氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝

隋瑩

(昊華工程有限公司，北京 100143)

氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝

A new technology for oil extraction from waste tire pyrolysis with gas heat carrier

隋瑩

(昊華工程有限公司，北京 100143)

熱解技術(shù)是一種新興的廢舊輪胎資源化處理技術(shù)，輪胎熱解的液體產(chǎn)品，包含烷烴、烯烴類的油品及苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環(huán)芳烴等，而氣體產(chǎn)物主要包括CH4、C2H4、H2、C2H6等可燃?xì)怏w。本文從理論上分析了廢舊輪胎熱解成燃料氣、各類液體產(chǎn)品、固體炭黑和殘留鋼絲所需能量，并提出了氣體熱載體法熱解廢舊輪胎的高效新工藝，該工藝采用內(nèi)熱法加熱，熱效率高，完全可實(shí)現(xiàn)熱解系統(tǒng)能量的自給自足，并實(shí)現(xiàn)了廢舊輪胎全資源化利用。

熱解；廢舊輪胎；熱解氣；油品

廢舊輪胎被稱為“黑色污染”，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，廢舊輪胎帶來的環(huán)保壓力也越來越大。其回收和處理技術(shù)是一項(xiàng)世界性研究課題，同時(shí)也是環(huán)境保護(hù)的難題[1]?，F(xiàn)在我國針對(duì)廢舊輪胎循環(huán)利用的途徑主要有舊輪胎翻新、原形改制、生產(chǎn)再生膠和淀粉、熱解和熱能利用。熱分解是一種將廢舊輪胎徹底地分解為各種資源進(jìn)行再利用的方式，可以為社會(huì)提供高附加值的燃料油、可燃?xì)怏w、炭黑等，有著很好的前景，但熱分解在我國的比例很小，研究熱解處理廢舊輪胎的新工藝有著很大的意義，針對(duì)此，本文提出了氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝。

1 氣體熱載體提油工藝

氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝的裝置包括切塊機(jī)、熱解爐、旋風(fēng)除焦冷卻器、分餾塔、熱風(fēng)爐和金屬蜂巢換熱器（如圖1），熱解爐包括干燥段、熱解段和灰段。原料廢舊輪胎經(jīng)過切塊機(jī)切塊后，進(jìn)入熱解爐內(nèi)，經(jīng)過干燥段進(jìn)行干燥后，在熱解段內(nèi)，熱解氣將原料廢舊輪胎加熱，廢舊輪胎熱解產(chǎn)生油氣；然后，熱解出來的油氣經(jīng)過管道進(jìn)入旋風(fēng)除焦冷卻器中，分離的油品進(jìn)入分餾塔進(jìn)行進(jìn)一步處理，熱解爐內(nèi)被熱解完全的輪胎形成炭黑和鋼絲，在自身重力作用下進(jìn)入熱解爐下部的灰段，從底部排出；最后，分離出來的熱解氣一部分通入熱風(fēng)爐燃燒，另一部分進(jìn)入高效金屬蜂巢換熱器；經(jīng)熱風(fēng)爐燃燒的熱煙氣通入金屬蜂巢換熱器與熱解氣換熱，被加熱的熱解氣通入熱解爐作為熱載體熱解廢舊輪胎以此實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

圖1 輪胎熱解提油新工藝示意圖

輪胎熱解提油新工藝主要進(jìn)行兩個(gè)過程：輪胎熱解、熱解產(chǎn)物分離得到油和熱解氣。熱解工藝包括四個(gè)部分：熱解爐系統(tǒng)、油氣冷凝回收系統(tǒng)、氣體處理系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 廢舊輪胎提油工藝流程圖

（1）熱解爐系統(tǒng)：進(jìn)行廢舊輪胎的熱解，熱解產(chǎn)物進(jìn)入油氣冷凝回收系統(tǒng)，炭塊等排出爐外，炭塊經(jīng)冷卻、破碎、篩分后可得到炭黑粉料和經(jīng)過造粒處理的炭黑顆粒。

（2）油氣冷凝回收系統(tǒng)：對(duì)熱解產(chǎn)物進(jìn)行冷卻，并將油產(chǎn)品和熱解氣進(jìn)行分離。常見的冷凝回收方式有循環(huán)水冷卻（水洗）和循環(huán)油產(chǎn)品冷卻（油洗）。

（3）氣體處理系統(tǒng)：由于輪胎中含有氮、硫元素，其熱解氣中含有氮硫化合物，在熱解氣再利用前需要進(jìn)行脫硫和脫氮處理。

（4）供熱系統(tǒng)：供熱系統(tǒng)主要是為輪胎熱解爐提供熱源。

輪胎進(jìn)入熱解系統(tǒng)經(jīng)過破碎和篩分進(jìn)入熱解爐，在爐內(nèi)經(jīng)過預(yù)熱段（被預(yù)熱）、熱解段（熱解）及氣化段（氣化反應(yīng)）后生成的炭黑排出爐外。熱解生成的油氣從熱解爐后進(jìn)入油氣冷凝回收系統(tǒng)，首先經(jīng)過初步水洗回收大部分重質(zhì)油；再進(jìn)一步回收輕油，得到的油產(chǎn)品送往后續(xù)處理；剩余熱解氣進(jìn)入氣體處理系統(tǒng)進(jìn)行脫硫、除氮工序。經(jīng)過處理的熱解氣進(jìn)入供熱系統(tǒng)，一部分作為熱風(fēng)爐燃料加熱，另一部分作為循環(huán)熱載體，經(jīng)過熱風(fēng)爐加熱后送入熱解爐為輪胎熱解提供熱量。此外，熱解爐氣化段需要大量飽和濕空氣，需要通過冷凝回收系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理。

2 工藝參數(shù)

溫度是影響廢舊輪胎熱解產(chǎn)物及產(chǎn)量的主要因素，目標(biāo)產(chǎn)物、反應(yīng)器等條件不同，所需的熱解溫度不同[2]。一般隨著溫度的升高，廢舊輪胎熱解油相產(chǎn)物的產(chǎn)量有先增大后減小的變化規(guī)律，550 ℃時(shí)有最大值；半焦的產(chǎn)率隨著溫度的提高而下降，在450～550 ℃時(shí)下降較為明顯，之后變化不大；熱解溫度對(duì)產(chǎn)氣率、析出特性和產(chǎn)氣組份有著明顯的影響[3]。隨著熱解溫度升高氣體收率上升，產(chǎn)氣析出速度加快；由450 ℃時(shí)的約300 s減小到850 ℃時(shí)的不到75 s；累積產(chǎn)氣量也有明顯的上升[4]。綜合考慮本文取熱解油達(dá)到峰值時(shí)的溫度550 ℃為熱解溫度。

廢舊輪胎熱解可形成氣體、液體和固體產(chǎn)物，氣體產(chǎn)物主要包括CO2、CO、H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C4H6等，液體產(chǎn)物為熱解油，主要成分為烷烴、烯烴、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環(huán)芳烴，將其作為燃料油使用具有粘度低、輕質(zhì)餾分油含量高的優(yōu)點(diǎn)[5～7]。

實(shí)驗(yàn)條件的不同、輪胎樣品的差異及計(jì)算方法的誤差等都可能導(dǎo)致研究者得出的輪胎熱解氣的GCV（gross calorific value）不盡相同，有的差異很大。本文對(duì)550 ℃時(shí)的熱解氣熱值進(jìn)行計(jì)算，氣體產(chǎn)量占輪胎質(zhì)量百分比17.6%，僅計(jì)算熱解氣的主要成分H2、CH4、C2H4、C2H6，計(jì)算結(jié)果如表 1所示[8]。

表1 燃料氣成分計(jì)算

輪胎熱解油熱值高（＞40 MJ/kg），完全可以將其整體作為燃料燃燒。Roy[9]將真空熱解油與CIMAK-B10重柴油進(jìn)行比較，指出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。Cunliffe[10]、Rodriguez等[11]在對(duì)廢舊輪胎熱解油熱值進(jìn)行分析后也都指出熱解油可作為燃料使用。同時(shí)，熱解油較低的灰分、黏度和殘?zhí)恐狄彩瞧渥鳛闋t用燃料油的有利因素[11]。所以將熱解油代替部分石油原油作為燃料燃燒，可以在一定程度上緩解石油資源的匱乏。對(duì)于熱解油輕（質(zhì)）餾分，Benallal等[12]將其與石油石腦油進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)熱解油輕（質(zhì)）餾分比例大于石油石腦油，但熱解油輕（質(zhì)）餾分以烯烴和芳烴為主，而石油石腦油則以飽和烷烴為主。因此，熱解油輕（質(zhì)）餾分可以充分利用其高石腦油比例以及高芳烴含量，提取化工原料[13]。

3 能量衡算

輪胎的整個(gè)熱解過程反應(yīng)過程所需能量為[14]：

式中：

ΣoutniHi——輪胎熱解產(chǎn)物的輸出焓；

ΣinniHi——輪胎熱解的輸入焓。

計(jì)算輸出焓時(shí)，主要考慮膠質(zhì)部分熱解生成燃料氣和燃料油的部分；計(jì)算輸入焓時(shí)，應(yīng)包括橡膠熱解發(fā)生質(zhì)變所需能量以及在升溫過程中炭黑和鋼絲吸收的能量。由于輪胎成分隨品牌和產(chǎn)地有所差異，綜合考慮理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，每公斤廢舊輪胎熱解所需能量約為1 953 kJ。

1 kg廢舊輪胎熱解理論可得15%～20%燃料氣，38%～42%油品、34%～36%炭黑和8%～10%鋼絲。按處理1 t廢舊輪胎計(jì)算，相當(dāng)于可以得到5 946.4 MJ發(fā)熱量的燃料氣，16 000 MJ能量的油品、0.35 t炭黑和0.9 t的鋼絲。

由于每噸輪胎熱解所得熱解氣發(fā)熱量為5 496.4 MJ，若直接燃燒熱解氣熱解輪胎，考慮到熱量不可能完全利用，工業(yè)生產(chǎn)按照60%～65%，則熱解過程實(shí)際所需要的能量為3 005～3 255 MJ/t，而所得熱解氣的發(fā)熱量遠(yuǎn)大于輪胎熱解所需要的能量，故本文提出了氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝，即氣體與輪胎直接加熱的方式加熱輪胎，輪胎受熱分解產(chǎn)生油氣，然后冷凝收集得到高質(zhì)量原油及氣體瓦斯。

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種氣體熱載體加熱的直接換熱的廢舊輪胎熱解提油新工藝。氣體與輪胎直接加熱的方式加熱輪胎，輪胎受熱分解產(chǎn)生熱解氣，然后冷凝收集得到高質(zhì)量的油品及熱解氣，該工藝充分利用了熱解氣的潛熱，實(shí)現(xiàn)了能量的自給自足。

（2）將廢舊輪胎在550 ℃下進(jìn)行熱解，工業(yè)生產(chǎn)按照熱利用率為60%～65%，廢舊輪胎熱實(shí)際所需要的能量約為3 005～3 255MJ/t，經(jīng)熱解可得15%～20%燃料氣，38%～42%燃料油、34%～36%炭黑和8%～10%鋼絲。每噸輪胎熱解所得熱解氣熱值為5 496.4 MJ，遠(yuǎn)大于輪胎熱解所需的能量，輪胎熱解過程所需能量完全可以自給自足，并能儲(chǔ)存余下熱解氣。

（3）輪胎熱解的液體產(chǎn)品，包含烷烴、烯烴類的油品及苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環(huán)芳烴等，將油品作為燃料油使用具有黏度低、輕質(zhì)餾分油含量高的優(yōu)點(diǎn)。廢舊輪胎熱解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物主要包括CH4、C2H4、H2、C2H6等可燃?xì)怏w，僅計(jì)算熱解氣主要成分熱值即達(dá)5 496.4 MJ/t。

（4）2010年我國廢舊輪胎達(dá)到2億多條，按照每年處理2億條，即514.3萬t廢舊輪胎，熱解產(chǎn)生的產(chǎn)物包括 1.38×1010～1.51×1010MJ能量的熱解氣及205.72萬t（熱值＞40 MJ/kg）的油品，實(shí)現(xiàn)了全資源化利用。

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(XS-05)

TQ330.43

：1009-797X(2015)04-0045-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.007

隋瑩（1980-），女，工程師，畢業(yè)于北京科技大學(xué)熱能與動(dòng)力專業(yè)，主要從事輪胎工廠設(shè)計(jì)工作。

2014-08-04