一种废弃塑料的连续热解方法及其热解系统

技术领域

本发明涉及废弃塑料的资源化领域，尤其是涉及一种废弃塑料的连续热解方法及其热解系统。

背景技术

塑料制品已经成为人类日常生活的必需品，包括包装盒、塑料袋、电子品保护套等。随着日益增多的塑料制品数量和种类，废弃塑料制品的处理，特别是资源化处理，逐渐成为环境治理的焦点。目前，绝大部分废弃塑料是通过焚烧、土地填埋或倾倒海洋进行处理的，然而，这些方法最终都会产生新的污染问题。

为了能够将废弃塑料变废为宝，废弃塑料的高温裂解/热解逐渐受到关注。已有报道提出，塑料由于其轻质、熔点低等特点，在热解时存在诸多问题，例如，热解时熔融体粘附和堆积在热解装置上，导致热解装置故障频出，难以长期持续运行；热解装置由于结构设计的缺陷，易于出现结焦，导致热解的传热效率降低；热解不充分，导致热解产生的热解油气产率低，热解产品的品质差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本申请一方面提供了一种废弃塑料的连续热解方法，包括以下步骤：

废弃塑料经破碎、干燥后，在无氧条件下进行热解反应，所得热解产物包括热解油气和热解固体，其中，所述热解反应的温度在60天以上保持稳定在450-500范围内，所述热解反应的时间控制在30-40min，所述热解固体在所述热解产物中的占比低于20重量％。

在一个实施方案中，所述热解反应的温度在20天以上保持稳定在450-500范围内；优选地，所述热解反应的温度在10天以上保持稳定不变。优选地，所述废弃塑料经过干燥之后的水分含量低于5重量％。

本申请另一方面提供了一种废弃塑料的热解系统，用于实施本申请的连续热解方法，包括依次连接的进料单元、用于热解反应的热解单元、用于热解产物分离的分离单元，其中，所述进料单元的出料口与热解单元的进料口实现密闭连接，所述热解单元的热解产物出口与所述分离单元连通；所述分离单元用于分离热解油气和热解固体；

所述热解单元包括热解反应器和围绕所述热解反应器的外壁布置的烟气通道，所述烟气通道用于流通热烟气以便为所述热解反应器提供热源；

所述烟气通道设有烟气入口和烟气出口，所述烟气入口布置在所述热解反应器的进料口侧；所述烟气出口布置在所述热解反应器的热解产物出口侧；

所述热解反应器的内腔设置有搅拌组件，所述搅拌组件在旋转时实现与所述热解反应器内壁的切向接触。

在一个实施方案中，所述搅拌组件包括旋转轴和布置在所述旋转轴上的若干搅拌杆；所述旋转轴沿所述热解反应器的长度设置在所述热解反应器的中心线上，

所述搅拌杆的一端固定连接在所述旋转轴上，所述搅拌杆的另一端连接有刮板，所述刮板可以在所述搅拌杆的端部旋转，所述刮板的形状为长条板型，且所述刮板的两个端部具有不同的重量。

在一个实施方案中，所述搅拌杆与所述旋转轴的夹角为30-90度。

在一个实施方案中，在所述旋转轴上，相邻两个搅拌杆在所述旋转轴上的垂直距离是所述刮板长度的1.5-3倍。

在一个实施方案中，所述热解系统包括二级或更多级热解单元，相邻两级热解单元实现密闭连通，所述分离单元与末级热解单元连通。

在一个实施方案中，各级热解单元分别布置独立的烟气通道，相邻两级烟气通道实现连通。

本申请的废弃塑料连续热解方法及其系统能够在较长的时间段内保持连续、稳定运行，热解反应的温度可以在长达60天的时间段内保持稳定，温度波动幅度低于100℃，由此，热解产品的品质得到了很大提升，降低了设备维护、频繁检修调试的成本。

附图说明

图1为热解反应器的正视图。

图2为热解反应器的截面图。

图3为热解反应器中搅拌杆布置在旋转轴上的截面示意图，其中A是搅拌杆夹角为180度的截面示意图；B是搅拌杆夹角为120度的截面示意图；C是搅拌杆夹角为90度的截面示意图。

图4是示例性热解反应器的截面示意图；

图5是螺旋反应器的结构示意图。

附图标记：热解反应器-1、进料口-11、热解固体出口-12、旋转轴-2、搅拌杆-3、刮板-4、配重块-5。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请的废弃塑料的连续热解方法包括以下步骤：

废弃塑料经破碎、干燥后，在无氧条件下进行热解反应，所得热解产物包括热解油气和热解固体。本申请的废弃塑料的连续热解方法，在运行过程中，能够使热解反应的温度在60天以上的运行时间内保持稳定在450-500范围内，甚至热解反应的温度在20天的运行时间内保持稳定在450-500范围内。

本申请废弃塑料的热解反应的时间在30-40min范围内。

本申请的废弃塑料连续热解方法由于热解反应温度相对稳定，波动幅度小，因此废弃塑料能够被均匀、充分热解，所得热解固体在所述热解产物中的占比大幅下降，由此提高了热解产物的品质。在一些实施方案中，热解固体在热解产物中的占比低于20重量％，甚至低于19重量％，更优选低于16重量％，还更优选低于15重量％；

本申请中，废弃塑料在热解工序之前，优选进行干燥处理，使废弃塑料的水分含量低于5重量％。废弃塑料中水分含量过高，则影响热解单元能耗，水分越高则能耗越高；为了避免反应器能耗过高，优选将废弃塑料干燥，使其水分含量低于3重量％。

本申请的连续热解方法适用于各种类型的废弃塑料，例如废弃塑料是礼品包装盒、电子产品的软包装、塑料质容器；废弃塑料可以是热塑性或热固性塑料；废弃塑料中的塑料类型可以为聚烯烃类、聚苯乙烯类、聚酰胺类、聚醚类、聚酯类和聚丙烯酸类，等等；塑料含量可以大于60重量％。如果废弃塑料中塑料含量低于60重量％，则需增加前端分选单元。

热解系统

本申请废弃塑料的连续热解方法是通过以下热解系统实施的。所述热解系统包括依次连接的进料单元、用于热解反应的热解单元、用于热解产物分离的分离单元，其中，所述进料单元的出料口与热解单元的进料口实现密闭连接，所述热解单元的热解产物出口与所述分离单元连通；所述分离单元用于分离热解油气和热解固体；

所述热解单元包括热解反应器和围绕所述热解反应器的外壁布置的烟气通道，所述烟气通道用于流通热烟气以便为所述热解反应器提供热源；

所述烟气通道设有烟气入口和烟气出口，所述烟气入口布置在所述热解反应器的进料口侧；所述烟气出口布置在所述热解反应器的热解产物出口侧；

所述热解反应器的内腔设置有搅拌组件，所述搅拌组件在旋转时实现与所述热解反应器内壁的切向接触。

本申请中，切向接触是指搅拌组件在转动搅拌时能够与热解反应器的内壁进行线接触，甚至面接触，从而刮除热解反应器内壁上的附着物。

在一个实施方案中，切向接触的程度至少为：搅拌组件在360度的转动角度内，至少在30度内、或至少60度内，或至少180度内，或者甚至360度内，与热解反应器内壁持续接触。

在一个实施方案中，如图1和图2所示，图1为热解反应器的正视图；图2为热解反应器的截面图。

如图1所示，热解反应器1设有进料口11用于输入废弃塑料，热解固体出口12，热解气出口(未示出)；搅拌组件包括旋转轴2和布置在所述旋转轴上的若干搅拌杆3；所述旋转轴2沿所述热解反应器1的长度设置在所述热解反应器的中心线上，所述搅拌杆3的一端固定连接在所述旋转轴2上，所述搅拌杆的另一端连接有刮板4，所述刮板4可以在所述搅拌杆3的端部旋转，以实现与热解反应器内壁的切向接触。

在本申请的一个实施方案中，所述搅拌杆与所述旋转轴的夹角为45-90度，优选75-85度。

在本申请的一个实施方案中，旋转轴上等距离均匀布置多个搅拌杆，各搅拌杆与所述旋转轴的夹角相等。任选地，如图3所示，在旋转轴1的圆周方向上，各搅拌杆3彼此之间的夹角可以在60度以上，例如180度(A)、120度(B)、90度(C)。

在本申请的一个实施方案中，为了有效清除内壁的附着物，特别是结焦物，在所述旋转轴上，相邻两个搅拌杆在所述旋转轴上的垂直距离是所述刮板长度的0.5-1倍。

所述刮板能够在搅拌杆的端部旋转。此处，“在搅拌杆的端部旋转”是指：刮板在受到摩擦力或抵抗力时，在搅拌杆的端部发生转动，并且不在搅拌杆的长度方向上发生位移。

在一个实施方案中，所述搅拌杆与刮板之间通过常规套管连接。作为一个示例，搅拌杆远离旋转轴的一端垂直固定有活动内管，所述活动内管的两端套接并转动连接有活动外管，所述活动外管的外部固定有刮板；刮板在活动外管和活动内管的机构作用下，能够在搅拌杆的端部旋转。

为了实现刮板与热解反应器内壁的切向接触，作为一个示例，刮板与热解反应器接触的一端呈弧形，所述弧形能够贴合热解反应器的内壁，从而能够与热解反应器发生线接触，甚至发生面接触。

所述刮板的形状为长条板型，且所述刮板的两个端部具有不同的重量。刮板的长度可以根据热解反应器的长度进行调整；在一个实施方案中，刮板的长度为：刮板的弧形端部与热解反应器内壁切向接触时呈45-60度。

刮板可以具有宽度，刮板的宽度不宜过大或过小，如果刮板的宽度过大，则刮板的转动阻力会增大，不利于刮板的长时间顺畅转动；刮板的宽度太小，则与热解反应器的接触面积变小，影响刮除效率。本申请中，刮板的宽度可以为2-15cm，优选8-15cm。此外，为了实现更优的刮除效果，各刮板在热解反应器长度方向的宽度总和为热解反应器长度的0.6-0.9倍，更优选为0.7-0.8倍。

作为一个示例，所述刮板的面板上固定有配重块，使刮板的两个端部具有不同的重量，用于控制刮板的转动时机。配重块可以固定在刮板面向热解反应器内壁的面板上，也可以固定在面向搅拌杆的面板上；单个刮板上配重块的固定位置可以独立布置，从而控制单个刮板的转动时机；通过多个刮板的转动刮除行为，实现热解反应器内壁附着物的充分刮除。

作为搅拌组件的一个示例，如图4所示，图4示出的热解反应器1中，搅拌杆3在旋转轴2的圆周方向的夹角为180度，刮板4上均布置有配重块5，刮板的弧形端部中弧形尖锐端朝向旋转轴2的转动方向；配重块5的位置为：所有搅拌杆3在旋转轴2的圆周方向处于同一水平时，配重块5处于水平线的同一侧，由此，各刮板4在与热解反应器内壁接触实施刮除时，各配重块5能起到协同的失衡作用，使各刮板4实现协同刮除效果。

作为搅拌组件的一个优选示例，旋转轴的同一圆周截面上布置2个搅拌杆，且2个搅拌杆呈180度，搅拌杆末端各自布置1个刮板，且刮板的宽度相同。由于废弃塑料发生在热解反应时，大部分废弃塑料都位于热解反应器的底部，内壁附着物也基本处于热解反应器底部；当搅拌组件运转时，处于水平布置的2个刮板可以相互协调，交替刮除热解反应器的底部，从而实现更充分地刮除效果。

配重块的体积不宜过大或过小。配重块的体积过大，则占用刮板与连杆之间的空间，影响刮板的转动角度；配重块的体积过小，则难以将刮板的转动角度控制在合适的范围内。本申请中，配重块高出刮板面板的高度可以为1-3cm，例如2cm。

由于本申请的废弃塑料质轻、热解后处于熔融态，且粘稠。废弃塑料在热解反应器中发生热解反应时，熔融态物料易于粘附在搅拌组件上，且热解产物如果不能及时排除热解反应器，则很容易粘附和堆积在热解反应器内壁上，影响热解温度的稳定性。本申请中，刮板的厚度需要控制在6-10mm范围内。如果刮板的厚度过大，则旋转轴的转动阻力过大；如果刮板的厚度过小，则影响刮除强度。

在本申请的一个实施方案中，刮板重量w

在一个实施方案中，刮板重量w

本申请废弃塑料的连续热解方法，废弃塑料的热解效率可以达到0.1-1t/h。

在一个实施方案中，本申请的热解反应所需的热量来自于热烟气的间接加热，在此实施方案中，热解反应器的外壁设有烟气通道，用于输送热烟气，其中，热烟气的流动方向与废弃塑料在热解反应器中的输送方向相反。烟气通道设有烟气入口和烟气出口。为了确保热解反应的温度达到450-500℃，烟气入口温度可以控制在700℃-800℃，烟气出口温度可以控制在300℃-400℃范围内，例如烟气出口温度控制在350-400℃。烟气出口处设有温度传感器，用于监控烟气出口处的温度，当烟气出口处的温度波动达到100℃以上时，则停止热解反应。通常，通过燃气燃烧产生热烟气。在一个实施方案中，烟气流量可以控制在2000-3200Nm

采用本申请的热解系统对废弃塑料进行连续热解，热解系统在持续运行30天、40天、50天、60天以上的时间段内，保持烟气出口的温度波动低于100℃、甚至低于50℃、低于30℃、低于25℃，热解系统在持续运行10天以上，保持烟气出口的温度保持不变。热解固体在热解产物中的占比低于20重量％，甚至低于19重量％，更优选低于16重量％，还更优选低于15重量％，从而获得品质优异的热解产物。

在一个具体的实施方案中，热解反应器的规格可以为任意尺寸，例如内径为1.2m，长度为9m。

在一个实施方案中，旋转轴同一圆周截面上布置至少2个搅拌杆作为一组，各搅拌杆布置一个刮板，各刮板的宽度为15-20cm，旋转轴上可以布置40-60组搅拌杆。

在一个实施方案中，本申请热解系统对废弃塑料的热解处理量可以达到0.8-1.5t/h，例如1t/h。

采用本申请的热解方法和系统对废弃塑料进行连续热解，所得热解固体占热解产物的占比可以低于25重量％，甚至低于22重量％，还可以低于20％。#

采用本申请的热解系统对废弃塑料进行连续热解，热解反应器内部的物料填充度可以达到20％-60体积％，在2-5r/min的转速下，热解反应器的内壁可以保持基本无附着物，附着物厚度低于1mm。

在一个实施方案中，热解反应器内部的物料填充度为20体积％，例如40体积％、60体积％、80体积％。

在一个实施方案中，旋转轴的转速可以为2-5r/min。

采用本申请的热解系统对废弃塑料进行热解，热解反应器内壁的附着物厚度可以在0.5mm以下、0.8mm以下。

本申请的热解系统可以包括二级或更多级热解单元，相邻两级热解单元实现密闭连通，所述分离单元与末级热解单元连通。

在一些实施方案中，各级热解单元分别布置独立的烟气通道，相邻两级烟气通道实现连通。

下文通过实施例对本申请进行详细描述。

以下实施例和对比例处理的废弃塑料为废弃农膜，PE含量为90重量％，经过破碎、干燥后，水分含量为5重量％。

实施例#

通过密闭螺旋输送机将废弃塑料连续输入热解反应器，进料速率控制在0.1t/h。

采用热烟气对热解反应器进行间接加热，即，烟气与热解反应器中的废弃塑料隔绝。烟气量为3200Nm

当烟气出口的温度波动达到100℃时，停止运行热解系统，对热解反应器进行检查。

热解反应器为卧式，长度为9m，内径为1.2m，旋转轴的同一截面上布置2个搅拌杆作为一组，搅拌杆与旋转轴呈90度；旋转轴上布置共计90组搅拌杆，旋转轴的转速为2r/min；

搅拌杆上刮板和配重块的参数如下：

刮板重量w

热解反应器产生高温热解气和热解固体，高温热解气经冷凝分离后得到塑料热解油和塑料热解气，热解反应产生的热解固体经冷却螺旋机排出。

热解系统连续运行28天，烟气出口温度的波动情况汇总到以下表1中。

表1

从表1可以看出，热解系统在持续运行10天时，烟气出口温度始终稳定在350℃温度，未发现温度波动；在运行第15-30天，烟气出口温度显现出波动，但是波动幅度在30℃以内，且温度上升速度非常缓慢；在运行第40天，出现了较为明显的温度波动。在持续观察25天后，发现温度上升速度明显变快，在第65天，温度达到455℃，将热解系统及时停运，对热解反应器进行检查。发现热解反应器内壁的附着物平均厚度为1mm。

对热解系统运行期间得到的热解产物(产率，重量％)进行记录，汇总到如下表2。

表2

对比例

将实施例1的热解反应器替换成相同尺寸的螺旋反应器(如图5所示)，其中，反应器中的物料通过螺旋搅拌机构进行搅拌和推进，反应器长度为9m，内径为1.2m，螺距为15cm。按照实施例1相同的工艺参数，使对比例的热解系统持续运行。观察运行期间烟气出口处的温度波动情况，汇总到如下表5。

表5

对比例的热解系统在运行至第5天，烟气出口温度出现明显上升，在第10天烟气出口温度达到457℃，在第20天已经升高到522℃。将热解系统停止运行，对螺旋反应器进行检查，发现螺旋反应器的内壁附着有很厚的黑色物质，附着物的平均厚度达到5mm，主要为结焦物。

对运行期间的热解产物进行记录，结果如表6所示。

表6

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。