熔融废塑料降膜热解研究

• 作 者: 金则陈
• 机 构: 同济大学
• 出 处: 同济大学
• 发表日期: 2018年期
• 关键词: 熔融塑料热解

混合废塑料难以再生利用。废塑料热解不仅可以回收高热值的油、气产物，而且能有效控制二次污染。传统的固定床和回转窑反应器得到的油品质差。考虑到塑料的热解分为熔化和热分解两个阶段，可以对两个阶段进行针对性设计以提高传热和反应效率。传热特性是设计热解器时的关键基础数据，而熔化后的塑料粘度高、导热系数低，应采取有效措施提高热解过程中的传热系数。本文在自行设计并搭建的降膜式热解反应器中对熔化塑料进行热解，以典型废塑料聚乙烯(p olyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)和聚苯乙烯(polystyrene，PS)为实验原料，对其在不同热解温度和不同混合比例下进行热解实验，研究不同操作参数对表观传热系数、油气产率及产物特性的影响；通过化学动力学分析混合塑料降膜热解过程中不同组分间的相互作用；以渣土作为杂质掺混塑料，研究其对混和塑料降膜热解产物和传热的影响。
　　研究结果表明：在550℃~625℃间，在1米高的降膜式反应器内熔融塑料热解的反应率高于90%，其热解油产率随着温度的升高而减小，而不凝气体产率随着温度的升高而增加。550℃时，PE降膜热解油的主要成分是链烷烃和链烯烃，达到78wt.%；PP降膜热解油的主要成分是链烯烃和环烷烃，达到85wt.%；PS降膜热解油的主要成分是芳香烃，达到92wt.%。随着热解温度的升高，不凝气体成分中的C3、C4和C5含量减小而C1、C2含量增加。对热解油分段冷凝，其中高凝点油(HighPourpoint Oil, HPO)随着热解温度的升高而减小，低凝点油(Low Pour point Oil, LPO)先增加后减小。
　　根据热重/差热曲线分析，PE、PP和PS在降膜热解过程中的主要反应机制函数更接近三维扩散理论，混合裂解的活化能介于单独裂解的活化能之间且并没有改变混合裂解的反应机制函数。在降膜式热解反应器中，PE/PP和PP/PS混合热解后的反应率都低于单独热解的反应率，增加PE、PS在混合塑料中的比例能增加热解油的产率。增大混合塑料中PS比例可提高热解油的辛烷值，增大混合塑料中PE比例可提高热解油的热值。
　　550℃时，PE、PP和PS在降膜热解过程中的表观传热系数分别为3018、6709.3、6525.1w?m?2?k?1，是回转窑塑料热解表观传热系数的3~6.7倍。随着热解温度的升高，其表观传热系数明显下降。添加渣土促进了大分子气体烃类分解，提高了降膜热解过程中的表观传热系数1.4倍。与固定床和回转窑中的热解油成分相比，降膜式反应器中的热解油C6~C12成分含量高。
　　本文对混合塑料降膜热解过程进行了数值模拟计算，得到了反应器内的速度、温度、产物分布以及液膜的形态和厚度分布。熔融塑料沿降模板向下边流动边加热边热解，液膜表面呈波纹状，沿流动方向液膜温度、流速及生成物的浓度逐渐增加，而液膜厚度逐渐减少。生成物的浓度随着进口流速的增加而升高，随着加热温度的增加而升高。