CN1123622C - 有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置 - Google Patents

有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置，于废弃物裂解反应后段，设有对焦碳进行二次裂解的步骤，以对裂解完成百分之八十的焦碳自反应炉中输出，并单独予以加温以进行后续百分之二十的精炼。该处理装置，其整体裂解反应装置中包括有区隔设置的反应炉与加热炉；该反应炉的后段设有用以处理裂解反应生成的焦碳的焦碳一次处理槽、焦碳二次处理槽及焦碳冷却槽，其焦碳由反应炉排出后先进入焦碳一次处理槽中，经由焦碳一次处理槽中的搅拌器翻搅使部份残留的挥发份排出，排出的焦碳则再进入焦碳二次处理槽中，依序由第一搅送筒、第二搅送筒及第三搅送筒的轮流翻搅推送，于搅送过程中并同时加热使焦碳进行二次裂解反应。

Description

有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置
技术领域
本发明涉及有机废弃物资源化的无污染处理方法及该方法中使用的专用装置。
背景技术
由于石化工业的迅速发展，加上汽车工业在近数十年来快速发展，使得轮胎、塑胶成品的使用量大增，而废轮胎、塑胶等有机废弃物的处理一直系为环保单位最为头痛的难题，因为有机废弃物不易腐化，不适合掩埋处理。若未对其妥善处理其将对环境造成严重的冲击，以至于过去数十年来科学家、工程师们不断致力于废轮胎等有机废弃物的回收研究。其中最为较为常见的是以掩埋、热裂解、铺路、辅助燃料、再生原料等方式处理有机废弃物。然而，由于全球人口不断激增使得土地资源有限，而不适合再持续以掩埋的方式处理有机废弃物；又，以一般废轮胎为例若由传统的热裂解方式进行裂解，其废轮胎必须待500℃的温度以上才会开始反应，且温度必须于800℃～1000℃才能裂解完成，其不但所需加热时间长、处理量不易扩大而不经济，且所需设备造价高、安全性低，加上其产制的焦碳品质不佳，精制焦碳的成本过高，以美国为例，其于过去十五年来虽有超过三十六种的裂解方法被发展，但由于成本过高至今只有少数裂解厂在运转，直至1997年止以传统热裂解处理废轮胎的数量仅占全美废轮胎种数的0.14％。
以有机废弃物中质量最大的轮胎为例，其成份以天然橡胶(NR)及合成橡胶-苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、顺-聚丁二烯橡胶(BR)为大宗，再渗配碳黑、抗氧化剂、硫化剂等填加剂。一般轮胎的外胎面中约有65％～70％以SBR为主，而BR的使用量仅次于SBR，乃因为BR在高温下保有较NR佳的弹能，部份高级胎以BR取代NR和SBR渗配作为胎身主料。以热裂解技术应用于废轮胎的处理已行的有年；热裂解主要是在无氧、高温下，固体废弃物巨大分子链被切断、裂解产生有用的气、油及焦碳资源物，其有别于通入空气在高温下直接与废弃物接触燃烧的焚化方式，焚化最终的产物为二氧化碳、水蒸气及灰份，其焚化时所产生的高温烟道气虽可回收热能产生蒸汽、发电，但其作法仍是以消极的方式解决废轮胎的存在，其不但无法将废弃物转成有用的资源，于焚化过程中所产生的二氧化碳等废气更对环境直接造成污染危害。
以热裂解处理有机废弃物的方法，虽可经由将有机废弃物转换成可回收的资源油、裂解气及焦碳等产物，但传统热裂解反应的方式，是将有机废弃物置于横卧的反应炉中，以持续直接对反应炉加热的方式将所有机物碎片分解成焦碳及裂解气，并于所有反应完成后将裂解气冷却获取资源油，以及将残余物冷却以获得焦碳；但由于资源油品质与裂解物分子结构与裂解温度有很大关系，因为裂解气中硫化氢的存在是因为裂解物长分子链产生断裂，生成烯烃分子及氢气，而氢气再与裂解物交链结构分子中的硫份在高温下发生加氢脱硫反应而来，故裂解温度愈高，时间愈长，气体产率会愈多，亦即裂解温度愈高，油产率愈多，但温度过高时，部份油气易于产生加氢裂解反应，油产率反而下降，裂解气的比例会升高(C3～C5成份较多)。
再者，由于有机废弃物的导热系数很低，传热速率很慢，传统热裂解往往为了增加裂解速率，降低焦碳挥发份比例，一直提高裂解温度，恕不知过高的裂解温度，反而会造成焦碳结构型态改变，非常不利于制作碳黑。综上所述，以传统热裂解处理有机废弃物的方法，虽可将有机废弃物转换成有用的资源油、裂解气及焦碳，但由于其整体废弃物的裂解反应是在同一反应炉中开始直至反应结束，故其所反应炉所需的反应温度高、每一批次的反应时间长，相对得每一批次的处理量有限；尤其，裂解反应的过程不易监控，以至于无法获得良好品质的焦碳，以及资源油产量低，且反而会产生过多的含有硫份的裂解气，而无法真正有效的将有机废弃物资源化。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种有机废弃物资源化的无污染处理方法，利用在该方法克服传统热裂解方法时间长、温度高，产制焦碳品质不佳等缺点，而可以大量、快速及无二次公害的处理方式，将有机废弃物裂解转化为优良品质的焦碳、油、气等可以全部回收的洁净资源。
本发明的另一目的是同时设计了一种有机废弃物资源化的无污染处理装置，以此达到有效处理有机废弃物达到环境保护的功能，其所产生的优质再生能源更符合联合国Fccc全球气候纲要公约。
本发明的目的是这样实现的：一种有机废弃物资源化的无污染处理方法，于废弃物裂解反应后段，设有对焦碳进行二次裂解的步骤，以对裂解完成百分之八十的焦碳自反应炉中输出，并单独予以加温以进行后续百分之二十的精炼，以去除残存于焦碳中的挥发份，以缩减整体裂解反应的时间，不但可增加反应炉每一批次裂解的处理量，以及增进反应效果、加快反应速率，并可避免焦碳于反应炉中过度加温或过反应时间过长而造成型态改变，以获得更质纯的焦碳，以利再进一步精炼作为碳黑或活性碳的原料。
为配合上述方法的实施，本发明特提供一种有机废弃物资源化的无污染处理装置，其整体裂解反应装置中包括有区隔设置的反应炉与加热炉；其特征在于：该反应炉的后段设有用以处理裂解反应生成的焦碳的焦碳一次处理槽、焦碳二次处理槽及焦碳冷却槽，其焦碳由反应炉排出后先进入焦碳一次处理槽中，经由焦碳一次处理槽中的搅拌器翻搅使部份残留的挥发份排出，排出的焦碳则再进入焦碳二次处理槽中，依序由第一搅送筒、第二搅送筒及第三搅送筒的轮流翻搅推送，于搅送过程中并同时加热使焦碳进行二次裂解反应，前述反应皆是在真空状态下操作，以完全释出挥发份，精炼后的焦碳最后进入焦碳冷却槽以取得精质的焦碳，以利再加工成碳黑或活性碳原料。
该反应炉具有一密闭式的且具有优良热传导率的炉体，在其炉体外壁包覆一与加热炉的烟气道相通的热夹套，该热夹套分别具有一与加热炉的烟气道相通的热气入口，以及一用以将热气循环排放的热气出口，而该热夹套的热气出口则再与另一设于焦碳第二处理槽的热夹套相通，使加热炉的热气得以先进入反应炉的热夹套对反应炉完成加温后，再进入焦碳二次处理槽的热夹套，以对焦碳二次处理槽进行加温。
该反应炉的热夹套在热气入口与热气出口间并设有数道分隔板，在分隔板上以适当的间距布设有通气孔，以当热气由热气入口进入热夹套中时，其热气可以较为和缓的速度经由通气孔依序进穿过各分隔板最后在由热气出口排出热夹套，而可大辐增加反应炉受热的时间。
该反应炉于炉体外壁在热夹套的包覆范围内布设有传热歧片以增加受热效果。
该反应炉的顶部分别设有碎片入口、触媒入口、排气口以及加压管道，而炉体的下方则设有一用以排放焦碳的排放闸。
该反应炉的炉体内部直立穿设有一搅拌轴，该搅拌轴由炉体外的驱动马达加以带动旋转，另在搅拌轴的轴杆上设有至少两个以上的搅拌片，该搅拌片分别呈左、右旋向沿著搅拌轴的轴杆缠绕。
配合裂解反应的需要设有用以处理裂解所生成油气的初分离槽、冷凝器、瓦斯储存槽；用以处理油气冷却后生成资源油的资源油一次处理槽、储油槽，以及废弃物裂解前置作业的破碎机；在整体装置中，并由各输通管路连结于前述各机组间以自动完成裂解气、资源油及焦碳的运送。
该加热炉的前段设有一预热器。
通过上述技术方案，本发明至少具有下述几项优点：
(一)本发明的方法利用在反应炉的后段设有一焦碳一次处理槽以及一焦碳二次处理槽，约于焦碳成份完成百分之八十时，即将焦碳自反应炉中输出，进入后续的一次处理槽及二次处理槽中，以单独加温进一步去除残留挥发份，而可缩减整体裂解反应的时间，不但可增加反应炉每一批次裂解的处理量，以及增进反应效果加快反应速率，并在真空状态下操作可避免焦碳于反应炉中过度加温或过反应时间过长而造成型态改变，藉以获得更为精纯的固定碳，2000Kg的废轮胎量约仅需2.5～3.5小时极可完成裂解，以利再进一步精炼作为碳黑或活性碳的原料。
(二)本发明有机废弃物资源化的无污染处理方法中裂解反应所得的裂解气，直接由反应炉输出而不参与焦碳二次处理的步骤，直接经初分离、冷却以获得较多的资源油可供出售，而其无法冷凝的裂解气可回作为反应炉的加热源，多余的气体则可再利用于锅炉发电的热源，且燃烧气体完全不会有二次污染源的排放问题。
(三)本发明有机废弃物资源化的无污染处理装置利用于整体裂解反应装置中，将加热炉与反应炉区隔，其于反应炉的外壁包覆一与加热炉烟气道相通的热夹套，利用加热炉所产生的高热烟气对反应炉进行加温，可使反应炉中的废轮胎以维持在一英寸以下的碎片形态进行裂解，让每一单一碎片均匀受热以获得较佳的焦碳品质。
(四)本发明有机废弃物资源化的无污染处理装置是将裂解反应炉采直立方式设置，并于反应炉中直立穿设有正、逆旋向的搅拌片交替配置的搅拌轴，使得以由和缓的转速将轮胎碎片充分翻搅，而使每一个单一轮胎碎片皆能平均受热，并同时发生裂解反应，以增进反应速率。
(五)本发明有机废弃物资源化的无污染处理方法在处理废轮胎时可于轮胎碎片中预留20％的钢丝成份，以于反应炉的翻搅动作下，其钢丝可具有刷除炉体内壁的作用，以维持反应炉炉壁的热传导率；至于裂解反应后残留的钢丝可由筛分机加以析出，再外售钢铁厂。
(六)本发明有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置所使用的裂解技术，对废轮胎、橡胶、废塑胶等有机废弃物的裂解皆可产生明显的效果；而各种有机废弃物间的成份各有差异，于裂解反应中所使用的天然媒剂成份比例、加热温度、反应压力、反应时间，皆可视裂解反应对象的特性予以调整。
综上所述，本发明可克服传统热裂解方法时间长、温度高，产制焦碳品质不佳等缺点，以大量、快速及无二次公害的处理方式，将废轮胎等有机废弃物裂解转化为优良品质的焦碳、油、气等可以全部回收的洁净资源；此种无污染(二次公害)的装置可有效处理有机废弃物达到环境保护的功能，其所产生的优质再生能源更符合联合国Fccc全球气候纲要公约的地球永续发展精神。
附图说明
为进一步了解本发明实施时其整体裂解反应过程，本说明书中仅以成份较为单纯的轮胎为裂解反应对象，配合附图说明如下：
图1是本发明整体裂解反应的装置流程示意图；
图2是本发明中用以处理焦碳的处置示意图；
图3是本发明整体中其加热炉的烟道气流向示意图；
图4是本发明整体中其裂解产生的油气处理流程示意图；
图5是本发明整体中其裂解产生的焦碳处理流程示意图；
图6是本发明中反应炉的结构剖视图。
具体实施方式
本发明有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置，于裂解处理过程中所需的设备装置如图1所示，是以反应炉B为主，并配合裂解反应的需要设有加热炉H、用以处理裂解所生成油气的初分离槽C1、冷凝器C2、瓦斯储存槽C3；用以处理油气冷却后生成资源油的资源油一次处理槽E1、储油槽E2；用以处理裂解生成焦碳的焦碳一次处理槽D1、焦碳二次处理槽D2、焦碳冷却槽D3；以及，废弃物裂解前置作业的破碎机A；在整体装置中，并由各输通管路连结于前述各机组间以自动完成裂解气、资源油及焦碳的运送。
本发明的特征即在于反应炉B的后段设有用以处理裂解反应所生的焦碳的焦碳一次处理槽D1、焦碳二次处理槽D2及焦碳冷却槽D3等装置，请同时配合参照图2及图5所示，其有机废弃物于反应炉B中进行至约于焦碳成份完成百分的八十时，即将焦碳自反应炉中输出，进入后续的焦碳一次处理槽D1及二次处理槽D2中，以对焦碳单独加温进一步去除残留挥发份，而可缩减整体裂解反应的时间，不但可增加反应炉每一批次裂解的处理量，以及增进反应效果加快反应速率，并可避免焦碳于反应炉中过度加温或反应时间过长而造成型态改变，以获得更为精纯的固定碳，以利再进一步精炼作为碳黑或活性碳的原料。
请同时配合参照图6所示，本发明中的裂解反应装置是将加热炉H与反应炉B区隔，其反应炉B是在其外壁包覆一与加热炉H烟气道相通的热夹套，利用加热炉H所产生的热气对反应炉B进行加温；其中，反应炉B具有一密闭式的且具有优良热传导率的炉体B1，炉体B1外壁在热夹套B2的包覆范围内布设有传热歧片B11以增加受热效果，其热夹套B2则分别具有一与加热炉H的烟气道相通的热气入口B21，以及一用以将热气循环排放至后续焦碳二次处理槽D2的热气出口B22，其在热气入口B22与热气出口B22间并设有数道分隔板B23，在分隔板B23上以适当的间距布设有通气孔B24，以当热气由热气入口B21进入热夹套B2中时，其热气可以较为和缓的速度经由通气孔B24依序进穿过各分隔板B23最后在由热气出口B22排出热夹套B2，而可大辐增加反应炉B受热的时间。
至于，反应炉B的顶部则分别设有碎片入口B5、触媒入口B6、排气口B7以及加压管道B8，而炉体B1的下方则设有一用以排放焦碳的排放闸B9，以于热解反应前将所欲处理的轮胎碎片、反应所须的触媒以及正压操作所须的加压用氮气注入反应炉B的炉体B1中，并予以封闭以利进行裂解反应，待反应完成后，其所产生的油气即可由排气口B7排出反应炉B以利后续的油、气分离、冷却的处理；而反应完成后的焦碳即可自排放闸B9排出反应炉B，以利后续的精炼加工。另外，在炉体B1的内部直立穿设有一搅拌轴B3，其搅拌轴B3主要是由炉体B1外的驱动马达B4加以带动旋转，另在搅拌轴B3的轴杆上设有至少两个以上的搅拌片B31，其搅拌片B31是分别呈左、右旋向沿著搅拌轴的轴杆缠绕，使得以由和缓的转速将轮胎碎片于炉体B1中充分翻搅，令每一个单一轮胎碎片皆能平均受热，并同时发生裂解反应，避免因为橡胶热传导性低而产生不同的反应机构，以获得较佳的焦碳品质。
本发明于裂解反应中所使用的加热源，主要是由加热炉对空气加热而产生高温热气，以经由热气进行反应炉的加热，如图3所示，空气先由一预热器H1进行预热并送入加热炉H中，由加热炉H加热成700℃的烟道气后直接导入反应炉B处，以对反应炉B进行加热，而其由加热炉H排出的烟道气温渡约降为500℃，此温度的热源则可再予以导入焦碳二次处理槽D2处，以辅助焦碳精炼所须的热源，又经焦碳二次处理槽D2所排出的烟道气温度约降为400℃，此温度的热源即可再排回预热器H1，400℃的热气即直接对进入预热器H1的空气加温后排出。
本发明于处理废胎的裂解时，其废轮胎主要先由破碎机A绞碎成一英寸以下的碎片，并剥除轮胎中的钢丝与棉丝，后即进入反应炉B中进行裂解反应，如图4所示，其裂解反应所产生的油气是先由反应炉B排至初分离槽C1以喷挡方式先将油气中的油泥析出，其油气再由初分离槽C1排至冷凝器C2于此可将油气冷凝分析成资源油及瓦斯，无法冷凝的裂解气(为瓦斯成份)先行存于瓦斯储存槽C3中，以利将其回收导入加热炉H以供加热燃料使用，而过多的含硫余气即可由后续的废气燃烧器C4予以脱硫后排放。另外，油气冷凝析出的资源油自冷凝器C2排出后先进入资源油一次处理槽E1中，待其属性稳定后即输送至储油槽E2储存，而部份的资源油可送至加热炉H供点火使用。
再者，废轮胎裂解反应所产生的残存焦碳，如图2及图5所示，由反应炉B排出后先进入焦碳一次处理槽D1中，经由焦碳一次处理槽D1中的搅拌器翻搅使部份残留的挥发份排出，其焦碳则再进入焦碳二次处理槽D2中，依序由第一搅送筒D21、第二搅送筒D22及第三搅送筒D23的轮流翻搅推送，于过程中并由热夹套D24对搅送筒进行加温，使焦碳进行二次裂解反应，以完全释出挥发份使挥发份减少至5％以下，前述的反应皆是在真空状态下进行，而精炼后的焦碳最后进入焦碳冷却槽D3以取得精质的焦碳，以利再加工成碳黑或活性碳原料；至于，原本预存于轮胎碎片中的钢丝可具有刷除炉体内壁的作用，以维持反应炉炉壁的热传导率，裂解反应后残留的钢丝可由筛分机于焦碳堆中加以析出，再外售钢铁厂。
本发明有机废弃物资源化的无污染处理方法及其装置以极为低廉的设备及材料成本而可教废轮胎资源化使的裂解成为可全部回收的裂解气、资源油及焦碳，其产物部份可直接用于裂解反应装置的需求，大部份的产物可予以精炼后贩售，不但可以更为积极的手段解决有机废弃物所造成的公害难题，且于处理过程中不至于造成二次公害，提供另一较佳可行的有机废弃物资源化处理方法。需要注意的是，以上的实施说明及附图所示，是本发明较佳实施例之一，并非以此局限本发明，因此，举凡与本发明的构造、装置、特征等近似、雷同的，均应属本发明的创设目的及申请专利范围之内。

Claims (9)

1、一种有机废弃物资源化的无污染处理方法，于废弃物裂解反应后段，设有对焦碳进行二次裂解的步骤，以对裂解完成百分之八十的焦碳自反应炉中输出，并单独予以加温以进行后续百分之二十的精炼，以去除残存于焦碳中的挥发份，以缩减整体裂解反应的时间，不但可增加反应炉每一批次裂解的处理量，以及增进反应效果、加快反应速率，并可避免焦碳于反应炉中过度加温或过反应时间过长而造成型态改变，以获得更质纯的焦碳，以利再进一步精炼作为碳黑或活性碳的原料。
2、一种有机废弃物资源化的无污染处理装置，其整体裂解反应装置中包括有区隔设置的反应炉与加热炉；其特征在于：
该反应炉的后段设有用以处理裂解反应生成的焦碳的焦碳一次处理槽、焦碳二次处理槽及焦碳冷却槽，其焦碳由反应炉排出后先进入焦碳一次处理槽中，经由焦碳一次处理槽中的搅拌器翻搅使部份残留的挥发份排出，排出的焦碳则再进入焦碳二次处理槽中，依序由第一搅送筒、第二搅送筒及第三搅送筒的轮流翻搅推送，于搅送过程中并同时加热使焦碳进行二次裂解反应，前述反应皆是在真空状态下操作，以完全释出挥发份，精炼后的焦碳最后进入焦碳冷却槽以取得精质的焦碳，以利再加工成碳黑或活性碳原料。
3、如权利要求2所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该反应炉具有一密闭式的且具有优良热传导率的炉体，在其炉体外壁包覆一与加热炉的烟气道相通的热夹套，该热夹套分别具有一与加热炉的烟气道相通的热气入口，以及一用以将热气循环排放的热气出口，而该热夹套的热气出口则再与另一设于焦碳第二处理槽的热夹套相通，使加热炉的热气得以先进入反应炉的热夹套对反应炉完成加温后，再进入焦碳二次处理槽的热夹套，以对焦碳二次处理槽进行加温。
4、如权利要求3所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该反应炉的热夹套在热气入口与热气出口间并设有数道分隔板，在分隔板上以适当的间距布设有通气孔，以当热气由热气入口进入热夹套中时，其热气可以较为和缓的速度经由通气孔依序进穿过各分隔板最后在由热气出口排出热夹套，而可大辐增加反应炉受热的时间。
5、如权利要求3所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该反应炉于炉体外壁在热夹套的包覆范围内布设有传热歧片以增加受热效果。
6、如权利要求2所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该反应炉的顶部分别设有碎片入口、触媒入口、排气口以及加压管道，而炉体的下方则设有一用以排放焦碳的排放闸。
7、如权利要求2所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该反应炉的炉体内部直立穿设有一搅拌轴，该搅拌轴由炉体外的驱动马达加以带动旋转，另在搅拌轴的轴杆上设有至少两个以上的搅拌片，该搅拌片分别呈左、右旋向沿著搅拌轴的轴杆缠绕。
8、如权利要求2所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：配合裂解反应的需要设有用以处理裂解所生成油气的初分离槽、冷凝器、瓦斯储存槽；用以处理油气冷却后生成资源油的资源油一次处理槽、储油槽，以及废弃物裂解前置作业的破碎机；在整体装置中，并由各输通管路连结于前术各机组间以自动完成裂解气、资源油及焦碳的运送。
9、如权利要求2所述的有机废弃物资源化的无污染处理装置，其特征在于：该加热炉的前段设有一预热器。
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