CN113322089A - 一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，所述方法利用红外加热实现快速升温，将废旧塑料在高温下热解为气、液、固三相产物。当废旧塑料催化热解时，废旧塑料首先在热解反应器内分解为长链烃类大分子化合物，然后该类物质在催化热解反应器内在催化剂的作用下发生断裂、芳构化等反应，选择性的制备高品质的热解产物。本发明不仅实现了废旧塑料的单独快速热解和催化快速热解，而且实现热解反应与催化反应分离，使催化温度可以得到灵活控制，且与塑料分离使催化剂不易失活。
Description
技术领域
本发明涉及塑料能源化技术领域，尤其是一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法。
背景技术
随之经济社会的发展，塑料已经成为了主要的工业垃圾和市政垃圾，目前来说，循环利用是最适合废旧塑料的处置方式，但不同的废旧塑料中往往存在各种不同的添加剂，并且难以分离，这在很大程度上限制了废旧塑料的循环使用。热解技术是通过将可热分解的物质在高温绝氧的条件下分解为固、液、气三相产物的过程，煤炭热解制备液体燃料、合成气已经实现了工业化的运行。
在传统的热解技术中，针对于废旧塑料热解的反应装置研究较少，实验室多是在管式炉一类的装置上探究废旧塑料的热解的，然而管式炉一类的电加热热解装置加热速率慢，不利于制备高产率的液体产物；在快速加热条件下能避免热解产物发生二次反应导致液体产物产率低，同时长时间的加热增加了能耗，这就要求热解反应尽量在快速加热条件下发生。传统的快速热解反应器由于加热速率慢，部分技术会采用固体热载体或气体热载体，虽然能达到快速加热物料的目的，热载体技术存在焦油粉尘夹带严重、热载体与反应器摩擦损坏反应器以及造成反应器堵塞等问题。但对于废旧塑料含尘、有杂质等特点，热红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，不使用热载体且直接快速加热废旧塑料，则能避免上述问题。此外，废旧塑料的种类复杂，如工程废旧塑料、特种废旧塑料这一类废旧塑料的结构尤其致密，导致其热分解困难，废旧塑料热解产物中大分子物质含量较高，这就导致了液体产物品质不佳，因此需要在热解过程中加入催化剂，催化热解废旧塑料可以使大分子物质发生断键，从而生成更多的轻质产物。一方面来说，如果废旧塑料与催化剂混合热解，这将导致催化剂会被软化的废旧塑料包裹而快速失活，并不能有效达到催化热解的目的，另一方面，催化剂发挥最佳功效的温度并非一定与废旧塑料热解的温度相同，因此将废旧塑料的热解反应与催化剂的催化反应分开进行更有利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，既能实现废旧塑料的单独热解，又能实现废旧塑料的催化热解，可以灵活调热解温度与催化热解温度，将塑料的热解反应与催化反应分离进行，减缓了催化剂积碳的失活速度。不仅解决了现有热解方法中存在升温速率慢，原料受热不均匀以及热解产物大分子物质含量高等问题，而且提升了热解产物品质，实现废旧塑料的高值化利用。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当废旧塑料单独热解时，包括如下步骤：
(1)将废旧塑料破碎至粒度均匀后，将其放入热解反应器内；
(2)依次连接配气***、热解反应器、产物回收***，并设定气体流量与热解反应器的目标温度为400～800℃；
(3)启动热解反应器升温程序以及制冷泵，废旧塑料在高温下发生热解反应，同时生成的挥发分经载气带出，所述制冷泵的温度为-20℃～-50℃；
(4)被载气带出的挥发分在产物回收***内被收集。
步骤(2)和(3)所述热解反应器为红外加热热解反应器。
一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当废旧塑料催化热解时，包括如下步骤：
(1)将废旧塑料破碎至粒度均匀后，将其放入热解反应器内，将一定比例的催化剂装入催化热解反应器；
(2)依次连接配气***、热解反应器、催化热解反应器、产物回收***，并设定气体流量、热解反应器与催化热解反应器的目标温度分别为400～800℃；
(3)启动热解反应器与催化热解反应器升温程度，开启制冷泵，废旧塑料在热解反应器内发生热解反应，同时生成大分子烃类物质，所述制冷泵的温度为-20℃～-50℃；
(4)在热解反应器内生成的大分子烃类物质被载气带入催化热解反应器内，在催化剂的作用下大分子有机物发生断裂、芳构化反应；
(5)经催化后的废旧塑料热解产物被载气带入产物回收***回收，所述载气的流量为50ml/min～1L/min。
当废旧塑料催化热解时，步骤(1)、(2)、(3)、(4)所述催化热解反应器为红外加热热解反应器。
当废旧塑料催化热解时，步骤(1)所述废旧塑料的粒度为1～50mm。
当废旧塑料催化热解时，步骤(1)所述的催化剂为贵金属、过渡金属氧化物、碱(土)金属氧化物、分子筛、分子筛负载金属氧化物、金属盐以及含有金属元素的矿石。
当废旧塑料催化热解时，步骤(1)所述催化剂与废旧塑料的比例为10:1～1:10。
所述废旧塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、尼龙以及聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种或多种。
当废旧塑料单独热解时或当废旧塑料催化热解时，所述配气***包括高压气瓶，气体减压阀、气体质量流量计，它们依次用内径6mm的不锈钢管连接。
当废旧塑料单独热解时或当废旧塑料催化热解时，所述产物回收***包括产物回收***包括冷凝池、制冷器、液体收集瓶、洗气瓶、气体过滤器、湿式流量计，它们依次用内径6mm硅胶软管连接。
本发明的有益效果在于：
1、解决废旧塑料难以降解、对环境污染严重的问题，实现废旧塑料的减量化、资源化、无害化处置。
2、通过红外加热实现废旧塑料的快速热解，使废旧塑料受热均匀。
3、催化热解废旧塑料，降低热解产物中大分子产物的含量，提升热解产物的品质。
4、实现催化剂与废旧塑料的分离，废旧塑料热解温度与催化温度分别控制，提升催化效率。
附图说明
图1为本发明所述红外加热废旧塑料的热解与催化热解方法的单独热解废旧塑料时的工艺设备连接图。
图2为本发明所述红外加热废旧塑料的热解与催化热解方法的催化热解废旧塑料时的工艺设备连接图。
图中标记为：配气***1、高压钢瓶1-1、气体减压阀1-2、高压钢瓶1-3、热解反应器、热解反应器2、催化热解反应器3、产物回收***4、制冷器4-1、液体收集瓶4-2、冷凝池4-3、洗气瓶4-4、气体过滤器4-5、湿式流量计4-6、集气罐4-7。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
首先需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1所示，本发明所述红外加热废旧塑料的热解与催化热解方法的单独热解废旧塑料时的工艺设备，组成元件包括配气***1、热解反应器2以及产物回收***4。组成元件的具体结构和连接关系为：
所述配气***1包括高压钢瓶1-1、气体减压阀1-2以及高压钢瓶1-3，它们之间通过内径为3mm的不锈钢管或者铜管连接，高压钢瓶1-1首先连接气体减压阀1-2，气体减压阀1-2再与高压钢瓶1-3连接，高压钢瓶1-3与热解反应器2连接；
所述产物回收***4包括制冷器4-1、液体收集瓶4-2、冷凝池4-3、洗气瓶4-4、气体过滤器4-5、湿式流量计4-6以及集气罐4-7，所述制冷器4-1内的冷却液为乙二醇，可冷却至-20℃以下，制冷器4-1与冷凝池4-3连通，所述液体收集瓶4-2与热解反应器2连通，并浸泡在装有冷凝液的冷凝池4-3内，所述液体收集瓶4-2还与洗气瓶4-4连接、洗气瓶4-4与气体过滤器4-5连接，气体过滤器4-5与湿式流量计4-6连接、湿式流量计4-6与集气罐4-7和气体产物分析仪连接，所述洗气瓶4-4内装有丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、甲醇、乙醇、二硫化碳溶液中的其中一种，所述气体过滤器4-5内为棉花。
实施例2
如图2所示，本发明所述红外加热废旧塑料的热解与催化热解方法的催化热解废旧塑料时的工艺设备，组成元件包括配气***1、热解反应器2、催化热解反应器3以及产物回收***4，组成元件的具体结构和连接关系为：
所述配气***1，产物回收***4元件及连接关系与实施例1所述均相同，差别在于，配气***1先连接热解反应器2，热解反应器2再连接催化热解反应器3，催化热解反应器3再与产物回收***4连接。
实施例3
一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当废旧塑料单独热解时，按实施例1所述的连接方式将热解装置连接，将粒径为10mm的塑料(聚乙烯)称取3g装入热解反应器2内，连接管路，高压钢瓶1-1内的气体优选为氮气，调节高压钢瓶1-3的气体流量100ml/min，
热解反应器2的温度优选为400℃，升温速率优选为20℃/s，并设置在400℃的停留时间均为30min，此条件得到的热解产物分布固体产物占0.9％，液体产物(含蜡)92.6％，气体产物占6.5％。
实施例4
一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当废旧塑料单独热解时，按实施例1所述的连接方式将热解装置连接，将粒径为20mm的塑料(聚乙烯)称取3g装入热解反应器2内，连接管路，高压钢瓶1-1内的气体优选为氮气，调节高压钢瓶1-3的气体流量100ml/min，
热解反应器的温度优选为600℃，升温速率优选为30℃/s，并设置在600℃的停留时间均为30min，此条件得到的热解产物分布固体产物占0.51％，液体产物(含蜡)90.32％，气体产物占9.17％。
实施例5
一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当废旧塑料单独热解时，按实施例1所述的连接方式将热解装置连接，将粒径为30mm的塑料(聚乙烯)称取5g装入热解反应器2内，连接管路，高压钢瓶1-1内的气体优选为氮气，调节高压钢瓶1-3的气体流量100ml/min，
热解反应器的温度优选为800℃，升温速率优选为为30℃/s，并设置在800℃的停留时间均为30min，此条件得到的热解产物分布固体产物占0.1％，液体产物(含蜡)78.37％，气体产物占21.62％。
实施例6
本发明所述红外加热废旧塑料的热解与催化热解方法，当催化热解废旧塑料时，根据实施例2的连接方式将热解装置连接，将粒径为10mm的塑料(聚乙烯)称取3g装入热解反应器2内，将1.5g氧化铁催化剂装入催化热解反应器3内，连接管路，高压钢瓶1-1内的气体优选为氮气，调节高压钢瓶1-3的气体流量100ml/min，热解反应器2的温度优选为500℃，催化热解反应器3的温度优选为400℃，升温速率优选为30℃/s，并设置在600℃的停留时间均为30min，此条件得到的热解产物分布固体产物占0.46％，液体产物(含蜡)74.32％，气体产物占25.22％。
特别说明的是，本发明所述高压钢瓶1-1、气体减压阀1-2、高压钢瓶1-3、压力表、温度控制器、制冷器4-1、洗气瓶4-4、气体过滤器4-5、湿式流量计4-6，均为通用标准件或者从事本领域的相关技术人员熟知的部件，这些部件或仪器均可以查询相关手册或标准得知。本发明的主要目的是提供一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，可以实现减量化、资源化、无害化处理废旧塑料，升温速率快，原料适应性强。
本发明所述热解反应器2、催化热解反应器3、冷凝池4-3、液体收集瓶4-2以及集气罐4-7的尺寸不是固定值，其大小可根据实验情况来具体确定。
本发明可以有多种实施例，在不背离本发明精神及实质的情况下，对本发明的公开做出相应的形状、尺寸的改变都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，当废旧塑料单独热解时，包括如下步骤：
(1)将废旧塑料破碎至粒度均匀后，将其放入热解反应器内；
(2)依次连接配气***、热解反应器、产物回收***，并设定气体流量与热解反应器的目标温度为400～800℃；
(3)启动热解反应器升温程序以及制冷泵，废旧塑料在高温下发生热解反应，同时生成的挥发分经载气带出，所述制冷泵的温度为-20℃～-50℃；
(4)被载气带出的挥发分在产物回收***内被收集。
2.根据权利要求1所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，步骤(2)和(3)所述热解反应器为红外加热热解反应器。
3.一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，当废旧塑料催化热解时，包括如下步骤：
(1)将废旧塑料破碎至粒度均匀后，将其放入热解反应器内，将一定比例的催化剂装入催化热解反应器；
(2)依次连接配气***、热解反应器、催化热解反应器、产物回收***，并设定气体流量、热解反应器与催化热解反应器的目标温度分别为400～800℃；
(3)启动热解反应器与催化热解反应器升温程度，开启制冷泵，废旧塑料在热解反应器内发生热解反应，同时生成大分子烃类物质，所述制冷泵的温度为-20℃～-50℃；
(4)在热解反应器内生成的大分子烃类物质被载气带入催化热解反应器内，在催化剂的作用下大分子有机物发生断裂、芳构化反应；
(5)经催化后的废旧塑料热解产物被载气带入产物回收***回收，所述载气的流量为50ml/min～1L/min。
4.根据权利要求3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，步骤(1)、(2)、(3)、(4)所述催化热解反应器为红外加热热解反应器。
5.根据权利要求3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，步骤(1)所述废旧塑料的粒度为1～50mm。
6.根据权利要求3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，步骤(1)所述的催化剂为贵金属、过渡金属氧化物、碱(土)金属氧化物、分子筛、分子筛负载金属氧化物、金属盐以及含有金属元素的矿石。
7.根据权利要求3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，步骤(1)所述催化剂与废旧塑料的比例为10:1～1:10。
8.根据权利要求1或3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，所述废旧塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、尼龙以及聚对苯二甲酸乙二醇酯的一种或多种。
9.根据权利要求1或3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，所述配气***包括高压气瓶，气体减压阀、气体质量流量计，它们依次用内径6mm的不锈钢管连接。
10.根据权利要求1或3所述的一种红外快速加热废旧塑料的热解与催化热解方法，其特征在于，所述产物回收***包括产物回收***包括冷凝池、制冷器、液体收集瓶、洗气瓶、气体过滤器、湿式流量计，它们依次用内径6mm硅胶软管连接。
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