CH720107A2 - Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques. - Google Patents
Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention divulgue un dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques, comprenant : un réservoir de stockage d'huile, une pompe à engrenages et un réacteur de pyrolyse ; le réservoir de stockage d'huile est utilisé pour stocker des liquides organiques ; la pompe à engrenages est reliée au réservoir de stockage d'huile par le tuyau d'entrée d'huile, et est reliée au fond du réacteur de pyrolyse par le tuyau de sortie d'huile. La pompe à engrenages pulvérise le liquide organique du réservoir de stockage d'huile dans le réacteur de pyrolyse. Le liquide organique est chauffé et volatilisé en gaz, de manière à réduire l'adhérence des déchets solides organiques à la paroi interne du réacteur pendant le processus de pyrolyse. La présente invention convient à divers types de réacteurs qui utilisent la pyrolyse pour traiter divers déchets solides organiques, et convient également à la pyrolyse de matériaux mixtes ou de matériaux individuels de divers déchets solides organiques. Pour un réacteur de pyrolyse à grande échelle, plusieurs dispositifs de la présente invention peuvent être utilisés au fond du corps du réacteur et disposés raisonnablement pour obtenir l'effet le plus optimisé.
Description
Domaine technique
[0001] L'invention appartient au domaine technique de l'énergie et de l'industrie chimique, en particulier à un dispositif de réaction permettant d'améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques.
État de la technique
[0002] Avec l'essor de l'industrie chimique, l'application des produits chimiques dans la vie quotidienne est de plus en plus étendue, ce qui nécessite l'élimination des déchets chimiques générés, tels que : les déchets plastiques, les déchets de caoutchouc, les pneus usagés, etc. Les déchets solides organiques tels que les déchets plastiques, les déchets de caoutchouc et les pneus usagés ne se dégradent que très lentement dans la nature et doivent donc être traités et/ou revalorisés. Par conséquent, ces dernières années, de nombreux projets utilisant les déchets plastiques et les pneus usagés comme matières premières pour produire de l'huile raffinée et générer du gaz combustible ont vu le jour. La technologie de la pyrolyse est l'une des méthodes les plus utilisées pour revaloriser les déchets plastiques, les déchets de caoutchouc et les déchets de pneus. L'utilisation de déchets plastiques et de pneus usagés pour produire de l'huile et du gaz combustible nécessite l'utilisation de réacteurs de craquage ou de fours de craquage. Traditionnellement, les réacteurs de craquage sont classés en réacteurs verticaux ou horizontaux. Dans le processus de production actuel, étant donné que les matières premières des déchets plastiques/des pneus contiennent des éléments inestimables (tels que des fils de fer, des fils d'acier, etc.), lorsque le réacteur vertical est utilisé pour la production par pyrolyse, les éléments susmentionnés s'enchevêtrent facilement. En conséquence de l'agitateur utilisé dans les réacteurs verticaux, les réacteurs doivent être arrêtés durant la production pour dégager les obstructions. Lorsqu'un réacteur horizontal est utilisé pour la production de pyrolyse, s'il contient un agitateur, le problème d'enchevêtrement ne peut être évité également. Si le réacteur horizontal n'a pas d'agitateur, le problème d'enchevêtrement peut être évité, et la matière première qui doit être craquée thermiquement économise l'étape du processus de tri. Cependant, si le corps du réacteur horizontal ne contient pas de dispositif d'agitation, il n'y a également pas de moyen pour le raclage de sa paroi. Pour que le corps du réacteur soit chauffé de manière homogène, le réacteur horizontal s'appuie sur la rotation du corps du réacteur et utilise la paroi du réacteur pour entraîner le flux de liquide, ce qui entraînera un transfert de chaleur inégal, une petite surface de flux de liquide et peut également produire des zones statiques de flux de liquide. Le liquide présent dans le réacteur durant la pyrolyse des déchets plastiques et des pneus usagés est un corps super-visqueux. La vitesse d'agitation du réacteur vertical ou la vitesse du réacteur horizontal est généralement très faible, et donc le mouvement du fluide ne peut s'étendre que sur une très courte distance et n'est pas suffisant pour contrevenir à la force visqueuse du fluide, ce qui entraîne un phénomène de cokéfaction à haute température ou de cokéfaction à basse température du corps du réacteur, car la surface chaude se cokéfie rapidement. Après un temps de travail d'environ 60 heures, l'épaisseur de la couche de coke peut atteindre 10-20 mm, ce qui créé une résistance thermique, provoque la déformation du corps du réacteur, raccourcit la période de service du réacteur, et gaspille beaucoup d'énergie et d'heures de production. Aussi, au cours du processus d'élimination du coke, l'opérateur est exposé à un environnement de poussière de noir de carbone pendant une longue période, ce qui peut affecter sérieusement sa santé.
[0003] La cause fondamentale du processus de cokéfaction dans le réacteur vient de l'acier Q345 utilisé, qui est un acier de construction au carbone faiblement allié, normalisé en Chine. Le Q345 possède de bonnes propriétés mécaniques, de bonnes propriétés à basse température, une bonne plasticité et une bonne soudabilité. Il est principalement utilisé dans les conteneurs à basse pression, les réservoirs de pétrole, les véhicules, les grues, les machines minières, les centrales électriques, les pièces mécaniques, les structures de bâtiments et les pièces métalliques en général. La conductivité thermique du Q345 est d'environ 51 W/m.K. Lorsque la température augmente, par exemple à 400°C, la conductivité thermique du Q345 chute à 31 W/m.K [Guoqiang Li, Peijun Wang, Properties of Steel at Elevated Températures, Advanced Analysis and Design for Fire Safety of Steel Structures pp 37-65 ; Gongfa Li, Jia Liu, Guozhang Jiang and Honghai Liu, Numerical simulation of température field and thermal stress field in the new type of ladle with the nanometer adiabatic materia, Advances in Mechanical Engineering 1-13, 2015].
[0004] Qu'il s'agisse d'un réacteur vertical, horizontal ou incliné, le chauffage des déchets solides organiques, tels que les déchets plastiques dans le réacteur, est généralement produit par un chauffage direct du réacteur avec un brûleur ou un chauffage indirect du réacteur par une chambre de combustion. Dans l'industrie de la pyrolyse, les réacteurs de pyrolyse sont généralement construits en acier Q 345, avec une épaisseur d'au moins 12 mm généralement. Une fois que l'acier Q 345 est chauffé, il transmet la chaleur aux matériaux à l'intérieur par conduction thermique. En plus du fait que les déchets de plastique/caoutchouc/pneu et autres matériaux contiennent de l'humidité, de l'air résiduel est contenu dans le réacteur (en supposant que la teneur en humidité du matériau est de 10%). La conductivité thermique de l'air humide est d'environ 0,035 W/m.K. Durant le processus de pyroylse, l'air humide stagnant dans le réacteur est donc un excellent isolant thermique. [M. Boukhriss, K. Zhani, R. Ghribi, Study of thermophysical properties of a solar desalination system using solar energy, Desalination and Water Treatment, 51 (2013) 1290-1295, doi: 10.1080/19443994.2012.714925]. A 23°C, la conductivité thermique du polyéthylène haute densité (HDPE) est de 0,45-0,52 W/m.K, la conductivité thermique du polyéthylène basse densité (LDPE) est de 0,33 W/m.K, et la conductivité thermique du polyéthylène téréphtalate (PET) est de 0,15-0,4 W/m.K, la conductivité thermique du polypropylène PP est de 0,1-0,22 W/m.K et la conductivité thermique du polystyrène (PS) est de 0,1-0,13 W/m.K [http://www.professionalplastics.com]. La conductivité thermique du vulcanisat de caoutchouc naturel est de 0,15~0,21 W/m.K, la conductivité thermique du caoutchouc styrène-butadiène est de 0,19 W/m.K, et la conductivité thermique du vulcanisat de néoprène est de 0,21 W/m.K [https://wenku.baidu.com/view/91d0fd2e3169a4517723a390.html]. Les données ci-dessus montrent que la conductivité thermique du plastique ou du caoutchouc ordinaire est très faible, seulement environ 1% de celle de l'acier Q345, voire moins. La conductivité thermique de l'air contenant de la vapeur d'eau n'est d'environ qu'un huitième de celle des plastiques en moyenne. Il est donc possible de constater qu'en raison de l'énorme différence entre le Q345, les déchets de plastique/caoutchouc et l'air contenant de la vapeur d'eau, que la conductivité thermique globale est faible, ce qui entraîne un petit coefficient de transfert de chaleur apparent et un mauvais effet de transfert de chaleur pendant le processus de pyrolyse. Par conséquent, il est très coûteux en énergie et en temps de faire changer de phase les déchets plastiques/le caoutchouc dans le réacteur en chauffant le réacteur de l'extérieur. Et c'est précisément parce que le coefficient de transfert de chaleur apparent des déchets solides organiques dans le processus de pyrolyse est faible et que l'effet de transfert de chaleur est médiocre, que la cokéfaction se produit facilement sur la paroi interne du réacteur lorsque les déchets de plastique/caoutchouc sont fondus. En outre, la cokéfaction peut réduire le transfert de chaleur vers la matière première dans le réacteur, ce qui réduit encore le rendement thermique. Ces problématiques n'ont pas encore été résolus.
[0005] Pour augmenter le transfert de chaleur, de nombreuses inventions [[Heat exchanger for pyrolysis reaction reactor and pyrolysis reactor oil-making device, patent CN2841661Y; Isothermal fixed bed reactor, patent CN1 05233761A] consistent à augmenter le nombre de tuyaux de transfert de chaleur dans le réacteur pour augmenter la surface de transfert de chaleur. Cependant, en raison de l'espace limité dans le réacteur, le nombre de tuyaux pouvant être disposés est limité et l'augmentation de la surface de transfert de chaleur est donc restreinte. En raison de la forme irrégulière des tuyaux, si la paroi extérieure des tuyaux n'est pas traitée, elle est sujette à la scorification.
[0006] Dans certaines inventions [Waste plastic pyrolysis and oil reaction device, patent CN203683477U; Horizontal type waste plastic oiling main reactor, patent CN2748457Y] des agitateurs mécaniques à faible vitesse ont été ajoutés aux réacteurs verticaux ou inclinés pour améliorer le transfert de chaleur. Cependant, lorsque le réacteur est chauffé à un certain niveau de température, la viscosité des déchets de plastique/caoutchouc à l'intérieur change considérablement [Kobayashi, Hideo ; Kitamaru, Ryozo ; Tsuji, Waichiro, The Viscous Flow of Molten Polypropylene (Special Issue on Polymer Chemistry, II), Bulletin of the Institute for Chemical Research, Kyoto University (1965), 43(2) : 179-192] et devient un liquide à très haute viscosité et à très faible conductivité thermique. En raison de mauvaise conception et de la puissance limitée, les agitateurs de réacteur de pyrolyse des déchets plastiques/caoutchoucs sur le marché ne peuvent remuer efficacement le liquide à très haute viscosité et présentent un risque sévère de se bloquer totalement. La nature super-visqueuse du fluide ne pouvant être gérée correctement, le mouvement du fluide ne peut s'étendre que sur une courte distance, ce qui entraîne une cokéfaction à haute température, ou une cokéfaction à basse température, de la surface chaude.
[0007] Concernant les réacteurs horizontaux sans dispositif d'agitation, ce type de réacteur repose sur des dispositifs mécaniques externes pour faire tourner le corps du réacteur, et utilise la paroi du réacteur pour entraîner le mouvement des matériaux ou du liquide dans le réacteur. En raison de la vitesse lente du corps du réacteur, généralement 0,4-0,6 tr/min, il entraînera un transfert de chaleur inégal, une petite zone d'écoulement du liquide, et peut également produire des zones statiques d'écoulement du liquide, à cause de la nature super-visqueuse du liquide de pyrolyse des déchets plastiques et des pneus usagés. Qu'il s'agisse de la vitesse d'agitation du réacteur vertical ou de la vitesse du réacteur horizontal, la vitesse est généralement très faible, et le mouvement du fluide ne peut s'étendre que sur une très courte distance. Le fait de surmonter la force visqueuse du fluide entraîne un mauvais transfert de chaleur dans le réacteur, et une distribution inégale de la température est donc susceptible de provoquer une cokéfaction à haute température ou une cokéfaction à basse température, ce qui entraîne une cokéfaction rapide de la surface chaude. La cokéfaction empêchera le transfert de chaleur vers les matériaux dans le réacteur, ce qui réduira encore l'efficacité thermique. En conséquence, afin d'assurer la température de pyrolyse des matériaux dans le réacteur, la consommation d'énergie doit être accrue. De plus, l'augmentation de la température nuit considérablement à la durée de vie du réacteur. Le coke formé dans le réacteur se développe sur la paroi interne, entrave l'écoulement des matériaux, affecte le mouvement des matériaux dans le réacteur et induit une consommation d'énergie supplémentaire. La cokéfaction affecte ainsi la réaction de pyrolyse et produit des réactions secondaires indésirables.
[0008] Afin d'éviter la cokéfaction sur la paroi interne du réacteur, il existe des inventions [Coke cleaning mechanism for oiled equipment and pyrolyzer applying coke cleaning mechanism, patent CN101613610B; Reactor wall scraper, patent CN102220152A; Improved waste rubber pyrolysis apparatus, patent CN2591042Y] où un dispositif de raclage de paroi est installé dans le réacteur de pyrolyse. Le dispositif de raclage présente certains avantages, mais aussi certains inconvénients. Tout d'abord, il diminue l'espace de remplissage dans le réacteur, ce qui rend le remplissage plus difficile. En outre, la plupart des dispositifs de raclage des parois se présentent sous la forme d'alésoirs hélicoïdaux, dont la structure est compliquée et dont la production, l'installation et la maintenance sont peu pratiques. Les scories sont également susceptibles de se former à des endroits irréguliers. En outre, en raison de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du réacteur, le coefficient de dilatation thermique du dispositif de raclage est incompatible avec celui de la paroi du réacteur.
[0009] Les déchets organiques solides passent par des étapes de séchage, de chauffage, de réaction de pyrolyse et de complétion de la réaction durant la rotation du corps du réacteur de pyrolyse. Dans les étapes ci-dessus, il est généralement nécessaire de fournir une grande quantité de chaleur depuis l'extérieur, et la chaleur sera transférée au matériau sous forme de transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement après avoir traversé la paroi du corps du réacteur. En supposant que la chaleur extérieure fournie au réacteur de pyrolyse est Q, et que la chaleur est supposée être distribuée uniformément sur la paroi de l'ensemble du réacteur ; le transfert de chaleur peut être considéré comme équilibré dans une échelle de temps très courte, de manière à ce que Q se compose de deux parties : une partie Q1 qui est conduite vers l'intérieur à travers la paroi extérieure du réacteur, chauffant les matériaux dans le réacteur, comme indiqué dans la formule 1 ; une autre partie Q2 qui est la somme des diverses pertes de chaleur.
[0010] La relation entre la chaleur Q1 effectivement transférée aux matériaux, la température de la paroi extérieure du réacteur et la température des matériaux dans le réacteur, est décrite la formule 2, à savoir
[0011] Dans laquelle, L est la longueur du réacteur ; tw est la température de la paroi extérieure du réacteur ; tm est la température des matériaux dans le réacteur; / est la taille caractéristique (m) ; hb est le coefficient de transfert de chaleur apparent correspondant dans des conditions spécifiques ; λg est la conductivité thermique du gaz, l'unité est en W/(m.K); est le gradient de température d'une couche mince de micro-éléments sur la paroi du réacteur. Par conséquent, en partant du principe que l'on connaît Q et Q2, le coefficient de transfert de chaleur apparent hb correspondant aux déchets solides organiques dans des conditions spécifiques peut être calculé par la formule (2). Étant donné que le coefficient de transfert de chaleur entre les matériaux et la paroi est également affecté par les réactions chimiques, l'analyse de la volatilisation, l'encrassement de la paroi, etc., les facteurs ci-dessus sont globalement représentés par hb, qui est appelé coefficient de transfert de chaleur apparent. Le coefficient de transfert de chaleur apparent combine la chaleur échangée entre la paroi et le matériau sous forme de conduction, de convection et de rayonnement, en tenant compte des effets des réactions chimiques. Connaître et maîtriser le coefficient de transfert de chaleur apparent hb des matériaux dans des conditions spécifiques est très important pour la conception et le fonctionnement précis du réacteur de craquage.
Solution
[0012] Le but de la présente invention est de fournir un dispositif de réaction qui améliore le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse des déchets solides organiques, compte tenu du phénomène de cokéfaction à haute température ou à basse température des déchets solides organiques dans le corps du réacteur de pyrolyse.
[0013] Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, la présente invention adopte les solutions techniques suivantes : un dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse des déchets solides organiques, caractérisé en ce qu'il comprend : un réservoir de stockage d'huile, une pompe à engrenages, un réacteur de pyrolyse ; le réservoir de stockage d'huile est utilisé pour stocker le liquide organique ; la pompe à engrenages est reliée au réservoir de stockage d'huile par le tuyau d'entrée d'huile, et est reliée au fond du réacteur de pyrolyse par le tuyau de sortie d'huile. La pompe à engrenages pulvérise le liquide organique du réservoir de stockage d'huile dans le réacteur de pyrolyse. Le liquide organique est chauffé et volatilisé en gaz, de manière à réduire l'adhésion des déchets solides organiques à la paroi interne du réacteur pendant le processus de pyrolyse.
[0014] De plus, le liquide organique stocké dans le réservoir de stockage d'huile est du diesel léger ou un liquide mélangé de biodiesel léger et d'isopropanol, parmi lesquels le rapport de masse de l'isopropanol est de 20% à 30%.
[0015] En outre, le tuyau de sortie d'huile est équipé d'un clapet anti-retour de liquide haute pression à la sortie de la pompe à engrenages, et le tuyau de sortie d'huile est équipé d'un clapet anti-retour de liquide haute pression à la sortie de la pompe à engrenages. Le tuyau de sortie d'huile est muni d'une buse à sa sortie à l'intérieur du réacteur de pyrolyse, et la buse peut commuter le mode de pulvérisation pour former des gouttelettes de différentes tailles.
[0016] En outre, la pompe à engrenages est une pompe à engrenages basse pression, et un moteur à fréquence variable CA ou un moteur sans balais CC est utilisé pour contrôler la vitesse de rotation de la pompe à engrenages.
[0017] De plus, le tuyau de sortie d'huile est équipé d'un tuyau en céramique résistant aux hautes températures et à la corrosion chimique à sa sortie à l'intérieur du réacteur de pyrolyse.
[0018] De plus, le tuyau de sortie d'huile est installé au fond du corps du réacteur de pyrolyse par l'intermédiaire d'un raccord étanche.
[0019] En outre, la sortie de gaz du réacteur de pyrolyse est équipée d'un débitmètre de gaz qui permet de contrôler, selon le débit de vapeur d'eau et le débit de vapeur d'huile détectés par le débitmètre de gaz, la durée pendant laquelle le liquide organique est injecté dans le réacteur de pyrolyse.
[0020] En outre, lorsque le débitmètre de gaz détecte que le débit de la vapeur d'eau diminue progressivement et s'approche de zéro, le réacteur de pyrolyse est aspergé de liquide organique ; lorsque le débitmètre de gaz détecte que le débit de la vapeur d'huile diminue progressivement et s'approche de zéro, la pulvérisation de liquide organique dans le réacteur de pyrolyse est arrêtée.
[0021] En outre, le corps du réacteur de pyrolyse peut tourner ou être équipé d'un dispositif d'agitation à l'intérieur du corps du réacteur.
[0022] En outre, le fond du réacteur de pyrolyse peut être équipé d'un ou de plusieurs groupes de pompes à engrenages pour pulvériser le liquide organique dans le réacteur.
[0023] La présente invention convient à divers types de réacteurs qui utilisent la pyrolyse pour traiter divers déchets solides organiques, et convient également à la pyrolyse de matériaux mixtes ou de matériaux individuels de divers déchets solides organiques. Pour un corps de réacteur à grande échelle, plusieurs dispositifs de la présente invention peuvent être utilisés au fond du corps de réacteur et disposés raisonnablement pour obtenir l'effet le plus optimisé.
Enumération des figures
[0024] La figure 1 représente la courbe du coefficient de transfert de chaleur apparent des déchets plastiques mixtes non déshydratés dans un réacteur rotatif horizontal traditionnel sans agitateur pendant le processus de pyrolyse. La figure 2 est la représentation structurelle du dispositif permettant d'améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques et d'empêcher la cokéfaction sur la paroi interne du réacteur dans un exemple de réalisation ;
Parmi eux : 1-réservoir de stockage d'huile ; 2- tuyau d'entrée d'huile en acier inoxydable pour pompe à engrenages à basse pression; 3-pompe à engrenages à basse pression ; 4- moteur à fréquence variable CA ; 5-clapet anti-retour de liquide à haute pression en acier inoxydable ; 6- tuyau de sortie d'huile en acier inoxydable pour pompe à engrenages à basse pression; 7-raccord étanche ; 8-tube en céramique résistant à la haute température et à la corrosion chimique ; 9-buse multifonctionnelle en acier inoxydable ; 10-corps de réacteur de pyrolyse ; 11-débitmètre massique de gaz résistant à la haute température. La figure 3 est un graphique comparant les courbes de coefficient de transfert thermique apparent des déchets plastiques mixtes déshydratés dans le procédé de pyrolyse de l'exemple de réalisation et de l'exemple comparatif.
Réalisation de l'invention
[0025] Afin de permettre à la personne compétente de mieux comprendre les solutions de la présente application, les solutions techniques dans les exemples de réalisation de la présente application seront clairement et complètement décrites ci-dessous en référence aux figures accompagnant les exemples de réalisation de la présente application. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne représentent qu'une partie de la présente application. Sur la base des exemples de réalisation de la présente application, tous les autres exemples de réalisation obtenus par les personnes compétentes ordinaires sans travail créatif entreront dans le champ de protection de la présente application.
[0026] Il convient de noter que les termes „comprenant“ et „ayant“ dans la description ainsi que les revendications de la présente application et des figures susmentionnées, ainsi que toute modification de celles-ci, sont destinés à couvrir une inclusion non exclusive, par exemple, incluant une série d'étapes ou d'unités. Les procédés, méthodes, systèmes, produits ou dispositifs ne sont pas nécessairement limités aux étapes ou unités expressément énumérées, mais peuvent inclure d'autres étapes ou unités non expressément énumérées ou inhérentes à ces procédés, méthodes, produits ou dispositifs.
[0027] Dans la recherche préliminaire de la présente invention, par des moyens expérimentaux, des déchets plastiques mélangés (polyéthylène PE 50%, polypropylène PP 50%) sans séchage sont utilisés, une vitesse de chauffage de 20 °C/min est adoptée pour effectuer le processus de pyrolyse et la courbe de changement de son coefficient de transfert de chaleur apparent est obtenu. Le réacteur s'appuie sur un dispositif mécanique externe pour faire tourner le corps du réacteur à une vitesse de 0,6 tr/min, et utilise une enveloppe de chauffage électrique pour fournir de la chaleur au corps du réacteur. Le réacteur est fabriqué en acier Q345, la section de chauffage mesure 0,6 m de long, le diamètre intérieur du tube est de 50 mm, le diamètre extérieur du tube est de 60 mm, et l'épaisseur de la couche d'isolation est de 50 mm. Le dispositif de chauffage est une enveloppe de chauffage électrique spéciale à température uniforme à convertisseur de fréquence, la puissance nominale est de 5kW, et la température maximale de pyrolyse est fixée à 558°C. De l'azote est utilisé pour extraire l'air résiduel dans le réacteur avant le chauffage par pyrolyse. Le remplissage des déchets plastiques mélangés dans le réacteur représente environ 3/4 du volume du réacteur. Dans le même temps, une expérience thermogravimétrique est réalisée sur les déchets plastiques mixtes dans un équilibre thermique à la même vitesse de chauffage que celle d'un réacteur horizontal, et les plages de température pour les différentes étapes de la pyrolyse sont obtenues ; en conséquence, les caractéristiques de transfert de chaleur des déchets plastiques mixtes et de leurs principaux composants dans les différentes étapes de la pyrolyse sont analysées en détail. Le „coefficient de transfert de chaleur apparent“ considère l'effet de la réaction chimique, de l'analyse de la volatilisation, du transfert de masse, etc. sur le transfert de chaleur entre les matériaux et la paroi comme un coefficient de transfert de chaleur global.
[0028] Comme le montre la figure 1, le coefficient de transfert de chaleur apparent des déchets plastiques mélangés présente également des caractéristiques évidentes en quatre étapes : dans l'étape de séchage 1, le coefficient de transfert de chaleur apparent est le plus élevé, jusqu'à 1670 W/m2.K, et le mode de transfert de chaleur dans le réacteur est le suivant : le transfert de chaleur par convection est dominant. Avec le chauffage dans le réacteur, l'eau s'échappe rapidement, et le coefficient de transfert de chaleur apparent diminue rapidement. Lorsque l'eau est évaporée, le coefficient de transfert de chaleur apparent tombe à un minimum de 388 W/m2.K. Bien que l'étape de séchage 1 ait un coefficient de transfert de chaleur apparent relativement élevé, étant donné que l'étape de séchage 1 prend beaucoup de temps et consomme une grande quantité d'énergie, elle a peu d'effet auxiliaire sur la pyrolyse ultérieure. Par conséquent, dans la production réelle, les matériaux peuvent être préséchés ou déshydratés. Pendant le processus de chauffage de l'étape préparatoire de la pyrolyse 2, étant donné que le processus de pyrolyse est un processus de fusion et est endothermique, les matériaux ne subissent pas encore de changement de phase significatif dans l'étape 2, qui représente une partie de réaction endothermique, et l'étape préparatoire de la pyrolyse 2 requiert le temps le plus court. Le mode de transfert de chaleur dans le réacteur est principalement basé sur la conduction thermique. Le coefficient de transfert de chaleur apparent du matériau est fondamentalement inchangé avec l'augmentation de la température, et le coefficient de transfert de chaleur apparent stagne à environ 410 W/m2.K, ce qui présente les caractéristiques d'un coefficient de transfert de chaleur faible et stable. Pendant l'étape 3 de la pyrolyse, alors que la température dans le réacteur continue d'augmenter, les déchets plastiques mixtes solides commencent à fondre et commencent à se transformer en un état liquide. Les composés organiques de faible masse moléculaire qui sont relativement faciles à décomposer subissent en premier la pyrolyse, et une partie de gaz volatils à petites molécules est produite ; le coefficient de transfert de chaleur apparent augmente alors de manière significative. Lorsque la température continue d'augmenter, les parties faibles de la chaîne principale macromoléculaire du polymère, présentes en majorité, commencent à subir des fractures endothermiques, les composants plus difficiles à décomposer se décomposent progressivement, et une grande quantité de gaz volatils est produite. Dès lors, le mode de transfert de chaleur dans le réacteur passe au mode de transfert de chaleur par convection et par rayonnement, et les performances de transfert de chaleur sont grandement améliorées. L'étape 3 de la pyrolyse prend le temps le plus long, et le coefficient de transfert de chaleur apparent maximum dans l'étape 3 de la pyrolyse est d'environ 860 W/m2.K.
[0029] Durant l'étape 4, vers la fin du processus de pyrolyse, le coefficient de transfert de chaleur apparent diminue considérablement, avec la réduction des gaz volatils dans le réacteur. À ce moment, il n'y a plus de réaction chimique dans le réacteur, et l'échange de chaleur entre les résidus de la réaction (cendres et noir de carbone) dans le réacteur et la paroi du réacteur est faible, et le coefficient de transfert de chaleur apparent tombe à une valeur minimale d'environ 337 W/m2.K . Les gaz volatils produits lors des étapes 3 et 4 de la pyrolyse sont condensés en huile ou en gaz inflammables non condensables à l'extérieur du réacteur.
[0030] Il n'est pas difficile de voir, d'après l'analyse de la figure 1, que la quantité de gaz volatils dans le réacteur détermine l'intensité du transfert de chaleur convectif dominant dans le réacteur pendant tout le processus de pyrolyse, ce qui a un impact important sur le coefficient de transfert de chaleur apparent. La valeur du coefficient de transfert de chaleur apparent est le facteur le plus important qui détermine si les matériaux sont chauffés de manière uniforme, et en conséquence la probabilité de provoquer une cokéfaction finale. Afin de résoudre le problème de la cokéfaction sur la paroi interne du réacteur de pyrolyse susmentionné, la présente invention propose un procédé pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent et empêcher la cokéfaction sur la paroi interne du réacteur pendant le processus de pyrolyse de déchets solides organiques et un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Afin d'atteindre l'objectif ci-dessus, la présente invention adopte les solutions techniques suivantes : Dans la présente invention, pendant le processus de chauffage des étapes de pyrolyse 2, 3 et 4, une pompe à engrenages basse pression est utilisée pour entraîner uniformément une huile diesel légère quantitative ou un liquide mixte de biodiesel léger et d'isopropanol dans le fond du corps du réacteur de pyrolyse, le liquide mixte pompé est chauffé et volatilisé en gaz, et cette partie du gaz volatil supplémentaire sera utilisée pour augmenter le coefficient de transfert de chaleur apparent pendant le processus de craquage thermique.
[0031] La figure 2 montre un dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques, comprenant : un réservoir de stockage d'huile 1, un tuyau d'entrée d'huile 2, une pompe à engrenages 3, un moteur à fréquence variable CA 4, un clapet anti-retour de liquide haute pression 5, un tuyau de sortie d'huile en acier inoxydable de la pompe à engrenages pour liquide basse pression 6, un raccord étanche 7, un tuyau en céramique résistant à la haute température et à la corrosion chimique 8 ; une buse multifonctionnelle en acier inoxydable 9, un corps de réacteur de pyrolyse 10 et un débitmètre massique de gaz résistant à la haute température 11.
[0032] Le réservoir de stockage d'huile 1 contient de l'huile diesel légère ou un liquide mixte de biodiesel léger et d'isopropanol, dans lequel l'isopropanol représente 20 à 30 % en masse. Le liquide mélangé représente environ 10 % en masse de la charge dans le réacteur. Le liquide mélangé entre dans la pompe à engrenages basse pression 3 par le tuyau d'entrée d'huile de la pompe à engrenages basse pression 2. En ajustant la vitesse de rotation de la pompe 3, le débit requis peut être facilement ajusté. Ce mode de réalisation utilise un moteur à fréquence variable CA 4, ou un moteur sans balais CC, pour contrôler la vitesse de rotation de la pompe à engrenages afin de régler le débit. Comme la pompe à engrenages basse pression 3 n'est pas équipée d'un clapet anti-retour intégré, le liquide dans la canalisation peut s'écouler pendant l'arrêt, ce qui peut provoquer un phénomène de fuite par gouttelettes, ou de l'air peut pénétrer dans la canalisation après une période d'arrêt. Afin d'éviter l'apparition de tels phénomènes, dans cet exemple de réalisation, un clapet anti-retour de liquide haute pression en acier inoxydable 5 est installé à la sortie de la pompe 3 avec une pression d'ouverture aussi faible que possible. Le tuyau de sortie d'huile en acier inoxydable 6 de la pompe à engrenages basse pression est installé à l'intérieur du fond du corps du réacteur de pyrolyse 10 à travers le raccord étanche 7, et le tuyau de sortie d'huile 6 est recouvert d'un tuyau en céramique 8 résistant aux hautes températures et à la corrosion chimique pour protéger 6.
[0033] Pendant le processus de chauffage des étapes de pyrolyse 2, 3 et 4, le liquide mélangé dans le réservoir de stockage d'huile 1 est pulvérisé uniformément dans le fond du corps du réacteur sous l'action de la pompe à engrenages basse pression 3, et la distance de pulvérisation du liquide mélangé est déterminée par la pression en sortie de la pompe à engrenages 3. La forme du pulvérisation et la taille des particules du liquide mélangé pulvérisé sont déterminées par la buse multifonctionnelle 9 en acier inoxydable. La buse peut commuter de manière pratique la méthode de pulvérisation en fonction des besoins, et peut former des gouttelettes de différentes tailles. Le liquide mélangé se volatilise ensuite rapidement pour former du gaz afin d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur apparent tout au long du processus de pyrolyse. La durée de fonctionnement de la pompe à engrenages basse pression 3 peut être déterminée par le débitmètre massique de gaz résistant aux hautes températures 11 installé à la sortie de gaz du corps de réacteur 10. Lorsque le débitmètre de gaz détecte que le flux de vapeur d'eau diminue progressivement et s'approche de zéro, le liquide organique est injecté dans le réacteur de pyrolyse ; lorsque le débitmètre de gaz détecte que le flux de vapeur d'huile et de gaz diminue progressivement et s'approche de zéro, signifiant le terme de la pyrolyse, la pulvérisation de liquide organique dans le réacteur de pyrolyse est arrêtée.
[0034] L'isopropanol contenu dans la solution mixte peut également réduire efficacement la viscosité de l'huile lourde ou de la cire d'huile et du gaz produits par la pyrolyse complète du plastique mixte, évitant ainsi l'adhésion des produits susmentionnés à la paroi interne du réacteur. En l'absence d'agitation mécanique, une augmentation appropriée de la vitesse de rotation du corps du réacteur peut favoriser la volatilisation du liquide mixte et renforcer la convection du gaz dans le corps du réacteur, et cela favorise également l'augmentation du coefficient de transfert de chaleur apparent. Dans le cas où le corps du réacteur est maintenu immobile et où un dispositif d'agitation spécial est utilisé dans le corps du réacteur, l'augmentation appropriée de la vitesse de rotation du dispositif d'agitation spécial peut également accélérer la volatilisation du liquide mixte et renforcer la convection du gaz dans le corps du réacteur, augmentant ainsi le coefficient de transfert de chaleur apparent. Le gaz formé par la volatilisation du liquide mixte et le gaz craqué produit par la pyrolyse du plastique mixte sont collectés par le système de condensation à l'extérieur du réacteur, puis condensés. L'alcool isopropylique qu'il contient se retrouve dans l'huile condensée et réduit la viscosité de l'huile. Par conséquent, la probabilité d'obstruction par l'huile brute dans un pipeline de transport ultérieur, en raison de sa viscosité élevée, est également réduite.
[0035] La présente invention convient à divers types de réacteurs qui utilisent la pyrolyse pour traiter divers déchets solides organiques, et convient également à la pyrolyse de matériaux mixtes ou de matériaux individuels de divers déchets solides organiques. Pour un réacteur de pyrolyse à grande échelle, plusieurs dispositifs de cet exemple de réalisation peuvent être utilisés au fond du corps du réacteur et disposés raisonnablement pour obtenir l'effet le plus optimisé.
[0036] La méthode fournie dans cet exemple et le dispositif de mise en oeuvre de la méthode sont utilisés pour pyrolyser des déchets de matières plastiques mixtes afin de produire de l'huile de pyrolyse. Les déchets plastiques mixtes après séchage et déshydratation utilisés sont : du polypropylène PP 50 % en masse et du polyéthylène PE 50 % en masse. Ceux-ci ont été utilisés dans des dispositifs à une échelle de laboratoire (chaque batch de matières premières mixtes remplissant les 3/4 du volume du corps du réacteur) en augmentant respectivement le taux de transmission apparent. L'augmentation du coefficient de transmission thermique apparent permet d'améliorer la pyrolyse (selon l'exemple) par rapport à la pyrolyse conventionnelle (selon l'exemple comparatif) pour produire des produits combustibles utiles. L'exemple fourni par la présente invention est utilisé pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent du procédé de pyrolyse des déchets solides organiques et pour empêcher la cokéfaction de la paroi interne du réacteur et du dispositif de mise en oeuvre du procédé, et l'exemple comparatif n'est pas fourni avec le procédé et le dispositif de la présente invention.
[0037] Comme on peut le voir sur la figure 3, dans les deux expériences comparatives, l'étape 1 de séchage est raccourcie étant donné que les matières premières ont été à la fois séchées et déshydratées. L'humidité résiduelle de la matière première se volatilise lorsque la température du réacteur augmente et contribue au coefficient de transfert de chaleur apparent à ce moment-là. Le coefficient de transfert de chaleur apparent est d'environ 560 W/m2.K. Les coefficients de transfert de chaleur apparent entre l'exemple et l'exemple comparatif ne sont pas significativement différents à ce stade. Parallèlement à l'augmentation de la température dans le corps du réacteur, la pompe à engrenage commence à pulvériser le liquide mélangé de diesel léger et d'isopropanol uniformément dans le réacteur jusqu'à la fin de la pyrolyse, et le coefficient de transfert de chaleur apparent le plus élevé de l'exemple dans la pyrolyse est de 955 W/m2.K, tandis que le coefficient de transfert de chaleur apparent le plus élevé de l'exemple comparatif dans la pyrolyse est de 860 W/m2.K. Par comparaison, on peut constater que le procédé et le dispositif fournis par la présente invention peuvent améliorer considérablement le coefficient de transfert de chaleur apparent.
[0038] Les exemples de réalisation ci-dessus ne servent qu'à illustrer l'idée technique de la présente invention, et ne limitent pas la portée de la protection de la présente invention. Toutes les modifications apportées sur la base de la solution technique selon l'idée technique proposée par la présente invention entrent toutes dans le champ de protection de la présente invention. La technologie non impliquée dans la présente invention peut être réalisée par la technologie existante.
Claims (10)
1. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques, caractérisé en ce qu'il comprend : un réservoir de stockage d'huile, une pompe à engrenages, un réacteur de pyrolyse ; le réservoir de stockage d'huile est utilisé pour stocker un liquide organique ; la pompe à engrenages est reliée au réservoir de stockage d'huile par le tuyau d'entrée d'huile, et est reliée au fond du réacteur de pyrolyse par le tuyau de sortie d'huile. La pompe à engrenages pulvérise le liquide organique du réservoir de stockage d'huile dans le réacteur de pyrolyse. Le liquide organique est chauffé et volatilisé en gaz, de manière à réduire l'adhésion des déchets solides organiques à la paroi interne du réacteur pendant le processus de pyrolyse.
2. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le liquide organique stocké dans le réservoir de stockage d'huile est une huile diesel légère ou un liquide mélangé de biodiesel léger et d'isopropanol, parmi lesquels le rapport de masse de l'isopropanol est de 20% à 30%.
3. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le tuyau de sortie d'huile est équipé d'un clapet anti-retour de liquide haute pression à la sortie de la pompe à engrenages et le tuyau de sortie d'huile est muni d'une buse à sa sortie à l'intérieur du réacteur de pyrolyse, et la buse peut commuter le mode de pulvérisation pour former des gouttelettes de différentes tailles.
4. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : la pompe à engrenages est une pompe à engrenages basse pression, et un moteur à fréquence variable CA ou un moteur sans balais CC est utilisé pour contrôler la vitesse de rotation de la pompe à engrenages.
5. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le tuyau de sortie d'huile est équipé d'un tuyau en céramique résistant aux hautes températures et à la corrosion chimique à sa sortie à l'intérieur du réacteur de pyrolyse.
6. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le tuyau de sortie d'huile est installé au fond à l'intérieur du corps du réacteur de pyrolyse par l'intermédiaire d'un raccord étanche.
7. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : la sortie de gaz du réacteur de pyrolyse est munie d'un débitmètre de gaz; le débit de vapeur d'eau et le débit de vapeur d'huile sont mesurés par le débitmètre de gaz, afin de contrôler la durée pendant laquelle le liquide organique est injecté dans le réacteur de pyrolyse.
8. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : lorsque le débitmètre de gaz détecte que le débit de vapeur d'eau diminue progressivement et s'approche de zéro, un liquide organique est pulvérisé dans le réacteur de pyrolyse ; lorsque le débitmètre de gaz détecte que le débit de vapeur d'huile diminue progressivement et s'approche de zéro, la pulvérisation de liquide organique dans le réacteur de pyrolyse est arrêtée.
9. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le corps du réacteur de pyrolyse peut tourner ou être muni d'un dispositif d'agitation à l'intérieur du corps de réacteur.
10. Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le procédé de pyrolyse de déchets solides organiques selon la revendication 1, dans lequel : le fond du réacteur de pyrolyse peut être équipé avec un ou plusieurs groupes de pompes à engrenages pour pulvériser le liquide organique dans le réacteur.
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| CH001178/2022A CH720107A2 (fr) | 2022-10-07 | 2022-10-07 | Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques. |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH001178/2022A CH720107A2 (fr) | 2022-10-07 | 2022-10-07 | Dispositif de réaction pour améliorer le coefficient de transfert de chaleur apparent dans le processus de pyrolyse de déchets solides organiques. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CH (1) | CH720107A2 (fr) |
-
2022
- 2022-10-07 CH CH001178/2022A patent/CH720107A2/fr unknown
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