一种用于聚合物热裂解前的预处理系统和方法
阅读说明：本技术 一种用于聚合物热裂解前的预处理系统和方法 (Pretreatment system and method used before thermal cracking of polymer ) 是由 胡进 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于聚合物热裂解前的预处理系统和方法,采用本申请的对聚合物进行热裂解前预处理的方法和预处理系统,热老化加上紫外线加速老化后聚合物的热解过程(从长链到短链)变得更加容易和快速,时间上也大幅降低。换句话说,完成整个热裂解过程消耗的能量更少。如果再配合催化剂的使用,将更进一步地降低热裂解的能耗。在大规模的废旧聚合物的热裂解处理项目中,原料常常是在仓库或户外大量堆积,因而可以根据本发明在热裂解前对原料进行充分地老化预处理,可以在后续的热裂解中节省能耗。(The invention discloses a pretreatment system and a pretreatment method for a polymer before thermal cracking, and by adopting the pretreatment method and the pretreatment system for the polymer before thermal cracking, the pyrolysis process (from long chain to short chain) of the polymer after thermal aging and ultraviolet accelerated aging is easier and quicker, and the time is greatly reduced. In other words, less energy is consumed to complete the thermal cracking process. If the catalyst is used in combination, the energy consumption for thermal cracking is further reduced. In large-scale thermal cracking treatment projects of waste polymers, raw materials are often accumulated in large quantities in warehouses or outdoors, so that the raw materials can be fully aged and pretreated before thermal cracking according to the invention, and energy consumption can be saved in subsequent thermal cracking.)
技术领域
本发明属于能源化工技术领域，特别涉及一种用于热理解前预处理聚合物材料的方法和系统。
背景技术
热裂解是有机物质在惰性环境(即，在没有氧气的情况下)[1]中热化学分解成不可冷凝气体、可冷凝液体和固体残留副产品、生物炭或木炭。
在单一的热裂解反应器中，必须排除氧气，否则产物中气体、油和炭会燃烧，从而损失产品并降低效率。在石化生产路线之前，热裂解一直用于从木材中生产有用的物质，例如甲醇、丙酮、乙酸和杂酚油，主要采用间歇式蒸馏法[2]。
如今，热裂解具有将塑料/橡胶/生物质等废物转化为有价值的产品，如燃料、电力、热和其他有价值的化学品和材料的巨大潜力，以实现最大的经济和环境效益。例如，由不同类型的塑料废物生产的液态油具有更高的热值，范围为41.7-44.2MJ/kg，类似于传统柴油的热值。因此，经过进一步处理和提炼后，它具有用于各种能源和运输应用的潜力[3]。
在《苏格兰零废物》的一份报告中，作者比较了使用1000公斤塑料热裂解生产660公斤柴油所产生的二氧化碳排放量与生产相同数量柴油的二氧化碳排放量[4]。与制造其他原材料(不包括废塑料)相关的排放量为13.0kgCO2。对于热裂解，这些是过程中消耗的氢气的结果。焚烧热裂解气体、蒸馏残余物和3％的柴油产品产生的现场排放量为56kg CO2。所有运输要素(产品和废物)相关的排放量为197kg CO2。根据这些数字，与热解相关的排放量为266kg CO2，与替代化石柴油生产相关的置换节省量为426kg CO2。总体而言，热裂解的净排放量为–160kg CO2。
城市固体废物主要来自处理一般废物流，包括绿色废物、食物垃圾和杂项产品(即皮革、纺织品、金属废料)，这些废物可作为不可堆肥材料进行分离[5]。尽管大多数城市固体废物最终都进入了难看的垃圾填埋场，但仍有大量垃圾被用于生产不同的增值产品，例如堆肥、饲料和沼气[6]。
大多数混合城市固体废物技术试图处理大量异质混合废物流。这对不想单独采购废物并寻求单一技术解决方案的政府很有吸引力。然而，为混合废物处理寻找技术解决方案的方法提出了独特的挑战，并不像更全面的源分离策略那样成功。气化、热裂解和等离子弧技术最适用于均质材料流。城市固体废物的异构性质不太适合这种类型的技术[7]。
Andrew和Jumoke的评论[8]表明，当应用适当的系统边界时，用于从废物中自我维持能源的城市固体废物裂热解工厂在热力学上未经证实，实际上是不可信的，并且对环境不利。没有发现使用天然气、石油或焦炭的自给式城市固体废物热裂解厂的实际例子。
对于均质材料流，一种节能方法是对废物进行预处理，通过去除湿有机物和惰性材料，同时保留废物流中的高能塑料。在将有机固体废物转化为能源的过程中，除了主要的热裂解能源消耗外，还会产生多种额外的能源消耗。原料分选、调理、干燥、切碎、热解气冷却/冷凝、可燃气体净化……如何降低各个环节的能耗，达到降低全过程总能耗、提高能效的最终目标。
存在于所有固体有机废物(甚至明显干燥的材料)中，存在于表面和细胞水平，因此除非干燥设置在系统边界之外，否则它必须包含在能量平衡中。在热裂解过程发生之前，从固体有机废物中去除这些水是高耗能的，因为液相和蒸汽相的潜热焓和显热焓以及汽化焓都很高[9]。因此，优选在温度可控、通风循环良好的热解系统外脱水干燥，其效果比在相对封闭的热解反应器中好得多，并且更节能。
在热裂解转化过程中，将长链碳氢化合物转化为短链碳氢化合物的过程需要额外的能量供应来驱动该过程，因此这过程需通过电力或通过燃烧额外燃料以异热方式提供的。一般来说，催化热裂解是在较低的温度和较低的能耗下获得更多石油或可燃气体的主要技术。
聚合物降解可由热(热降解)、光(光降解)、电离辐射(无线电降解)、机械作用或真菌、细菌、酵母、藻类及其酶(生物降解)引起。风化对聚合物的有害影响通常归因于一组复杂的过程，其中紫外线和氧气的联合作用占主导地位。在氧气存在下的整个光引发过程通常称为氧化光降解或光氧化。纯热效应是可能的，因为氧气始终存在，因此该过程是热氧化降解[10]。有许多不同的聚合物降解模式。它们非常相似，因为它们都涉及导致键断裂的化学反应。目前聚合物废物的主要来源为：聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚苯乙烯泡沫和橡胶。
紫外线的波长为10至400nm。在这些紫外线中，波长为10～300nm的部分被大气吸收。波长为300～400nm的紫外线具有破坏作用，其光能非常大。各种塑料在不同的波长区域受到影响。对聚酯最有影响的波长是325nm；318nm聚苯乙烯；聚乙烯为300nm；聚丙烯为310nm；聚氯乙烯树脂310nm；氯乙烯-醋酸乙烯共聚物的波长为322nm至364nm。
塑料最大的缺点，与金属和玻璃制品相比，其耐热性远为低劣，温度稍高，就会变形，而且易于燃烧。即使是热固性树脂,超过200℃也会冒烟，并产生剥落。塑料在长时间受热时，即使温度远低于热分解温度，也会引起材料的变化，比如降解、氧化、交联或水解等。这些变化将导致材料工作性能降低，所以塑料制品都是有寿命的。
鉴于此，在本发明中将脱水干燥后的原料在80℃左右进行较长时间的加热老化，该温度可以使绝大多数聚合物老化而不会粘结在载体上。而后再采用紫外线波长为280nm-400nm的UV紫外线灯管对原料再进行长时间的UV光加速老化作为预处理聚合物的手段，通过这样的预老化处理方式，从而达到后续热裂解能耗的减少。并由此设计出一种用于聚合物热裂解前的预处理系统。
发明内容
本发明的目的是针对聚合物尤其是废旧聚合物的热裂解，提供一种热裂解前预处理系统和方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于聚合物热裂解前的预处理系统，包括：上料装置、可控带式传送机、加热老化装置、UV光老化装置和自控装置；
聚合物原料通过所述上料装置卸在可控带式传送机的皮带上，加热老化装置和UV光老化装置串联设置在原料在皮带的行进路线上，依次对聚合物原料进行脱水烘干处理和UV光老化处理，全部流程由自控装置控制完成，控制聚合物原料脱水温度和时间，以及UV光老化的强度和时间。
进一步的，加热老化装置包括：一组以上的加热老化模块和引风排湿装置；
所述加热老化模块包括脱水烘干腔体、可控温加热腔体和排气管路；所述脱水烘干腔体套在传送机皮带的外部，可控温加热腔体设置在脱水烘干腔体的上部提供热源，可控温加热腔体和脱水烘干腔体之间连接处不密封，通过若干孔或孔隙流通水蒸汽，排气管路一端连接可控温加热腔体，另一端连接引风排湿装置，烘干时产生的水蒸气由引风排湿装置抽走；
加热老化模块数量为两组以上时，串联排列在传送机上。
进一步的，脱水烘干腔体内设置有温度计和非接触红外在线水分测定仪，用于检测腔体内的温度和聚合物原料的含水率，并实时传送给自控装置。
进一步的，可控温加热腔体内采用电或电磁加热。
进一步的，传送机皮带距离脱水烘干腔体顶部的高度为15～20cm。
进一步的，UV光老化装置包括一组以上的UV光老化腔体，UV光老化腔体套在传送机皮带的外部，腔体内顶部下方设置有若干紫外线波长为280～400nm的UV紫外线灯管；UV光老化腔体数量为两组以上时，串联排列在传送机上。
进一步的，传送机皮带距离UV光老化腔体顶部的高度为15～20cm。
进一步的，UV紫外线灯管的功率为至少40W，强度为至少30mW/cm2，UV光老化腔体内还设置有UV光源强度计，用于腔体内的UV光源强度，并实时传送给自控装置。
一种对聚合物进行热裂解前预处理的方法，包括以下步骤：
(1)将聚合物原料破碎后在80～90℃加热脱水到含水率为5％～8％，之后保持该温度继续加热至少48h；
(2)在紫外光灯下连续照射至少12d；所述紫外光灯发出紫外光的波长为280～400nm，功率为至少40W，强度为至少30mW/cm2。
一种聚合物热裂解的方法，对聚合物采用上述的预处理，之后对预处理后的聚合物进行热裂解。
采用本申请的对聚合物进行热裂解前预处理的方法和预处理系统，热老化加上紫外线加速老化后聚合物的热解过程(从长链到短链)变得更加容易和快速，时间上也大幅降低。换句话说，完成整个热裂解过程消耗的能量更少。如果再配合催化剂的使用，将更进一步地降低热裂解的能耗。
在大规模的废旧聚合物的热裂解处理项目中，原料常常是在仓库或户外大量堆积，因而可以根据本发明在热裂解前对原料进行充分地老化预处理，可以在后续的热裂解中节省能耗。
附图说明
图1是实施例聚合物在热裂解前的预处理系统结构示意图。
其中：1—上料系统；2—破碎原料；3—加热老化腔体；4—温度计；5—非接触红外在线水分测定仪；6—可控温加热腔体；7—排气管道；8—引风排湿系统；9—UV光老化腔体；10—UV紫外线灯管；11—UV光源强度计；12—下料系统；13—可控式带式传送机；14—减速电机；15—支撑架；16-自控系统。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示的预处理系统，聚合物原料2(废旧塑料或橡胶)在机械破碎之后由上料系统1卸在可控式带式传送机13的皮带上。该传送机13的速度由减速电机14根据所需的具体情况来控制。首先原料2进入到原料脱水烘干加热老化腔体3中，其上连接着可控温加热腔体6、排气管道7和变频式引风排湿系统8。然后传送机停止运行，原料2先进行脱水烘干处理，脱水烘干温度为80℃，其过程的温度和原料所含水分可由腔体3中内置的温度计4和非接触红外在线水分测定仪5来测定。腔体3由304或316不锈钢制成。其顶部距离原料2的距离约为20厘米。可控温加热腔体6的壳体由由304或316不锈钢制成，采用电或电磁加热，其加热的功率可以根据温度计自动调节。加热老化腔体和可控温加热腔体的连接处不密封，有若干孔/孔隙用于水蒸汽的流通。排气管道7连接每一个加热腔体6，并由304不锈钢制成。烘干时产生的水蒸气由变频式引风排湿系统8及时抽走，排湿系统8的排气量是可以根据需要调节的。因原料脱水烘干加热老化是相同模块的串联结构，可以根据原料处理量的大小设计腔体大小并串联更多的加热老化腔体、可控温加热腔体和排气管道部分，变频式引风排湿系统8选取更大功率的设备即可。
当非接触红外在线水分测定仪5指示原料中的水分减少至5％左右时，这时候引风排湿系统8可选取最小的排风量或者停止，然后另行进行至少48小时的加热老化处理，温度为80℃。
在完成脱水烘干加热老化这个流程之后，重新启动传送机13，将原料带进原料UV光老化腔体9之内。UV光老化腔体9的腔体由304或316不锈钢制成，顶部完全密封。在其腔体顶部下方布置若干紫外线波长为280～400nm的UV紫外线灯管，每根灯管功率为至少40W，UV灯强度至少为30mW/cm2，UV灯距离原料15～20厘米。腔体内的UV光源强度由UV光源强度计11来读取。对原料的UV连续老化处理不应少于12天。因UV光老化腔体9是相同模块的串联结构，在本发明中可以根据原料处理量的大小来设计腔体大小并串联更多的腔体9和内部的配套设施。当原料完成UV连续老化处理后，启动传送机13将原料卸入下料系统12之中。全部流程可由自控系统16来控制完成。
传送机由支撑架15支撑。
实施例1
采用上述设备PP颗粒2kg样品先烘干脱水，然后在90℃的条件下继续连续加热48小时，再使用UVA-340nm灯管，功率为100w，灯强度：30mW/cm2，对距离UV灯管20厘米的样品进行连续12天紫外线人工老化。
对比例1
未老化处理的PP颗粒2kg。
对比例2
自然老化处理(完全暴露在自然条件下)连续12天的PP颗粒2kg。
测试结果
热裂解实验在一台全自动5kW电磁感应加热热裂解系统中进行。在完全相同的实验条件下，不使用任何催化剂，对实施例1、对比例1、对比例2的PP样品进行了3次热裂解实验。3次热裂解实验环境温度为27±0.5℃。用于冷凝的冷水机设定温度为3℃，两次试验的冷水机启动时间完全相同。表1是测试结果。
表1不同预处理样品热裂解对比试验
从表1不难看出，在不借助任何催化剂的情况下，在相同的实验条件下，两种不同老化处理的PP颗粒与未经老化处理的颗粒在产油率上没有太大差异。但是，经过热老化加上紫外线加速老化的PP颗粒在约15分钟左右开始产生热解油，完成整个热解过程大约需要56分钟。自然老化的PP颗粒在约24分钟后开始产生热解油，完成整个热解过程耗时约77分钟。而未经老化处理的PP颗粒在约25分钟后开始产生热解油，完成整个热解过程约需78分钟。考虑到合理的偏差，短期自然老化的样品与未老化的样品相比几乎没有提高产油时间和缩短完成整个热解过程所需的时间。
然而，我们注意到热老化加上紫外线加速老化后PP塑料颗粒的热解过程(从长链到短链)变得更加容易和快速，时间上也大幅降低。换句话说，完成整个热裂解过程消耗的能量更少。如果再配合催化剂的使用，将更进一步地降低热裂解的能耗。
在大规模的废旧聚合物的热裂解处理项目中，原料常常是在仓库或户外大量堆积，因而可以根据本发明在热裂解前对原料进行充分地老化预处理，这样一来可以在后续的热裂解中节省能耗。
上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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