CN107057738A - 一种用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备 - Google Patents

Abstract

一种用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，包括分解炉、布喂料器、计给料器、改性废弃物燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵和催化裂解氧化剂储罐，所述计给料泵通过管道与催化裂解氧化剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与改性废弃物燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述改性废弃物燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通。本发明可低成本利用废旧轮胎/废塑料作为干法水泥生产用替代燃料、不影响窑系统产能和熟料质量，且无二次污染。

Description

一种用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备

技术领域

本发明涉及一种燃烧装备，具体涉及一种用于悬浮催化裂解催化氧化无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的燃烧装备。

背景技术

随着社会经济的发展，称之为黑色污染物的废旧轮胎和称之为白色污染物的废塑料等难降解的高聚物材料产生量日益巨大，已带来了严重的环境污染问题。

目前，仅报废的轮胎全世界每年逾15亿条，得以回收再利用的仅15～20%，我国2016年全年产生的废旧轮胎亦达3亿余条，重量在1000万吨以上。长期以来，日益增多的废旧轮胎成了环境保护的一大难题。因此，如何合理、高效地利用废旧轮胎已成为社会广泛关注的问题。

各种废旧轮胎依原用途不同其主要成分波动范围为橡胶30～55%、活性炭20～36%、硫0.5～3.0%、软化剂（油）1～22%、氧化锌0.5～2.6%、加硫助剂1～13%、纤维0～18%、钢丝2～17%（其中卡车径向式轮胎钢丝15～40%），同一种轮胎材料的基本成分较简单而稳定，大致为橡胶50%、炭25%、钢丝15%、其它添加剂10%，其所含元素炭氮氢氧总量>88%、水<1%、硫平均1.5%，热值随钢丝含量变化，平均热值7790kcal/kg。

当前，废旧轮胎资源化再利用可以概括为三大类业务板块。一是废旧轮胎翻新再制造，但原型可利用量很少，仅是胎体完好的一部分废轮胎，不到1%的量。二是作为原料利用，生产再生橡胶和橡胶粉等。仅我国2016年再生橡胶产量逾440万吨、再生橡胶粉产量达36万吨，但硫化胶粉的制备需在低温冷冻条件下进行，需要能源密集型设备；生产再生胶的过程亦会产生极难处理的废气，二次污染严重，能耗很高，且生产再生胶的利润低，西方国家大多已逐渐淘汰了这种处理废橡胶的方式，除此之外，我国还产生了大范围的“毒跑道”事件。三是作为燃料利用，包括裂解制油气和作为窑炉燃料。

废旧轮胎的裂解技术主要有热裂解、催化降解和微波解聚三类工艺。第一类热裂解工艺技术主要包括：1）常压惰性气体（将废橡胶加热到500℃）热解技术；2）真空（在总压2～20kPa、温度510℃条件下把废橡胶裂解）热解技术；3）熔融盐（将轮胎碎块浸入氯化锂/氯化钾的低共熔混合物中，加热至500℃、氮气介质）热解技术。从热裂解装备来看，具有代表性的热裂解工艺包括真空移动床、两段移动床、流化床、连续烧蚀床和回转窑热裂解工艺。第二类催化降解工艺技术是采用氯化锌、氯化锡和碘化锑等路易斯酸熔融盐催化剂进行废旧轮胎橡胶降解的方法，实施时可在废橡胶中加入碱金属或碱土金属碳酸盐作为辅助催化剂以增大裂解产物中的异丁烯质量分数。第三类微波解聚工艺方法，是将盛有破碎的块状废轮胎以氮气为介质的容器放入微波发生器内，以频率为2450MHz的微波加热裂解的方法。上述的三大类废旧轮胎裂解技术都包括原料预制系统、热裂解反应器系统、气－油回收分离系统、固体回收系统。其裂解设备是整个工艺的关键所在，但目前设计满足工艺要求的裂解设备尚存在很大困难，能耗和二次污染亦是需要继续研究的问题。当前，我国裂解技术相关设备的开发和产品的分析应用研究大多刚刚起步，如何实现无污染、连续化、自动化热裂解产品的回收利用，是尚待解决的问题。

在利用废旧轮胎作为窑炉替代燃料方面，主要集中在利用废旧轮胎替代燃煤用于锅炉发电、烧石灰、高炉转炉炼铁及水泥窑。其中水泥窑使用废旧轮胎作为替代燃料，其方法可概括为三种，方法一是将废旧轮胎以整体投入回转窑窑头内或回转窑中部内或分解炉底部逐步燃尽，燃烧速度慢，热效率低，熟料质量波动，通常是常预热焙烧炉和预热窑的釆用整体废旧轮胎作替代燃料使用，一般通过预煅烧底部区域的一个特制的门喂入。方法二是将废旧轮胎加工切成碎片从窑头投入回转窑内落在熟料上燃烧或从窑尾预分解炉的锥部投入或从窑尾烟室投入燃烧，其燃烧速度偏慢，燃烧温度相对偏低，达到同样效果需要更多的能源，热效率偏低，不能产生煤粉和橡胶相同热值的等效效果，再者，客观上落在熟料上燃烧易形成还原气氛产生还原熟料，从窑尾烟室或分解炉锥部投入造成预分解炉锥部至烟室易结皮，对窑系统工况存在事实上的影响。方法三是将废旧轮胎粉碎为橡胶粒或橡胶粉，利用与回转窑的窑头煤粉燃烧器并列设置的另一根喷嘴，向回转窑内吹送橡胶粒料或橡胶粉，该方法燃烧速度较快，燃烧温度较高，燃烧效率较高，可替代部分头煤，但加工能耗偏高，且不能替代尾煤。而干法水泥生产线分解炉所需燃料比回转窑窑头所需燃料高近50%，分解炉与窑头燃煤比例一般为分解炉60～65%：窑头35～40%。事实上，当前，即便是波兰、乌克兰等大量利用废旧轮胎等作为水泥生产替代燃料的水泥厂，尽管采用了废旧轮胎塑料等可以做到大幅替代燃煤，但由于现有技术方法和装备问题，其烧成熟料使用替代燃料的热耗实际上大于使用煤粉的热耗，相同的热值不能产生等效的效果，一方面造成了浪费，另一方面，因需更多的消耗废旧轮胎量，经常导致带入的氧化锌过多而影响熟料的凝结时间和强度，且未找到解决办法只能以经验教训确定最大替代量。

在废塑料方面，大量产生的废塑料包括废弃的热硬性塑料和热塑性塑料。热硬性塑料主要有酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、不饱和聚脂树脂等，废热硬性塑料大多为废弃电器壳体或废玻璃钢。热塑性塑料主要有PE、PP、PVC、PS、PET、ABS、PC等，其中PVC占有较大比例。

当前，废塑料的再生利用包括作为原料利用和作为燃料利用两大方面。废塑料作为原料利用包括添加溶剂与新树脂重新混炼作为塑料制品、或与木屑混炼作为复合木材制品、或加其它填料和纤维混炼作为混塑板材、包装箱，及作为地面材料等，在废塑料作为原料利用方面的确取得了巨大的成果，也产生了良好的经济效益，但也同时增加了利用过程中的二次污染，降低了产品的档次和使用周期，并带来了不少的二次利用产品应用的严重环境污染和直接的大范围内对青少年人群的健康损害报道，且废塑料作为原料的利用其价格的绝对优势也打击了塑料产业的健康发展。

在废塑料作为燃料利用方面，因废塑料含有大量的树脂，且挥发份高，一般填料较低的废塑料其挥发分68～73%、固定碳6～7%、灰分18～22%，发热值达7500～8000kcal/kg（常见废塑料的发热量因其所用树脂材料不同及所用无机填料成分不同、比例不同而不同，一般为4800～10000kcal/kg）而得以关注，废塑料的燃料化利用主要包括废塑料裂解油化和作为窑炉替代燃料。废塑料裂解油化技术包括热裂解和超临界水裂解现都已趋成熟，如中国江西丰城日青石油制品有限公司，源自石油的废塑料经热裂解或催化裂解产生液化气、汽油、柴油等回收率可达70%，达到国际先进水平。但客观上二次污染大，耗能高。

而在废塑料作为窑炉替代燃料方面，国内外的研究与应用亦已十分广泛，但可以总结概括为如下四类技术方法。

第一类方法，是将分选剔除含氯塑料的废塑料或采用热裂解脱氯的废塑料粉碎成塑料粉末（一般粉碎至1mm以下）喷入窑炉内直接燃烧。该方法在国内外应用最为广泛，如《中国建材》（2001年第7期）《用废塑料代燃料烧成水泥》及《四川水泥》（2001年第5期）《水泥烧成利用废塑料的最新技术》介绍了三河小野田水泥公司以重油为燃料回转窑烧制水泥生产线上试烧废塑料的技术开发情况，利用高热值>7900kcal/kg废塑料，先将废塑料进行脱氯处理（一般采用300℃常压加热裂解脱氯回收盐酸工艺），将废塑料氯含量降至0.6%，然后粉碎至1mm以下，在烧油的同时，以废塑料专用吹入管式燃烧器从窑头吹入回转窑内，其小部分大于1mm的塑料粉则喷入窑尾烟室及分解炉下端（即分解炉锥部）内燃烧，其主燃料油可减少40%。但该方法一是耗能，二是废塑料的脱氯工艺复杂易产生二次污染，三是废塑料中大量的塑化剂亦会挥发，浪费了废塑料中的能源，且提高了利用成本，四是须将塑料粉磨至粒径1mm以下的颗粒才能不产生强还原气氛及还原熟料，粉磨电耗过高，一般企业难以承受。

第二类方法，是将分选后不含氯的废塑料破碎直接送入高温水泥回转窑内燃烧。如《中国资源综合利用》（2002/10）《用废塑料作水泥窑燃料之技术》，介绍了一种使用不含卤族元素（氟、氯、溴、碘、砹）的热塑料废塑料用作水泥窑燃料的方法，将含氯等卤元素的废塑料分选去掉，块状塑料粉碎至粒径20mm以下、片状粉碎至30mm以下，利用与回转窑的窑头煤粉燃烧器并列设置的另一根喷嘴，向回转窑内吹送粉碎的块状废塑料。如日本德山水泥厂的3条水泥生产线一直以此技术利用不含卤元素的废塑料作燃料化技术，年耗废塑料10万吨，其使用的不含卤素废塑料平均热值为7500kcal/kg。但该方法尚只能适应于回转窑内，日本德山水泥厂多年的反复试验尚不能应用于其水泥生产线上的分解内，而水泥生产线分解炉所需燃料比回转窑窑头所需燃料高近50%，分解炉与窑头燃煤比例一般为分解炉60～65%：窑头35～40%。另一方面，仍必需将废塑料中大量的含氯塑料分选去掉。事实上，当前业界一致认为废塑料的分类收集是降低废塑料再生利用的关键，如能将含氯废塑料分类回收，大部分废塑料可简化脱氯工序，大幅降低再生利用的成本。

第三类方法是将废塑料粉碎后或废塑料粉碎后与其他材料混合压制成燃料块后，以压制成型的燃料块送入窑炉内燃烧。但该方法制成型燃料块客观上能耗偏高、存在二次污染，且使用过程中燃烧速度偏慢、二次污染问题大多难以处理。

第四类方法是将废塑料作为熔核燃料和煤混合用于窑炉燃烧，即先将废塑料通过电加热膜加料熔融和熔化形成所谓的压缩塑料，再将熔融的压缩塑料切割成熔核，然后，将切片塑料熔核和煤混合用于窑炉燃烧。但该方法除加工较复杂、能耗偏高外，且其加工与焚烧释放问题仍有待研究和解决。

综上所述，显然地，尽管废旧轮胎/废塑料等高聚合物材料的高温催化裂解具有极大的潜在优势，废旧轮胎/废塑料的裂解产物在燃烧性能方面亦具有优势，而催化氧化燃烧技术较常规的燃烧技术具有极大的优势，但在废旧轮胎/废塑料等作为替代燃料应用于水泥生产方面至今未见任何将催化裂解和裂解产物燃烧直接结合的研究和实践，更未见将高温催化裂解技术和高温催化氧化技术直接结合的研究或实践。

众所周知，水泥生产是高耗能高污染企业，当前的水泥生产需要消耗大量的燃煤，以替代性燃料解决水泥生产所需的燃煤，尤其是替代分解炉用燃煤，一直是本行业科技工作者关注和研究的重要课题。如何高效解决好水泥生产中的替代性燃料尤其是分解炉用替代性燃料的高效利用问题，并最大限度地利用废旧轮胎/废塑料资源、降低废旧轮胎/废塑料利用的加工能耗和成本，迫切需要一种能以投资方式将高温催化裂解技术和高温催化氧化技术直接结合的全新的燃烧装备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可协同利用高温催化裂解和高温催化氧化燃烧技术优势，便于低成本利用废旧轮胎/废塑料作为干法水泥生产用替代燃料、不影响窑系统产能和熟料质量，且无二次污染的用于塑料或橡胶废弃物悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧的装备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，包括分解炉、布喂料器、计给料器、改性废弃物燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵和催化裂解氧化剂储罐，所述计给料泵通过管道与催化裂解氧化剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与改性废弃物燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述改性废弃物燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通。

进一步，所述的布喂料器及计给料器可设置2组以上，将废弃物燃料从分解炉的不同位置分别送入悬浮于分解炉内。

进一步，还设有配料给料装置、塑料/橡胶碎裂废弃物储仓、输送机Ⅱ、粉碎装置和输送机Ⅲ，所述输送机Ⅲ的卸料端与粉碎装置的进料口相连，所述输送机Ⅱ分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓的进料口、粉碎装置的出料口相连，所述配料给料装置分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓的底部卸料口、均质机的进料口相连。

本发明以计给料泵抽取催化裂解氧化剂储罐中的催化裂解氧化剂喷洒至均质机内经粉碎的废塑料/废旧轮胎物料上，均质混合，将碎裂的废塑料/废旧轮胎物料均化改性为可在高温条件下高效催化裂解和催化氧化燃烧的改性废弃物燃料，改性废弃物燃料经输送机Ⅰ送入改性废弃物燃料仓中，改性废弃物燃料仓中的改性废弃物燃料经仓底部出料口的计结料器连续计量给料、再经布喂料器连续布送入分解炉内并悬浮于分解炉内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性废弃物燃料的悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧，改性废弃物燃料悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。

本发明针对废旧轮胎/废塑料高聚物材料的成份特点和燃烧特性，结合考虑橡胶/塑料高聚合材料的高温催化裂解条件、及高温催化氧化燃烧的条件，协同利用高温催化裂解和高温催化氧化燃烧的优势，将能有效促进高温催化裂解和高温催化氧化的物质直接吸附于碎裂的废旧轮胎/废塑料碎裂块物料上，对废旧轮胎/废塑料碎裂物进行改性处理，选择高于800℃（分解炉内边部达850℃、中心高达1200℃）的高温托底温度场，解决好废旧轮胎/废塑料碎块物料的高温催化快速裂解和高温催化快速氧化燃烧问题，使之能高效的大量用作分解炉用替代性燃料。针对干法水泥生产线分解炉内的拉风特点、及高温催化裂解产生大量的乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、甲烷、烷烃、芳烃等易燃性气体和高温催化氧化气体的作用特点，选用易于切削加工且加工成本低廉且不易产生二次污染的小于50mm的废旧轮胎/废塑料碎裂物作为改性燃料的原料，既为物料的改性创造好条件，也为进入分解炉内后被拉风形成悬浮状态快速催化裂解、高效催化氧化无焰燃烧创造出条件，最大限度地降低废料的利用成本。针对废旧轮胎/废塑料的材料成分特性及分解炉内大空间高温场中悬浮大量的碳酸钙、氧化钙物料的特点，直接利用尺寸50mm以下的废旧轮胎/废塑料碎裂物料，实现废旧轮胎/废塑料改性燃料于分解炉内空间的悬浮快速催化裂解和高效氧化无焰燃烧，改性燃料悬浮裂解氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解，废塑料中的氯裂解为盐酸直接与新生的高活性氧化钙固化生成氯化钙转化为熟料烧成的矿化剂，废旧轮胎物料中的硫在催化氧化气氛中裂解生成三氧化硫并直接与新生的氧化钙化合固化为硫酸钙转化为熟料烧成的矿化剂，废塑料/废旧轮胎物料中的无机物直接转化为熟料生产的原料。

本发明的有益效果：

1）装备简单，并有相对成熟的设备可供选用，废旧轮胎/废塑料作为替代燃料利用成本低，经济性好，便于推广。

2）可有效减少废旧轮胎/废塑料对环境的污染，及减少废旧轮胎/废塑料再利用加工过程中的能源消耗和环境污染，利于环保。

3）为水泥企业利用废旧轮胎/废塑料作为替代性燃料提供一种经济而实用的装备，利于水泥企业节能减排和降本增效。

附图说明

图1 为本发明实施例1的结构示意图；

图2 为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对发明作进一步说明。

实施例1

参照图1，用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，包括分解炉1、布喂料器2、计给料器3、改性废弃物燃料仓4、输送机Ⅰ5、均质机6、计给料泵7和催化裂解氧化剂储罐8，所述计给料泵7通过管道与催化裂解氧化剂储罐8的出液口、均质机6的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ5分别与改性废弃物燃料仓4的进料口、均质机6的卸料口相连，所述改性废弃物燃料仓4的底部出料口与计结料器3相连，所述计结料器3与布喂料器2相连，所述布喂料器2与分解炉1内相连通。

工作时，计给料泵7抽取催化裂解氧化剂储罐8中的催化裂解氧化剂喷洒至均质机6内经粉碎的废塑料/废旧轮胎物料上，均质混合，将碎裂的废塑料/废旧轮胎物料均化改性为可在高温条件下高效催化裂解和催化氧化燃烧的改性废弃物燃料，改性废弃物燃料经输送机Ⅰ5送入改性废弃物燃料仓4中，改性废弃物燃料仓4中的改性废弃物燃料经仓底部出料口的计结料器3连续计量给料、再经布喂料器2连续布送入分解炉1内并悬浮于分解炉1内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉1内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性废弃物燃料的悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧，改性废弃物燃料悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉1内碳酸钙的分解。

实施例2

参照图2，用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，包括分解炉1、布喂料器Ⅰ2a、布喂料器Ⅱ2b、计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b、改性废弃物燃料仓4、输送机Ⅰ5、均质机6、计给料泵7、催化裂解氧化剂储罐8、配料给料装置9、塑料/橡胶碎裂废弃物储仓10、输送机Ⅱ11、粉碎装置12和输送机Ⅲ13，所述输送机Ⅲ13的卸料端与粉碎装置12的进料口相连，所述输送机Ⅱ11分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓10的进料口、粉碎装置12的出料口相连，所述配料给料装置9分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓10的底部卸料口、均质机6的进料口相连，所述计给料泵7通过管道与催化裂解氧化剂储罐8的出液口、均质机6的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ5分别与改性废弃物燃料仓4的进料口、均质机6的卸料口相连，所述改性废弃物燃料仓4的底部出料口分别与计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b相连，所述计给料器Ⅰ3a与布喂料器Ⅰ2a相连，布喂料器Ⅰ2a与分解炉1内下部空间相连通，计给料器Ⅱ3b与布喂料器Ⅱ2b相连，布喂料器Ⅱ2b与分解炉1内中部空间相连通。

工作时，将废塑料/废旧轮胎通过输送机Ⅲ13送入粉碎装置12粉碎为尺寸1～50mm的物料，粉碎后的物料以输送机Ⅱ11送入塑料/橡胶碎裂废弃物储仓10，经塑料/橡胶碎裂废弃物储仓10底部的配料给料装置9配料后送入均质机6，在均质混合的同时，以计给料泵7抽取催化裂解氧化剂储罐8中的催化裂解氧化剂喷洒至均质机6内的物料上，均质混合，将碎裂的废塑料/废旧轮胎物料均化改性为可在高温条件下高效催化裂解和催化氧化燃烧的改性废弃物燃料，改性废弃物燃料经输送机Ⅰ5送入改性废弃物燃料仓4中，改性废弃物燃料仓4中的改性燃料经仓底部出料口的计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b连续计量给料、再经布喂料器Ⅰ2a、布喂料器Ⅱ2b连续布送入分解炉1内并悬浮于分解炉1内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉1内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性废弃物燃料的悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧，改性废弃物燃料悬浮催化裂解和催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉1内碳酸钙的分解。

Claims (3)

1.一种用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，其特征在于：包括分解炉、布喂料器、计给料器、改性废弃物燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵和催化裂解氧化剂储罐，所述计给料泵通过管道与催化裂解氧化剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与改性废弃物燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述改性废弃物燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通。

2.根据权利要求1所述的用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，其特征在于：所述的布喂料器及计给料器设置2组以上，将废弃物燃料从分解炉的不同位置分别送入悬浮于分解炉内。

3.根据权利要求1或2所述的用于悬浮催化裂解无焰燃烧塑料或橡胶废弃物的装备，其特征在于：还设有配料给料装置、塑料/橡胶碎裂废弃物储仓、输送机Ⅱ、粉碎装置和输送机Ⅲ，所述输送机Ⅲ的卸料端与粉碎装置的进料口相连，所述输送机Ⅱ分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓的进料口、粉碎装置的出料口相连，所述配料给料装置分别与塑料/橡胶碎裂废弃物储仓的底部卸料口、均质机的进料口相连。