毕业设计（论文）-废轮胎裂解新工艺方案的设备设计.doc

毕业设计学生姓名： 学 号： 100609235 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 冶金工程 题 目： 废轮胎裂解新工艺方案的设备设计 指导教师： 评阅教师： 2014年06月毕 业 论 文 中 文 摘 要 本设计最大的特点，是利用了钢铁厂的废气；提出了一种高效、环保的具有很大吸引力的废轮胎的回收的工艺。论文主要针对这种绿色的设计理念，设计了相应的废旧轮胎裂解设备。包括预热仓，裂解仓，热风炉。与现存的以电能供热的设备相比，最大的优点和竞争力主要体现在热风炉上。本工艺摒弃了现存利用电能的设备，将钢铁厂的废弃物和废旧轮胎的裂解联系在一起，进行能量回收利用，减小了能耗，降低了成本，具有很好的前景。 论文研究和设计了氮气气氛下废旧轮胎的裂解工艺路线.并设计了预热炉和加热炉，改良了废氮气的回收与利用流程。详细设计了裂解100千克废旧轮胎具体工艺过程.其预热温度设定为260，裂解温度设定为500。 同时，本文充分利用氮气的惰性保护，选择了具有受热均匀的立式裂解塔，使裂解更加充分， 能量得到更加充分的利用。 关键词 废旧轮胎 热裂解 裂解设备毕 业 论 文 外 文 摘 要Title New equipment designprocess scheme ofwastetirepyrolysisAbstract The biggest feature of this design is the use of waste iron and steel plant, and process a high-efficiency environment protected recovery process of waste tire which is very attractive. In this paper of the green design principle, we design the corresponding waste tyre cracking equipment,including the preheating chamber, a cracking chamber, hot blast stove. Compared with the existing electric heating equipment, the biggest competitive advantage is mainly embodied in hot blast stove. The process has abandoned the existing use of electric power equipment, combines waste of steel and iron plant and the cracking of scrap tire , which recycles energy , reduces energy consumption, reduces the cost, so it has the very good prospect.The design of the pyrolysis process of waste tire under nitrogen atmosphere was studied and designed.And we designed the preheating furnace and heating furnace, improved the recovery and utilization of waste nitrogen process. The design of the100 kilograms of waste tyre cracking process is concrete and detailed, The preheating temperature set at 260 , 500 of pyrolysis temperature setting.At the same time, this paper makes full use of inert nitrogen, choose the vertical cracking tower which make the particle of waste tire heated uniformly, the energy utilized fully .Keywords Waste tire Thermal cracking Cracking device第I页 共页毕 业 设 计目 录 1绪论11.1 背景与现状11.1.1 废旧轮胎对环境的影响11.1.2废旧轮胎传统的处理方式21.2常压惰性气体热解技术31.2.1 常压惰性气体热解技术法定义31.2.2 常压惰性气体热解技术法原理41.2.3 废旧轮胎裂解反应的影响因素51.2.4 常压惰性气体热解技术法的特点51.2.5 常压惰性气体热解技术的应用61.3 废旧轮胎的分类和物理参数61.3.1轮胎的分类61.3.2 轮胎规格71.3.3 轮胎的速度等级71.4 课题的提出和主要研究内容81.4.1 课题的提出81.4.2 主要研究内容82 轮胎参数和裂解反应流程92.1 工艺路线92.2裂解反应的流程93 热解技术的主要设备设计113.1预热仓113.2裂解仓133.2.1 裂解仓中的问题和之前的设备133.2.2国内外设备比较133.2.3立式裂解塔结构143.3 蜂窝式加热炉173.3.1蜂窝式加热炉的容量173.3.2蜂窝式加热炉的加热原理183.3.3蜂窝式加热炉的大小设计19结 论20致 谢21参考文献22第 23 页 共 22页毕 业 设 计 1 绪论1.1 背景与现状 1.1.1 废旧轮胎对环境的影响 在现代的工业发展和高分子合成方法的进步指引下，橡胶制品已经广泛应用于国民经济的各个领域中。随着汽车工业的发展，对轮胎等橡胶制品的需求量也与日俱增，于此同时，废旧轮胎的生产数量也急剧增加。大量的废旧轮胎的堆积不仅占用土地、污染环境、危害居民健康，而且极易引起火灾，从而造成资源的很大浪费，是一种危害性越来越大的“黑色污染”。并且对废旧轮胎的处理已经成为十分紧迫的环境问题和社会问题。特别是随着汽车制造、运输等产业的发展，橡胶轮胎制品也因此得以快速的发展。2005年，全国轮胎产量达到31820万条，年产量首次突破了3亿条关口，仅次于美国和日本，成为世界第三大轮胎生产国l。我国是全球橡胶第一消耗国，年产轮胎超过4亿条。据中国汽车工业协会发布的统计数字显示：2010年我国汽车的产销双双突破1800万辆，同比增长32.44%和32.37%2。然而同时国内每年也生成高达数十万吨的废旧橡胶,其中约94%是热固性的，热塑性弹性体的制品占剩余的6%，而在热固性橡胶制品中,轮胎是主要的部分。 废旧轮胎是不熔或者难熔性的高分子弹性体，其高弹性，高韧性会在50-150内不会产生任何变化,具有非常强的的抗热，抗生物，抗机械性,并且很难降解,几十年都不会自然消讲解,可谓“顽固不化”。在其他方面中，随着现代橡胶工业的发展,轮胎的耐磨性和耐腐蚀性也越来越高，使得废旧轮胎对大自然中的生物降解基本上是“免疫的”的。大量的废旧轮胎长期露天放置不仅占用了大面积的土地，而且经过日晒雨淋后，非常容易滋生蚊虫，传播疾病；埋入地下的橡胶还会污染地下水源、破坏土壤的结构，会使粮食作物减产30%。除此之外，还容易引起火灾。历史上很多国家如：美国，加拿大，我国,都曾经因废旧轮胎的原因而引起火灾而蒙受过非常大的损失3。因此,随着废旧轮胎越积越多,它的回收处理将是一个必须面对的环保问题。同时，对废旧轮胎再生利用寻找新的出路也颇在眉睫。1.1.2废旧轮胎传统的处理方式近年，随着汽车产业的快速发展，每年报废轮胎的数量与日俱增，这些废旧轮胎假如处理不当，一方面对环境造会成严重的污染，另一方面也为火灾的发生埋下严重的隐患。当前废轮胎的环保处理方式是利用再生技术。本技术可以分为简单再生利用和改性再生利用两大类。其中，简单再生利用已有了如轮胎翻新和磨制精细胶粉技术。这些方法的工艺简单，操作起来很方便，但再生物性能却欠佳，经济效益也不高。改性再生利用是目前所有的方法中最为理想的废旧轮胎回收方法；其中改性的主要途径是：高温裂解技术。这方法基本上解决了废轮胎对环境的污染问题，又可以使废旧轮胎变废为宝，产生很好的经济效益，所以越来越受到各国的重视与厚爱。在20世纪90年代,各国最为普遍的处理方法是对废旧轮胎实行掩埋，堆放和作为燃料。目前，对废旧轮胎的处置方法大致分为四种：填埋，焚烧，生物降解和回收利用。从环境保护和能源节约的角度看，所有的方法中回收利用是最好的方法。其中，我国以再生胶为主，而国外以焚烧提供热能为主4-6。其实，其他的方法也是处理废旧轮胎最无奈的做法。但是随着地价的不断上涨，政用大量的土地做为掩埋堆放场所也会越也来越困难。由此来看，此方法前景暗淡。欧盟规定，到2000年掩埋方法必须淘汰。废旧轮胎大量掩埋或着堆放，对环境也会造成很大的污染。因此各国都在很积极地开发废旧轮胎的新用途新方法，并已经取得了十分丰硕的研究成果。废旧轮胎的处理方法中一般是以预防为主，然后再进行回收利用。目前，大家一致公认，应该按照优先程序来进行废旧轮胎的利用7-13。废旧轮胎是一种热值很高的材料（29-37MJ*kg-1)，其中每千克所产生的发热量分别比木头的高69%，比烟煤的高10%，比焦炭的高4%。因而被大家认为是一种有吸引力的潜在燃料。热能使用就促使用废旧轮胎代替燃料而使用。当做燃料直接燃烧或者将废旧轮胎破碎，然后按一定比例与各种可燃废旧物混合，配制成固体垃圾燃料，进行热能回收，此法操作生产起来会很简单，但会造成环境污染，所以不宜提倡。就当前的方法而言，热能利用是可最大量地消耗废旧轮胎很好的途径，主要原因是轮胎是橡胶、钢丝、纤维等多种各不相同材料的复合体组合而成，这也是废旧轮胎回收利用的难点所在。要制造胶粉，就要首先对废旧轮胎进行预处理，将废旧轮胎中的橡胶部分和钢丝、纤维部分分离，而热能利用的方法中却无此要求。但是，由于在此处理的过程中涉及到环境保护和热辐射危害等问题，这些年来热能利用已逐渐引起各国政府和环保组织的重视，在某些国家已经进展缓慢，另一方面，随着滚动阻力低的所谓“绿色轮胎”的不断开发和应用，由于在其胶料中利用大量不能燃烧的白碳黑来代替碳黑，而且这种开发趋势很大，从而会大大降低轮胎中的能量，从而也会淡化燃烧废旧轮胎来获取能量的观念。1.2常压惰性气体热解技术随着科技的进步，对废旧轮胎的处理方法的要求也越来越多，考虑的因素也越来越多。因为处理废旧轮胎的方法一直以来都是能耗很大的项目，所以也就造成了利润下降，也正因为这点使生产厂家望而却步，使对其的研究停滞不前，同时也是阻止了这个项目实现工业化的瓶颈所在。本论文最大的特点，是利用了钢厂的废气，包括高炉煤气和氮气。在裂解处理废旧轮胎的过程中，同时将钢厂的废气利用。完全符合新世纪人们所想的“变废为宝”的理念，是一个具有很大前途的研究课题。随着废轮胎对环境造成的污染程度的日趋严重，废轮胎的回收处理和作为二次资源的再利用这一课题已受到越来越多的重视。经过多年的探索，热解技术被公认是处理废轮胎问题的最佳途径之一。废轮胎的热解处理不仅没有污染物的排放，还可以回收炭黑、燃料油等有用产品，既有利于环保，又有一定的经济效益。因此，近年来各国都对该技术进行了不断地开发。但目前为止开发研究工作大都还仅限于该技术的工艺基础研究和实验室规模的生产14-19，而真正用于规模性工业生产的还几乎没有。到1997年为止，在美国还没有任何一台废轮胎裂解装置成功运行20。从文献报道来看，仅加拿大取得了突破性的进展，C . Roy21 用10年的时间把实验研究装置放到工业生产中，并在1999年成功进行了25/h ;规模的工业化试验，其年处理量为10kt 的工业生产装置当时也正处于设计之中。我国热解技术和相关设备开发研究还刚刚起步，近年来才开始进行了一些基础研究工作。其中温州化工研究所在该课题中取得了较大的进展，他们进行了年处理量2kt的裂解工艺及设备的设计开发，并得到了质量较佳的裂解产物。浙江大学化工系在有关部门的支持下，正在加快该项技术的工业化研究，在小试成功的基础上，进行了年处理量为3kt规模的裂解设备与工艺的开发，目前试验运行情况较为理想。1.2.1 常压惰性气体热解技术法定义现在轮胎的物理构成是由胎面胶、台边胶、胎肩典胶、三角胶、内面胶构成。内侧有层状结构，由外到内一次是钢丝环带，胎体钢丝层，胎肩钢丝层。轮胎是用天然橡胶,丁苯橡胶,顺丁橡胶等橡胶,根据轮胎的使用要求选择两种或两种以上一起使用,橡胶结合碳黑,硫磺等助剂后经过开炼机,密炼机的混合均匀,加工硫化成型而成的。通常用的轮胎,以天然橡胶和丁苯橡胶的用量最大。常压惰性气体热解技术法指的是将废旧轮胎在常压且在流动的热N2的气氛下进行裂解。本论文中，在进行废旧轮胎的裂解的时候充分和钢厂联系，利用了钢厂的废气和高炉的废气（主要是CO等可燃性气体）。随着废旧轮胎的大量产生，废旧轮胎的回收处理产业有了较大发展。目前我国废轮胎主要用于生产再生胶和胶粉。再生胶生产能耗高、污染重，在世界范围内逐渐被淘汰；胶粉产品在我国的市场应用还未大面积推广、生产能力有限。此外，橡胶产品经过2-3次重复利用后就不能再用于生产橡胶制品，“热裂解”技术是废轮胎循环利用的最终途径，也是废旧轮胎处理的重要方法之一。1.2.2 常压惰性气体热解技术法原理 常压惰性气体热解技术是在保护气N2的作用下，同时利用热N2带来的热量将废旧轮胎加热到裂解温度，使其发生裂解反应。同时加入崔化剂，降低裂解反应所需要的温度，进而减少能源消耗。在将反应产生的气体，固体等进行收集和分离，收集的过程。在整个流程中，废旧轮胎小块一直处于N2的气氛中，这样既保证了不被氧化，而且也可以使反应快速高效地进行。废旧轮胎热解是在缺氧或惰性气体中进行的不完全热降解过程，可产生液态、气态碳氢化合物和炭残渣，这些产品经过进一步加工处理可被转化成具有各种用途的高价值产品。“热裂解”技术可将废旧轮胎分解成45%的燃料油、35%的炭黑、10%的钢丝和10%的可燃性气体，经济价值很大。区别于“土法炼油”，“热裂解”技术可实现废旧轮胎中各类资源的充分回收，不污染环境。如液态产品可被转化成高价值的燃料油和重要化工产品-炭黑。提炼1吨炭黑需要2吨石油，国内60%的炭黑消耗在轮胎制造上，对炭黑的大量需求进一步加大了我国能源压力，如果该技术能够在技术成熟的情况下得到推广，不仅可以有效的处理废旧轮胎，消除污染，还可以从一定程度上缓解我国的能源危机，对节约能源、环境保护、实现资源循环利用等方面都具有重大意义。可见，废旧轮胎热解处理能够实现资源的最大回收和再利用，具有较高的经济效益和环境效益。废旧轮胎的热解反应在惰性气体氛围中进行。该技术多以硫化床作为热解反应器，使用的惰性气体为N2作为保护气体，并以一定的流速把热解反应产生的热解气体带出反应器，以减少再次裂解等反应的发生。其中，惰性气体的种类和流速对热解产物的产率与组成有较大的影响。该技术在试验研究中应用较多，常压热解的优点在于操作简便，油品的产量和质量便于控制。但在推广到工业化生产中，存在惰性气体，成本较高，以及热解气中混有惰性气体成分等问题。1.2.3 废旧轮胎裂解反应的影响因素像任何反应一样，废旧轮胎的裂解反应同样会受到各方面的影响，先将主要的影响因素续述如下：(1)预热温度的影响 废轮胎的热解过程存在两个主要失重过程，第一失重温度区间为200-500，第二失重温度区间为650-800，升温速率仅改变了热解的最大失重速率，并未改变废轮胎最终热解失重率。固定床实验表明:初始温度低于100 时，废轮胎在800时热解己基木结束，当终温为800，初始温度在100-550范围内时，随着初始温度的提高，固、气两相产物产率均提高，而液相产物产率降低，其中气相中H2，CO,CH4的含量高于初始温度小于100时的含量，分析认为：可通过调节热解的初始温度调节废轮胎热解在不同热解阶段的时间分配，适当提高热解初始温度有利于提高整个热解过程中的时间利用效率、改变废轮胎热解产物的分布，废轮胎热解气化的最佳温度区间为500-800。(2)废旧轮胎小块大小的影响在裂解反应中，废旧轮胎小块的大小直接影响到反应的进行程度和反应的时间效率等问题，所以合理的轮胎小块的大小的设计就显得十分重要。在本次设计中，我们将废旧轮胎小块的大小设计为1cm3大小的正方体。这样一来，不仅可以受热均匀，而且方便裂解仓中的搅拌和受热均匀。小块过大则不利于均匀的受热和搅拌，给反应的设备造成不便，综上所述，我们将废旧轮胎小块的大小设计为1cm3大小的正方体。1.2.4 常压惰性气体热解技术法的特点本设计最大的特点，是利用了钢厂的废气。包括高炉煤气(主要用于热风炉燃烧的原料)和氮气（主要是转炉利用氧气后将空气剩余的气体，主要是氮气）。在裂解处理废旧轮胎的过程中，同时将钢厂的废气利用。本文提出了一种高效、环保的有吸引力的热解废轮胎的价值增殖与能源和材料回收的工艺。轮胎的管理问题对生活有很大的影响，不仅不环保而且也难进行资源的维护。因为涉及到资源的枯竭、能源需求和废物管理的问题，这个问题急须采取综合办法治理。这个问题一般情况下为欧盟成员国解决，旨在二十一世纪结束前达到轮胎弃置在堆填区零的消费量，优化和扩展他们的待遇已经很好的研究方法，为了完成经济和环保之间取得平衡去找到新的解决方法。在这种情况下，报废轮胎的热处理可以发挥对资源（物质和/或能量）的恢复的作用。在过去10-15年，有几个基础的应用研究表明，如果仔细控制，轮胎热解可产生一些有价值的产品。热解固体残余物的最终目的也极大地影响热解的工业应用。1.2.5 常压惰性气体热解技术的应用本设计在实验室进行反应成功后，就可以进行扩大试验的阶段。接下来就是半工业阶段和工业生产阶段。可以进行工业阶段后，就可以将这个废旧轮胎裂解长靠近钢厂建立，充分实现废弃物的充分二次利用。1.3 废旧轮胎的分类和物理参数 1.3.1轮胎的分类 提起轮胎的种类，其实有很多种分法：有按车种分类的，有按用途分类的，有按大小分类的，有按花纹分类的，有按构造分类的。 按汽车种类分类;轮胎按车种分类，大概可分为8种。即：PC轿车轮胎；LT轻型载货汽车轮胎；TB载货汽车及大客车胎；AG农用车轮胎；OTR工程车轮胎；ID工业用车轮胎；AC飞机轮胎；MC摩托车轮胎。按轮胎用途分类:轮胎按用途分类，包括载重轮胎、客车用轮胎及矿山用轮胎等种类。载重轮胎除了在胎壁上标有规格尺寸以外，还必须标明层级数。但在这里需要告诉大家的是，载重轮胎的层级数并不是指它的实际层数，而是指用高强度材料帘线制作胎体的轮胎，其负荷性能相当于用棉帘线制作胎体的轮胎帘布层数。这是因为棉帘线是最早用于制作胎体帘线的，因此，国际惯例即以棉帘线层为表示轮胎层数的基准。不同层级，轮胎的负荷能力不同。即使相同规格的轮胎，因为它的层级数不同，它的负荷能力也不相同，所以，不同层级的轮胎，不能在同一轴上使用，否则，在高速行驶并负载的情况下就会发生危险。比如：解放车用的90020轮胎(16层级)就不能和90020轮胎(14层级)同用在一轴上，因为它们的层级不同，负荷不同，混用以后就容易发生危险。1.3.2 轮胎规格 轮胎规格常用一组数字表示，前一个数字表示轮胎断面宽度，后一个表示轮辋直径，以英寸为单位。例如165/70R14表示胎宽165毫米，扁平率70,轮辋直径14英寸的子午线轮胎。有的轮胎还含有其他的字母或符号，是有特殊含义的：“X”表示高压胎；“C”表示加强型；B表示斜交胎；“一”表示低压胎。 M、S分别是英文Mud和Snow的缩写，它表示这种轮胎适合于在冰雪和泥泞的道路上使用。某些轮胎的胎壁上标有箭头或OUTER SIDE字样，它表示轮胎的转动方向。如果胎壁上画有一个小雨伞标志，就表明这种轮胎适合于在雨天或湿滑路面上行驶。DOT标记表示这种轮胎通过了美国和加拿大运输部门的认证。在DOT标志后面通常跟一个4位的数字，而且与其他文字不同，不是早期模具出来的，是后期压在轮胎上的，如（1805），这表示轮胎的生产日期。05即2005年。轮胎上还有一个很特别的标志：磨损更换指示。不同的厂商有不同的标记，米其林是一个很小的轮胎人，倍耐力是显示出TWI记号，还有的轮胎用显眼的白色来表示。 1.3.3 轮胎的速度等级 速度等级表明轮胎在规定条件下承载规定负荷的最高速度。常用的速度等级有：Q 160公里/小时V 240公里/小时R 170公里/小时W 270公里/小时S 180公里/小时Y 300公里/小时T 190公里/小时H 210公里/小时Z ZR速度高于240公里/小时如果出现ZR，如P275/40ZR1793W, 那么最高速度等级（93W中的 W）为270公里/小时22。 1.4 课题的提出和主要研究内容1.4.1 课题的提出由于现存的废旧轮胎的裂解设备大都是在用电能进行加热，能耗大，使废旧轮胎的裂解成为能耗的消耗大户，效益较低。从而限制了废旧轮胎产业的进一步发展。针对这种情况，我们将钢厂的废弃物和废旧轮胎的裂解反应联系在一起，使能源得到充分利用的同时，减小了能耗，降低了成本，具有很好的前景。1.4.2 主要研究内容主要研究在废旧轮胎裂解反应中的主要的设备。由于之前的裂解设备大都是利用电能加热，而在本次设计中，是利用钢铁生产中的氮气做保护气，利用钢厂的高炉废气来做蜂窝式加热炉的供热燃烧气体，所以设备会有很大的不同。本设计就是针对这种改变设计出合理的设备。这些设备中包括预热炉，裂解炉，蜂窝式加热炉。2 轮胎参数和裂解反应流程2.1 工艺路线 如下图示：“图2-1 废旧轮胎裂解流程图”烟囱排出外售裂解气外售储油罐成品油烟气热风炉高炉废气燃烧器冷凝储气罐炭黑生产车间钢丝装袋成品库含微量杂质的炭黑预热仓轮胎清洗、去杂、磁选干净轮胎热交换钢厂废气（N2）预热仓轮胎清洗、去杂、磁选干净轮胎热交换钢厂废气（N2）烟囱排出 氮气裂解仓 N2的回收 热解气 图2-1 废旧轮胎裂解流程图2.2裂解反应的流程本论文采用间歇釜式反应器，对废旧轮胎及轮胎组成中的几种主要的橡胶，包括天然橡胶（NR）,聚丁二烯（BR），及丁苯橡胶（SBR)的热解和催化裂解行为进行了系统的研究，为通过催化裂解回收废旧轮胎提供坚实的理论基础。轮胎切成1cm3的小块的物理密度是800kg/m3,据此可以根据（代表轮胎的密度，代表参与本次设计的废旧轮胎的质量，代表废旧轮胎的体积可有前两项求出），设计中所有的物理量都是国际单位制。根据上述数据，得到体积大约为0.125m3。 先将废旧轮胎高温下裂解的主要流程叙述如下：(1) 将轮胎进行清洗，烘干等前处理，并添加适当的催化剂以降低裂解反应所需要的温度，以提高裂解的效率和生产效率；再通过螺旋输送机进入裂解塔内进行裂解，裂解气引入冷凝器冷凝得到裂解油与不凝气体。裂解油可直接作为燃料或进行进一步的蒸馏、分离等单元操作得到质量更高的油品；不凝气体通入缓冲罐，作为燃料气提供裂解反应所需高温的烟道气。裂解产物炭黑在炉内冷却到常温，从下方排出，再经螺旋输送器送入细磨机中细磨，再经分离得到质量较高的商品炭黑。烟道气从裂解塔排出后一部分通入热风炉与燃烧气混合，一部分用于烘干湿轮胎，剩余部分排放至大气中。(2) 关闭进料门，先向进料仓充入N2排出装置内空气，创造稳定的保护气气氛。在蜂窝式热风炉提供的热风下受热裂解，裂解反应装置由传送系统带动旋转，废旧轮胎由低温区向高温区移动进行反应裂解；(3) 控制系统通过控制热风炉送来热风流量来控制裂解反应的温度；(4) 裂解产生的油气在压力作用下从反应釜油气出口排出，现将其中的热N2进行回收，用利于进一步的裂解气净化。然后将除N2后的裂解气送进冷凝器；经过冷凝系统冷却，油气分为凝结的裂解油和不凝结的热解气；(5) 裂解油收集在集油罐中，可当做工业用油，热解气经过净化系统后进入储气罐，可作为热解反应提供燃烧的气体；(6) 控制系统根据液位传感器信号控制热解油在集油罐的与储油罐之间的自动存贮；燃烧烟气经过净化系统处理后直接排入大气，烟道中带出的热量可利用余热回收装置回收，进而用于烘干湿轮胎；(7) 裂解反应完成，反应釜冷却到一定温度，电机带动裂解反应装置反转，裂解碳从进料端传送到油气出口端，经螺旋出渣器旋转排出反应釜，实现自动密封出渣，钢丝由钢丝牵引机从进料口拉出，完成一次生产加工。3 热解技术的主要设备设计高效环保型废旧轮胎裂解设备主要由废旧轮胎预热系统，轮胎裂解系统，加热炉加热系统，送风系统，控制系统，预热回收系统，油气分离系统，固体回收系统和尾气处理系统。3.1预热仓将废旧轮胎切割成小块(1cm3左右)，然后将废旧轮胎小块进行清洗、烘干、初步磁选等工序后批量进入预热仓。在预热仓先进行充氮排空气的操作，使预热仓氧气排出，创造非氧化环境。然后在蜂窝式加热炉所产生的高温热风下进行预热操作，废旧轮胎的小块在预热仓中处于热的N2气氛中，防止了空气中的氧气对实验的干扰。这个工序目的是除去废旧轮胎小块中的水分，并且将其预热到260左右，为下一步裂解做准备。同时，在裂解仓的外部结构上设计抽气泵，将预热中产生的热蒸汽通过泵抽出废旧轮胎的裂解流程中。设计预热仓中的预热设备的外形如图3-1所示。水蒸气出口 废旧轮胎小块移动方向 图2裂解仓 图3-1预热仓 为了使轮胎样品很好的预热，裂解仓内部所充的氮气也是有温度的。同时，为了让轮胎小块达到预热后的260，裂解仓中的氮气温度设置为300。裂解仓中空腔内的氮气温度也设置为300。这样既可以减少设备之间内部的热应力，还可以高效的完成预热过程。裂解仓设计中分为两段，前半部分主要是加热中出去水分，后半部分的主要工作是将轮胎的样品快速升温。废旧轮胎的热熔是3500J/(kg*)，轮胎小块的密度800kg/m3.，这样得到的轮胎小块的体积大约是0.125m3，预热仓的大小根据这个体积数值设计为截面是500m的正方形，其内部是中空的，总长度设计为6000mm。加热的前半部分的长度是3000mm后半部分长度是3000mm。所以总体的预热仓的长度设计为6000mm，高度设计为500mm，在前半段的除空气过程中，抽空气的接口半径设计为100mm（目的就是尽量快速的和高效的除去仓中的空气）。 在设计预热仓中的预热设备主体的参数优化中外形如3-2图所示，将废旧轮胎小块放在空心的加热盒上表面，在加热盒里通过加热的氮气，通过热传导和热交换对废旧轮胎小块进行预热。 N2 图3-2 预热加热设备本次试验的废旧轮胎的使用量是100kg，根据之前查的轮胎的密度，和一些其他数据，可得100kg轮胎的一些其他数据。根据公式可得其体积大约为0.125m3。本次的裂解试验的设计是间歇式的反应过程。将0.125m3的废旧轮胎的小块放在预热仓主体的平板上，考虑到将小块加热的均匀性和热效率，将小块紧密的单层排列在平板上，所以在抽完空气后，轮胎小块进入预热主体的过程前段有一个控制高度的挡板，作用就是让小块单层紧密排列。鉴于轮胎小块的高度，把挡板的高度设置为2mm。在前半部分的除水仓中，由于需要将其加热产生的热蒸汽排出，所以使用的由热风炉送来的热风可以不达到300（可以使用管道回收的预热进行加热），但是不可以低于150。在抽出的热空气中，首先经过干燥装置除去其中的水分，之后就可以将干燥装置出来的气体进行回收重复使用，这样可以使能源得到重复利用使热量的利用率也增大。同样的，后半部分和前半部分由于有挡板的阻隔，所以可以在前半部分的除水段抽空气的时候，不至于对后半部分产生过大的影响。但是在后半部分预热阶段，所使用的有热风炉送来的热氮气的温度必须达到300，以保证将轮胎预热到规定的260左右。在整个阶段中，处于裂解板的废旧轮胎小块都随裂解板一起运动。为了使小块样品得到很好的预热，设置前进速度是0.3m/s。在20秒的预热过程中将小块预热到260后，送入到裂解仓，同时加入催化剂。照此预热仓需要的总热量大约是：W=cmt=3500*100*240 J=8.4*107 J 。（ c轮胎热熔是3500J/(kg*) m轮胎的质量100kg t预热前后的温度差240）3.2裂解仓裂解设备是实现裂解是最后的反应场所，它的设计成功与否是整个工艺的关键。在以前的很多的试验研究中，虽然都能得到质量很好的裂解产物，但迄今未能实现在工业化的大生产，主要的原因是没有设计出一个满足工艺要求的裂解设备。所以设计一个合格合理的裂解仓至关重要。3.2.1 裂解仓中的问题和之前的设备针对本裂解工艺的特殊要求，除了基本的反应条件要求外，在本裂解设备的设计中还应注意以下几个问题。(1) 进料的复杂性废轮胎种类众多，且随着橡胶工业的发展轮胎性能也在不断地改进，因此对裂解设备来说进料是很不确定的，相应地，要求设备的工艺参数在一定范围内应可灵活调节。(2) 密封性要求由于裂解气中富含氢气等易燃易爆的烃类气体，所以对裂解设备的泄漏应有较为严格的控制措施。(3) 高温的反应条件裂解塔内最高温度高达750，显然在炉体的密封与结构设计时，其炉内各结构的热膨胀量是必须考虑的关键因素。(4) 保温要求在裂解塔中若保温不当，裂解气易在裂解塔筒体低温部位冷凝液化而流入塔底炭黑产物中，不但影响炭黑产物的质量，甚至有可能形成粘糊状的大块物体堵塞炭黑排出口。3.2.2国内外设备比较在试验研究中，流化床、固定床等结构都曾被尝试作为裂解装置。在流化床中实现真空操作是很困难的，且裂解炭黑中易杂有砂等流化介质。在C Roy 等人开发的以熔融盐为传热介质的设备中，采用了双层加热盘片结构，如图3-3所示。其优点是采用卧式结构，安装较方便，且对密封要求低，较易实现真空操作。但该结构对操作要求很高，在操作过程中若发生断电等事故，一旦融熔盐发生冷却、凝固，将导致整套裂解装备的报废。图3-3外国裂解设备示意图1电加热器；2水平加热盘；3传动装置；4螺旋送料器；5密闭保温箱温州市化工研究所采用了回转筒的结构，结构示意图如图3-4所示7。裂解塔本体以一定的速度回转，为提高传热效果，本体外壁设置螺旋带，内壁设有翅片。该结构存在着大直径回转筒的动密封问题，因此不易采用分段加热方式。若仅采用图中所示的单段加热方式，则裂解反应集中区为烟道气的低温区，因此要确保橡胶小块达到一定的裂解温度，就要求有较高的进口烟气温度。图3-4国内开发裂解炉示意图1变距螺旋加料机；2烟道气进口；3裂解炉本体；4烟道气出口；5裂解气出口；6等距螺旋出料机在处理量加大、裂解炉本体长度加长时，问题更加突出。另外，本体外壁螺旋带与外壳之间也为动密封，且裂解反应中烟气流速一般高达20m/s以上，因此烟道气易发生短路，控制不当，也将大大降低传热系数。3.2.3立式裂解塔结构 图3-5裂解仓1-轮胎料块；2-烟道气；3-外壳体；4-加热盘；5-刮料组件；6-主轴裂解仓在废旧轮胎的整个裂解装置中是反应最核心的设备。适用于改性再生的技术，该技术主要是高温裂解，即废旧轮胎经过冲洗后切成1mm的小块，经过预热后，送入通有加热介质的装置，在催化剂作用下完全裂解，得到气态产物和我固态物钢丝和炭黑。其中气态产物再经冷凝可得可燃气和裂解油。这种方法既避免了废旧轮胎对环境的污染，又获得可观的经济效益，因此受到广泛的关注。裂解仓的主要结构主要由加热盘系统，冷却系统，刮料搅拌系统，传动系统和烟道气分离系统组成（见上图3-5）。塔上部布置的空心加热圆盘是进行裂解反应的主要场所，由间隔排列的大小空心圆盘组成，内部通有高温烟道气（由裂解产生的不凝可燃气和高炉废气在蜂窝式加热炉燃烧调温后送入），使加热盘表面保持较高的温度。上部刮料搅拌系统由主轴，耙臂和挂料耙叶组成，裂解塔下部布置的数层冷却盘，同样由间隔排列的大小空心盘组成，盘内通有冷却水。下刮料系统由下主轴，耙臂和耙叶组成。初步设定裂解1kg的废旧轮胎的N2使用量是0.5m3的N2。塔上部布置的多层空心加热圆盘是该裂解塔的主要部件，由间隔排列的大小空心圆盘组成，其内部通入700-750的高温烟气（由裂解产生的可燃气体燃烧调温后送入），使加热盘面温度保持在500-600。橡胶小块从塔顶进料口进入裂解塔内并落在第一层大加热盘上，然后在耙叶的推动下，从大盘外缘向内缘作螺旋线移动，最终从大盘内孔落入下层小盘；小盘上的料块在耙叶推动下从小盘内缘向外缘沿螺旋线移动，最终从小盘与塔壁间的环隙中落入下一层大盘上。如此内外交替，在加热盘上不断吸热升温和完成热裂解过程。耙叶、耙杆由转轴、主电机及减速传动系统带动下沿盘表面旋转。由于裂解反应生成的炭黑产物温度高达400，直接排出至空气易燃，故需进行冷却才可排出裂解塔。因此在该裂解塔的下部布置了数层冷却圆盘，同样由间隔排列的大小空心圆盘组成，盘内通入冷却水。裂解塔的出料系统如图3-6所示，炭黑在出料刮板的旋转推动下从排出口进入螺旋进料器中，再进入细磨机中。图3-6塔底炭黑出料系统1外锥筒；2刮料器；3出料口；4转轴；5安装门另外，对裂解设备要求较严格的密封问题在该设备中得到了较好的解决。设备中密封部位主要为塔底与塔顶的轴密封以及烟道气管道与筒体的密封，在以后的试验中发现，后者最为关键。烟道气进口管道内的烟气温度高达750，热膨胀量最大，此处的密封也最容易出问题。因此在该设备中，除了与筒体联接处的可移动密封装置外，还在筒体外部加了一带膨胀节的密封罩分别与筒体和烟道气管道相焊接，以保证该处的密封安全。从上述结构分析可知，该结构作为裂解设备主要有以下几点优点：(1) 传热效率高该设备以传导方式为主进行传热。橡胶块在盘面上沿螺旋线移动使橡胶块与盘面的接触加热路线延长了几倍，同时由于耙叶对橡胶块的不断翻动和搅拌作用也使盘面的热传导效率大大提高。(2) 结构简单该裂解塔中不存在难以加工的复杂结构，制造方便，经济，操作简单、安全。(3) 反应条件调节灵活耙叶、耙杆三维可调，可灵活调节橡胶小块在盘表面的径向移动速度，从而实现对裂解时间的调控；主电机采用调速电机，可宏观控制橡胶小块停留时间，保证裂解反应的完成；可通过预设控温点的温度来调节炉内温度并保持稳定；炉内压力可由风机来加以调节。(4) 自动化程度较高在中试过程中，所有辅助设备的开关控制以及所有测试点的压力、温度的显示与控制都集中在一块面板上，在实际操作中仅需1-2名操作工。并且下一阶段试验准备把控制板上所有信息采集到计算机中，由软件对整个工艺流程进行智能控制。目前已完成了年处理量3kt 的工业试验装置的制造与试验。该裂解塔筒体内径1600mm，总高9m；在塔内共设有9块加热盘，上面7块作为预热段分成3组并联，下面2块高温盘保证橡胶块的裂解充分；与加热盘相距一段垂直距离设有2块冷却盘，冷却盘内流道通常温冷却水。在试验中橡胶切块粒径大小为10-20mm，电机转速4r/min，加热时保证高温段小盘与筒体间隙处空气温度400左右，炉内压力控制在1.96kpa的负压水平。裂解仓的工作原理。切割成的废旧轮胎料从塔顶加料口进入裂解塔，在耙叶的搅动下，从大盘外缘想内做螺旋线移动，最后从大盘内孔落入下层小盘。小盘上的料块在耙叶推动下，从小盘内缘向外缘呈螺旋线移动，到达外缘后再从小盘与筒壁间的环隙落到下一层大盘。如此内外交交替，在加热盘上不断吸热升温，最终完成热解过程。裂解生成的炭黑经下部冷却盘冷却后从裂解塔底部连续排出，气态产物则从塔顶的油气出口管被风抽出，送冷凝器冷凝得到具有较高燃烧值的液态油和以及烃类为主的可燃性气体。一般情况下，蜂窝式加热炉在送风的过程中，刚开始的热风，由于温度不稳定，所以将其送达到预热炉中对废旧轮胎的小块进行加热。待热风炉中的风温和风量稳定后，再送入到裂解仓。整个裂解塔的加热盘分为预热段和高温段，通过并联管路供气。其中预热段完成升温和裂解的双重工作，高温段则是考虑到轮胎物料特性差异而进一步设置的加热盘，以保证废旧轮胎的完全裂解。废旧轮胎小块从裂解仓上部进入到裂解仓最上部的第一个裂解板上，同时在上部的入口处加入催化剂（催化剂的作用是降低裂解反应所需要的温度，节约能源提高效率）。裂解废旧轮胎的温度设置为550，裂解仓内充满着550的氮气，裂解仓的烟道气也是550的氮气。样品小块在裂解仓中逐层向下移动的过程中，挡板一直将其有上一层刮到下一层。在此过程中，挡板也起到了将小块样品搅拌的作用，使废旧轮胎受热均匀，快速高效的发生裂解反应。在本次设计中，裂解温度是600，设计裂解仓的裂解层数为10层，层层之间的高度设置为300mm，这样裂解仓的有效高度为3.0m。所需要的总热量是：W=cmt=3500*100*340=1.19*108J 。（ c轮胎热熔是3500J/(kg*) m轮胎的质量100kg t预热前后的温度差340 ）在裂解仓的顶部，有废旧轮胎小块样品的进入口，由于裂解反应设置发生为间歇式，所以这个进入口应设置为有挡板的试样。当样品进入的时候挡板打开使小块进入。在废旧轮胎完全进入之后，挡板关闭。在裂解仓的顶部，除了样品进入口外还有一个抽气孔。这个抽气孔的作用是将裂解产生的裂解热气抽出裂解仓，进行下一步的冷却分离操作。3.3 蜂窝式加热炉3.3.1蜂窝式加热炉的容量在之前进行废旧轮胎的裂解处理过程中，很多人认为其是能源消耗很大的工序，效益不是很好。究其主要原因，就是在轮胎裂解的过程中，供热源是电源，这样会造成很大的费用。针对这一情况，现在利用蜂窝式加热炉作为整个装置的热量来源，减小成本，获得更大的效益。蜂窝式加热炉的煤气来源是高炉煤气和在废旧轮胎裂解后产生的可燃性气体。高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为：CO, CO2, N2、H2、CH4等 其中可燃成分CO含量约占25%左右，H2、CH4的含量很少 CO2, N2的含量分别占15%, 55% 。将高炉煤气除尘后得到的可燃性气体可用于蜂窝式加热炉的燃料。我们在前面已经提到，裂解1kg的废旧轮胎的N2使用量是0.5m3的N2。在本次设计的实验中，预定的废旧轮胎的质量是100kg 的废旧轮胎的小块样品所需要的气体量就是50m3。有因为我们的设计的裂解反应是间歇式的，所以我们设计的蜂窝式加热炉的容量是单次可以输出大于50m3。预热仓的所需热量是8.4*107 J ，裂解仓的所需热量是1.19*108 J，总计热量，考虑到热量的散失等条件，是2.5*108J。3.3.2蜂窝式加热炉的加热原理蜂窝式加热炉的外形如图3-7所示：蜂窝式加热炉的原理：