CN106471101A - 用于生产由废弃塑料得到的燃料气体的方法和设备 - Google Patents

用于生产由废弃塑料得到的燃料气体的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产由报废塑料的混合物得到的燃料气体的方法。本发明还涉及适合实施所述方法的设备。附图显示了本发明的设备的一种实施方式的纵截面和横截面。

Description

用于生产由废弃塑料得到的燃料气体的方法和设备
本发明涉及在市政固体垃圾的隔离收集下游处理过的塑料的回收和循环利用。
这些塑料的种类各异且并不展现为单一材料，而是由具有其自身化学和物理特征的不同材料组成。为了每一种用途而选用的聚合物事实上必须满足保存(防护其免受空气、光线的作用)、物流(运输效率、销售点的加工性、占据的空间)和美感(透明度、颜色、添加文字和图像的可能性)的特定需求。
由于该原因，来自隔离垃圾收集的塑料需要经过对聚合物(PET、PE、PP)或聚合物族进行挑选的流程，以能够在之后重回市场用以生产半成品或成品。
这些挑选流程后所剩下的由塑料混合物组成的残余物展现出巨大的异质性，使其基本上不可能被用于需要按聚合物或聚合物族分类的均质材料的循环市场。
所述塑料混合物展现出良好的热值，估计在20～30MJ/kg之间，高于代表可填埋垃圾的最大极限值13MJ/kg(通过2003年1月31日第36号法令传入意大利的欧洲法规1999/31/EC)。
因此，因这种材料的高热值而对其产生兴趣，使其在焚烧和发电上具有吸引力。
已知从固态向燃料气体(被称为合成气体或合成气)的气化，即在存在亚化学计量学量(substoichiometric amount)的氧化剂的条件下对物质或物质的混合物所进行的热处理能够以相比于单独基于燃烧的方案更高的产率和对环境更低的影响来发电。
意大利发明1352001中描述了一种用于进行气化工艺和废物处理的反应器，其具有基本上呈圆柱形的腔室，且能够旋转。
可对所述设备和流程进行最优化，以实施基于塑料混合物的特定特征的气化工艺。
因此，在回收和循环利用来自市政固体垃圾的隔离收集和报废塑料打包的下游处理中的塑料的特定领域中，需要能够具有一种用于生产燃料气体的方法和简单经济的设备。
本发明通过提供一种填埋和生产燃料气体的替代性解决方案而有助于解决塑料的利用问题，具体而言，解决报废(废弃)塑料的打包问题。
本发明的方法和设备着眼于通过在不从外部输入热量的条件下以特定方式实施和进行热处理来得到可用于进行电力和热能的综合生产的工厂中的燃料气体。
本发明的目的涉及生产由塑料混合物得到的燃料气体，其包括以下操作：
在预热至600～1000℃且具有对所述塑料混合物呈化学惰性的固体流动床的圆柱形旋转反应腔室中装载所述塑料混合物，所述固体流动床具有高热容、高热导率、高密度和高硬度；
在所述床中引入、接触和混合所述塑料混合物；
在所述腔室中释放挥发性物质，所述挥发性物质通过所述床对所述塑料混合物的加热、或因所述塑料混合物与所述床之间的接触而产生；
在所述腔室中通入和分布选自空气、氧气、氮气、氩气以及它们的组合的燃烧剂；
利用通入的所述燃烧剂使至少一部分挥发性物质然后，从而生成气体产物；
排放燃料气体(合成气体或合成气)，所述燃料气体包含燃烧产物与未在700～850℃下燃烧的挥发性物质的混合物；卸载和收集固体残余产物，例如灰烬。
按照所提出的方法处理的塑料混合物包含：
以重量百分比计在60～90％范围内、优选为70％的挥发性物质；
以重量百分比计在3～30％范围内、优选为10％的灰烬成分；80～150kg/m3范围内、优选为100kg/m3的表观堆积密度(定义为质量与表观体积的比值，表观体积还包括空白空间)；
20～40MJ/kg范围内、优选为30MJ/kg的低热值(LCV)。
在将所述塑料混合物装入所述反应器设备之前，优选通过用出口网眼的最大尺寸在30～60mm范围内、优选等于50mm的研磨机对所述塑料混合物进行研磨，来对其进行机械预处理。
根据本发明，气化设备的固体流动床具有以下特征：
形成所述床的材料的比热值例如使所述床的热容在400～2000kJ/kg的范围内，优选为1000kJ/kg；
形成所述床的材料的热导率数值在10～100W/(m·K)的范围内，优选为30W/(m·K)；
形成所述床的材料的绝对密度数值在3800～8000kg/m3的范围内，优选为204000kg/m3；
形成所述床的材料的硬度值在160～2000维氏硬度的范围内，优选为1000维氏硬度。
构成所述床的材料的基本单元具有0.6～1、优选为1的粗糙度(定义为与形成所述床的材料颗粒具有相同体积的球体的外表面与该颗粒自身的外表面的比值)、以及10～40mm范围内、优选为25mm的最大尺寸。
所述流动固体床的质量(kg)与装载的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值在3～20的范围内，优选为5，且注入燃烧腔室的所述燃烧剂的流速具有0.16～0.30范围内的当量比(定义为供给的氧气的量与装载的塑料混合物的化学计量学燃烧所需的量的比值)。
形成所述流动床的材料由多种由金属或陶瓷材料制得的元件制成。
选择陶瓷床还是金属床取决于与工厂生产能力相关的特定配置；具体而言，其基于诸如床高、床宽、固体流动床的质量(kg)和装载的塑料混合物的流速(千克/小时)这样的参数。当需要更高的生产能力时，优选使用由陶瓷材料制成的床。
根据第一种变化形式，当所述流动固体床的质量(kg)与装载的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值V在3～8(包括该端值)的范围内(3＜V≤8)时，所述流动固体床由优选为实心元件形式的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料选自经过煅烧的自铝土矿、经过研磨的刚玉、板状刚玉。
根据第二种变化形式，当所述流动固体床的质量(kg)与装载的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值V在8(不包括该端值)～20的范围内(8＜V＜20)时，所述流动固体床由优选为空心元件形式的金属材料制成，所述金属材料选自钢、优选为不锈钢、或铸铁。
固体流动床的存在带来了以下益处：
其有助于粉碎在热解阶段中因固体残余物与形成热床的元件之间的接触而生成的固体产物；
其有助于塑料混合物与形成热床的元件之间的热交换，进而通过后续的挥发性物质的高产率而加速了热处理过程；
其积蓄了由被释放的挥发性物质的部分燃烧而生成的热量。
本发明的方法的优势之一在于，归功于特定固体流动床的使用，可在反应器内进行自给自足的热处理而无需额外加热系统的制约。
本发明的另一个优势在于合成气的形成主要由甲烷和一氧化碳组成，焦油百分比很低。
本发明还涉及一种适合实施本发明的方法的设备。
事实上，本发明的另一个目的在于一种适合由塑料混合物生产燃料气体的设备，其包含：
基本上呈圆柱形的腔室(1)，其围绕着其纵向对称轴旋转，并且可选地从入口段至出口段以相对于水平面以1～3％的角度向下倾斜，旋转速度在0.5～3.0rpm的范围内，优选为1.5rpm，直径与长度的比值在0.15～0.4之间，且利用装置使其能够实现-10～-40Pa的所述腔室的内部压降；所述腔室部分装填有对所述塑料混合物呈化学惰性的流动固体床(2)；
预热装置(3)，例如是至少一个燃烧器，优选对其供给甲烷；
用于供给所述塑料混合物的供给装置(4)，其由重力进料装置组成，例如纵向分布在所述流动床上的螺旋加料器或转送带；
燃烧剂的加入和分布装置(5)，其优选是以平行于所述腔室的纵向对称轴的方式设置、且具有多个用于向所述流动床喷射所述燃烧剂的喷嘴的喷枪；
用于排出固体残余物的卸料装置(6)，例如具有尺寸小于构成所述流动床的材料的粒度的网眼的格栅。
根据该设备的一种变化形式，还具有用于混合所述固体流动床与所述塑料混合物的装置，例如由一系列沿周向设置在所述腔室的内裙板上刀片组成。
截止目前，已提供了对于本发明的概述。现在，在附图和实施例的帮助下对本发明的实施方式进行描述，以更好地理解其实施方式、特点、优势和应用方法，这些实施方式应被理解为非限定性的。
图1显示了本发明的设备的一种实施方式的沿A-A线的纵截面和横截面。
本发明的横截面图显示用于引入燃烧剂的系统(5)的位置比用于引入塑料混合物的系统(4)的位置更高。
实施例1
有待于按照本发明的方法进行处理的塑料混合物的特征示于下表(重量％)。
将事先用出口网眼尺寸为30mm的粉碎机研磨过的待处理的塑料混合物以100千克/小时的速速引入。塑料混合物的堆积密度等于115kg/m3。
所使用的圆柱形反应腔室，也被称为转鼓，具有以下尺寸特征：
转鼓直径：0.9m
转鼓长度：2.65m
因此，腔室的直径/长度比等于0.34。
反应腔室以1.5rpm的速度围绕着其自身的轴旋转，并且从入口段至出口段以相对于水平面为1度的角度向下倾斜。
将螺旋加料器置于反应器的内部以保证反应区域的长度为2.65m。
腔室内部的平均压降等于-30Pa。
将反应腔室预热至900℃，从而以这种方式使装载于该反应器内的固体流动床也事先经过加热。
在特定的情况中，使用具有500kg惰性材料的床，所述惰性材料是粗糙度为0.6的经过煅烧的铝土矿，且组成所述材料的基本单元的最大尺寸在8～15mm的范围内，所述最大尺寸的平均值为10mm，所述惰性材料具有3800kg/m3的绝对密度、1567维氏硬度的硬度和23W/(m·K)的热导率。
床的热容为1055kJ/kg。
固体流动床的质量(kg)与装载的塑料混合物的流速(千克/小时)的比值等于5。
为了将燃烧剂通入并分布在腔室内，将多喷嘴式喷枪以平行于转鼓纵向对称轴的方式安装和设置，以注入整体流速为83Nm3/h的由空气和氧气组成且总氧含量为43％的可燃性混合物。当量比等于0.22。
将可燃性混合物用于之前因残留物与固体流动床的物理化学性相互作用而生成的挥发性物质的一部分的燃烧。
挥发区域中流动床的温度通常为540℃，而反应器其它部分的温度为900℃。燃料气体混合物和固体残余物作为反应器的产出物得到。
提取的燃料气体在760℃下具有165Nm3/h的流速和13MJ/Nm3的热值。
排出的固体残余物具有9.5千克/小时的流速。
实施例2
有待于按照本发明的方法进行处理的塑料混合物的特征示于下表(重量％)。
将事先用出口网眼尺寸为30mm的粉碎机研磨过的待处理的塑料混合物以50千克/小时的速速引入。塑料混合物的堆积密度等于104kg/m3。
根据本发明而所使用的圆柱形反应腔室，也被称为转鼓，具有以下尺寸特征：
转鼓直径：0.9m
转鼓长度：2.65m。
因此，腔室的直径/长度比等于0.34。
反应腔室以等于1.5rpm的速度围绕着其自身的轴旋转，并且从入口段至出口段以相对于水平面为1度的角度向下倾斜。
将螺旋加料器置于反应器的内部，以保证反应区域的长度为2.2m。
腔室内部的平均压降等于-30Pa。
将反应腔室预热至900℃，从而以这种方式使装载于该反应器内的固体流动床也事先经过加热。
在特定的情况中，使用具有815kg惰性材料的床，所述惰性材料是粗糙度为0.9的铸铁球，且组成所述材料的基本单元的最大尺寸在9～12mm的范围内，所述最大尺寸的平均值为10mm，所述惰性材料具有7300kg/m3的绝对密度、200维氏硬度的硬度和53W/(m·K)的热导率。
床的热容为490kJ/kg。
固体流动床的质量(kg)与装载的塑料混合物的流速(千克/小时)的比值等于16。
为了将燃烧剂通入并分布在腔室内，将多喷嘴式喷枪以平行于转鼓纵向对称轴的方式安装和设置，以注入整体流速为32Nm3/h的由空气和氧气组成且总氧含量为50％的可燃性混合物。当量比等于0.24。
将可燃性混合物用于之前因残留物与固体流动床的物理化学性相互作用而生成的挥发性物质的一部分的燃烧。
挥发区域中流动床的温度通常为520℃，而反应器其它部分的温度为860℃。在反应器的出口处得到燃料气体与固体残余物的混合物。
提取的燃料气体在815℃下具有76.7Nm3/h的流速和11.3MJ/Nm3的热值。
排出的固体残余物具有7.5千克/小时的流速。

Claims (10)

1.一种由塑料混合物得到的燃料气体的生产方法，所述方法包括以下步骤：
在预热至600～1000℃且具有对所述塑料混合物呈化学惰性的固体流动床的圆柱形旋转反应器腔室中加入所述塑料混合物，所述固体流动床具有高热容、高热导率、高密度、高硬度；
在所述床中引入、接触和混合所述塑料混合物；
在所述腔室中释放出挥发性物质，所述挥发性物质因所述床对所述塑料混合物的加热、以及因所述塑料混合物与所述床之间的接触而产生；
在所述腔室中通入和分布选自空气、氧气、氮气、氩气以及它们的组合的燃烧剂；
利用通入的所述燃烧剂使至少一部分挥发性物质燃烧，从而生成气体产物；
排放燃料气体(合成气体或合成气)，所述燃料气体包含燃烧产物与未在700～850℃下燃烧的挥发性物质的混合物；卸载和收集固体残余产物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经过处理的塑料混合物包含：
以重量百分比计在60～90％范围内、优选为70％的挥发性物质；
以重量百分比计在3～30％范围内、优选为10％的固体残余产物，例如灰烬；
80～150kg/m3范围内、优选为100kg/m3的表观堆积密度；
20～40MJ/kg范围内、优选为30MJ/kg的低热值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在将所述塑料混合物加入反应器设备之前，优选通过用出口网眼的最大尺寸在30～60mm范围内、优选等于50mm的研磨机对所述塑料混合物进行研磨来对其进行机械预处理。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体流动床具有以下特征：
形成所述床的材料的比热值例如使所述床的热容在400～2000kJ/kg的范围内，优选为1000kJ/kg；
形成所述床的材料的热导率数值在10～100W/(m·K)的范围内，优选为30W/(m·K)；
形成所述床的材料的绝对密度数值在3800～8000kg/m3的范围内，优选为4000kg/m3；
形成所述床的材料的硬度值在160～2000维氏硬度的范围内，优选为1000维氏硬度。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，构成所述床的材料的基本单元具有0.6～1范围内、优选为1的粗糙度、以及10～40mm、优选为25mm的最大尺寸。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述流动固体床的质量(kg)与加入的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值在3～20的范围内，优选为5，且注入燃烧腔室的所述燃烧剂的速率具有0.16～0.30范围内的当量比。
7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，形成所述流动床的材料由多种由金属或陶瓷材料制得的元件制成。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
当所述流动固体床的质量(kg)与加入的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值V在3＜V＜8的范围内时，所述流动固体床由优选为实心元件形式的陶瓷材料制成，所述陶瓷材料选自经过煅烧的铝土矿、经过研磨的刚玉、板状刚玉；
当所述流动固体床的质量(kg)与加入的所述塑料混合物的流速(千克/小时)的比值V在8＜V＜20的范围内时，所述流动固体床由优选为空心元件形式的金属材料制成，所述金属材料选自钢、优选为不锈钢、或铸铁。
9.一种设备，所述设备适合实施如权利要求1～8所述的方法，以由塑料混合物生产燃料气体，其包含：
基本上呈圆柱形的腔室(1)，其围绕着其纵向对称轴旋转，并且可选地从入口段至出口段以相对于水平面为1～3％的角度向下倾斜，旋转速度在0.5～3.0转/分钟的范围内，优选为1.5转/分钟，直径与长度的比值在0.15～0.4之间，且利用装置使其能够提供-10～-40Pa的所述腔室的内部压降；所述腔室部分装填有对所述塑料混合物呈化学惰性的流动固体床(2)；
预热装置(3)，其优选是至少一个燃烧器，优选对其供给甲烷；
所述塑料混合物的供给装置(4)，其由重力进料装置组成，优选为纵向分布在所述流动床上的螺旋加料器或转送带；
燃烧剂的加入和分布装置(5)，其优选是以平行于所述腔室的纵向对称轴的方式设置、且具有多个用于向所述流动床喷射所述燃烧剂的喷嘴的喷枪；
固体残余产物的卸料装置(6)，其优选是具有尺寸小于构成所述流动床的材料的粒度的网眼的格栅。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，具有用于混合所述流动固体床与所述塑料混合物的装置，所述装置由一系列沿周向设置在所述腔室(1)的内裙板上的刀片组成。
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