塑料包装废弃物热分解回收利用技术研究
摘要: 塑料包装废弃物可以通过热分解回收利用。本文对热分解原理、工艺、设备和技术参数进行了研究, 并对热分解制造燃油技术进行了初步探索。
关键词: 塑料包装 废弃物 热分解
塑料包装废弃物的热分解回收利用不仅可以充分利用资源, 而且可以保护环境, 保护人类健康。塑料包装废弃物热分解回收利用技术可分为四方面: 其一是以产生热、蒸汽、电力为目的的燃烧技术; 其二是制造中低热值燃料气、燃料油和炭黑的热解技术; 其三以制造中低热值燃料气或NH3、CH3OH 等化学物质的气化热解技术; 其四是制造重油、煤油、汽油的气化化热解技术。
1 塑料包装废弃物热分解的基本原理
热分解是将塑料包装废物在缺氧的条件下利用热能使化合物的化合键断裂, 由大分子量的有机物转化成小分子量的燃料气、液状物(油、油脂等)及焦炭等。热分解与焚烧不同, 焚烧是在氧充分供给的条件下加热有机物, 使有机物完全氧化, 生成稳定的CO2 和H2O。
2 塑料包装废弃物热分解工艺与设备
塑料包装废弃物热解的方式有多种。根据加热方式分, 有外热式和内热式两大类: 根据操作温度分, 有高温热解和低漫步热解; 按生成物分, 有产气技术和产油技术; 按热解炉的种类分, 有回转炉、竖井炉、移动床和流化床等。
2.1 外热式热分解
外热式热分解型式主要有外热式回转炉等。外热式回转炉热解主体设备是回转炉。回转炉外有加热炉, 加热炉和回转炉完全隔开,回转炉稍向下倾斜, 加热炉内设有燃料喷嘴,由喷嘴喷出的燃料燃烧, 对回转炉间接加热,废物由螺旋加料器加入回转炉, 回转炉两端有机械密封, 防止外界空气进入炉内。废物在回转炉内热解, 热解气与有机物呈逆流流动,分解残渣在转炉下端由螺旋出料机排出。外热式回转炉因没有空气流入, 是在还原气氛中进行热分解, 所以碳黑等产品没有被氧化,品质较好, 分解的燃气没有CO2 及氮产生, 因此燃气具有高的热值。采用加热炉间接加热所以能做到均匀加热, 并且温度沿转炉轴向合理分布, 能使原料在最适合的温度条件下进行热解。投入的原料也不需要粒化, 粗破碎片也能分解。此法缺点是在转炉内易附着炭层, 但在回转炉内设置刮刀装置, 往往也能解决。
2.2 内热式热分解
内热式热分解炉主要有单塔流化炉等。内热式单塔流化炉是反应效率较好的流化床反应装置, 热分解所需的热量利用废弃物的部分燃烧来提供。废弃物由螺旋给料机连续加入, 在炉内和高温的砂混合, 急速地被加热。干燥热分解在短时间发生, 有机物分解成燃料气、焦油及炭。这些生成物部分地燃烧,加热未分解的原料和砂, 其它部分由炉的上部出来, 进入旋风除尘器; 砂和炭粒被分离;燃料气送处理工段, 物料在炉内的流化和部分燃烧用的空气由热解炉下部的空气喷嘴来提供, 热解炉下部设有分散板和散气管, 使炉下部堆积的不燃物和砂能很容易地排出。单塔流化炉也有下部设有空气分布板的, 不燃物将由特殊的排出方式排出。
利用此方式, 按热解主要回收的产品又以可分为油回收和气体回收方式。油回收是在450- 550℃范围内进行反应, 燃气回收的反应温度是650- 750℃。
单塔部分燃烧热解装置与其它热解装置相比, 结构简单, 被认为特别适用于小规模设备。此外, 由于反应温度低, 与焚烧炉相比, 对耐火材料的损伤少, 金属以还原状态被固定在分解残渣中, 在埋填场溶出少。油回收方式, 能回收可以贮存和输送的油, 分解温度低(450- 550℃), 不产生NOx, 与焚烧相比, 燃烧排气量少, 但若废弃物原料的水分高, 则油化率低, 作为热解前处理, 必须干燥, 排水处理容易, 燃烧排气量少, 但因分解生成物是燃气, 大量贮存困难, 而且燃气热值低, 不利于利用和热平衡。
3 塑料包装废弃物热分解技术参数及影响因素
3.1 热分解温度
热分解温度不同, 热分解后所得到的产物和产量也不同, 即使同一产物, 由于热解温度不同, 物性也不一样, 分解温度高, 燃气产量增加, 油和碳化物相应减少。另外, 分解温度不同, 燃气成分也发生变化, 温度愈高, 燃气中低分子碳化物CH4 及H2 等增加。
3.2 热分解速度
热分解速度不同, 热分解所产生的燃气成分也有很大不同。
3.3 水分含量
塑料包装废弃物含水分和热分解生成量的关系为负相关。1t 废弃物产生的精制燃料气量根据所含水分量而变化, 如换成1t 废弃物可燃成分的燃料发生量, 几乎对水分含量的变化没有影响。但废弃物水分大, 热解的热平衡困难, 需大量辅助燃料。
在气化过程中, 如喷入水蒸汽, 因水和结炭及CO2 会发生水煤气化反应, 使残渣中炭含量减少, 燃气中H2 和CO 比例增加。
3.4 空气含量
外热式热解时是在绝氧情况下进行, 产生的燃气热值高; 内热式热解时, 由于引入空气使气体产物中含有相当数量的氮和CO2, 燃气热值较低, 纯氧热解的气体产物比用空气所产生的燃气热值高。
4 塑半斗包装废弃物热分解制燃油
塑料包装废弃物热分解制燃油必须加入一定量的催化剂, 而且对裂解原料、裂解催化剂和裂解条件要求较高。
塑料由于组成不同, 其裂解行为也各不相同。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)在300—400℃之间几乎全部分解; 聚氯乙烯(PVC)在200- 300℃和300- 400℃分两段分解,并放出氯化氢气体。由于氯化氢气体对反应设备有严重的腐蚀性, 而且影响裂解催化剂的使用寿命和柴油、汽油的质量, 因此裂解原料中一般要求不含聚氯乙烯废弃塑料。
裂解产物也因塑料种类不同而异, 这取决于在热能作用下, 塑料分子从何处切断。一般情况下聚乙烯、聚丙烯主链被不规则切断,分解生成各种低分子量物质, 分解温度越高生成物分子量越低; 聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯则主要分解为原聚合单体, 即苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯。
聚乙烯和聚丙烯的热解反应均是游离基反应机理。聚乙烯裂解时分子内游离基转移是主要的反应机理, 生成各种游离基, 然后发生键的均裂从而得到各种小分子化合物。
聚丙烯裂解反应机理是无规断链产生伯、仲游离基, 之后发生分子内游离基转移反应生成更稳定的叔游离基, 既而进行β- 断裂生成各种低分子化合物。
4.1 热解法油化工艺
热解法油化工艺是将废聚乙烯和废聚乙烯与其它废弃塑料混合进行热解, 制取蜡、油品、炭黑等产品。实验结果表明, 热解混合废弃塑料所得产物组成分散, 利用价值不大, 热解制得的柴油含蜡量最高, 凝点高, 十六烷值低; 制得的汽油辛烷值低。
4.2 催化热能法
催化热解法(一步法)油化工艺是该将废弃聚乙烯或废弃聚乙烯与其它废塑料的混合物及催化剂加入反应釜, 热解与催化热解同时进行。有专利报道(中国专利CN1077479A,1993) 以多次改性的Y 型分子筛和高活性的氢氧化铝为催化剂, 可以生产汽油、柴油, 总收率85%—87%。
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