攪拌器半徑為R攪=25mm，反應(yīng)釜底部平面長(zhǎng)度為L(zhǎng)平=40mm，反應(yīng)釜的壁厚為H=8mm。現(xiàn)在最關(guān)鍵的是要計(jì)算出反應(yīng)釜底部斜面的長(zhǎng)度L斜。

圖3 反應(yīng)釜半徑的組成部分Fig.3 The Component of the Reactor Radius

由反應(yīng)釜的技術(shù)參數(shù)得知，反應(yīng)釜在一秒要處理的廢塑料重量為：

在常溫26℃下HDPE的密度是0.94547g/cm3、LDPE的密度是0.91890g/cm3；在常溫24.5℃下PP的密度是0.90229g/cm3；在常溫24.8℃下PP的密度是1.04375g/cm3[9]。為了安全期間，此處應(yīng)選擇密度最小的LDPE，即ρ=0.91890 g/cm3。裂解生成物柴油、汽油的主要指標(biāo)，如表3 所示。

表3 裂解生成物柴油、汽油的主要指標(biāo)Tab.3 The Main Index of Diesel and Gasoline Which are the Cracking Products

由式（1）得2s 內(nèi)即刮板轉(zhuǎn)一周要處理的熔融廢塑料體積為

通過(guò)實(shí)驗(yàn)1 得出，左側(cè)刮板與反應(yīng)釜底部的距離L 是0.2mm，則反應(yīng)釜底部斜面的理論面積為：

由于應(yīng)用的刮板法并不能保證在任何時(shí)間內(nèi)底部平面上都有廢塑料，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)傾角為30℃時(shí)，至少會(huì)有2/3的反應(yīng)釜底部斜面會(huì)被熔融的廢塑料覆蓋，那么需要反應(yīng)釜底部的實(shí)際面積為：

由圓錐側(cè)表面的面積公式：

再根據(jù)反應(yīng)釜底部的傾角是θ=30℃，我們可以算出反應(yīng)釜底部斜面的長(zhǎng)度L斜=223.747mm，取整即L斜=224mm。由此可以計(jì)算出反應(yīng)釜的直徑d=2×（L斜+R攪+L平+H）=594mm。

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，反應(yīng)釜的性能達(dá)到了預(yù)期效果，即可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，并且出油率較高，在70%以上，生成的油品通過(guò)分餾可以得到汽油、柴油，生成柴油和汽油的主要指標(biāo)，如表3 所示?；痉蠂?guó)家和車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)，因此可以說(shuō)明該反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

［1］劉光宇，馬曉波，陳德珍.垃圾廢塑料裂解工藝和反應(yīng)器［J］.環(huán)境工程，2009（1）：383－388.（Liu Guang－yu，Ma Xiao－bo，Chen De－zhen.Waste plastic cracking process and reactor［J］.Environmental Engineering，2009（1）：383－388.）

［2］姜林發(fā).離心刮板成膜熱裂解反應(yīng)裝置及其方法：中國(guó)，200910198128.2［P］.2010－5－26.（Jiang Lin－fa.Centrifugal scraper film thermal cracking reaction device and method：China，200910198128.2［P］.2010－5－26.）

［3］吳鵬鋒.一種廢塑料煉油裂解釜：中國(guó)，201010532487.X［P］.2011－2－23.（Wu Peng－feng.A kind of waste plastics refining cracking kettle：china，201010532487.X［P］.2011－2－23.）

［4］劉賢響，尹篤林.廢塑料裂解制燃料的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2008，27（3）：348－351.（Liu Xian－xiang，Yi Du－lin.The research progress of waste plastic cracking system［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2008，27（3）：348－351.）

［5］冀星，錢(qián)家麟，王劍秋.我國(guó)廢塑料優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景［J］.化工環(huán)保，2000，20（6）：18－22.（Ji Xing，Qian Jia－lin，Wang Jian－qiu.The optimal technology present situation and prospect of the application of waste plastics in our country［J］.Environmental Protection of Chemical Industry，2000，20（6）：18－22.）

［6］張鄭磊.廢塑料熱解－催化改質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究［D］.河北：華北電力大學(xué)，2008.（Zhang Zheng－lei.Waste plastics pyrolysis，catalytic reforming experimental research［D］.HeBei：North China Electric Power University，2008.）

［7］Jerzy Walendziewski.Engine fuel derived from waste plastics by thermal treatment［J］.Fuel，2002，81（4）：473－481.

［8］Liliana B.Pierella，Soledad Renzini，Oscar A.Anunziata.Catalytic degradation of high density polyethylene over microporous and mesoporous materials［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2005，81（1－3）：155－159.

［9］王成云，張偉亞，楊左軍等.塑料密度溫度系數(shù)的測(cè)定［J］.塑料科技，2003，156（4）：31－66.（Wang Cheng－yun，Zhang Wei－ya，Yang You－jun.Plastic density temperature coefficient measurement［J］.Plastics Science and Technology，2003，156（4）：31－66.）