CN115038775A - 用于热解塑料材料的方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于热解塑料材料的方法。该方法包括以下步骤：加热和致密塑料材料；将塑料材料运输到一个或多个反应器；以及在一个或多个反应器中热解塑料材料。在运输步骤期间将塑料材料保持在加热状态。还提供了一种用于热解塑料材料的系统。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于热解塑料材料的方法及其系统。
背景技术
报废(End-of-life)塑料化学回收是一种新兴技术，其被设计成将混合的废塑料回收成多种液态烃产品。用于此类工艺的废塑料例如可以包括低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)和/或聚丙烯(PP)。通过将熔融形式的塑料进料加热然后将其泵(pumping)入反应器容器中，从而将这些废塑料转化成液态烃产品。反应器容器通过燃烧系统加热到超过350℃的温度。这会从熔融塑料中产生富饱和烃蒸气。该烃蒸气通过接触器容器从反应器容器中流出并使较重的蒸气馏分冷凝，以维持由最终产品规格确定的目标出口温度设定点。然后，将该烃蒸气在下游冷凝塔中以接近大气压的压力进行蒸馏。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于热解塑料材料的方法，该方法包括以下步骤：加热和致密塑料材料；将塑料材料运输到一个或多个反应器；以及在一个或多个反应器中热解塑料材料；其特征在于，在运输步骤期间将塑料材料保持在加热状态。
可选地，将塑料材料运输到两个或更多个反应器，并且将加热的塑料材料一次输送到一个反应器。
可选地，加热和致密塑料材料的步骤通过挤出塑料材料来实现。
可选地，在运输步骤期间将塑料材料保持在熔融状态。
可选地，塑料材料的温度保持在目标温度范围内的温度。
可选地，目标温度范围低于塑料材料的分解温度。
可选地，塑料材料的温度保持在至少265℃的温度。
可选地，塑料材料的温度保持在至少280℃的温度。
可选地，塑料材料的温度保持在不超过310℃的温度。
可选地，塑料材料的温度保持在不超过300℃的温度。
可选地，塑料材料在加热和致密步骤期间被加热到目标温度范围内的温度。
可选地，塑料材料在加热和致密步骤结束时处于目标温度范围内的温度。
可选地，塑料材料以与水平面成正角度运输。
可选地，角度选自10°至45°的范围。
根据本发明，还提供了一种用于热解塑料材料的系统，该系统包括：用于加热和致密塑料材料的泵；用于热解塑料材料的一个或多个反应器；以及用于在泵和一个或多个反应器之间运输塑料材料的管；其中该管被构造成将塑料材料保持在加热状态。
可选地，该系统包括两个或更多个反应器，并且该系统还包括多个阀，该多个阀被布置成使得加热的塑料材料能够一次输送到一个反应器。
可选地，泵包括挤出机。
可选地，管被构造成将塑料材料保持在熔融状态。
可选地，管包括加热装置。
可选地，加热装置包括电伴热。
可选地，管以与水平面成正角度定向。
可选地，角度选自10°至45°的范围。
可选地，该系统包括多个联锁阀，其用于将加热的塑料材料输送到两个或更多个反应器。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施方式，其中：
图1显示了如WO-A-2011077419中公开的已知化学回收设备的示意图；
图2显示了形成本公开的系统的一部分的化学回收设备的初始阶段的立体图；
图3显示了图2所示的另选管布置；以及
图4显示了用于图2的系统或用于图3的另选管布置的管的立体图。
具体实施方式
用于塑料化学回收的报废或受污染的塑料废原料可从例如市政回收设施、回收工厂或其他塑料收集来源接收。在预处理工艺中，可对原料进行精制，使得其仅包含适用于化学回收工艺的塑料，例如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)和/或聚丙烯(PP)。可去除不合适的材料，例如金属、纸张和卡片、玻璃以及塑料废料中的湿气。
图1示出了如WO-A-2011077419中公开的已知化学回收设备1，其中可采用本公开的管2。预处理的塑料原料可加工成颗粒或薄片形式，其可在一个或多个进料料斗(infeedhopper)3处进入系统。输送带4可将塑料材料经由称重带6传送到泵5。塑料材料可通过加热工艺(其可涉及一个或多个加热和冷却阶段)在泵5中熔融，最终最高温度在300℃的范围内。熔融塑料可经由管2运输到一个或多个反应器10。
在一个或多个反应器10中，可在没有氧气的情况下加热原料以实现热解，使得聚合物分子可分解以形成富饱和烃蒸气。烃蒸气可流经具有一排冷凝器元件12的接触器11。一些长链烃组分可冷凝，将冷凝的长链材料返回到反应器10以进一步热解，从而实现热降解成较短的碳－碳链；组分可作为蒸气从接触器11中离开。
来自接触器的烃蒸气可由冷凝塔13接收，该冷凝塔13可按分子量将烃蒸气分离成可冷凝组分和不可冷凝合成气组分。
分子量相对较大的可冷凝组分可积聚在接近冷凝塔13的中部和底部的一个或多个区域中并可从中提取。例如，可从冷凝塔13中提取轻油和原柴油(raw diesel)。
分子量相对较小的不可冷凝合成气组分可积聚在接近冷凝塔13的顶部的区域中。这些可从冷凝塔13的顶部中提取，并且例如可用于在回收设备1的炉(未示出)中燃烧。
作为该工艺的结果，可冷凝气体可转化为烃产品，而不可冷凝合成气可单独收集并燃烧为工艺能量。烃产品可出售给石化行业，例如将其转化回原始塑料、油，或者转化成运输燃料。合成气可在化学回收设备内使用。
图2更详细地示出了在原料热解之前的如图1所示的化学回收设备1的初始阶段。进料系统30可包括进料料斗3(或料仓)、输送带(未示出)、称重带(或称为“称重传感器”的称重秤)(未示出)和泵5。
有利地，原料可在目标温度范围内的受控温度下输送到每个反应器10。最佳地，原料的温度可尽可能接近反应器10的操作温度，使得其不会对反应器10的热性能产生不利影响；反应器10中的温度下降可减缓，甚至可停止解聚工艺。在进料的阶段期间，反应器10的操作温度可在380℃-410℃的范围内。另外，如果原料的温度太低，则原料可能太粘稠而无法沿管2运输。在这方面，原料的温度可以是至少265℃，可选地至少280℃。这可确保原料处于适当的熔融状态。然而，如果原料的温度太高，则原料可能在到达反应器10之前就开始分解。如果原料开始分解，则焦炭(炭渣(carbon residue)的一种形式)可能开始形成，这可能是不利的，如下所述。因此，目标温度范围可低于原料的分解温度。在这方面，原料的温度可不大于310℃，可选地不大于300℃。因此，合适的目标温度范围可以是265℃至310℃，可选地280℃至300℃。
泵5可实现三个功能：其可将原料加热到目标温度范围内的温度；其可使原料致密，从而去除原料中的任何气穴(air pocket)；并且其可提供驱动力以将原料经由管2运输到反应器10。在一个示例实施方式中，泵5可包括挤出机，该挤出机通常可包括位于紧密配合的筒体41中的螺旋推运器(auger)40(或螺杆(screw))。这三个功能可由螺旋推运器40的作用来实现。泵5可通过向原料施加剪切力将原料从环境条件加热到目标温度范围内的温度，剪切力是螺旋推运器40和筒体41的壁之间相对运动的结果。以这种方式，泵5中的原料的温度可朝向泵5的出口42逐渐升高。这可有利于实现目标温度范围内的温度。相反，现有泵的通常操作可能是使原料的温度在泵内的某个点达到峰值，并朝向出口降低。泵5可配备有变速驱动器(未示出)，如有需要，可允许向反应器10馈送较低的流速，同时将泵5的出口42处的温度保持在目标温度范围内。
泵5可配备有一个或多个双加热和冷却区43。当原料沿着螺旋推运器40通过时，一个或多个双加热和冷却区43可帮助递增地控制原料的温度。加热功能可主要用于在系统启动期间使螺旋推运器40中夹带的原料熔融。冷却功能可在正常操作期间使用，以防止区域温度超过各自的设定点。在正常操作期间可能很少使用加热功能，因为由螺旋推运器螺杆的作用产生的剪切力可提供足够的热量来使原料熔融并在出口42处达到目标温度范围内的温度。
筒体41的冷却可通过闭环油冷却回路或风扇(未示出)来实现。温度传感器可监测每个筒体区域的温度。由温度传感器观察到的过温可导致相应筒体区域上的进油阀打开，或启动单独的冷却风扇，以允许冷却到温度设定点。
管2可将泵5连接到一个或多个反应器10。优选地，管2可将泵5连接到多个反应器10。在图2所示的一个示例布置中，管2可将泵5经由单个总管(header pipe)50连接到一个或多个反应器10。总管50可经由各自的进料管61连接到一个或多个反应器中的每一个。在图3所示的另选示例实施方式中，管2可将泵5经由辅助管60连接到一个或多个反应器10，为每个反应器10提供辅助管60。每个辅助管60可经由进料管61连接到其反应器10。在这两种布置中，进料管61通常可以是垂直的。
离开泵5的出口42的致密和熔融的原料可在足够的压力下进入管2并沿管2驱动，以使原料在所需的流速和温度下沿管2驱动，但考虑到沿管2的压力下降，原料到达反应器10时的压力不会太高。当离开泵5(即，在泵出口42处)时，原料的合适压力可以在3MPaG至15MPaG(30BarG至150BarG)、可选地5MPaG至8MPaG(50BarG 80BarG)的范围内。
图4中更详细地显示了管2。管2可由任何合适的材料(例如，不锈钢或碳钢)制成。管2可配备有加热装置51。加热装置51可包括电伴热(也称为“热胶带(heat tape)”或“表面加热”)。加热装置51可用于确保沿管2保持目标温度范围内的温度。加热装置51还可用于在系统启动时加热(并熔融)管2中夹带的现有原料。
可提供一个或多个温度传感器52和/或压力传感器(未示出)以监测沿管2的温度和压力，从而确保稳定的流动。温度传感器52可包括热电偶。管2还可配备有隔热层(insulation)53。
可选择管2的直径，使其足够小，以便可经由加热装置51在管2中保持热量(或者可在系统启动时加热原料)。然而，直径必须足够大以达到所需的流速和压力。管2的直径可选自150mm-200mm、可选地200mm的范围。
可使管2的长度最小化，同时保持足够的长度以允许管2中的机械柔性(以使管2能够吸收热膨胀应力)。使管2的长度最小化可能有利于减少管2所需的加热装置51的范围(extent)。使管2的长度最小化可能有利于降低管2“结焦”的可能性，而对于较长的管2，由于原料在较长的管2中的停留时间较长，结焦的风险可能更大。如果在管2中没有保持原料的连续流动，使得原料可能在高温下长时间停留在管2中，则焦炭(炭渣的一种形式)可能开始在管2中排列。此类焦炭沉积物可减小管2的直径，从而减小管2中的流速并增加管2中的压力。焦炭沉积物还可充当隔热层，这可导致需要从加热装置51输入更多的能量。管2的长度可选自5m至11m、可选地8m的范围。
管2可以与水平面成正角度定向，使得其可在从泵5到总管50或辅助管60的方向上以通常向上的角度倾斜(即，不向下或水平倾斜)。合适的角度可在10°至45°的范围内。温度在目标温度范围内的原料可具有在重力下流动的潜力。以向上的角度定向管2可确保管2只能在泵5的作用下排放，而不能在重力的作用下排放。这可起到防止管在操作期间排空的作用。如果管2被排空，导致泵5和反应器10之间的管开口，则来自反应器10的烃蒸气可能释放到打开的泵段，和/或空气可能进入反应器系统，这可能导致着火。
如果管2被分成两个(或更多个)辅助管，管2中的一部分熔融原料同时被引导到每个辅助管中，由于未定义和可变的优先流(preferential flow)，熔融原料可能不会在两个(或更多个)辅助管之间均匀分布。相反，一个辅助管可具有不可预测的优选流(preferredflow)。因此，如果多个反应器10由各自的辅助管60同时馈送(例如，如图3所示)，或者如果多个反应器10由单个总管50同时馈送(例如，如图2所示)，则可能极难(甚至不可能)控制馈送到每个反应器10的原料的体积，导致无法控制一致和重复的批量循环。
有利地，原料可改为一次仅输送到一个反应器10。两个或更多个反应器10可通过管2经由总管50或辅助管60顺序馈送。每个反应器10可配备有一个阀54，以启动或防止向各自的反应器10提供原料。取决于该布置，用于特定反应器10的阀54可位于例如总管50、辅助管60或进料管61上。用于两个或更多个反应器10的各自阀54可联锁以确保在任何给定时间只能向单个反应器10馈送原料。这种布置可允许单个泵5和单个管2彼此独立地向多个反应器10馈送。
总管50的结构可与管2类似。总管50可包括管2的以下特征中的一个或多个：加热装置51；一个或多个温度和/或压力传感器；和/或隔热层53。总管50可水平定向。总管50的直径可选自100mm至200mm、可选地150mm的范围。总管50的长度可选自7m至16m、可选地11m的范围。总管50中的压力可选自1MPaG至6MPaG(10BarG至60BarG)、可选地2MpaG至4MPaG(20BarG至40BarG)的范围。
辅助管60的结构可再次与管2类似。辅助管60可包括管2的以下特征中的一个或多个：加热装置51；一个或多个温度和/或压力传感器；和/或隔热层53。辅助管60可水平定向。每个辅助管60的直径可选自100mm至200mm、可选地150mm的范围。每个辅助管60中的压力可选自1MPaG至6MPaG(10BarG至60BarG)、可选地2MpaG至4MPaG(20BarG至40BarG)的范围。
在使用中，在系统启动时(例如，在周转(turnaround)后)，可加热系统中已经夹带的可能处于固态的现有原料。泵5中夹带的原料可使用一个或多个双加热和冷却区43的加热功能来加热。管2中夹带的原料可使用加热装置51来加热。
当系统中夹带的现有原料达到目标温度范围内的温度时，可向系统中添加新原料。新原料可以以颗粒或薄片形式到达泵5，并且可通过向原料施加剪切力，由泵5加热到目标温度范围内的温度。螺旋推运器40的作用也可驱动原料进入并沿着管2。
当原料沿管2运输时，其温度可通过加热装置51保持在目标温度范围内的温度。
原料可顺序地馈送到反应器10。在具有三个反应器10的示例系统中，第一反应器可被解除隔离(de-isolated)，并且可被馈送预定体积的原料，之后可对其进行隔离(isolated)。在第一反应器已被隔离之后，第二反应器可被解除隔离并且可被馈送预定体积的原料，随后可隔离第二反应器。对于第三反应器可重复相同的工艺。在每个反应器10的隔离期间，反应器10可继续热解原料以产生烃蒸气。在全顺序(full sequence)之后，第一反应器中现有原料的热解可以基本完成，使得第一反应器可以再次准备好进料。
有利地，封闭系统可确保没有空气可进入管2。另外，在封闭系统中向单一方向(从泵5向反应器10)推动原料可压缩熔融原料并且可迫使任何气穴在相反的方向。
Claims (23)
1.一种用于热解塑料材料的方法，所述方法包括以下步骤：
加热和致密塑料材料；
将所述塑料材料运输到一个或多个反应器；以及
在所述一个或多个反应器中热解所述塑料材料；其特征在于
在运输步骤期间将所述塑料材料保持在加热状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述加热的塑料材料一次输送到一个反应器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述加热和致密塑料材料的步骤通过挤出塑料材料来实现。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述运输步骤期间将所述塑料材料保持在熔融状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料的温度保持在目标温度范围内的温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述目标温度范围低于所述塑料材料的分解温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料的温度保持在至少265℃的温度。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料的温度保持在至少280℃的温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料的温度保持在不超过310℃的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料的温度保持在不超过300℃的温度。
11.根据权利要求5或从属于权利要求4的权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料在所述加热和致密步骤期间被加热到目标温度范围内的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述塑料材料在所述加热和致密步骤结束时处于目标温度范围内的温度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述塑料材料以与水平面成正角度运输。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述角度选自10°至45°的范围。
15.一种用于热解塑料材料的系统，所述系统包括：
泵，其用于加热和致密塑料材料；
一个或多个反应器，其用于热解所述塑料材料；以及
管，其用于在所述泵和所述一个或多个反应器之间运输所述塑料材料；其中
所述管被构造成将所述塑料材料保持在加热状态。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述系统包括用于热解所述塑料材料的两个或更多个反应器，并且其中所述系统还包括多个阀，所述多个阀被布置成使得加热的塑料材料能够一次输送到一个反应器。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的系统，其中，所述泵包括挤出机。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的系统，其中，所述管被构造成将所述塑料材料保持在熔融状态。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的系统，其中，所述管包括加热装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述加热装置包括电伴热。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的系统，其中，所述管以与水平面成正角度定向。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的系统，其中，所述角度选自10°至45°的范围。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的系统，其中，所述系统包括多个联锁阀，其用于将加热的塑料材料输送到两个或更多个反应器。
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