分段式塑料熱裂解裝置及其支承設(shè)計(jì)

賀雪梅 張紅坡

摘要：文章針對目前塑料連續(xù)熱裂解裝置存在的一些問題，提出了一種分段式廢舊塑料熱裂解裝置，采用空心螺旋軸并分段進(jìn)行熱裂解，并對其進(jìn)行分析和相應(yīng)的支承部分設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的熱裂解裝置具有生產(chǎn)率高、塑料受熱均勻、對零件材料高溫下的強(qiáng)度要求降低等優(yōu)點(diǎn)，為高效的連續(xù)熱裂解裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：分段式；廢舊塑料；熱裂解；支承

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文童編碼：1672-7053（2018）03-0125-02

當(dāng)前社會，各類塑料制品被大量使用，它們使用廣泛而分散，且使用周期短，從而產(chǎn)生大量的塑料制品廢棄物，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞。因此，對廢舊塑料的回收利用有重要現(xiàn)實(shí)意義。廢舊塑料回收再利用中，連續(xù)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(diǎn)，廢舊塑料熱裂解工藝目前被廣泛應(yīng)用。本文在分析目前常用廢舊塑料連續(xù)熱裂解裝置存在問題的基礎(chǔ)上，提出一種分段式連續(xù)裂解裝置，并對其進(jìn)行分析和支承部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 目前常用連續(xù)熱裂解裝置分析

目前連續(xù)熱裂解裝置的結(jié)構(gòu)形式比較多，且多以螺旋軸的形式為主【1，2】，其基本原理如圖1所示。

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堆積物推送至裂解段，通過熱風(fēng)管內(nèi)筒通入的高溫?zé)犸L(fēng)，廢舊塑料被裂解段中螺旋板連續(xù)推至右側(cè)，在此過程中不斷升溫并充分裂解。油汽從上面出口排出，殘?jiān)鼜南虏砍鲈谂懦?。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。

為了充分裂解，物料在400攝氏度的高溫鋼管中停留時間為15～30分鐘；當(dāng)裂解溫度提高至600攝氏度時，充分裂解至少需要3分鐘以上。但由于塑料的傳熱能力很差，因此容易因加熱不均勻產(chǎn)生結(jié)焦碳化，從而影響熱裂解的進(jìn)行，因此在熱裂解設(shè)備中，往往設(shè)有圖1中所示的裂解段主軸上的螺旋結(jié)構(gòu)等攪拌裝置，避免加熱不均勻現(xiàn)象【2，3】。

雖然攪拌過程可以改善原料的受熱均勻性，但是熱裂解需要的高溫會使主軸溫度升高。因此，有些裝置的傳動軸在原料進(jìn)入端進(jìn)行支承，因?yàn)檫M(jìn)入端溫度較低，對支承部件的要求不高，但這樣的懸臂結(jié)構(gòu)布置軸長不能過大，否則會導(dǎo)致軸的強(qiáng)度不足，并最終造成螺旋軸的攪拌速度低，而使物料受熱不均勻。有些裝置中將主軸兩端進(jìn)行支承，這樣可以提高軸的強(qiáng)度，軸的長度以及相應(yīng)裂解段的長度可以增加，也有利于熱裂解的進(jìn)行，但是主軸高溫端需要的支承部件以及軸的材料要求耐高溫，從而導(dǎo)致裂解裝置整體成本上升。為解決此問題，本文提出一種分段式塑料熱裂解裝置。

2 分段式塑料熱裂解裝置設(shè)計(jì)

2.1 分段式結(jié)構(gòu)的提出

連續(xù)熱裂解裝置目前應(yīng)用不夠廣泛，主要是由于熱裂解需要很高的溫度導(dǎo)致裂解段主軸溫度也很高，金屬通常在高溫下的強(qiáng)度、剛度下降很嚴(yán)重。因此，為了保證裂解段主軸不會出現(xiàn)強(qiáng)度、剛度問題，從理論分析的角度解決以上問題可采取的措施有：（1）采用耐高溫材料或增加主軸的截面積提高強(qiáng)度、剛度；（2）減少軸的長度。

對于第一種措施，如果只單純增加軸的截面積，會增加材料的用量并會使整個裂解設(shè)備更重，會給制造和驅(qū)動帶來諸多問題，因此這種方式很少采用，因此，常見的連續(xù)熱裂解裝置通常被迫減少裂解段主軸的長度。而裂解段長度的減小意味著在有限長度塑料原料要被迅速加熱，由于熱裂解時原料要在高溫條件下保持一段時間，因此造成裂解段螺旋主軸轉(zhuǎn)速慢，從而導(dǎo)致原料不能被有效的攪拌，加之塑料導(dǎo)熱差而容易產(chǎn)生結(jié)焦碳化，因此目前的連續(xù)裂解裝置應(yīng)用并不廣泛。

對于第二種措施，為了在保證軸的強(qiáng)度和剛度的情況下，增加裂解段的長度，由此也可以增加螺旋板對原料的攪拌速度，本文提出一種分段式結(jié)構(gòu)，裂解段由2段及以上組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示（本圖是兩段式結(jié)構(gòu)示意）。裂解段設(shè)計(jì)為多段結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的每一段長度減小，既保證了軸的強(qiáng)度、剛度，也提供了足夠的裂解段長度，保證熱裂解效果。

該裝置首段裂解段與入料口連接，其推動物料至末端并掉入與其連接的下一段裂解段；末段裂解段與出渣口相連，原料被從上一段進(jìn)入末端裂解段后完全裂解，最終將廢料炭黑殘?jiān)鼜某鲈谂懦?，具體如圖2所示。

2.2 內(nèi)外加熱方式

為避免塑料在高溫裂解時因受熱不均勻而產(chǎn)生結(jié)焦碳化的問題，熱裂解裝置通常采用攪拌原料的方式，本結(jié)構(gòu)將裂解段的軸做成空心結(jié)構(gòu)，軸內(nèi)部形成的空腔可以作為高溫?zé)犸L(fēng)（也可為其他高溫流體）的通道，對原料進(jìn)行內(nèi)外同時加入熱，有效地提高原料受熱的均勻性，提高裂解質(zhì)量。

因?yàn)樗芰狭呀庑枰嵘郎囟?，因此被鼓風(fēng)機(jī)推動的熱風(fēng)流向應(yīng)與原料被推動的方向相反，由此可知，分段式裂解轉(zhuǎn)置的熱風(fēng)在相鄰兩段裂解段應(yīng)由后一段熱風(fēng)出口，通過管道被送入前一段熱風(fēng)進(jìn)口。按照圖2具體解釋如下：高溫?zé)犸L(fēng)從進(jìn)風(fēng)口A進(jìn)入加熱外筒，并從此段熱風(fēng)出口A引出，由于熱量被裂解原料吸收，因此熱風(fēng)出口A的熱風(fēng)溫度低于熱風(fēng)進(jìn)口A的溫度，通過管道將熱風(fēng)出口A與上一段（圖2中的首段裂解段）熱風(fēng)進(jìn)口B相連，熱風(fēng)進(jìn)入上一段加熱外筒進(jìn)行加熱物料，由于熱交換而導(dǎo)致溫度降低，并從熱風(fēng)出口B被引出，這樣加熱有利于塑料原料沿被推送的方向均勻增溫。

空心軸內(nèi)的高溫?zé)犸L(fēng)流動方向同樣與物料推送方向相反，也就是高溫?zé)犸L(fēng)通過末段裂解段空心軸后，溫度變低，此處熱風(fēng)通過管道引入上一段裂解段的空心軸一端，沿與物料推送相反的方向在空心軸內(nèi)運(yùn)動，并被從此段空心軸的另一端引出，最終從首段原料進(jìn)料口端的空心軸引出。且最終從加熱外筒、空心軸排出的熱風(fēng)，由于參與熱交換，溫度已經(jīng)不高，不會對操作人員造成傷害。

2.3 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩段裂解段在連接處的位置相對固定，由于熱裂解時溫度很高，為了提高軸的強(qiáng)度，并避免支承部件在高溫環(huán)境下工作，螺旋軸采用在裂解段外部進(jìn)行兩端支承。采用兩端支承可以提高軸的強(qiáng)度，為了解決裂解段末端溫度較高的問題，將支承放在裂解段外部，即使高溫通過熱傳導(dǎo)到達(dá)支承部位，也會因?yàn)橹С胁课慌c外界能進(jìn)行很好的熱交換，避免支承受到高溫的影響，降低因使用高溫軸承而造成的成本增加。

由于螺旋軸和其上支承的外筒都會受到較高的溫度，相對于工作開始時有較大的溫度變化導(dǎo)致的長度變化，因此要考慮螺旋軸和加熱外筒的熱變形涉及到的結(jié)構(gòu)問題。螺旋軸及其支承加熱外筒之間采用動密封【4】，因此，這里只需要考慮螺旋軸的有效補(bǔ)償熱變形問題的支承結(jié)構(gòu)。具體支承結(jié)構(gòu)見圖3。

在如圖3所示的支承結(jié)構(gòu)中，空心螺旋軸伸出端上通過鍵和螺釘固定支承外筒，支承外筒壓在滾動支承結(jié)構(gòu)的滾筒上。滾筒通過滾動軸承被支承軸支承，而滾動軸承的摩擦系數(shù)很小，因此滾筒可以相對于固定的支架靈活轉(zhuǎn)動。當(dāng)空心螺旋軸與支承外筒一起轉(zhuǎn)動時，支承外筒與兩個支承結(jié)構(gòu)外的滾筒直接接觸，它們之間是滾動摩擦，因此，可保證空心螺旋軸的靈活轉(zhuǎn)動。

兩段裂解段在連接處的位置相對固定，空心螺旋軸受熱后兩端會產(chǎn)生相對位移，兩邊滾動支承結(jié)構(gòu)中的外筒是兩邊高、中間低的筒型結(jié)構(gòu)，當(dāng)空心螺旋軸由于溫度變化產(chǎn)生軸向變形時，可以通過其兩端固連的支承外筒在滾筒的圓柱部分上滑動實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文分析了目前連續(xù)熱裂解裝置存在的問題，設(shè)計(jì)了分段式空心螺旋軸結(jié)構(gòu)，較好的解決了原料受熱不均勻和長度較大的高溫螺旋軸的強(qiáng)度問題，并通過設(shè)計(jì)外部滾動支承結(jié)構(gòu)，解決了裂解段主軸的滾動支承問題。采用此種結(jié)構(gòu)能有效的解決目前連續(xù)熱裂解裝置的缺陷，為廢舊塑料的回收再利用設(shè)備的研發(fā)提供參考。

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