徐宗平，郭慶民

（青島雙星環(huán)保設備有限公司，山東青島26640）

廢輪胎熱解回收中的廢氣綜合利用

徐宗平，郭慶民

（青島雙星環(huán)保設備有限公司，山東青島26640）

廢輪胎熱裂解以回收熱解油和熱解炭黑為主，熱解油可作為燃料直接出售；熱解炭黑經(jīng)研磨、改性和造粒后可代替工業(yè)炭黑或與工業(yè)炭黑并用，可用作輪胎的生產原料；而熱解后產生的不可降凝（廢氣）熱解氣富含H2，CO和碳氫化合物，是一種高熱值的熱源。因此，熱解氣是價值較高的副產品，經(jīng)過不同途徑充分利用，不僅可以徹底地消除廢舊輪胎熱解過程所產生的廢氣污染，其產物更可以彌補石化能源的石油液化氣和天然氣的不足，變廢為寶。

廢輪胎；熱解氣；高熱值；循環(huán)利用

隨著社會汽車保有量的快速增長，由此產生的廢舊輪胎也在快速遞增，全球每年產生廢棄輪胎達到2 000萬t以上。世界上廢棄輪胎的積存量也已經(jīng)達到了幾十億條，造成了巨大的黑色污染。如何把黑色垃圾變成黑色金礦，國內外廢舊輪胎資源化循環(huán)利用技術已成為當今世界的重大課題。由于輪胎熱裂解回收尚處初級階段，目前熱解回收企業(yè)在國內為數(shù)不多，因此產品市場前景較好，廢輪胎熱解回收全利用、零排放技術的實施，不僅促進了中國廢舊輪胎減量化進程，而且起到了廢舊資源綜合利用示范作用。其社會意義更為突出。

廢輪胎熱裂解是指在無氧或缺氧的氣氛下，利用高溫使廢輪胎中的有機物發(fā)生裂解，逸出揮發(fā)性產物并形成固體焦炭的一種不可逆的熱化學反應[1]。在不完全熱降解過程中可形成氣體、液體和固體產物，采用該方法能將廢輪胎完全裂解為熱解油、熱解炭黑和熱解氣體等有用產品（圖1）。

作為廢棄物的廢舊輪胎，可通過熱裂解綜合利用技術，回收得到輪胎油、熱解炭黑以及熱解氣。輪胎油通過精制可作為燃料油使用，也可直接用于燃燒；熱解炭黑通過精制，已可以替代部分商用炭黑作為橡膠補強劑；熱解氣可用于熱解物體本身，也可作為燃氣用于炭黑濕法造粒干燥系統(tǒng)、燃氣鍋爐或蒸汽發(fā)電。廢輪胎熱解過程中的（廢氣）熱解氣綜合利用，不僅可以徹底地消除廢輪胎處理后所產生的污染，而且其分解產物可變廢為寶，以彌補石化能源的不足。

圖1 廢舊輪胎熱解產率描述

1 廢輪胎熱裂解工藝過程

熱解為中低溫常壓或微負壓熱裂解（熱解裝置有連續(xù)式和間歇式兩種），在生產過程中一般采用回轉式窯爐，一是對主爐的轉速進行調節(jié)，二是便于物料均勻受熱。熱解過程首先是增塑劑及其他有機助劑的分解，這個階段一般150～200℃已有少量油氣分解出來，但因為壓力、濃度及成分原因，有時不易燃燒，可先用羅茨風機輸入儲氣柜，當裂解溫度高于250℃時，破碎的輪胎分解出液態(tài)油和氣體，裂解氣體經(jīng)分汽包分離再經(jīng)冷凝器冷凝后變?yōu)闊峤庥?，另有不可降凝的氣體便為熱解氣。300℃時天然橡膠和合成橡膠開始裂解，廢輪胎熱解過程中，熱解氣隨著溫度的升高而增加，液體產物在450℃左右出現(xiàn)一個峰值。之后液體餾分逐步減少。為了保證固體炭黑質量，需繼續(xù)升溫，廢輪胎熱解溫度一般在500℃左右裂解就基本完成。產生的熱解氣經(jīng)油氣冷凝回收系統(tǒng)，生成（粗輪胎油）熱解油和（可燃氣）熱解氣，熱解油回收輸入儲油罐，熱解氣經(jīng)水封由羅茨風機送入過渡罐，以備加熱物料的窯爐或其他使用。外購天燃氣、石油液化氣或燃料油只在回轉爐點火時使用。由于熱解氣具有比天然氣更高的熱值，一般直接作為加熱物料本身使用，以便節(jié)約外購燃料，降低生產成本。廢舊輪胎資源化綜合利用項目工藝流程圖見圖2。

圖2 廢舊輪胎資源化綜合項目工藝流程圖

2 廢輪胎熱解產物分析

廢輪胎熱裂解氣體冷凝后產生液態(tài)餾分為輪胎熱解油。輪胎熱解油主要為鏈烷烴、烯烴、芳香烴的混合物，因為產品主要成分是苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、二聚戊烯及三甲基萘和萘，大約43 MJ/kg的較高熱值[2-4]，通過單個油滴的燃燒實驗與柴油燃燒排放物比較，發(fā)現(xiàn)熱解油具有與柴油類似的燃燒性質，可以將其整體作為燃料燃燒。將熱解油與CIMAK.B10重柴油進行比較，輪胎熱解油可以作為常規(guī)液體燃料，也可與重柴油混合使用以提高其霧化效果。熱解油可替代部分石油原油作為燃料燃燒，經(jīng)精后餾可得汽油、柴油和重油。可以在一定程度上緩解石油資源的匱乏。

廢輪胎熱裂解產生的粉狀固體為熱解炭黑。熱解炭黑還原的產物就是輪胎熱解后各部位炭黑的混合物[3]，正好滿足輪胎加工時多種炭黑混合組成的特點。通過控制好熱解終溫和升溫速率，再經(jīng)過超細研磨、活化改性、造粒等工藝，就會得到高品質的熱解炭黑，從而具有替代工業(yè)炭黑或與其共用的能力，用于輪胎制造的補強劑或填料。

熱解氣為廢輪胎熱解冷凝過程中形成的不可降凝廢氣，裂解氣體冷凝后產生液態(tài)餾分為熱解油，不凝氣為熱解氣。熱解氣體富含H2，CO和碳氫化合物，其指標（氣體成分、氣體產率）主要受熱解溫度的影響，正常產率在8%左右，平均分子量在31%～32%。熱解氣作為廢輪胎熱解回收的副產品，有著較高的經(jīng)濟價值，是一種高熱值的熱源。熱解氣比天然氣的熱值要高出約50%。

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），其低位熱值為35.88 MJ/Nm3。而熱解氣除了含有27.6%的甲烷（CH4），另含有乙烯（C2H4）低位熱值為59.44 MJ/Nm3、乙烷（C2H6）低位熱值為64.35 MJ/Nm3、丙烷（C3H8）低位熱值為93.18MJ/Nm3，經(jīng)測算熱解氣低位熱值為50.55MJ/Nm3。熱解氣主要成分見表1所示。

表1 熱解氣中主要成分分析

3 窯爐式熱裂解及熱解氣的循環(huán)利用

傳統(tǒng)的窯爐式廢橡膠熱解工藝和裝置是以燃煤加熱為主，燃煤產生二氧化硫和粉塵造成環(huán)境污染，國家已嚴格控制使用燃煤加熱，因此不適應廢橡膠熱解回收利用技術領域；現(xiàn)在熱源一般為天然氣、石油液化氣或燃料油，主要在回轉爐點火時使用，本工藝對煙氣的處理采用強力霧化塔進行降溫除塵凈化處理，熱煙氣余熱可連接余熱鍋爐充分利用，煙氣凈化后達到排放標準外排。

傳統(tǒng)的燃煤廢橡膠熱解150℃以上會裂解出少量油氣，經(jīng)油氣分離產生廢氣（不凝熱解氣）后，停止燒煤，再手動打開廢氣燃燒器繼續(xù)加熱物料，這樣很難使熱解爐內廢橡膠按一定的升溫速率達到熱解終溫要求。由于燃煤加熱工藝操作繁瑣不便，對升溫很難控制；另外廢氣（不凝熱解氣）由于壓力不穩(wěn)造成燃燒器火力忽大忽小，不僅易產生異味，而且熱解爐內升溫速率很難控制，會影響熱解炭黑結構和表面性能。熱解過程中如不能按已定升溫速率控制溫度和熱解終溫，熱解碳渣后處理就達不到工業(yè)炭黑產品使用要求，還會給環(huán)境造成二次污染，低品質的熱解炭黑最終會影響廢輪胎熱解回收利用的經(jīng)濟性。新工藝廢氣（不凝氣）循環(huán)利用生產已經(jīng)采用節(jié)能環(huán)保式廢氣循環(huán)利用系統(tǒng)。熱解氣形成后用羅茨風機將其輸入儲氣柜，氣柜穩(wěn)壓后自動控制壓力；此工藝和裝置能使天然氣、廢氣自動轉換，并通過控制壓力使廢氣符合燃燒器條件后，自動打開廢氣控制閥燃燒，天然氣控制閥自動關閉，達到充分利用能源的目的，系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 窯爐式廢舊輪胎熱解（廢氣）循化利用系統(tǒng)

4 微波式熱裂解及熱解氣的延伸應用

節(jié)能環(huán)保式廢氣循環(huán)利用系統(tǒng)可以延伸應用于微波式熱解工藝。微波熱裂解利用微波作為熱源，主要消耗電能。以微波為熱源的廢輪胎熱解工藝，不凝氣（廢氣）無法作用于廢輪胎物料本身，但可延伸以下方面綜合利用，見圖4所示。

一是用在炭黑濕法造粒干燥工序?？梢詫峤鈿饣厥沼趦夤?，穩(wěn)壓后作為熱風爐的熱源，大約60%的熱解氣用于炭黑干燥。循環(huán)利用的熱解氣需滿足熱風爐的技術要求，供熱量為377×104kJ/h，供熱溫度要求500℃（換熱器輸出口熱空氣），耗氣量為118 Nm3/h（天燃氣熱值33 472 kJ/m3）；如果用熱解氣作為熱源，耗氣量則為79 Nm3/h（熱解氣熱值50 208 kJ/m3）。熱解氣用量和熱值不僅完全能夠滿足熱風爐運行指標要求，剩余部分還可用作燃氣蒸汽鍋爐的熱源。

二是可用于燃氣（煤）蒸汽鍋爐。以年處理2萬t廢舊輪胎的生產線進行計算分析，按熱解氣回收率為8%，熱解氣產生量160 Nm3/h計算，那么用在炭黑濕法造粒干燥熱風爐耗氣量為79 Nm3/h，剩余熱能81 Nm3/h，完全可以供一臺產蒸汽量1 t/h燃氣鍋爐使用。

圖4 微波熱解氣應用工藝路線

三是用于蒸汽發(fā)電可供生產線使用，補充所需的電能。以年處理2萬t廢舊輪胎的生產進行計算分析，按熱解氣回收率為8%，熱解氣產生量160 Nm3/h，回收總熱量8 000 MJ/h，根據(jù)燃氣熱能與電能換算，折合電能2 222 kW·h。按燃氣發(fā)電機總效率35%計算，每小時發(fā)電量778 kW·h，年發(fā)電總量為560萬kW·h。

如按每噸廢輪胎熱解發(fā)電量計算，氣消耗量折合0.21 Nm3/kW·h，這樣每噸廢輪胎產生的熱解氣可發(fā)電量為280 kW·h/t，經(jīng)濟效益十分可觀。

表2 燃氣蒸汽鍋爐計算主要技術指標

5 結語

近年來，從發(fā)達國家的情況來看，天然氣已成為美國最重要的電力供應來源，2000—2012年美國天然氣發(fā)電量增長了96%。2016年將是美國天然氣發(fā)電量超過煤炭發(fā)電量的第一年。多年來，煤一直是美國發(fā)電的主要能量來源。2015年4月份的月度數(shù)據(jù)中[5]，天然氣發(fā)電量第一次超過了煤炭發(fā)電量，2015年煤和天然氣的發(fā)電份額幾乎相同，根據(jù)EIA數(shù)據(jù)，煤和天然氣各提供約三分之一的發(fā)電量。EIA說近期煤炭發(fā)電份額下降，天然氣所占份額上升，主要是市場導向降低天然氣價格，從而使天然氣發(fā)電更經(jīng)濟更有吸引力。此外，日本70%的天然氣用于發(fā)電，占其國內發(fā)電總量的28%；歐洲天然氣發(fā)電比例也超過20%。作為熱值比天然氣高50%的廢輪胎熱解氣，在用于蒸汽發(fā)電項目上也有著很好的前景。

[1]郭豪.廢輪胎熱解回收的產業(yè)現(xiàn)狀與創(chuàng)新技術[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2013(8)：20-21.

[2]王學鋒.劉茜霞.廢輪胎熱解資源化研究新進展[J].化工進展，2001(10)：36-42.

[3]梁著文.煙氣余熱回收裝置的利用[J].沿海企業(yè)與科技，2010，125(10)：111-113.

[4]黃科.廢輪胎熱解炭黑與工業(yè)炭黑的粒徑及化學組成[J].合成橡膠工業(yè)，2005(6)：21-22.

[5]EIA.2016年美天然氣發(fā)電量可能超過煤炭[EB/OL]，國際能源網(wǎng).2016-03-18.

The multipurpose utilization of waste gas in waste tire pyrolysis recycling

XU Zongping,GUO Qingmin
（Qingdao Doublestar Environmental Protection Equipment Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China）

Waste tire pyrolysis is given priority to with recycling pyrolysis oil and pyrolysis carbon black,and the pyrolysis oil can be directly sold as fuel.The pyrolysis carbon black can be used raw material for production of tires replace of industrial carbon black or with industrial carbon black after grinding,modification and granulation.And the noncondensable pyrolysis gases (waste gas)involving in rich H2,CO and hydrocarbons,it is a heat source with high calorific value.So the pyrolysis gas is a byproduct of higher value.If it can be used in different ways,not only waste gas pollution can be completely eliminated in waste tire pyrolysis process,but also can make up the inadequacy of liquefied petroleum gas and natural gas,trash to treasure.

pyrolysis gas;high calorific value;recycling

X783.3

A

1674-0912（2017）04-0034-04

2017－02－21）

徐宗平（1977-），男，山東青島人，學士，中級工程師，總工，專業(yè)方向：機械設計。