塑料包裝廢棄物熱分解回收利用技術研究
摘要: 塑料包裝廢棄物可以通過熱分解回收利用。本文對熱分解原理、工藝、設備和技術參數進行了研究, 并對熱分解制造燃油技術進行了初步探索。
關鍵詞: 塑料包裝 廢棄物 熱分解
塑料包裝廢棄物的熱分解回收利用不僅可以充分利用資源, 而且可以保護環境, 保護人類健康。塑料包裝廢棄物熱分解回收利用技術可分為四方面: 其一是以產生熱、蒸汽、電力為目的的燃燒技術; 其二是制造中低熱值燃料氣、燃料油和炭黑的熱解技術; 其三以制造中低熱值燃料氣或NH3、CH3OH 等化學物質的氣化熱解技術; 其四是制造重油、煤油、汽油的氣化化熱解技術。
1 塑料包裝廢棄物熱分解的基本原理
熱分解是將塑料包裝廢物在缺氧的條件下利用熱能使化合物的化合鍵斷裂, 由大分子量的有機物轉化成小分子量的燃料氣、液狀物(油、油脂等)及焦炭等。熱分解與焚燒不同, 焚燒是在氧充分供給的條件下加熱有機物, 使有機物完全氧化, 生成穩定的CO2 和H2O。
2 塑料包裝廢棄物熱分解工藝與設備
塑料包裝廢棄物熱解的方式有多種。根據加熱方式分, 有外熱式和內熱式兩大類: 根據操作溫度分, 有高溫熱解和低漫步熱解; 按生成物分, 有產氣技術和產油技術; 按熱解爐的種類分, 有回轉爐、豎井爐、移動床和流化床等。
2.1 外熱式熱分解
外熱式熱分解型式主要有外熱式回轉爐等。外熱式回轉爐熱解主體設備是回轉爐。回轉爐外有加熱爐, 加熱爐和回轉爐完全隔開,回轉爐稍向下傾斜, 加熱爐內設有燃料噴嘴,由噴嘴噴出的燃料燃燒, 對回轉爐間接加熱,廢物由螺旋加料器加入回轉爐, 回轉爐兩端有機械密封, 防止外界空氣進入爐內。廢物在回轉爐內熱解, 熱解氣與有機物呈逆流流動,分解殘渣在轉爐下端由螺旋出料機排出。外熱式回轉爐因沒有空氣流入, 是在還原氣氛中進行熱分解, 所以碳黑等產品沒有被氧化,品質較好, 分解的燃氣沒有CO2 及氮產生, 因此燃氣具有高的熱值。采用加熱爐間接加熱所以能做到均勻加熱, 并且溫度沿轉爐軸向合理分布, 能使原料在最適合的溫度條件下進行熱解。投入的原料也不需要粒化, 粗破碎片也能分解。此法缺點是在轉爐內易附著炭層, 但在回轉爐內設置刮刀裝置, 往往也能解決。
2.2 內熱式熱分解
內熱式熱分解爐主要有單塔流化爐等。內熱式單塔流化爐是反應效率較好的流化床反應裝置, 熱分解所需的熱量利用廢棄物的部分燃燒來提供。廢棄物由螺旋給料機連續加入, 在爐內和高溫的砂混合, 急速地被加熱。干燥熱分解在短時間發生, 有機物分解成燃料氣、焦油及炭。這些生成物部分地燃燒,加熱未分解的原料和砂, 其它部分由爐的上部出來, 進入旋風除塵器; 砂和炭粒被分離;燃料氣送處理工段, 物料在爐內的流化和部分燃燒用的空氣由熱解爐下部的空氣噴嘴來提供, 熱解爐下部設有分散板和散氣管, 使爐下部堆積的不燃物和砂能很容易地排出。單塔流化爐也有下部設有空氣分布板的, 不燃物將由特殊的排出方式排出。
利用此方式, 按熱解主要回收的產品又以可分為油回收和氣體回收方式。油回收是在450- 550℃范圍內進行反應, 燃氣回收的反應溫度是650- 750℃。
單塔部分燃燒熱解裝置與其它熱解裝置相比, 結構簡單, 被認為特別適用于小規模設備。此外, 由于反應溫度低, 與焚燒爐相比, 對耐火材料的損傷少, 金屬以還原狀態被固定在分解殘渣中, 在埋填場溶出少。油回收方式, 能回收可以貯存和輸送的油, 分解溫度低(450- 550℃), 不產生NOx, 與焚燒相比, 燃燒排氣量少, 但若廢棄物原料的水分高, 則油化率低, 作為熱解前處理, 必須干燥, 排水處理容易, 燃燒排氣量少, 但因分解生成物是燃氣, 大量貯存困難, 而且燃氣熱值低, 不利于利用和熱平衡。
3 塑料包裝廢棄物熱分解技術參數及影響因素
3.1 熱分解溫度
熱分解溫度不同, 熱分解后所得到的產物和產量也不同, 即使同一產物, 由于熱解溫度不同, 物性也不一樣, 分解溫度高, 燃氣產量增加, 油和碳化物相應減少。另外, 分解溫度不同, 燃氣成分也發生變化, 溫度愈高, 燃氣中低分子碳化物CH4 及H2 等增加。
3.2 熱分解速度
熱分解速度不同, 熱分解所產生的燃氣成分也有很大不同。
3.3 水分含量
塑料包裝廢棄物含水分和熱分解生成量的關系為負相關。1t 廢棄物產生的精制燃料氣量根據所含水分量而變化, 如換成1t 廢棄物可燃成分的燃料發生量, 幾乎對水分含量的變化沒有影響。但廢棄物水分大, 熱解的熱平衡困難, 需大量輔助燃料。
在氣化過程中, 如噴入水蒸汽, 因水和結炭及CO2 會發生水煤氣化反應, 使殘渣中炭含量減少, 燃氣中H2 和CO 比例增加。
3.4 空氣含量
外熱式熱解時是在絕氧情況下進行, 產生的燃氣熱值高; 內熱式熱解時, 由于引入空氣使氣體產物中含有相當數量的氮和CO2, 燃氣熱值較低, 純氧熱解的氣體產物比用空氣所產生的燃氣熱值高。
4 塑半斗包裝廢棄物熱分解制燃油
塑料包裝廢棄物熱分解制燃油必須加入一定量的催化劑, 而且對裂解原料、裂解催化劑和裂解條件要求較高。
塑料由于組成不同, 其裂解行為也各不相同。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)在300—400℃之間幾乎全部分解; 聚氯乙烯(PVC)在200- 300℃和300- 400℃分兩段分解,并放出氯化氫氣體。由于氯化氫氣體對反應設備有嚴重的腐蝕性, 而且影響裂解催化劑的使用壽命和柴油、汽油的質量, 因此裂解原料中一般要求不含聚氯乙烯廢棄塑料。
裂解產物也因塑料種類不同而異, 這取決于在熱能作用下, 塑料分子從何處切斷。一般情況下聚乙烯、聚丙烯主鏈被不規則切斷,分解生成各種低分子量物質, 分解溫度越高生成物分子量越低; 聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯則主要分解為原聚合單體, 即苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯。
聚乙烯和聚丙烯的熱解反應均是游離基反應機理。聚乙烯裂解時分子內游離基轉移是主要的反應機理, 生成各種游離基, 然后發生鍵的均裂從而得到各種小分子化合物。
聚丙烯裂解反應機理是無規斷鏈產生伯、仲游離基, 之后發生分子內游離基轉移反應生成更穩定的叔游離基, 既而進行β- 斷裂生成各種低分子化合物。
4.1 熱解法油化工藝
熱解法油化工藝是將廢聚乙烯和廢聚乙烯與其它廢棄塑料混合進行熱解, 制取蠟、油品、炭黑等產品。實驗結果表明, 熱解混合廢棄塑料所得產物組成分散, 利用價值不大, 熱解制得的柴油含蠟量最高, 凝點高, 十六烷值低; 制得的汽油辛烷值低。
4.2 催化熱能法
催化熱解法(一步法)油化工藝是該將廢棄聚乙烯或廢棄聚乙烯與其它廢塑料的混合物及催化劑加入反應釜, 熱解與催化熱解同時進行。有專利報道(中國專利CN1077479A,1993) 以多次改性的Y 型分子篩和高活性的氫氧化鋁為催化劑, 可以生產汽油、柴油, 總收率85%—87%。
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