CN209412150U - 一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其包括：热解系统，热解系统包括一个或多个依次相连的热解装置，热解装置包括热解进料口、热解出料口、热解过热蒸汽进口、热解气体出口和热解加热装置；气体转化系统，气体转化系统包括转化装置和燃烧室，转化装置包括转化进料口、转化出料口和转化过热蒸汽进口；过热蒸汽发生器，过热蒸汽发生器产生过热蒸汽，过热蒸汽输送至过热蒸汽管路；本实用新型解决了废轮胎橡胶在裂解过程中存在的耗能高，裂解效率低，裂解产物难以综合利用且不符合环保要求，裂解处理过程可控性低等问题，将废旧轮胎转化为清洁的可燃能源气体，实现废旧轮胎的能源转化和清洁高效利用。

Description

一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统

技术领域

本实用新型涉及一种废轮胎处理系统，具体是一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统。

背景技术

轮胎主要由橡胶(包括天然橡胶、合成橡胶)、炭黑及多种有机、无机助剂(包括增塑剂、防老剂、硫磺和氧化锌等)组成。随着经济社会持续快速发展，世界汽车保有量将继续快速增长，废旧轮胎积存量已达30亿条，其中，我国每年报废的轮胎超过一亿条，占世界的三分之一，到2020年中国预计产生2000万吨的废轮胎量。大量的废旧轮胎既浪费了宝贵的橡胶资源，同时大量废轮胎堆积占用土地，也形成了比塑料污染(白色污染)更难处理的黑色污染，废旧轮胎的合理处置已经成为一个迫切的全球性环境问题。

废旧轮胎是可以再利用的资源，废旧轮胎循环利用和综合利用水平是一个国家经济发展的重要标志之一。废旧轮胎处理必须符合废弃物处理的资源化、无害化和减量化原则，目前废旧轮胎综合利用途径主要包括翻新、再生胶和胶粉、热能利用、热解等。

目前我国轮胎翻新率仅为26:1，尤其是轿车轮胎的翻新率几乎为零。再生胶是指废旧硫化橡胶经过粉碎、加热、机械处理等物理化学过程，使其从弹性状态变成具有塑性和粘性的、能够再硫化的橡胶。占废轮胎产生量近一半的轿车胎，用于生产再生胶、胶粉的价值极低。实践表明废橡胶用于生产再生胶，不仅在生产过程中耗费了大量的能量，而且再生胶中硫化胶的各项性能指标尚不如处理前的废轮胎，同时生产过程中高温高压动态脱硫过程还具有能耗高，附加值低、产生二次污染问题突出等缺点。

轮胎具有很高的热值(2937MJ/kg)，每公斤的发热量比木材高69％，比烟煤高10％，比焦炭高4％，因此，直接作为燃料的热能利用法(水泥窑炉、工业锅炉、发电锅炉等)是废旧轮胎综合处理利用一个重要方法。但在有氧燃烧过程中易产生剧毒致癌物二噁英，因此其设备造价高并且为了达到可排放的环保要求必须配置复杂的烟气处理设备。

废轮胎的热解是指在无氧或缺氧工况及适当的温度下，橡胶中主链具有不饱和键的高分子断裂，产物主要是单体、二聚物和碎片，生成物再聚合为多种烯烃，从而脱出挥发性物质并形成固体炭的过程，其产物主要是热解油、粗炭黑为主的固体和不凝析可燃气。按热解温度可分为高温热解(>1000℃)、中温热解(600～700℃)和低温热解(<600℃)。热解工艺的优势在于，由于是缺氧分解，有利于减轻对大气环境的二次污染，可以控制二噁英的产生和污染；废物中的硫、重金属等有害成分大部分被固定在固体黑炭中并有效回收利用。

目前废旧轮胎热解主要包括热裂解、催化降解和微波解聚等三类工艺，而热裂解工艺又包括常压惰性气体热解(如公开号为CN104910948A的专利文献公开的“一种连续化裂解工艺及设备”,公开号为CN101555413A的专利文献公开的“连续式蒸汽裂解设备标签及供其使用的裂解炉”)、真空热解、熔融盐热解：(1)常压惰性气体热解：在惰性气体中将废橡胶加热到500℃，可获得35％(与废橡胶的质量分数，下同)的固体残余物(主要为粗炭黑，炭黑中含有质量分数为0.2的硫和质量分数为0.10～0.15的灰分)、55％的油(含有质量分数为0.51的芳烃油和质量分数为0.33的粗石脑油)和3％的气体。(2)真空热解：真空热解是在减压和低温条件下分解，在总压2～20kPa、温度510℃条件下把废橡胶裂解，可得50％的油品、25％的炭黑、9％的钢、5％的纤维和11％的气体；在总压0.3kPa、温度420℃条件下，可得55％的油品、35％的固体和10％的气体。(3)熔融盐热解：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℃，产生47％的油、45％的固体残余物和12％的气体。

目前热裂解设备主要以移动床、流化床、固定床和回转窑为主。废轮胎热裂解设备不仅要满足其温度反应条件，要充分考虑到进料的复杂性、裂解设备的密封性和配套设施以满足严格的环保要求。目前所有的裂解过程都是将待裂解的物质放入裂解器内进行裂解的主要目标产物为液固态产物而容易造成设备内部结焦，并且多级冷凝分离和过滤热解产物，因此，极其复杂的热解设备和工艺条件导致废旧轮胎中低温热解的主要产物-热解油、粗炭黑为主的固体组分极为复杂、品质难以保证而无法实现大规模工业化应用，从环保、社会、经济三大要素的效益目标来分析依然存在明显不足。

公开号为CN105925293A的专利文献公开的“一种自除尘型废旧轮胎热解和裂解系”提出了一种基于蓄热式辐射管加热的自除尘型废旧轮胎热解和裂解系统，该系统可进行热解和裂解两种作业，热解产生的油气进入颗粒床除尘装置，油气经过滤除尘后，洁净的油气进入到裂解室，降低了后续工艺的除尘压力，将大分子的焦油分子裂解为小分子的气态烃类，该反应器可产生大量的裂解气，从而避免了生产热解油难以利用的问题。然而该技术中热解室和裂解室是连通的，热解和裂解过程均通过蓄热式辐射管加热进行，这样热解和裂解的产物容易蓄热式辐射管壁处结焦而影响反应效率，同时轮胎中的炭黑等组分形成的固态产物仍然难以利用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，该系统旨在解决轮胎橡胶在裂解过程中存在的耗能高，裂解效率低，裂解产物难以综合利用且不符合环保要求，裂解处理过程可控性低等问题。

为了达到上述技术目的，本实用新型的技术方案是：

一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，包括：

-热解系统，所述热解系统包括一个或多个依次相连(即上一热解装置的热解出料口与下一热解装置的热解进料口连接)的热解装置，例如，所述热解系统可以仅包括一个热解装置，此时所述热解装置内的温度为400℃，其中在250℃温度下是主要为升温过程，250℃～400℃温度下进行热解反应。又如，所述热解系统可以包括两个热解装置，此时所述热解装置内的温度依次分别为250℃、400℃，从而实现在250℃～400℃温度下进行热解反应。

所述热解装置包括热解进料口、热解出料口、热解过热蒸汽进口、热解气体出口和热解加热装置，在所述热解装置内设置有热解输送装置，所述热解输送装置将物料从热解进料口输送至热解出料口。所述热解过热蒸汽进口与过热蒸汽管路连接，所述热解气体出口与转化气体管路连接。所述热解加热装置为热解装置加热，所述热解加热装置优选电加热器；物料通过热解系统的一个或多个热解装置后输送给气体转化系统。

-气体转化系统，所述气体转化系统包括转化装置和为转化装置加热的燃烧室，所述转化装置内的温度为800℃～900℃(该温度以保证过热蒸气与热解产物转化反应进行)，所述转化装置包括转化进料口、转化出料口和转化过热蒸汽进口，所述热解系统输送的物料输送至转化进料口。在所述转化装置内设置有转化输送装置，所述转化输送装置将物料从转化进料口输送至转化出料口。所述转化过热蒸汽进口与过热蒸汽管路连接。

-过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器产生过热蒸汽，过热蒸汽输送至过热蒸汽管路。

热解系统将废轮胎热解产生的甲烷等轻组分可燃气体流向转化气体管路收集，而轮胎废料中炭黑及高沸点、大分子的重组分物等液固态混合料将转入到气体转化系统中在中高温条件(800℃～900℃)下与高温水蒸汽进行转化反应。在800℃～900℃温度下，在热解反应后的液固态混合物(高沸点、大分子的重组分物及炭黑等)中通入过热蒸汽，进行水蒸气转化反应，反应式如式(1)、(2)，生成富氢可燃性气体并进行分离、净化处理。

气体转化系统的转化装置将热解后的轮胎中炭黑组分与高温水蒸气发生水煤气转化反应(1)，炭黑转变成了CO，水煤气化反应产生的氢H₂作为可燃性气体被回收利用：

C+H₂O_(g)＝CO+H₂ (1)

气体转化系统的转化装置将热解后的轮胎中高沸点、大分子重组分物通过断链与脱氢反应进一步热裂解，同时产生的甲烷等碳氢化合物又与水蒸气通过重整反应生成富氢可燃气体：

C_xH_y+xH₂O_(g)＝xCO+(x+y/2)H₂ (2)

作为优选，所述热解输送装置、转化输送装置均为螺旋输送机。

为了进一步利用未转化完的少量固态产物，所述转化装置的转化出料口连接有下料装置，所述下料装置包括下料进口和下料出口，转化出料口与下料进口连接；在下料装置内部设置有下料输送装置，所述下料输送装置将物料从下料进口向下料出口输送；所述下料出口设置在燃烧室内，下料出口的物料在燃烧室内燃烧。

为了利用转化产生的气体，所述转化气体管路连接有转化气体支路，所述转化气体支路与燃烧室连接，为燃烧室提供燃烧气体。

废旧轮胎的可燃性气体转化效率受轮胎热裂解、热裂解产物与水蒸气的吸热型气体转化反应控制，轮胎废料必须在很高的气体转化温度和足够的反应时间条件下才能实现全部可燃性能源气体转化，这时，整套系统装置的大型化、复杂化无疑会严重阻碍其应用推广。为了充分利用少量气化转化不彻底的轮胎废料残渣，所述燃烧室下方设置有燃烧室出口，在燃烧室出口下方设置有出料装置，所述出料装置包括出料进口和出料出口，所述出料进口与燃烧室出口连接，所述出料装置内设置有出料输送装置，所述出料输送装置将物料从出料进口输送至出料出口，具体地，所述出料输送装置优选螺旋输送机。

在上述描述中，不同的装置中的物料仅指处于其内的具体物料。

综上所述，本实用新型通过热解和气体转化两个子系统将废旧轮胎料通过热解和在中高温条件(800℃～900℃)下与高温水蒸汽进行转化反应，转化为氢气、甲烷等清洁的可燃能源气体，实现了废旧轮胎的能源转化和清洁高效利用，解决了废轮胎橡胶在裂解过程中存在的耗能高，裂解效率低，裂解产物难以综合利用且不符合环保要求，裂解处理过程可控性低等问题。

本实用新型的技术优势和有益效果在于：(1)废轮胎热在250℃前主要为受热升温阶段，传统废旧轮胎热裂解方式必须至少加热到550℃～600℃才能裂解完成，本实用新型技术中的热解温度为250℃～400℃，该温度段的热解过程主要发生甲烷等轻组分可燃气体的逸出，大大减少了完全裂解室高致癌物-多环芳烃等产物的生成，从而使轮胎废料中高沸点、大分子的重组分物及炭黑等物质将参与后续的水性煤气转化反应；(2)从碳与水蒸气生成一氧化碳和氢气反应的吉布斯自由能Δ_rG_m ⁰＝-146.34T+135248J/mol可知，必须超过924K(651℃)反应才能进行，温度越高反应越易进行；另一方面，高沸点、大分子重组分物的断链与脱氢反应、甲烷等碳氢化合物与水蒸气重整反应均为强吸热反应，本实用新型提出的水蒸气转化反应温度为800℃～900℃，该温度能够保证转化反应的快速进行，同时反应燃料消耗成本和反应器制造费用也不会因使用温度过高而显著提升；(3)废旧轮胎料热导性非常低，加热升温需要很长的时间，本实用新型技术采用加热效果好(比热容高、扩散速率大)的过热水蒸气作为热解与转化反应的热传导介质，提高了反应的速度。

附图说明

图1为本实用新型系统主视图。

图2为本实用新型系统右视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、2所示，一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，包括：

-热解系统，所述热解系统包括两个依次相连的第一热解装置2和第二热解装置6(本实用新型并不限定热解装置数量)，所述热解装置(第一热解装置2、第二热解装置6)包括热解进料口、热解出料口、热解过热蒸汽进口、热解气体出口和热解加热装置，第一热解装置2的热解进料口设置有量斗1，用于投料(投入破碎后的废轮胎碎片)。第一热解装置2的热解出料口与第二热解装置6的热解进料口连接。

在所述热解装置(第一热解装置2、第二热解装置6)内设置有热解输送装置5,7，热解输送装置5,7具体选用螺旋输送机，所述热解输送装置5,7将物料从热解进料口输送至热解出料口。

所述热解过热蒸汽进口与过热蒸汽管路4连接，向热解装置(第一热解装置2、第二热解装置6)内通入过热蒸汽。通入的过热蒸汽在加热废旧轮胎料的同时可以排出热解装置内空气，实现了无氧气氛。

所述热解气体出口与转化气体管路3连接，用于收集转化的气体。通入转化气体管路3的可燃气体经分离、净化处理后，作为清洁能源气体用于发电、燃烧供热等。

所述热解加热装置为热解装置加热，所述热解加热装置选用电加热器，热解加热装置将第一热解装置2内物料加热至250℃，热解加热装置将第二热解装置6内物料加热至400℃。热解反应将废轮胎热解产生的甲烷等轻组分可燃气体流向转化气体管路收集，而轮胎废料中炭黑及高沸点、大分子的重组分物等液固态混合料将随后在中高温条件(800℃～900℃)下与高温水蒸汽进行转化反应。

-气体转化系统，所述气体转化系统包括转化装置8和为转化装置8加热的燃烧室12。所述转化装置8包括转化进料口、转化出料口和转化过热蒸汽进口。为了进一步利用未转化完的少量固态产物，所述转化装置8的转化出料口连接有下料装置10，所述下料装置10包括下料进口和下料出口，转化出料口与下料进口连接；在下料装置10内部设置有下料输送装置，所述下料输送装置将物料从下料进口向下料出口输送；所述下料出口设置在燃烧室12内，下料出口的物料在燃烧室12内燃烧(可以采用喷嘴13进行燃烧)。

第二热解装置6的热解出料口的物料输送至转化进料口。在所述转化装置8内设置有转化输送装置9，转化输送装置9选用螺旋输送机，所述转化输送装置9将物料从转化进料口输送至转化出料口。

所述转化过热蒸汽进口与过热蒸汽管路4连接，热解后的高沸点、大分子的重组分物及炭黑等物质将中高温条件(800℃～900℃)下在转化装置8内与高温水蒸汽(过热蒸汽)进行转化反应。该温度能够保证转化反应的快速进行，同时反应燃料消耗成本和反应器制造费用也不会因使用温度过高而显著提升。

为了利用转化产生的气体，所述转化气体管路3连接有转化气体支路，所述转化气体支路与燃烧室12连接，为燃烧室12提供燃烧气体，从而可以实现转化反应不依赖外部能源的自主进行。

所述燃烧室12下方设置有燃烧室出口，在燃烧室出口下方设置有出料装置11，所述出料装置11包括出料进口和出料出口，所述出料进口与燃烧室出口连接，所述出料装置11内设置有出料输送装置，所述出料输送装置选用螺旋输送机，所述出料输送装置11将物料(残渣)从出料进口输送至出料出口，将燃烧残渣排出。

-过热蒸汽发生器14，所述过热蒸汽发生器14产生过热蒸汽，即用以产生参与水性煤气转化反应的过热蒸汽，过热蒸汽输送至过热蒸汽管路4。

工作流程：

将废轮胎碎块(物料)通过量斗1加入第一热解装置2内，同时通入过热蒸汽，物料在第一热解装置2内受热升温至250℃，然后进入第二热解装置6内，同时通入过热蒸汽进行排氧处理，物料在第二热解装置6内(400℃)热解。物料经过第一热解装置2、第二热解装置6热解为甲烷等轻组分可燃气体流向转化气体管路收集，而轮胎废料中炭黑及高沸点、大分子的重组分物等液固态混合料将参与后续的与高温水蒸汽进行转化反应。

热解获得的液固态混合料经过第二热解装置6的热解出料口输送至转化装置8，转化装置8内通入过热蒸汽，在800℃～900℃温度下通过与高温水蒸汽(过热蒸汽)的转化反应，转化为富氢的清洁可燃能源气体。转化的气体在转化装置8流向第一热解装置2、第二热解装置6，最后流向转化气体管路3，并进行分离、净化处理，实现废旧轮胎的可燃气体能源转化和清洁高效利用。

上述实施例不以任何方式限制本实用新型，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于包括：

-热解系统，所述热解系统包括一个或多个依次相连的热解装置，所述热解装置包括热解进料口、热解出料口、热解过热蒸汽进口、热解气体出口和热解加热装置，在所述热解装置内设置有热解输送装置，所述热解输送装置将物料从热解进料口输送至热解出料口；所述热解过热蒸汽进口与过热蒸汽管路连接，所述热解气体出口与转化气体管路连接；所述热解加热装置为热解装置加热；物料通过热解系统的一个或多个热解装置后输送给气体转化系统；

-气体转化系统，所述气体转化系统包括转化装置和为转化装置加热的燃烧室，所述转化装置包括转化进料口、转化出料口和转化过热蒸汽进口，所述热解系统输送的物料输送至转化进料口；在所述转化装置内设置有转化输送装置，所述转化输送装置将物料从转化进料口输送至转化出料口；所述转化过热蒸汽进口与过热蒸汽管路连接；

-过热蒸汽发生器，所述过热蒸汽发生器产生过热蒸汽，过热蒸汽输送至过热蒸汽管路。

2.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述热解系统包括一个热解装置，所述热解装置内的温度为400℃。

3.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述热解系统包括两个热解装置，所述热解装置内的温度分别为250℃、400℃。

4.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述热解输送装置、转化输送装置均为螺旋输送机。

5.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述热解加热装置为电加热器。

6.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述转化装置内的温度为800℃～900℃。

7.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述转化装置的转化出料口连接有下料装置，所述下料装置包括下料进口和下料出口，转化出料口与下料进口连接；在下料装置内部设置有下料输送装置，所述下料输送装置将物料从下料进口向下料出口输送；所述下料出口设置在燃烧室内，下料出口的物料在燃烧室内燃烧。

8.根据权利要求1所述的一种连续高效绿色的废轮胎自主过热蒸汽能源转化系统，其特征在于：所述转化气体管路连接有转化气体支路，所述转化气体支路与燃烧室连接，为燃烧室提供燃烧气体。