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CN105462615B - 一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置及工艺 - Google Patents

一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置及工艺 Download PDF

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Abstract

一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置及工艺，该装置包括废塑料水平管式炉蒸汽热解部分、高温水蒸气气化部分、旋风分离除尘器部分和高温熔融部分。本发明首先将废塑料热解，产生热解混合气体和固体残渣；热解混合气体进行CO2吸附强化水蒸气气化转变为富氢合成气；固体残渣在熔池1400‑1600℃高温处理，高温处理燃尽可燃成分，也起到彻底毁毒的效果；最后从熔池中排出的残渣作为建筑材料，安全使用，整个处置过程不产生二次污染，是废塑料极为彻底的环境友好能源转化处理技术。

Description

一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置及工艺
技术领域
本发明属于新能源工程技术领域，涉及一种利用废塑料热转化制取富氢合成气和建筑材料的装置和工艺方法。
背景技术
我国塑料生产、消费数量巨大，这在方便人们生活的同时，每年产生的塑料废弃物超过1200万吨，“白色污染”问题日益突出。塑料大都以石油为原料的制品，具有较高的能源利用价值，目前的技术都侧重在废塑料制取油品方面，流程包括：热裂解，蒸馏、冷凝，分离等工序，最主要的是制取的油品质量很差，过程产生二次污染严重。在废塑料回收能源方面，无论是燃烧利用热能，还是热解、气化等方面，都存在着直接利用废塑料利用率不高和产生大量污染物的问题，尤其是因为温度不高和转化不完全所产生的复杂的氯化物污染物，诸如二噁英等，对人类造成了极大的危害。
全世界公认在废塑料热化学处置过程单纯一种处置技术难免会带来严重的污染问题，例如：单纯热解废塑料，由于热解不完全，剩余固体残渣形成二次污染，单纯气化废塑料，也形成大量有害污染气体，气化残渣中碳含量和有毒有害元素也造成巨大的环境问题，由于废塑料特性复杂，在较低温度就会软化，目前没有任何一种气化方式对废塑料能实现稳定、高效操作。
申请号为201410848534.X的专利申请公开了一种利用废弃塑料制取燃料油的制备工艺，首先将废塑料切碎加入裂解釜内，加入催化剂，控制温度在不同温度段内加热物料使其反应缓慢进行，收集不同温度段的馏分产物，最后冷凝成不同馏分产物，其工艺过程非常复杂，由于添加催化剂使得过程成本很高，而且很容易产生二次污染。
发明内容
针对现技术的不足，本发明提供一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置及工艺。
本发明首先将废塑料热解，产生热解混合气体和固体残渣；热解混合气体进行CO2吸附强化水蒸气气化转变为富氢合成气；固体残渣在熔池1400-1600℃高温处理，高温处理燃尽可燃成分，也起到彻底毁毒的效果；最后从熔池中排出的残渣作为建筑材料，安全使用，整个处置过程不产生二次污染，是废塑料极为彻底的能源转化环境友好处理技术。
为实现上述目的，本方案的技术方案是：
图1是整体装置图，一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置，包括废塑料水平管式炉蒸汽热解部分、高温水蒸气气化部分、旋风分离除尘器部分和高温熔融部分；废塑料水平管式炉蒸汽热解部分设置有水蒸气进口3、废塑料进料口2、水平管式热解炉4和混合排出口11；高温水蒸气气化部分与混合排出口11相连，设置有水蒸气进口12、氧化钙进口13、颗粒进口18和合成气出口15，除尘器颗粒由颗粒进口18进入水蒸气气化部分；旋风分离除尘器16与合成气出口15相连，设置有产品出口19和颗粒出口17；高温熔融部分与下料管9相连，设置有空气进口6、热解固体残渣进口8、固体材料排出口5，热解固体残渣通过热解固体残渣进口8进入熔池7。
使用上述装置制取富氢合成气的工艺，具体包括如下步骤：
(1)废塑料水平管式炉蒸汽热解
螺旋给料机将固体废塑料送入水平管式热解炉4，水平管式热解炉4中喷入高温水蒸气，废塑料在水平管式热解炉4内水平移动，在高温水蒸气和外加热作用下，废塑料发生热裂解生成热解气和热解固体残渣，热解气和水蒸气由混合排出口11进入气化炉膛14，热解固体残渣由下料管9进入熔池7；喷入水平管式热解炉中的水蒸气能够保护炉膛，同时由于水蒸气参与化学反应能够提高废塑料热解程度和热解气体中可燃组成含量，并有利于废塑料水平管的移动；
所述的废塑料在水平管式热解炉4内水平移动的进料速度为10-30kg/h；所述的水平管式热解炉4内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝1:1-1:3；所述的热解温度为400-600℃，热解部分所需要的热量由高温水蒸气及熔融部分残渣碳的燃烧放出热量提供。
(2)CO2原位吸附强化水蒸气气化制取富氢合成气
水蒸气由水蒸气进口12进入气化炉膛14，与气化炉膛14内的热解气发生气化反应，发生水蒸气重整，生成HCl、CO2、CO、H2和杂质气体；气化炉膛14内喷入氧化钙颗粒，HCl与CaO发生化学反应实现脱氯；来自旋风分离除尘器16的部分颗粒由颗粒进口18进入气化炉膛14继续进行气化反应；水蒸气重整与CO2反应实现气化吸附强化作用，提高富氢合成气中氢气含量，产品由产品出口19排出，富氢合成气含有少量未反应的杂质气体；
步骤(2)中典型的化学反应表示为：
CxHyOz+H2O→CO+CO2+CH4+H2+HCl+CaHbOc
CO2+CxHyOz→CO+H2
CO+H2O→CO2+H2
CO2+CaO→CaCO3
HCl+CaO→CaCl2+H2O
其中，CxHyOz为热解气，CaHbOc为杂质气体。
所述的气化炉膛14内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比H2O:C＝3:1-6:1；所述的气化反应温度为500-700℃；所述的气化炉膛14内氧化钙颗粒中钙与废塑料中碳的摩尔比Ca：C＝1:1-2:1；所述的氧化钙颗粒的粒径为0.40-0.90mm，所氧化钙颗粒的质量百分比为高于98％，其杂质成份包括CaCO3、MgO或CaCl2。
(3)热解固体残渣高温熔融处置
空气由空气进口6进入熔池7内与热解固体残渣发生燃烧反应，热解固体残渣中的碳燃烧放出热量，产生高温CO2，CO2为水蒸气气化重整提供热量的同时作为气化剂参与气化反应，熔融处置后的固体残渣形成氧化物建筑材料由固体材料排出口5排出；
所述的热解固体残渣中碳与空气中氧的摩尔比为C：O＝1:1～1:1.2；所述的燃烧反应的温度为1400-1600℃。
在产品气体出口采用色谱分析仪器分析氢气、甲烷、CO和CO2的含量，称量最后固体材料重量。
针对废塑料的特性进行蒸汽热解、CO2原位吸附强化水蒸气气化和高温熔融处置，蒸汽热解可有效加速废塑料的热解转化率，提高热解气品质，保护炉膛，从旋风分离器排出的颗粒回收到底部熔池中和热解固体残渣在熔池中1400-1600℃高温进行处置，残炭和可燃成分充分燃烧，放出热量，最后残渣形成氧化物建筑材料，能彻底消除有毒、有害的污染物，完全实现环境友好的废塑料能源高效转化，整个工艺方法对能量利用进行了优化配置，热解部分所需要的热量由高温水蒸气及熔融部分残渣碳的燃烧放出热量提供，熔融部分残渣碳燃烧产生热CO2提供重整部分的热量，CO2也参与气化反应，蒸汽气化部分添加氧化钙在同时脱除HCl同时，也能与CO2反应，起到吸附强化效果，消除CO2气体使过程不断朝生成氢气方向移动，产生富氢合成气，提高产品品质。
本发明的有益效果为：本发明能处理所有类型的废塑料，对原料具有广泛适用性，工艺流程简单，过程节能环保，不仅彻底解决了废塑料高效热化学能源转化问题，而且固体副产物可用于建筑材料领域，高温熔融能彻底消除有毒、有害的污染物，完全实现环境友好的废塑料能源高效转化，整个工艺方法对能量利用进行了优化配置；本发明能处理所有类型的废塑料，对原料具有广泛适用性，工艺流程简单，过程节能环保，不仅彻底解决了废塑料高效热化学能源转化问题，而且固体副产物可用于建筑材料领域。
附图说明
图1是一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的工艺示意图；
图2是实施例1的产品浓度；
图3是实施例2的产品浓度；
图4是实施例3的产品浓度；
图中：1整体装置；2废塑料进料口；3水蒸气进口；4水平管式热解炉；5固体材料排出口；6空气进口；7熔池；8热解固体残渣进口；9下料管；10下料管进口；11混合排出口；12水蒸气进口；13氧化钙进口；14气化炉膛；15合成气出口；16旋风分离除尘器；17颗粒出口；18颗粒进口；19产品出口。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细描述：如图1所示，一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的工艺方法，所述工艺方法由废塑料水平管式炉热解部分、CO2原位吸附强化水蒸气气化部分、旋风分离器气固分离部分和高温熔融部分组成，气化部分与高温熔池7通过下料管9连接。
CO2原位吸附强化水蒸气气化部分通过混合排出口11与水平管式炉热解部分相连，设置有水蒸气进口12、氧化钙进口13、合成气出口15、颗粒进口18，除尘颗粒通过颗粒进口18进入水蒸气气化部分，CO2原位吸附强化水蒸气气化部分通过热解固体残渣下料管进口10与下料管9相连；旋风分离器气固分离部分16通过合成气出口15与CO2原位吸附强化水蒸气气化部分相连，设置有合成气产品出口19、颗粒出口17；高温熔融部分7设置有空气进口6、热解固体残渣进口8、固体材料排出口5；下料管9通过热解固体残渣进口8与高温熔池7相连。
具体步骤包括：
(1)废塑料水平管式炉蒸汽热解
螺旋给料机将固体废塑料通过废塑料进料口2送入进水平管式热解炉4水平管式热解炉4由水蒸气进口3喷入高温水蒸气，在高温水蒸气3和外加热作用下，废塑料发生热裂解反应，热解气和水蒸气由混合排出口11进入气化炉膛14，热解气的分子式表示为：CxHyOz，热解固体残渣由下料管9进入熔池7；喷入水平管式热解炉中的水蒸气能够保护炉膛，同时由于水蒸气参与化学反应能够提高废塑料热解程度和热解气体中可燃组成含量，并有利于废塑料水平管的移动；
(2)CO2原位吸附强化水蒸气气化制取富氢合成气
由步骤(1)生成的热解气和水蒸气通过混合排出口11进入CO2原位吸附强化水蒸气气化炉膛，与来自于水蒸气进口12的水蒸气进行气化反应，发生水蒸气重整，生成HCl、CO2、CO、H2和杂质气体；从氧化钙进口13向气化炉膛14内喷入氧化钙颗粒，与HCl发生反应实现脱氯；水蒸气重整与CO2反应实现气化吸附强化作用，提高合成气产品氢气含量，即CO2与热解气发生气化反应生成CO和H2，炉膛内产生的CO与水蒸气发生水汽变换反应生成CO2和H2，氧化钙与CO2反应起到吸附强化效果，消除CO2气体使过程不断朝生成氢气方向移动，产生富氢合成气，提高产品气品质，富氢合成气含有少量未反应的杂质气体CmHnOy；气化炉膛14内的合成气由合成气出口15进入旋风分离除尘器16，在旋风分离除尘器16中分为产品和颗粒两部分，产品由产品出口19排出，颗粒部分通过颗粒进口18重新进入气化炉膛14，继续进行气化反应；
该过程中典型的化学反应表示为：
CxHyOz+H2O→CO+CO2+CH4+H2+HCl+CaHbOc
CO2+CxHyOz→CO+H2
CO+H2O→CO2+H2
CO2+CaO→CaCO3
HCl+CaO→CaCl2+H2O
(3)热解固体残渣高温熔融处置
由步骤(1)生成的固体残渣通过热解固体残渣进口8落入熔池7中进行熔融处置，热解固体残渣的碳与来自空气进口6的空气发生燃烧反应，产生高温CO2一方面提供气化部分热量，CO2也作为气化剂参与气化反应，熔融处置后的固体通过固体材料排口5排出可作为建筑材料。在所述装置的产品气体出口采用色谱分析仪器分析氢气、甲烷、CO和CO2的含量，称量最后固体残渣重量。
实施例1
以10kg/h进料速度将废塑料送入装置中，在水蒸气和外加热作用下控制水平管式热解炉4内温度为500℃进行热解，热解部分水平管式热解炉4内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝1:1，气化部分气化炉膛14内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比H2O:C＝3:1，气化炉膛14内氧化钙颗粒中钙与废塑料中碳的摩尔比Ca：C＝1.2:1，气化温度控制在600℃，氧化钙颗粒的粒径为0.40mm，进入熔融部分的热解固体残渣中碳与空气中氧的摩尔数C:O＝1:1，熔池中的温度控制在1500℃，系统连续操作1小时，采用GC分析产品气体成分，气体产品结果如图2所示，计算产品气体平均体积浓度为：17.5％的H2，0.6％的CH4,3.5％的CO2,8.7％的CO，其余为氮气和水蒸气，1小时收集的最后固体残渣为1.5kg。
实施例2
以20kg/h进料速度将废塑料送入装置中，在水蒸气和外加热作用下控制热解炉膛温度为400℃进行热解，热解部分水平管式热解炉4内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝1:2，气化部分气化炉膛14内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比H2O:C＝5:1，喷入氧化钙用量以钙摩尔比与废塑料中碳摩尔比Ca：C为1.5:1，气化温度控制在550℃，氧化钙颗粒的粒径为0.50mm，进入熔融部分的热解固体残渣中碳与空气中氧的摩尔数C:O＝1:1，熔池中的温度控制在1400℃，系统连续操作1小时，采用GC分析产品气体成分，气体产品结果如图3所示，计算产品气体平均体积浓度为：20.5％的H2，1.6％的CH4,2.5％的CO2,7.2％的CO，其余为氮气和水蒸气，1小时收集的最后固体残渣为2.1kg。
实施例3
以30kg/h进料速度将废塑料送入装置中，在水蒸气和外加热作用下控制水平管式热解炉4内温度为550℃进行热解，热解部分水平管式热解炉4内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝1:1.5，气化部分气化炉膛14内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比H2O:C＝3:1，喷入氧化钙用量以钙摩尔比与废塑料中碳摩尔比Ca：C为1.2:1，气化温度控制在600℃，氧化钙颗粒的粒径为0.50mm，进入熔融部分的热解固体残渣中碳与空气中氧的摩尔数C:O＝1:1，熔池中的温度控制在1600℃，系统连续操作1小时，采用GC分析产品气体成分，气体产品结果如图4所示，计算产品气体平均体积浓度为：16％的H2，0.2％的CH4,5％的CO2,12.5％的CO，其余为氮气和水蒸气,1小时收集的最后固体残渣为3.2kg。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用废塑料热转化制取富氢合成气的装置，其特征在于，包括废塑料水平管式炉蒸汽热解部分、高温水蒸气气化部分、旋风分离除尘器部分和高温熔融部分；
废塑料水平管式炉蒸汽热解部分包括水蒸气进口(3)、废塑料进料口(2)、水平管式热解炉(4)和混合排出口(11)；高温水蒸气气化部分与混合排出口(11)相连，包括水蒸气进口(12)、氧化钙进口(13)、颗粒进口(18)和合成气出口(15)，除尘器颗粒由颗粒进口(18)进入水蒸气气化部分；旋风分离除尘器部分与合成气出口(15)相连，包括旋风分离除尘器(16)、产品出口(19)和颗粒出口(17)；高温熔融部分与下料管(9)相连，包括空气进口(6)、热解固体残渣进口(8)和固体材料排出口(5)，热解固体残渣通过热解固体残渣进口(8)进入熔池(7)内。
2.使用权利要求1所述的装置制取富氢合成气的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)废塑料水平管式炉蒸汽热解
螺旋给料机将固体废塑料送入水平管式热解炉(4)，废塑料在水平管式热解炉(4)内水平移动；水平管式热解炉(4)中喷入高温水蒸气，在高温水蒸气和外加热作用下，废塑料发生热裂解生成热解气和热解固体残渣；热解气和水蒸气由混合排出口(11)进入气化炉膛(14)，热解固体残渣由下料管(9)进入熔池(7)；
所述的水平管式热解炉(4)内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝1:1-1:3；所述的热解温度为400-600℃；
2)CO2原位吸附强化水蒸气气化制取富氢合成气
水蒸气由水蒸气进口(12)进入气化炉膛(14)内，与热解气发生气化反应，发生水蒸气重整，生成HCl、CO2、CO、H2和杂质气体；气化炉膛(14)内喷入氧化钙颗粒，HCl与CaO发生化学反应实现脱氯；来自旋风分离除尘器(16)的部分颗粒由颗粒进口(18)进入气化炉膛(14)继续进行气化反应；气化炉膛(14)内生成的富氢合成气由产品出口(19)排出；
所述的气化炉膛(14)内水蒸气与废塑料中碳的摩尔比为H2O:C＝3:1-6:1；所述的气化反应温度为500-700℃；所述的氧化钙颗粒中钙与废塑料中碳的摩尔比Ca：C＝1:1-2:1；
3)热解固体残渣高温熔融处置
空气进入熔池(7)内与热解固体残渣发生燃烧反应，产生高温CO2，熔融处置后的固体残渣形成氧化物建筑材料由固体材料排出口(5)排出；所述的热解固体残渣中碳与空气中氧的摩尔比C：O＝1:1～1:1.2；所述的燃烧反应的温度为1400-1600℃。
3.根据权利要求2所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤1)中所述的废塑料在水平管式热解炉(4)内水平移动的进料速度为10-30kg/h。
4.根据权利要求2或3所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤2)中所述的水蒸气重整与CO2反应提高富氢合成气中氢气含量；所述的富氢合成气中含有少量杂质气体。
5.根据权利要求2或3所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤2)中所述的氧化钙颗粒的粒径为0.40-0.90mm，氧化钙颗粒的质量百分比为高于98％，其杂质成份包括CaCO3、MgO或CaCl2。
6.根据权利要求4所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤2)中所述的氧化钙颗粒的粒径为0.40-0.90mm，氧化钙颗粒的质量百分比为高于98％，其杂质成份包括CaCO3、MgO或CaCl2。
7.根据权利要求2或3或6所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤3)中热解固体残渣燃烧产生的高温CO2为水蒸气气化重整提供热量的同时作为气化剂参与气化反应。
8.根据权利要求4所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤3)中热解固体残渣燃烧产生的高温CO2为水蒸气气化重整提供热量的同时作为气化剂参与气化反应。
9.根据权利要求5所述的制取富氢合成气的工艺，其特征在于，步骤3)中热解固体残渣燃烧产生的高温CO2为水蒸气气化重整提供热量的同时作为气化剂参与气化反应。
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