一种新型废塑料裂解反应釜的研究与设计

丁亚峰，黄秀玲，王志伟，朱 勇，叶 恒

（1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.暨南大学 包装工程研究所，广东 珠海 519070）

1 引言

反应釜是废塑料裂解过程中的关键设备之一，到目前为止，关于反应釜的研究很多，国外的有恒温式搅拌釜、流化床式反应釜和管式反应釜。恒搅拌反应釜根据运行的连续性可分为间歇式和连续式，间歇式反应釜工作不连续，能耗较高，生产效率低，频繁开停炉存在安全隐患，所以该工艺现在基本已淘汰；连续式反应釜虽然解决了连续进料、反应传热、连续排渣3 个主要问题，提高了反应的安全性和效率，但是在塑料裂解过程中会产生大量的重油和石蜡，这些产品利用率低。流化床具有良好的传热、传质性能，且反应停留时间短，加热效率高，但是国内外流化床反应器大多处于试验研究阶段，工业化成功案例较少，而且反应过程中容易出现灰渣黏结成块的情况，导致“失流化”故障，裂解油气中含尘率较高，设备管理复杂，投资较大，尚未形成成熟的流化床裂解制油工艺[1]。国内的反应釜以专利为最多，主要有文献[2]发明的离心刮板成膜热裂解反应装置，该专利主要描述的是一种螺旋加热反应釜装置，该反应釜分为三大部分：低温反应区、高温反应区和碳化区，然而本装置有一个最大的缺点在于废塑料的受热不均匀，造成裂解后生成的产物比重无法控制。文献[3]发明的一种废塑料炼油裂解釜，虽然提供了一种结构简单、传热面积大且物料受热均匀的卧式废塑料炼油裂解釜，但是它无法克服间断生产这个弊端，因为它在排碳过程中需要停机，利用专门的清理机构进行炭黑的清理，这样会造成巨大的热量浪费。

针对目前国内外反应釜存在的诸多问题，设计了一种新型的废塑料裂解反应釜，为实现废塑料回收设备小型化、连续生产、提高油品质量、减少能耗等奠定了基础。

2 反应釜的结构形式

废塑料裂解原理分为四种：热解法、催化裂解法、热解-催化改质法和催化热解-催化改质[4]。反应釜的设计采用了热解-催化改质法，热解-催化改质法是指先将废塑料加热熔融裂解，然后将热裂解气通入到催化罐中进行催化改质的方法。这种方法与其他三种相比，不但会产生优质的油品，而且催化剂的反复使用率最高，从而节约成本，所以这种方法应用的最为广泛。

根据废塑料裂解原理，可以设计反应釜结构，如图1 所示。

反应釜结构由反应釜外壳、搅拌器和刮板三部分组成，搅拌器需要电机驱动，刮板固定在搅拌器上，跟随搅拌器一起转动。

反应釜的工作原理是从注塑机出来的熔融废塑料，沿搅拌器流下，通过右边的刮板将其摊薄，由于反应釜底部具有非常高的温度，熔融塑料又很薄，所以废塑料会瞬间汽化裂解，变成气态，从而进入到催化剂罐中，进行改质。反应釜中的刮板由两部分组成，其功能不同。右边的那部分用来摊薄熔融废塑料，有局部视图可以看出，它与反应釜底部有一定的间距；左边部分是用来清理裂解产物碳黑，与反应釜底部没有间距，由于反应釜底部有一定的倾角，炭黑会由于重力的作用滑动到反应釜底部侧面，通过出碳口排出反应釜。

图1 反应釜的平面结构图Fig.1 The Plane Structure Of Reactor

反应釜的优点在于：

（1）利用刮板的方式，克服了停机清理炭黑的弊端，实现了连续的生产。

（2）由于熔融废塑料被摊平后会瞬间被裂解气化，所以不会出现结碳现象。

（3）反应釜的体积非常小，所以实现了设备的小型化。

3 反应釜机械结构的设计

在我国目前的废塑料垃圾中，聚乙烯（PE）占46%，聚丙烯（PP）占28%，聚苯乙烯（PS）占18%，这三种废塑料是最常见的[5]。在结构设计中，主要考虑这三种废塑料。

3.1 反应釜的技术参数

反应釜设计之前，首先要明确一些技术参数，这些相关的技术参数有：一天的工作时间T，一天处理废塑料的量M，反应釜底部的温度。由于要求反应釜能够连续生产并能实现快速裂解，所以根据实际生产需要确定T 为20h，M 为1t，反应釜底部的温度根据数据进行确定，如表1 所示。由表1 可以看出常见的几种废塑料裂解温度一般都在（450～500）℃之间，所以反应釜底部的温度要设计为500℃。

表1 常见的几种废塑料裂解温度及其产物Tab.1 The Pyrolysis Temperature and Product of Several Common Waste Plastics

3.2 反应釜的结构设计

3.2.1 反应釜底部倾角的设定

废塑料裂解会产生大概为（5～10）%碳粉和残渣，如果不及时把这些残渣清理出反应釜，不但影响裂解的速度，而且无法实现连续生产，所以要对反应釜设置一定的倾角，使得残渣在重力和刮板的综合作用下沿反应釜的边缘被及时清理出去，并便于收集。倾角的存在不但可以减少内部体积，使得能量损失减少，而且还有利于残渣的顺利排出，但是如果倾角过大，熔融废塑料的流速也将变快，裂解将不充分，并且反应釜的高度也将相应的被增加。出于上述原因的考虑以及企业生产经验，最终选择反应釜底部倾角为30°。

3.2.2 刮板的转速

刮板的转速与摊薄熔融废塑料的厚度和气化时间有关，实际生产中摊薄厚度选为0.2mm，气化时间由实验确定。

实验条件：0.2mm 厚的熔融PE，平板表面加热温度500℃。

实验装置，如图2 所示。

图2 废塑料气化实验装置Fig.2 The Experiment Device about Waste Plastics Gasification

实验步骤：

（1）打开加热装置煤气罩，用红外测温仪探测底板上部某一点的温度。

（2）当温度达到500℃时，把熔融的废塑料倒在底板上。

（3）迅速利用刮板把熔融的废塑料摊平，开始用秒表进行计时。

（4）当测温点熔融的废塑料全部气化后，终止计时，读取秒表。

（5）按照上边的步骤重复实验，记录时间。

实验结果，如表2 所示。

表2 0.2mm厚熔融PE气化所对应的时间表Tab.2 The Gasification Time of 0.2mm Thick Molten PE

由实验可以计算出0.2mm 厚的废塑料气化，需要的平均时间为1.74s，为了安全期间，取2s 作为0.2mm 厚的熔融废塑料完全气化时间。先设定左侧刮板与反应釜底部的距离是0.2mm，为了使左侧刮板摊平的废塑料完全气化，则刮板的转速要设定为0.5r/s。

3.2.3 反应釜直径

反应釜半径的组成部分，如图3 所示。由图3 可以得知，反应釜半径包括三部分：搅拌器半径、反应釜底部斜面长度和反应釜底部平面长度。根据实际生产中所选的搅拌器规格和实际试验得出：搅拌器半径为R搅=25mm，反应釜底部平面长度为L平=40mm，反应釜的壁厚为H=8mm。现在最关键的是要计算出反应釜底部斜面的长度L斜。

图3 反应釜半径的组成部分Fig.3 The Component of the Reactor Radius

由反应釜的技术参数得知，反应釜在一秒要处理的废塑料重量为：

在常温26℃下HDPE的密度是0.94547g/cm3、LDPE的密度是0.91890g/cm3；在常温24.5℃下PP的密度是0.90229g/cm3；在常温24.8℃下PP的密度是1.04375g/cm3[9]。为了安全期间，此处应选择密度最小的LDPE，即ρ=0.91890 g/cm3。裂解生成物柴油、汽油的主要指标，如表3 所示。

表3 裂解生成物柴油、汽油的主要指标Tab.3 The Main Index of Diesel and Gasoline Which are the Cracking Products

由式（1）得2s 内即刮板转一周要处理的熔融废塑料体积为

通过实验1 得出，左侧刮板与反应釜底部的距离L 是0.2mm，则反应釜底部斜面的理论面积为：

由于应用的刮板法并不能保证在任何时间内底部平面上都有废塑料，根据大量的实验证明当倾角为30℃时，至少会有2/3的反应釜底部斜面会被熔融的废塑料覆盖，那么需要反应釜底部的实际面积为：

由圆锥侧表面的面积公式：

再根据反应釜底部的倾角是θ=30℃，我们可以算出反应釜底部斜面的长度L斜=223.747mm，取整即L斜=224mm。由此可以计算出反应釜的直径d=2×（L斜+R搅+L平+H）=594mm。

4 结论

经实验证明，反应釜的性能达到了预期效果，即可以实现连续工作，并且出油率较高，在70%以上，生成的油品通过分馏可以得到汽油、柴油，生成柴油和汽油的主要指标，如表3 所示。基本符合国家和车用汽油标准，因此可以说明该反应釜的结构设计是合理的。

［1］刘光宇，马晓波，陈德珍.垃圾废塑料裂解工艺和反应器［J］.环境工程，2009（1）：383－388.（Liu Guang－yu，Ma Xiao－bo，Chen De－zhen.Waste plastic cracking process and reactor［J］.Environmental Engineering，2009（1）：383－388.）

［2］姜林发.离心刮板成膜热裂解反应装置及其方法：中国，200910198128.2［P］.2010－5－26.（Jiang Lin－fa.Centrifugal scraper film thermal cracking reaction device and method：China，200910198128.2［P］.2010－5－26.）

［3］吴鹏锋.一种废塑料炼油裂解釜：中国，201010532487.X［P］.2011－2－23.（Wu Peng－feng.A kind of waste plastics refining cracking kettle：china，201010532487.X［P］.2011－2－23.）

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［6］张郑磊.废塑料热解－催化改质实验研究［D］.河北：华北电力大学，2008.（Zhang Zheng－lei.Waste plastics pyrolysis，catalytic reforming experimental research［D］.HeBei：North China Electric Power University，2008.）

［7］Jerzy Walendziewski.Engine fuel derived from waste plastics by thermal treatment［J］.Fuel，2002，81（4）：473－481.

［8］Liliana B.Pierella，Soledad Renzini，Oscar A.Anunziata.Catalytic degradation of high density polyethylene over microporous and mesoporous materials［J］.Microporous and Mesoporous Materials，2005，81（1－3）：155－159.

［9］王成云，张伟亚，杨左军等.塑料密度温度系数的测定［J］.塑料科技，2003，156（4）：31－66.（Wang Cheng－yun，Zhang Wei－ya，Yang You－jun.Plastic density temperature coefficient measurement［J］.Plastics Science and Technology，2003，156（4）：31－66.）