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随着我国汽车保有量持续增加，废旧轮胎年产生量逐年递增，2019年已达到3亿多条，重量超过1400万吨，已造成了严重的能源资源浪费和环境污染。通过催化裂解将其转换成为富含芳烃的油、高燃值的气、可回用的炭黑及钢丝，实现能源的最大回收和废旧轮胎的资源化再利用，是目前废旧轮胎资源化处理最有效的方式。由于催化剂无法与炭黑分离，只能一次性使用，废旧轮胎裂解所用催化剂的成本问题一直是困扰行业发展的瓶颈。
流化催化裂化（FCC）过程是石油加工过程中的核心工艺，能够高效催化重质油转化为汽、柴油等轻质燃料及轻烯烃等化工原料，催化剂用量极大，同时也产生了大量的废旧催化剂（行业称为FCC卸出剂）。《国家危险废物名录》已将石油催化裂解过程中产生的废旧催化剂列入其中，使得FCC卸出剂的处理成本大大增加。FCC卸出剂只是不能满足石油催化裂化的要求，但仍具有较高的催化活性。经过大量前期实验研究发现，FCC卸出剂经过处理后还是能够高效催化废旧轮胎裂解，满足废旧轮胎催化裂解的要求。
本文进行了FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解机理及方法的研究，从理论和实验上进行了大量探索，取得了较好的效果，不仅为FCC卸出剂在废旧轮胎裂解领域应用提供理论指导，而且能实现轮胎生命周期由“资源-产品-废弃物”线性模式到“资源-产品-再生资源”循环模式的转变，对于推进我国生态文明建设、建设资源节约型、环境友好型社会都具有重要意义。本文完成的主要内容如下：
1.首次提出了FCC卸出剂用于废旧轮胎催化裂解新方法，并对其催化裂解机理进行了系统的研究。构建了废旧轮胎催化裂解过程“物理-化学”图景，建立了基于FCC卸出剂的废旧轮胎催化裂解物理数学模型，探索了废旧轮胎催化裂解过程化学键断裂机理及主要反应过程，为开展FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解工业化应用提供了理论依据。
2.提出了以制备苯衍生物、低碳烯烃等化工原料为主要目标产物的废旧轮胎催化裂解新思路。分析了废旧轮胎催化裂解产物的组成，探究了在催化裂解过程中苯衍生物、低碳烯烃生成反应路径及硫元素迁移过程和转化规律，建立了以生产化工原料为主要目标产物的调节机制和催化裂解工艺-产物品质-产物产率之间的内在关系。
3.模拟了废旧轮胎催化裂解过程中不同转速、不同区域物料（废旧轮胎的碎块）的运动特性，探究了胶黏状固体物料强化混合和传热的方法。模拟结果表明：废旧轮胎的物料形态变化是导致其运动特性差异的主要原因，提高裂解反应器转速能够改善物料混合分散的效果；裂解过程中加入循环介质能够明显改善其运动状态，解决结焦的难题。
4.研发了废旧轮胎连续化催化裂解装备，对其关键部件进行了创新及优化设计，涵盖了废旧轮胎连续进料、裂解固相产物自动分离及分布输送、裂解油品等级自动分级、模块化分布式智能尾气处理等部分，实现了废旧轮胎连续、安全、高效、无污染裂解过程。
5.开展了FCC卸出剂用于废旧轮胎催化裂解系统的实验研究。通过自主研发的废旧轮胎裂解工业化中试实验平台进行了橡胶、硫化橡胶、轮胎部件、废旧轮胎热裂解与FCC卸出剂催化裂解对比实验研究；并研究了升温速率、反应器转速、催化剂用量、复合催化剂等工艺条件对废旧轮胎催化裂解产物质量及产率的影响规律；同时，探究了催化裂解产物梯级利用的高值化应用方法，着重研究了裂解炭黑回用橡胶复合材料制备机理。实验结果表明：
（1）废旧轮胎主要有机组分（天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶）的热裂解遵循β键断裂机理，其主要裂解产物以相应橡胶单体及其二聚体（或同分异构体）为主；橡胶硫化形成的C-S键及S-S键，键能较低，降低了硫化橡胶的起始裂解温度；硫化交联形成的三维网络结构对于裂解过程的芳构化反应具有一定的促进作用，使裂解油品的芳香性增强；在FCC卸出剂的作用下，均能提高橡胶\硫化橡胶裂解油品的产率，并且使其轻质组分中有价值的化工原料（主要是苯、甲苯、乙苯和二甲苯）总含量提高150%以上。
（2）FCC卸出剂用于废旧轮胎的催化裂解，提高了裂解效率，改善了裂解油品的品质，使裂解油品轻质组分中有价值的化工原料产量显著提高。
（3）不同的裂解工艺，废旧轮胎裂解产物的产率及组成差异较大。其中，较高的升温速率和裂解终温会使裂解油品中轻质组分及轻质组分中有价值的化工原料含量提高；适宜的反应器转速及加入循环介质会使物料受热更加均匀，从而影响裂解产物的分布。
（4）研发的复合催化剂增强了废旧轮胎的催化裂解效果，复合催化剂中的重油组分增强了FCC卸出剂与废旧轮胎的相互作用，提高了裂解油品的产率及品质；复合催化剂中的碱性物质，起到了明显的固硫作用，含硫物质留在了裂解炭黑中，使裂解油品中硫含量降低。
（5）活化改性的裂解炭黑与天然胶乳通过喷雾分散与闪蒸干燥协同作用的湿法混炼工艺制备的高性能裂解炭黑橡胶复合材料，其性能优于传统的干法混炼，实现了裂解炭黑在橡胶基体中的均匀分散。
FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解，不仅实现了废旧轮胎催化裂解的低成本运行，又能够解决FCC卸出剂循环再利用的难题，实现了FCC卸出剂和废旧轮胎的综合循环利用，达到了社会效益与经济效益的双赢，本文为FCC卸出剂在废旧轮胎、废旧塑料等有机固体废弃物裂解领域的应用提供了一种可行性探讨。
流化催化裂化（FCC）过程是石油加工过程中的核心工艺，能够高效催化重质油转化为汽、柴油等轻质燃料及轻烯烃等化工原料，催化剂用量极大，同时也产生了大量的废旧催化剂（行业称为FCC卸出剂）。《国家危险废物名录》已将石油催化裂解过程中产生的废旧催化剂列入其中，使得FCC卸出剂的处理成本大大增加。FCC卸出剂只是不能满足石油催化裂化的要求，但仍具有较高的催化活性。经过大量前期实验研究发现，FCC卸出剂经过处理后还是能够高效催化废旧轮胎裂解，满足废旧轮胎催化裂解的要求。
本文进行了FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解机理及方法的研究，从理论和实验上进行了大量探索，取得了较好的效果，不仅为FCC卸出剂在废旧轮胎裂解领域应用提供理论指导，而且能实现轮胎生命周期由“资源-产品-废弃物”线性模式到“资源-产品-再生资源”循环模式的转变，对于推进我国生态文明建设、建设资源节约型、环境友好型社会都具有重要意义。本文完成的主要内容如下：
1.首次提出了FCC卸出剂用于废旧轮胎催化裂解新方法，并对其催化裂解机理进行了系统的研究。构建了废旧轮胎催化裂解过程“物理-化学”图景，建立了基于FCC卸出剂的废旧轮胎催化裂解物理数学模型，探索了废旧轮胎催化裂解过程化学键断裂机理及主要反应过程，为开展FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解工业化应用提供了理论依据。
2.提出了以制备苯衍生物、低碳烯烃等化工原料为主要目标产物的废旧轮胎催化裂解新思路。分析了废旧轮胎催化裂解产物的组成，探究了在催化裂解过程中苯衍生物、低碳烯烃生成反应路径及硫元素迁移过程和转化规律，建立了以生产化工原料为主要目标产物的调节机制和催化裂解工艺-产物品质-产物产率之间的内在关系。
3.模拟了废旧轮胎催化裂解过程中不同转速、不同区域物料（废旧轮胎的碎块）的运动特性，探究了胶黏状固体物料强化混合和传热的方法。模拟结果表明：废旧轮胎的物料形态变化是导致其运动特性差异的主要原因，提高裂解反应器转速能够改善物料混合分散的效果；裂解过程中加入循环介质能够明显改善其运动状态，解决结焦的难题。
4.研发了废旧轮胎连续化催化裂解装备，对其关键部件进行了创新及优化设计，涵盖了废旧轮胎连续进料、裂解固相产物自动分离及分布输送、裂解油品等级自动分级、模块化分布式智能尾气处理等部分，实现了废旧轮胎连续、安全、高效、无污染裂解过程。
5.开展了FCC卸出剂用于废旧轮胎催化裂解系统的实验研究。通过自主研发的废旧轮胎裂解工业化中试实验平台进行了橡胶、硫化橡胶、轮胎部件、废旧轮胎热裂解与FCC卸出剂催化裂解对比实验研究；并研究了升温速率、反应器转速、催化剂用量、复合催化剂等工艺条件对废旧轮胎催化裂解产物质量及产率的影响规律；同时，探究了催化裂解产物梯级利用的高值化应用方法，着重研究了裂解炭黑回用橡胶复合材料制备机理。实验结果表明：
（1）废旧轮胎主要有机组分（天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶）的热裂解遵循β键断裂机理，其主要裂解产物以相应橡胶单体及其二聚体（或同分异构体）为主；橡胶硫化形成的C-S键及S-S键，键能较低，降低了硫化橡胶的起始裂解温度；硫化交联形成的三维网络结构对于裂解过程的芳构化反应具有一定的促进作用，使裂解油品的芳香性增强；在FCC卸出剂的作用下，均能提高橡胶\硫化橡胶裂解油品的产率，并且使其轻质组分中有价值的化工原料（主要是苯、甲苯、乙苯和二甲苯）总含量提高150%以上。
（2）FCC卸出剂用于废旧轮胎的催化裂解，提高了裂解效率，改善了裂解油品的品质，使裂解油品轻质组分中有价值的化工原料产量显著提高。
（3）不同的裂解工艺，废旧轮胎裂解产物的产率及组成差异较大。其中，较高的升温速率和裂解终温会使裂解油品中轻质组分及轻质组分中有价值的化工原料含量提高；适宜的反应器转速及加入循环介质会使物料受热更加均匀，从而影响裂解产物的分布。
（4）研发的复合催化剂增强了废旧轮胎的催化裂解效果，复合催化剂中的重油组分增强了FCC卸出剂与废旧轮胎的相互作用，提高了裂解油品的产率及品质；复合催化剂中的碱性物质，起到了明显的固硫作用，含硫物质留在了裂解炭黑中，使裂解油品中硫含量降低。
（5）活化改性的裂解炭黑与天然胶乳通过喷雾分散与闪蒸干燥协同作用的湿法混炼工艺制备的高性能裂解炭黑橡胶复合材料，其性能优于传统的干法混炼，实现了裂解炭黑在橡胶基体中的均匀分散。
FCC卸出剂应用于废旧轮胎催化裂解，不仅实现了废旧轮胎催化裂解的低成本运行，又能够解决FCC卸出剂循环再利用的难题，实现了FCC卸出剂和废旧轮胎的综合循环利用，达到了社会效益与经济效益的双赢，本文为FCC卸出剂在废旧轮胎、废旧塑料等有机固体废弃物裂解领域的应用提供了一种可行性探讨。