賀雪梅， 張紅坡

（陜西科技大學(xué)設(shè)計與藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710021）

引言

現(xiàn)代社會中，各類塑料制品被廣泛使用，其使用量大而分散、使用周期短，從而造成大量塑料制品廢棄物，使資源嚴(yán)重浪費，最終破壞環(huán)境。因此，對廢舊塑料的回收利用有重要的現(xiàn)實意義。廢舊塑料回收再利用中，熱裂解工藝作為一種常用廢舊塑料回收再利用方式，因其消耗能量少、無需加壓、生產(chǎn)效率較高等特點，使廢舊塑料熱裂解工藝被廣泛應(yīng)用。本文在分析目前常用廢舊塑料熱裂解裝置優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，提出一種變螺距連續(xù)裂解裝置，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和初步設(shè)計。

1 目前常用熱裂解裝置分析

目前市場上熱裂解裝置在結(jié)構(gòu)上有所區(qū)別，依據(jù)其工作連續(xù)性，可分為非連續(xù)裂解爐和連續(xù)裂解爐兩大類。

1.1 非連續(xù)熱裂解裝置

立式加熱釜裂解裝置是典型的非連續(xù)裂解裝置[1-2]，原理如圖1所示。其工藝流程為：廢舊塑料從加熱釜頂部加入—封閉原料入口—釜底加熱，并經(jīng)長時間加熱而充分裂解。裂解油汽從加熱釜頂部出口排出，裂解殘渣炭黑從加熱釜下部出渣口排出，完成一次裂解過程，之后重復(fù)進(jìn)入下一循環(huán)。

這類裝置結(jié)構(gòu)簡單，但由于不能連續(xù)進(jìn)行裂解而導(dǎo)致生產(chǎn)效率較低，另一方面，原料常常因為加熱不均產(chǎn)生結(jié)焦碳化，影響裂解反應(yīng)正常進(jìn)行。

1.2 連續(xù)熱裂解裝置

連續(xù)裂解裝置原理如圖2所示[3-4]。這類設(shè)備通過漏斗連續(xù)進(jìn)料，并由螺旋送料裝置將廢舊塑料推至裂解段，通過熱風(fēng)管內(nèi)筒通入的高溫?zé)犸L(fēng)，將廢舊塑料在裂解段中充分裂解，并被裂解段中螺旋板推至右側(cè)終端，油汽從上部排出，殘渣從下部出渣口排出。

圖1 立式加熱釜裂解裝置原理圖

圖2 連續(xù)熱裂解裝置原理圖

這類設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)熱裂解過程的連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)效率較高，但其設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，進(jìn)料及出渣口密封不易保證，存在安全隱患與二次排放污染的問題，所以沒有得到廣泛應(yīng)用。

2 新型連續(xù)熱裂解裝置結(jié)構(gòu)研究

2.1 密封原理

廢舊塑料裂解過程中，其原料必須進(jìn)入裂解段，且裂解產(chǎn)生的廢渣需要排出，因此，進(jìn)料段、裂解段和排渣段都是連通的，而入料口和出料口分別是松散的廢舊塑料顆粒以及炭黑渣，無法阻隔裂解產(chǎn)物中的油汽，且裂解油汽易燃易爆，如果兩端沒有良好的密封，就會產(chǎn)生很大的安全隱患，因此兩邊端口需要密封。目前連續(xù)裂解裝置在入料口和排渣口往往要進(jìn)行復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]，使得連續(xù)裂解裝置成本高，從而限制了連續(xù)熱裂解裝置的廣泛應(yīng)用。

基于以上分析可知，因需要裂解的原料和裂解后的炭黑渣之間有空隙，可能導(dǎo)致裂解油汽逸出而引發(fā)燃爆。因此，在某些裂解爐改進(jìn)設(shè)計中，采用壓縮裝置，將原料壓縮，再推進(jìn)并送入裂解段，這樣雖然可以起到密封進(jìn)料口的作用，但是此裂解爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，并非最有效的方法。但該結(jié)構(gòu)卻提供了一種密封的方式，即通過對原料與炭黑殘渣進(jìn)行壓實保證密封。

一般廢舊塑料原料在裂解時要進(jìn)行粉碎，粉碎后的顆粒料為自然堆積狀態(tài)，顆粒堆積密度約為0.1 t/m3。通過原料顆粒物壓縮實驗可知，當(dāng)體積壓縮至原體積的35%左右時，再增加壓力，體積變化量可以忽略不計。

同樣，充分熱裂解（溫度超過500℃）后，剩余部分為顆粒狀炭黑，通過實驗測得其堆積密度約為0.534 t/m3。通過壓縮實驗可知，當(dāng)體積壓縮至原體積的73%左右時，再增加壓力，體積變化小到可以忽略。

基于以上分析，引入變螺距螺旋結(jié)構(gòu)，通過變螺距的螺旋結(jié)構(gòu)一邊送料，一邊壓縮物料體積實現(xiàn)兩邊端口的密封。

2.2 變螺距廢舊塑料連續(xù)熱裂解裝置設(shè)計

依據(jù)相關(guān)分析與實驗，設(shè)計一種變螺距廢舊塑料熱裂解裝置，其工作原理如圖3所示。此熱裂解裝置主體由三部分組成：豎直方向的送料段、水平放置的裂解段和斜向的排渣段。主體裝置工作原理如下：

圖3 變螺距廢舊塑料熱裂解裝置原理圖

1）送料段：入料口處松散堆積的塑料裂解原料靠重力及送料螺旋軸上的螺旋板向下推送，送料螺旋軸上的螺旋結(jié)構(gòu)從上至下螺距均勻減小，物料被推送的同時不斷被壓縮。結(jié)合前期實驗數(shù)據(jù)，上下兩端螺距比為1∶0.35時（不同廢舊塑料原料的壓縮比可能不同，可以通過實驗來確定螺距比），可實現(xiàn)塑料顆粒以壓實狀態(tài)存于送料段與裂解段連接處。被壓實的塑料原料在裂解段入口處實現(xiàn)端口密封，避免裂解油汽從此端逸出。

2）裂解段：裂解段內(nèi)部同樣采用變螺距螺旋軸將壓實原料向前推送，同時，裂解段外部加熱筒中通入熱風(fēng)（約600℃）進(jìn)行加熱，熱風(fēng)流向與螺旋推進(jìn)方向相反，確保裂解段末端溫度500℃以上，保證裂解后的殘渣形態(tài)為干燥顆粒。裂解段螺旋軸上的螺旋螺距由左至右依次減小，螺距變化是考慮塑料裂解過程中塑料首先熔化，被熱裂解后剩余殘渣炭黑，在此過程中體積不斷減小，通過減小螺距使裂解段內(nèi)各處有相近的填充度，有利于加熱均勻，并避免燒結(jié)。

3）排渣段：熱裂解之后剩余的炭黑被裂解段螺旋板推送，并從裂解段末端的落渣口落入排渣段，此時的炭黑渣呈松散堆積狀態(tài)。同樣通過變螺距（按照前期實驗結(jié)果，螺距比為1∶0.73）的排渣螺旋一邊向外推送，一邊被壓實，并在出渣口處形成密實炭黑，保證了排渣段處的密封。

此外，送料段有冷卻水循環(huán)裝置，避免由于熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致送料段下部溫度過高，使得被壓實且用于密封的塑料顆粒受熱熔化，使其體積變小從而導(dǎo)致密封不可靠；排渣段也有冷卻水循環(huán)裝置，使得裂解后的高溫炭黑被推送至出渣口時溫度不會過高，以免對工作人員造成傷害。

3 結(jié)語

環(huán)境問題已成為當(dāng)今人類面臨的全球性問題之一，引起了世界各國的普遍關(guān)注。而隨著各類塑料制品的廣泛使用，產(chǎn)生了大量塑料制品廢棄物，使資源嚴(yán)重浪費，最終破壞環(huán)境。因此，對廢舊塑料的回收利用有重要的現(xiàn)實意義，其中熱裂解工藝的運用可以有效地緩解此類問題，所以，廢舊塑料連續(xù)熱裂解裝置設(shè)計尤為重要。

參考文獻(xiàn)

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