聚乙烯废塑料流化床裂解炉的设计.pdf

聚乙烯废塑料流化床裂解炉的设计 胡玉莹陈海峰钟转转 陕西科技大学机电工程学院， 西安 710021 摘要 利用热裂解法可将废塑料制成液体燃料和化学品， 其对保护环境及社会的可持续发展有重要意义。对废塑料的裂 解油化现状及热裂解反应做了初步的研究， 并确定了一种适合的工艺流程; 通过设计计算确定了聚乙烯废塑料流化床裂 解炉中影响裂解的主要性能参数， 对裂解炉的结构设计过程做了较详细的阐述， 为流化床反应器的设计提供参考。 关键词 热裂解; 聚乙烯; 流化床; 反应器 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 021 DESIGN OF FLUIDIZED BED REACTOR TO CRACK WASTE PE PLASTICS Hu YuyingChen HaifengZhong Zhuanzhuan School of Electromechanical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’ an 710021，China AbstractUsing waste plastics to obtain liquid fuel and chemicals is of very importance to environmental protection and the sustainable development of society． In this paper，a preliminary study on technology using waste plastics to produce fuel oil has been completed，and the technological process has been designed． The major operating variables of fluidized bed reactor which influence the composition and the gas yield of the pyrolysis were introduced． The design process of the structure were stated in detail． Keywordspyrolysis;polyethylene;fluidized bed;reactor 0引言 对废旧塑料有效、 环保、 安全的处理一直是人们关 注的热点问题， 废塑料回收制取液体燃料不仅对减少 污染、 实现资源的再利用起到重要作用， 还具有良好的 社会和经济效益 ［ 1- 2 ］。德、 美、 日、 英等国在塑料裂解油 化技术方面开展了大量的工作， 并取得了一系列的成 果， 如 Veba 法 ［ 3 ］、 BP 法［ 4 ］等已能实现较大规模处理。 我国的研究及应用也发展迅速， 国内陆续建设了多套 小型油化装置 ［ 5 ］。但大多工艺简单、 采用固定釜式裂 解设备， 存在着间歇式生产、 釜底结焦、 胶质堵塞管道， 热传导性差等问题。在废塑料回收利用的新途径上， 近几年一些机构进行了相关研究， 并有专利问世。牛 斌等将螺旋推进器引入反应器， 由携带热量的固态载 热体对原料进行均匀加热实现连续裂解 ［ 6 ］。同时， 由 于流化床反应器具有良好的传热、 传质性能， 可获得均 一产物， 有更大的生产能力和效率， 利于工业放大等特 点在塑料裂解油化领域受到广泛重视和应用。 国内外对流化床裂解塑料的工艺进行了大量实 验研究。在国外， Faravelli 等 ［7 ］对 PE 热解制气进行 了研究，Brebu 等 ［8 ］进行了 PE 热解制油研究，Lidia Martnez 等 ［9 ］对流化床中高温裂解 PE 时流态化参数 对产物的影响进行了研究等; 国内肖睿等 ［10 ］进行了 聚丙烯流化床气化研究， 董芃等 ［11 ］进行了废塑料制 取液体燃料试验研究， 肖刚等 ［12 ］进行了生活垃圾中 聚乙烯流化床气化研究等。随着研究的深入， 流化床 裂解废塑料的工艺技术日趋成熟， 但对流化床裂解设 备的设计鲜见报道。本文介绍了一种热裂解废塑料 的工艺流程及流化床聚乙烯裂解炉的设计计算， 利用 流化床技术的优点， 在解决塑料回收及能源问题的同 时也解决了传统操作过程中间歇式生产所带来的低 效、 高能耗等问题， 保证了高效裂化、 充分汽化的连续 生产， 从而降低能耗， 提高生产效率。 1工艺流程 废塑料流化床热裂解工艺流程如图 1 所示， 废塑 料在前期预处理， 粉碎为粒度适当的固态颗粒， 经加 料机进入流化床裂解炉; 裂解炉中不断鼓入氮气作为 08 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 气体介质， 废塑料在反应器内得到充分的裂解产生大 量气体产物; 反应器上部设计有扩大段， 大颗粒可在 扩大段沉降， 小颗粒经内部旋风分离器分离后送回反 应段再次裂解; 产物气体由内旋风分离器上部排出， 外旋风分离机将未除净杂质分离， 气体连续进入分馏 塔， 与回流液充分接触进行传质传热获得油类产物， 剩余不凝气体经压缩、 加热送回裂解炉。固态废渣随 着反应的进行颗粒凝结变大， 在重力作用下坠落至底 部， 经排渣口排出。 图 1废塑料流化床热裂解工艺流程 Fig． 1Schematic diagram of the thermal pyrolysis of waste plastic 2聚乙烯废塑料流化床裂解炉的设计 聚乙烯 PE 约占我国塑料类垃圾 50 ， 因此有 效裂解 PE 极具意义 ［12 ］， 本设计选择聚乙烯为裂解原 料。流化床裂解炉设计主要包括裂解炉操作气速、 直 径、 高度及内部构件等方面。 2. 1热裂解反应原理 塑料的热裂解是在无催化剂、 提供热能的情况 下， 克服聚合物裂解所需活化能使之分解为小分子的 烃类化合物。在热裂解过程中， 聚合链解聚产生单 体、 分子链断裂产生相对低分子量的物质、 不饱和化 合物产生形成聚合物交链积炭。塑料的热裂解是一 种随机分解， 产物也因塑料种类的不同而异， 这取决 于在热能作用下， 塑料分子从何处切断。裂解后主要 产物为汽油、 柴油、 石蜡和焦炭等。袁兴中 ［13 ］对废塑 料裂解制取液体燃料进行了实验研究， 表明在 420 ～ 520 ℃温度段内可对聚乙烯进行热裂解， 产物中重质 成分 即重油和蜡质 较多， 聚乙烯热裂解可以获得 重质燃料油。 2. 2操作条件 日处理能力 20 t/d， 处理效率 1 t/h。反应压力 0. 1013 MPa 绝压 ; 反应温度 460 ℃; 气体介质为氮 气， 进口温度 t1700 ℃; PE 进口温度 t 20 ℃; 产物 气体出口温度 t2400 ℃。氮气 460 ℃下， 密度 ρf 0. 47 kg/m3， 定压比热容为 Cp 1. 038 kJ/ kg ℃ ， 黏度 μf 3. 5 10 －5 Pas; 聚乙烯的密度 ρp 920 kg/m3， 比热容 C 2 300 J/ kg ℃ ， 颗粒以任意 方式堆积， 平均直径 dp5 10 －3m， 空隙率 ε 0. 4， 松装密度 ρb552 kg/m3。 2. 3流化床裂解炉的设计计算 2. 3. 1操作气速计算 1 临界流化速度 umf的计算［14 ］。 当流化介质一定时， 临界流化速度仅取决于颗粒 的大小和性质。 umf 0． 00923 d1． 82 p ρ p － ρ f 0． 94 μ0． 88 f ρ0． 06 f 1 求得 umf 3. 19m/s， 式 1 只适用于 Re ＜ 10 即 较细的颗粒。Re ＞10， 则需乘以校正系数。 核对雷诺数Re dp uρ f μf 2 式中 u 为流体流速， m/s。 将 umf代入式 2 得 Re 214． 2 ＞10 计算条件下校正系数 k 0. 41， 临界流化速度 umf0． 41 3． 19 1． 3079 m/s 。 流化状态的判别选取弗鲁德数判别式， 计算临界 流化状态的弗鲁德数 Fr mf Fr mf u2 mf gdp 3 代入计算得 Fr mf34. 91 ＞1. 3， 根据判别式可 知流化形式为聚式流化。 2 颗粒带出速度 ut的计算［15 ］。 Stocks 区 ut g ρ p － ρ f d 2 p 18μf Ret＜ 0. 4 4 Allen 区 ut 4 225 ρ p － ρ f g 2 ρfμ [] f 1 3 dp 0. 4 ＜ Ret＜ 500 5 Newton 区 ut 3． 1dp g ρ p － ρ f ρ [] f 1 2 500 ＜ Ret＜ 2 105 6 假设在 Newton 区， 500 ＜ Ret＜2 105代入式 6 计算 ut 17． 24 m/s 。 核对雷诺数， ut代入式 2 ， Ret 1157. 5 ＞ 500， Ret落在 Newton 区， 所得 ut有效。 18 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 3 操作速度 u。 操作流化速度 u 除了应该满 umf＜ u ＜ ut外， 还需 根据经验选定， 在此取 u 3 m/s。 2. 3. 2裂解炉筒体直径 DR计算 热量衡算 每小时加料量 m 1 000 kg， 聚乙烯从 20 ℃加热至 460 ℃所需热量 Q1 CmΔt 1. 012 106kJ/h 裂解反应热 500 kJ/kg，则单位时间的反应热为 ΔH 5 105kJ/h， 散热按10计， 每小时反应所需总 热量 Q 1. 6632 106kJ/h。 所需介质气体质量流量为 m1 Q CP t1－ t2 5341． 04kg/h 标况下氮气密度 ρ 1. 25kg/m3， 换算为标况下 的体积流量 V m1/ρ 4272. 83 m3/h 裂解炉筒体直径 DR 4 1． 013 105TV 273 3600π 槡 uP 7 式中 V 为气体 标准状态 体积流量， m3/h; T、 P 为 反应时绝对温度 K 和绝对压力 Pa ; u 为以 T、 P 计 的表观气速， m/s。 DR 4 1． 013 105 733 4272． 83 273 3600π 3 1． 013 10 槡 5 求得 DR1. 2 m， 取筒体直径 1. 5 m。 2. 3. 3扩大段直径 DL计算 反应中有大量气体生成， 同时为了减少被气体带 出的颗粒数量， 在反应器上部连接一个扩大段作为自 由沉降段， 直径由不允许吹出粒子的最小颗粒直径 确定。 1 粒子带出速度 要求颗粒粒径﹥ 0. 2mm 的尘 粒自由沉降， 此粒径粒子的带出速度计算如下 假设在 Allen 区， 将 dp2 10 －3m 代入式 5 计 算ut 0. 88 m/s， 核对雷诺数Re t 2. 72 ＞ 0. 4， 所得 ut有效。 2 反应后气体体积流量 由实验 ［16 ］可知聚乙烯 在设计温度 733K 下裂解， 产物为石蜡 39. 8， 烯烃 38. 9， 环烷烃18. 5， 芳香烃1. 7， 其他1. 1; 参 考石油各馏份分子量 ［17 ］， 取反应器内产物平均相对 分子质量 150， 按理想气体计算， 求得出口温度下平 均密度为 ρ PM RT 1． 013 105 150 8． 314 273 400 2 ． 72 kg/m 3 产物气体体积流量 V2 m2 ρ 1000 39．8 38．9 18．5 1．7 2．72 求得 V2363. 6 m3/h; 出口温度下氮气密度为0. 51 kg/m3， 已求得质量 流量 m15 341. 04 kg/h， 则出口温度下介质气体体 积流量 V110 472. 63 m3/h; 出口气体总流量为 V总 V1 V2 10 836. 23 m3/h。 3 裂解炉扩大段直径 DL DL 4V 3600πu 槡 t 4 10836. 23 3600 π 槡 0. 88 8 式中 V 为气体 出口温度压强下 的体积流量， m3/h; ut 为以 T、 P 计的允许吹出最小粒子的带出速度， m/s。 求得 DL2. 0 m 因扩大段安装旋风分离器将占 去部分体积， 所以取扩大段直径 DL2. 1 m。 2. 3. 4流化床裂解炉高度的计算 裂解炉高度包括四部分 流化床床层高度、 分离 段高度、 扩大段高度和锥形底高度。 膨胀比 R 的估算 ［18 ］ R 1 14． 314 u － umf 0． 738d1． 006 p ρ0． 376 p u0． 937 mf ρ0． 126 f 9 由式 9 得 R 2. 1; 为使反应时颗粒互不粘结影响反 应， 正常操作的空隙率 εf0. 90。 临界流化时的空隙率 εmf1 － R 1 － εf0. 8 1 流化床床层高度 Hf。 生产过程根据产量 m 1 000 kg/h 和临界流化 时空隙率 εmf算出固体颗粒的体积 WF m3/h ， 求出 临界流化时的床高 Hmf从而得到床层高度 Hf。 临界流化时的颗粒密度 ρmf 1 － εmf ρp 184 kg/m3 Hmf 4WF πD 2 R 4 m πD 2 Rρmf 3. 07 m 流化床床层高度 Hf R Hmf 2. 1 3. 07 6. 45 m 10 2 分离段高度 HD。 采用 Horio 提出的经验函数估算 ［14 ］ HD 2.7DR －0.36 － 0.7 exp 0.74uDR －0.23 D R 11 由式 11 求得 HD4. 95 m。 3 扩大段高度 HL。 扩大段高度需根据旋风分离器及经验确定。一 28 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 般扩大段的高度取其直径的 3 倍 ～4 倍， 设计取扩大 段高度为直径的 3 倍， 因此 HL 3 DL 6 m 4 过渡段高度 H。 反应段与扩大段之间为过渡段， 过渡段锥体角度 为 a 60。由密相段和扩大段直径， 可计算得到过 渡段高度 H＇ DL 2 － DR 2 /tan 30 430 mm 12 5 锥形底高度 H1。 锥形底角度为 a 90， 因此 tan a 2 tan 45 DR 2 H1 H1 DR 2 tan 45 0． 75 m 6 流化床裂解炉总高 H。 设备总高 不含吊柱 为流化床床层高度、 分离 段高度、 扩大段高度和锥形底高度之和， 即 H Hf HD HL H1 H＇ 18． 15 m 2. 4流化床裂解炉内部构件 气体预分布器 连接鼓风设备和分布板， 使气体 稳定均匀进入到床内。流化床底部的封头为锥形， 采 用锥形封头的预分布器。其结构型式为四套筒式的 锥形， 其间以筋板相错支承， 角度分别为 10、 30、 50、 70， 材料 0Cr18Ni9。 气体分布板 安装在床层底部使流体沿床断面均 匀分布同时在停止操作时支承床中物料。设计开孔 率 3. 31， 厚度为 20 mm， 铺设 100 mm 厚的保护层， 其上以正三角形排布安装 745 个开有侧孔的风帽， 均 以细 牙 螺 纹 与 分 布 板 相 连 接。分 布 板 材 料 为 0Cr18Ni9， 风帽材料采用高硅耐热铸铁 RQTSi5. 5。 挡板 为强化气固接触使床层流化平稳， 设置 16 块挡板， 每块挡板分 21 个区域， 由 20 块挡片组焊而 成。挡片倾角为 55， 挡片间距 60 mm， 挡板环隙为 30 mm， 第一块挡板与分布板的间距为 1 000 mm， 其 余之间间距为 500 mm; 挡板材料为 0Cr18Ni9 与壳体 采用筋板连接， 每块挡板下方焊有 6 块筋板以支撑 挡板。 气固分离器 选用直径 700 mm 的单筒 XLK 性扩 散式旋风分离器， 料腿下装有翼阀以防止气体过多上 蹿， 开工后， 料腿中积存的物料可借助自重经翼阀外卸。 旋风分离器为外购件由厂家安装， 翼阀材料为20 g。 2. 5其他部分 裂解炉设计温度和压力分别为 700 ℃， 0. 1064 MPa 绝压 ， 可采用耐腐蚀、 耐高温、 机械性能好的 0Cr18Ni9 高合金钢作为壳体材料。考虑稳定性、 各 种载荷及反应中的余量， 筒体及锥壳名义厚度 12 mm。通过计算可得流化床裂解炉正常工作时质 量为 19 661 kg， 停工检修时的最小质量为18 661 kg。 由于反应器为常压容器， 故只进行气密性实验。 气密性实验主要检验容器的各联接部位是否有泄漏 现象。气密性实验压力为容器的设计压力， 所用气体 为常态下的空气。 图 2 为流化床裂解炉的结构简图。 图 2聚乙烯废塑料化床裂解炉结构 Fig．2The simple diagram of the fluidized bed reactor structure 3小结 本文介绍了废塑料的热裂解法和聚乙烯废塑料 裂解的流化床裂解炉的设计方法， 通过合理分析计算 给出了废塑料流化床裂解的基本生产工艺、 对确定生 产条件下的操作数据 气体操作气速 、 反应器尺寸 反应器各段直径及高度 的计算进行了说明， 并设 计了反应器内构件的结构。废塑料流化床裂解炉为 实现安全稳定的连续生产、 降低能耗和成本、 提高产 率和产品质量打下了基础， 在废塑料处理及有效利用 领域， 有较好的应用前景。 参考文献 ［1］袁利伟， 陈玉明， 李旺． 废塑料资源化新技术及其进展［J］． 环 境污染治理技术与设备， 2003， 4 10 14- 17． 38 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 ［2］黄英， 颜红侠， 张秋禹， 等． 废塑料裂解制取液体燃料的研究 ［ J］． 塑料， 2002， 31 4 36- 40． ［3］Veba P G． Apparatus for recovery of fuel oils from waste foam plastics treatment［ J］． Umwelt， 1993， 23 5 301- 302． ［4］Ono T， Hirota T． Manufacture of low- boiling hydrocarbon oils JP 0386790［P］． 1991． ［5］冀星， 钱家冀， 王剑秋． 我国废塑料油化技术的应用现状与前 景［J］． 化工环保， 2000， 20 6 18- 22． ［6］废塑料连续裂解工艺及设备 中国， 101074385A［P］．2007． ［7］Faravelli T ， Bozzano G， Scassa C ， et al． Gas product distribution from polyethylene pyrolysis［J］ ． Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 1999， 52 87- 103． ［8］Mihai Brebu ，Thallada Bhaskar ，Kazuya Murai ，et al． Thermal degradation of PE and PS mixed with ABS- Br and debromination of pyrolysis oilbyFe- andCa- basedcatalysts ［J］．Polymer Degradation and Stability， 2004， 84 459- 467． ［9］Lidia Martnez，Alicia Aguado，Alberto Moral，et al． Fluidized bed pyrolysis of HDPEA study of the influence of operating variables and the main fluidynamic parameters on the composition and production of gases［J］． Fuel Processing Technology， 2011， 92 221- 228． ［ 10］肖睿， 董长青， 金保升， 等． 聚丙烯类废塑料空气气化特性试验 研究［ J］ ． 燃烧科学与技术， 2003， 9 4 348- 352． ［ 11］董芃， 尹水娥， 齐国利， 等． 废塑料制取液体燃料试验研究［J］． 化学工程， 2007， 35 2 64- 67． ［ 12］肖刚， 池涌， 倪明江， 等． 城市生活垃圾中聚乙烯塑料流化床气 化［ J］ ． 化工学报， 2006， 57 1 146- 150． ［ 13］袁中兴． 废塑料裂解制取液体燃料技术的研究 ［D］． 长沙 湖 南大学， 2002． ［ 14］陈炳和， 许宁． 化学反应过程与设备［M］． 北京 化学工业出版 社， 2009． ［ 15］廖传华， 任晓乾， 王重庆． 反应过程与设备 ［M］ ． 北京 中国石 化出版社， 2008． ［ 16］石葆莹， 于春婷． 城市废塑料裂解制汽油的研究［J］ ． 杭州化 工， 2006， 36 4 35- 39． ［ 17］孙昱东， 杨朝合． 一种计算石油馏分相对分质量的新方法［J］． 石油大学学报． 自然科学版， 2000， 24 3 5- 7． ［ 18］刘道德． 化工设备的设计与选择［M］． 长沙 中南大学出版社， 2003． 作者通信处胡玉莹710021陕西省西安市未央区陕西科技大学 855 信箱 E- mailpd01007163． com 2012 －11 －02 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 16 页 产物或其他沉积物在陶粒表面的逐渐积累所导致。 3结论 新型微电解材料 Fe0- C- Clay 陶粒应用于亚 甲基蓝模拟废水的处理， 发现陶粒未发生板结， 表明 利用 Fe0- C- Clay 陶粒改善微电解技术是可行的。 Fe0- C- Clay 陶粒可以有效缓解传统微电解填料的板 结问题， 水反冲洗可以使反应器恢复反应能力。微电 解填料的陶粒化对于微电解技术的推广应用有重要 意义。 亚甲基蓝模拟废水处理， 最佳试验参数为 亚甲 基蓝浓度为 1 000 mg/L， pH 5， A/L 1. 5， HRT 4 h， 在此条件下其色度去除率和 COD 去除率分别为 90和 58。 参考文献 ［1］王宝宗， 景有海， 尚文健． 采用内电解法对印染废水进行深度 处理［ J］． 环境工程， 2009， 27 S1 191- 193. ［2］王栋， 杨卫身， 周集体， 等． 催化曝气 － 微电解工艺处理石油炼 厂延迟焦化废水的中试研究［J］ ． 环境工程， 2000， 18 5 7- 9. ［3］王庆生， 郭春禹， 李靖， 等． 微电解 － 膜生物反应器组合工艺处 理焦化废水［J］ ． 环境工程， 2006， 24 3 26- 28. ［4］张子间． 微电解法在废水处理中的研究及应用［J］ ． 工业安全 与环保， 2004， 30 4 8- 10. ［5］Wu Suqing， Qi Yuanfeng， Gao Yue， et al． Preparation of ceramic- corrosion- cell fillers and application for cyclohexanone industry wastewater treatment in electrobath reactor ［J］．Journal of Hazardous Materials， 2011， 196 30 139- 144. ［6］姜兴华， 刘勇健． 铁碳微电解法在废水处理中的研究进展及应 用现状［ J］ ． 工业安全与环保， 2009， 35 1 26- 28. ［7］周家艳， 陈金龙， 李爱民． 内电解法处理染料废水的研究进展 ［ J］ ． 江苏环境科技， 2005， 18 2 43- 45. ［8］方淑琴， 曹炜． 印染废水处理探讨［J］ ． 环境工程， 2011， 29 S1 57- 58. ［9］Spadary J T， Isebelle L， Renganathan V． Hydroxyl radical mediated degradation of azo dyesevidence for benzene generation ［J］ ． Environmental Science ＆ Technology， 1994， 28 7 1389- 1393. ［ 10］GB 1191489 Water quality- determination of the chemical oxygen demanddichromate ［S］ . ［ 11］GB/T 17431. 21998 Lightweight aggregates and its test s- part 2Test s for lightweight aggregate［ S］． 作者通信处岳钦艳250100山东省济南市山大南路 27 号山东大 学环境科学与工程学院 电话 0531 88365258 E- mailqyyue58 yahoo． com． cn 2012 －10 －20 收稿 48 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期