（环境工程专业论文）废塑料制品的能源价值回收工程研究.pdf

摘要 摘要 废塑料是城市有机垃圾的主要组成部分，由于其难降解性，对环境造成了很大 危害。在处理废塑料的问题上，应以循环经济的理念，将其作为一种重要的资源和 能源加以回收利用，而不是简单地填埋。 通过对废塑料的成分组成、热值的分析，以及目前对塑料类垃圾的治理方法的 研究，提出废塑料的回收处理应以其资源能源价值的回收为主，并结合目前我国工 业基础，找到能够实现较大规模处理回收废塑料的现实可行方法。 运用炼焦生产工艺处理废旧塑料，能够进行较大规模的生产，对焦化产品产率 的提高有一定帮助，可以实现废塑料的资源化回收，对环境的二次污染也很小，是 一种现实可行的回收处理废塑料的方法。 本文重点研究了将运用炼焦生产工艺处理废旧塑料的方法投入实际生产的工程 设计方案。从原材料、燃料的供应、总图运输及布置、主体生产工艺流程及设备选 择，配套供排水、供电、通风与除尘等设施的合理配置、厂房建筑与结构的选用等 多方面进行深入细致的规划设计，对工程环保安全及消防因素分析、工程投资估算、 工程财务计算与评价等多方面进行深入细致的评价，使工程的建设不但能够满足生 产的需要，而且具有较好的环境效益、经济效益和社会效益，对具体运用这种处理 废旧塑料垃圾的方法进行工业化生产具有很大帮助。 关键词：废塑料；回收；炼焦：能源 北京【业人学i 程硕十学位论文 a b s e r a c t n o w a d a y st h em a i n m p o n e i l to fc i t yg a r b a g ei sw a s t ep l a s t i c i ti sv e r yd i f f i c u l tt od e g r a d a t i o n a n dv e r yh a r m f u lt ot h ee n v i r o n m e n t t h er e c y c l ee c o n o m yi d e ai st h ep r o p e rm e t h o dt ot r e a tw i t ht h e w a s t ep l a s t i c w es h o u l dt a k et h o s eu s e dp l a s t i cu sak i n do f r e s o u r c eb u tn o tw a s t e s a st h ep l a s t i ci sm a d eo fo i l p l a s t i cs t i l lh a v eh i g he n e r g y t or e c y c l et h eu s e dp l a s t i cw i t hi t s a l l e r g yv a l u ea sr e s o u r c es h o u l db et h em a i ni d e ao fw a s t ep l a s t i ct r e a t m e n tm e t h o d n o wc h i n ah a sa g o o d f o u n d a t i o n o f i n d u s t r y , i t c a n t r e a t a n dr e c y c l eu s e dp l a s t i c w i t hs o m e l a r g e s c a l e r e p l a c ep a r to fc o a lw i t hw a s t ep l a s t i ci nc o k ep r o d u c t i o nc a nw i t hl a r g es c a l e ，i ti sg o o dt o i n c r e a s et h er a t eo f c o k eo u t p u t , a n dw i t hl i t t l ep o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t i ti saf e a s i b l em e t h o do f w a s t ep l a s t i ct r e a t m e n t t h i sp a p e rp r o p o s e st h ec o m p l e t ef e a s i b l ed e s i g no f t h ep l a s t i c sr e f l l d i s p o s a lb yc o k i n gc r a f ta n d i n t r o d u c e st h ep r o j e c f s 州n c i p l ea n dp o s s i b i l i t yo f t h i se n g i n e e r i n gt e c h n i q u ef e a s i b i l i t y , t h er e a s o n a b l e a r r a n g e m e n to ft h ep r i m r yc r a f te q u i p m e n t sa n d k i tf a c i l i t i e s ，t h ee n g i n e e r i n gi n v e s t m e n t t h e e n v i r o n m e n t a le s t i m a t e ，t h ew o r k i n gs a f e t ye s t i m a t ea n dt h et e c h n o l o g ye c o n o m ya n a l y s i s t h ec o n s t r u c t i o no ft h ee n g i n e e r i n go ft h ep l a s t i c sr e f u s ed i s p o s a lb yc o k i n gi sb e n e f i tt ot h e e n v i r o n m e n t ，t h ee c o n o m ya n dt h es o c i e t y k e y w o r d s ：w a s t ep l a s t i cp r o d u c t s ：r e c y c l e ；c o k i n g ：e n e r g y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：阚；锰日期：二内。，。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：词 辁导师签名：岖镐毽r 期：加0 6 。j 第1 币绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 “白色污染”是指废弃在城市垃圾中废塑料包装物和废农膜对市容景观和生 态环境造成的破坏。由于塑料制品大多呈白色，废塑料对环境的污染被称为“白 色污染”。 目前针对塑料类垃圾的治理方法主要是填埋和焚烧，其他还有利用物理及化 学方法进行再生利用，进行生产单体精细化工产品、发电、机械回收生产再生塑 料等。填埋和焚烧虽然能进行较大规模的处理塑料垃圾，但其产生的二次污染问 题不容忽视。再生利用尚存在原料成分复杂、分拣手段限制、产品老化等诸多限 制条件，还不能进行规模化处理，对日益增长的大量塑料垃圾来说是杯水车薪。 由于塑料本身是由石油产品制得，本身含有较高热值，规模化处理塑料垃圾 的方向应是对其能源价值进行充分回收。本文研究的目的就是通过对目前技术上 可行的废塑料垃圾回收方法进行研究，找到一种能够规模化处理白色污染的有效 途径，并将其进行工程化设计，通过对工艺设备选择、辅助设施配置、环保安全 卫生消防因素分析、投资及财务评价分析，为彻底治理白色污染提供工程应用保 障。 1 2 废塑料的危害 废塑料对环境主要有两种危害，即“视觉污染”和“潜在危害”。 视觉污染是指散落在环境中的废塑料制品对市容、景观的破坏。在大城市、 旅游区、水体、铁道旁散落的废塑料给人们的视觉带来不良刺激，影响城市、风 景点的整体美感。 潜在危害是指废塑料制品进入自然环境后难以降解而带来的长期的深层次 环境问题。塑料结构稳定，不易被天然微生物破坏，在自然环境中长期不分解。 这就意味着废塑料垃圾如不加以回收，将在环境中变成污染物永久存在并不断累 积。 由于塑料制品大多呈白色，废塑料对环境的污染被称为“白色污染”1 。 1 3 废塑料的来源 依据废塑料的产生过程基本上有以下几种来源：一是来自塑料制品加工厂的 北京t 业人学t 程硕i 学位论文 边角料和废品。将热塑性树脂直接加工成型或经过配合混合后加工成塑料制品 时，不可避免地出现废品、残次品、边角料、下脚料、试验料、混合料等，这些 未经污染的塑料是再生品的最好原料。另一类是进口的可作原料的废塑料，它们 比较干净受污染程度较轻，而且成分相对单一，一般经过破碎即可利用。还有一 料就是来自各类塑料制品的使用和消费后的废品，从国内来看，主要是塑料容器、 饮料瓶、农用塑料膜、包装用塑料、塑料日用品等，这类废弃的塑料回收难度大， 因为他们使用量大、面广，而且颁布随机性强，大部分与城市生活垃圾混合，成 分复杂，很难保证原料质量的稳定0 1 。 依据塑料制品使用的流通渠道，这些使用后的废塑料来源可分为农业领域、 商业部门、家庭日用三方面。农业领域中废塑料包括家用地膜和棚膜、编织袋、 水利管件、塑料绳等。商业部门废塑料主要来自两方面，一是商品用的塑料包装 材料，如包装袋、打捆绳、防震泡沫塑料、包装箱、隔板等；另一个是商业部门 消费中的一次性废塑料用具，如旅店、饭店、旅游区、交通工具中产生的塑料食 品盒、饮料袋、盘、碗、碟等。家庭日用生活中产生的废塑料包括食品袋、购物 袋、塑料日用品、p s 泡沫塑料餐具和包装物等。 1 9 9 7 年我国塑料制品生产量为1 6 3 0 万吨以上，并以每年1 4 的速度增加。 据不完全统计，我国1 9 9 5 年各种塑料包装制品的产量为2 0 2 5 5 万吨，占包装总 产量的1 2 1 。1 9 9 6 年塑料容器产量为2 1 1 万吨，塑料薄膜为2 4 1 万吨，其中只 有约9 5 万吨的塑料包装容器被回收利用，其余大多数都进入了垃圾。2 0 0 4 年全 国塑料原料表观消费量为3 8 1 3 3 万吨，全国规模以上企业塑料制品产量累计完 成1 8 4 6 6 万吨，比上年同期增长1 2 ；其中塑料包装制品中主要产品( 包括薄 膜、板片棒材、塑料丝及编织制品、塑料包装箱及容器、日用及其他) 产量为 6 0 0 多万吨。泡沫塑料( 不包括聚苯乙烯一次性餐盒，1 9 9 9 年被禁止之前为5 万 吨左右) 8 5 9 5 万吨，同比增长一0 2 2 ，占总量的4 7 嗨1 。 塑料包装是塑料行业中比重最大的一部分，年平均增长率高于其他塑料制品 的平均增长率，达1 5 以上，为我国g d p 年平均增长率的近两倍，凸现其强劲 的社会需求和经济发展的客观需要。各种泡沫塑料由于其保温、隔热、减震、耐 腐蚀等优良性能，并且可根据需要调整发泡倍率有效地降低成本的特性，广泛应 用于建筑、包装、供热、交通、家具等各行业。目前我国城市垃圾中塑料废弃物 2 第1 帚绪论 占的比例已平均达到5 - l ( f o 左右，与发达国家相当。而我国的垃圾处置水平与国 外相差甚远，加上人们的环保意识不强，又缺乏有力的垃圾综合治理对策和措施， 致使垃圾流失严重，大量垃圾由于得不到有效管理而流失到环境中，造成垃圾中 的塑料废弃物散落在各处。废塑料在垃圾中占的比例从重量上看虽然不高，但从 体积上计算已占到1 3 以上。加上它不易被环境消纳，越积越多，塑料垃圾在环 境中十分明显，随垃圾的流失，给环境造成了严重污染”1 。 1 4 废塑料制品的成份 废弃塑料目前以p e 、p p 、p s 、p v c 等聚烯烃为主，近年来，p e t 、p c 等 废弃物也日益增多。以发泡或不发泡的膜、片、板、袋、盒、桶等形式混在固体 废弃物中。 聚丙烯代号为p p ( p o l y p r o p y l e n e ) ，聚丙烯耐热性优于聚乙烯，无荷载可达 1 5 0 。c ，常用作微一炉用品。可吹成薄膜，制作包装袋，挤出条带制作编织袋， 捆扎绳等。也可抽成纤维，俗称丙纶，制作袜子、地毯等。其分子式为： 十年h c h 2 十n c h l 聚苯乙烯代号为p s ( p o l y s t y r e n e ) ，因其透明度较好而用于日常生活用品、 仪表外罩等的生产。还常用于泡沫塑料的生产，制作包装材料，饭盒等。其分子 式为： 一c h 2 十n 聚氯乙烯p v c ( p o l y v i n y lc h l o r i d e ) 也是一种常用的塑料，为仅次于聚乙 烯的第二大塑料品种。添加不同量的增塑剂可制农膜、电线电缆外皮，建筑材料 如吊顶材料、板材料、管道等。废聚氯乙烯的燃烧会产生大量的剧毒物二恶英。 其分子式为： 十c h c h 2 十n c l 甲p r 北京t 业人学t 稃硕i 学位论文 聚乙烯代号为p e ( p o l y e t h y l e n e ) ，世界第一大塑料品种，用途极其广泛。根 据合成时的压力，分为高压聚乙烯h p p e 和低压聚乙烯l p p e ，高压聚乙烯h p p e 因其密度较小也称为低密度聚乙烯l d p e ，低压聚乙烯l p p e 则称高密度聚乙烯 h d p e 。高压聚乙烯h p p e 常用来制造农用塑料薄膜及日常生活用的食品袋，包 装袋等。聚乙烯无毒“1 。 其分子式为： - t c h 2 一c h 2 h 1 5 塑料垃圾的处理现状 1 5 1 我国的废塑料制品回收情况 我国塑料成分在垃圾中的组成增长迅速，目前我国城市垃圾中塑料废弃物占 的比例己平均达到5 左右，与发达国家相当。 表1 1 发达国家城市垃圾组成成分 国别有机物 纸 玻璃金属塑料织物无机废物 美国纽约2 2 o 4 4 ，81 1 68 o5 14 o4 5 法国巴黎2 8 82 5 31 3 14 11 4 37 1 7 3 英国伦敦 2 8 o3 7 0l o 86 o5 22 49 6 表1 - 2 我国城市垃圾组成成分 城市有机物厨余垃圾纸玻璃金属 塑料 织物无机废物 北京 3 o 5 6 11 l7 63 8 41 6 91 2 62 7 58 3 2 上海 7 0 8 5 8 ，5 56 6 84 0 52 0 01j 8 42 2 67 ，5 4 人迮2 2 4 7 7 3 3 93 _ 3 72 5 6 0 5 l 5 6 6 1 6 3 4 1 4 废塑料在垃圾中占的比例从重量上看虽然不太高，但从体积上计算己占到 1 3 以上，我国的垃圾处置水平与国外相关甚远，加上人们的环保意识不够强， 缺乏有力的垃圾综合治理对策和措施，大量垃圾得不到有效管理。 目前我国只有少数几个大中城市垃圾的无害化处置率能达到5 0 左右，大部 分仍为简易处理。而我国垃圾分类收集、处理起步晚，垃圾综合利用率低，造成 了垃圾中的废塑料回收率很低。据调查统计，我国塑料容器制品的回收利用率不 到2 5 ( 美国为4 5 ，同本为5 5 ) ，与国外相比，我国的塑料制品的回收利用 4 第1 辛绪论 率低一倍，而发泡塑料包装材料因其回收价值低，收集费用高，回收率更低，我 国塑料包装物的回收率是所有包装物中最低的，仅为2 5 左右印】。 1 5 2 国外塑料垃圾回收情况 根据美国华纳杂志公布1 9 9 5 年统计数据： 十一个西方发达国家年城市垃圾总收集量为5 亿吨，这十一个西方发达国 家年城市垃圾总回收率以美国最高，见图1 1 ： 图1 1西方主要国家成都市垃圾收集量及回收率 一九九五年美国的城市塑料垃圾占全部垃圾的收集量的9 1 ，是第三大分 类城市垃圾，当年总量达到1 9 0 0 力吨。见图l 一2 ： 北京t 业人学t 程硕i 学位论文 图l - 2 美国城市垃圾产生量 而当年美国城市塑料垃圾的回收量，则占全部垃圾回收量的1 8 ，在同样分 类比较中，倒数第一排名，当年回收量只有1 0 0 万吨。其余1 8 0 0 万吨城市塑料 垃圾只能被丢弃为填埋和焚烧。值得注意的是，被填埋和焚烧的城市垃圾，即使 进行了不同程度的能源化处理，也均不作为回收统计。见图1 3 ： 图1 - 3 美国城市垃圾各组成成份同收率 美国环保总署2 0 0 0 年公布统计数据，还提供了过去十五年来，美国各类城 市垃圾回收率的上升统计： 6 第l 章绪论 表1 - 3 美国各类城市垃圾回收率上升统计 1 9 8 0 矩1 9 9 5 芷 纸张 2 1 4 0 玻璃 5 2 5 金属8 3 9 塑料 2 5 从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年的城市垃圾分项回收率的发展预测，见表1 - 4 ： 表l _ 4 城市垃圾分项同收率发展预测 m a t e r l a l1 9 9 5r e c y c l i n gr a = r ep r o j r e c y c l i n gr a r e p a p e r p a p e r b o a z d 4 0 0 4 t o4 6 g l a s s2 4 5 2 7 t o3 5 f e r r o u sm e t a l 3 6 5 4 2 t o5 6 a l u r n i n u m3 4 6 4 6 t o4 8 p l a s t i c s5 | 3 7 t 0 1 0 y a r dw a s t e3 0 3 4 0 t o5 0 t o t a lm a t e r i a l s2 7 o 3 0 t o3 5 以上可见，即使在城市垃圾技术处于领先的美国，垃圾产生量排名第三的塑 料垃圾，回收利用率却为最低的事实无须质疑。更为明显的，塑料垃圾的回收处 理的发展速度，极大的低于任何其他城市固体垃圾的技术进步和投资规模。 1 6 废塑料再利用的主要途径分析 1 6 1 物理机械式回收废塑料 塑料由于它具有可塑性和能重复利用的特点，其循环利用能有效地减少资源 浪费和促进环境保护。西方发达国家的经验和做法值得借鉴，解决塑料发展与环 境问题的成功策略是实施循环经济的“三r ”战略，即塑料制品的减量( r e d u c e ) ， 再使用( r e u s e ) 和塑料废弃物的循环利用( r e c y c l e ) 。1 。 2 0 0 2 年4 月1 9 同欧洲塑料制造者协会最新发布的数据显示：2 0 0 0 年在所有 应用领域中再循环和以其他方法回收的塑料显著增长，减少了垃圾中的废塑料处 置。2 0 0 0 年，西欧塑料需求增长了3 ，达到3 6 7 6 9 万吨，但是通过机械再循环、 再生原材料和能量回收的总回收量增长了1 1 。2 0 0 0 年西欧塑料消费和回收的 一项分析显示：尽管塑料需求增长了使用后废弃塑料总量仍然低于所有材料的 北京t 业人学t 口硕l 学化论文 废料总量的1 ，废塑料回收的增长达到3 6 ，已经减少了废塑料的填埋，一个 最重要的因素就是减少了塑料对环境的负面影响。2 0 0 0 年有八个国家回收了超 过5 0 的包装用废塑料，他们是荷兰、瑞士、丹麦、挪威、德国、瑞典、奥地利 和比利时。据悉美国塑料工业协会( s p i ) 在全美设立了6 0 0 0 多个回收点，日本 也有近1 0 0 0 个。而在废塑料回收利用新途径上日本环境省计划在未来的8 年中 在全日本建1 5 0 个废塑料发电站，到2 0 1 0 年将目前垃圾发电量提高5 倍，使年 垃圾发电达量达4 0 0 万千瓦以上，要比风力和海洋发电造价要低。另外，日本川 崎钢铁公司将研究利用废塑料作为炼铁还原剂的技术。该公司计划在3 年内开发 出实用化的操作技术和设备“。我国首钢也在这方面做了尝试。而挪威政府则把 废塑料用在修建公路上，经多年使用证明，塑料公路使用期限长，能消除和减轻 路基下部建筑不稳而导致的路基损坏，而且弹性好，维修起来十分方便。可见国 外环境意识强的一些国家政府能够积极通过实际应用的演示和立法来尽可能地 保证资源的循环利用，刺激废塑料的回收利用和带动本国环保产业和事业的发 展，而且这已成为各国经济、社会、环境可持续发展的重要选择“。 从上述可以看出，由物理机械式回收废塑料是国际上通行的做法，也是资源 循环利用的最佳选择，符合我国的国情和有关政策，也是我们多年来一贯坚持的 做法。其基本回收工序为： 废塑料一预处理一鉴别一分类一除杂清洗一粉碎一造粒一循环利用 1 6 2 化学循环回收利用废塑料 一些塑料的回收由于物理法有其缺陷，从经济角度上讲不合算。需要化学回 收才更有价值、更科学。比如聚氨酯塑料，通过醇解、水解、碱解、氨解、热解、 酸解、加氢裂解等方法回收多元醇和其他一些物质，用于合成其他聚合物。 几乎所有塑料在高温高压条件下都能被裂解小分子物质，这种方法就是原料 回收的过程，属化学回收。但化学回收过程比物理回收耗费更多的能量，过程控 制要复杂的多，产生的气体、液体、固体残留物需要处理得好，才不会对环境产 生污染。 1 6 3 废塑料的最终处置 如果废塑料完全雀失了再利用价值，按垃圾的一般处理原则对待，填埋和焚 烧就是他们的最后选择。在上述列出的回收方法不可能使用的地方塑料废渣被允 第1 币绪论 许填埋。不回收能量的焚烧通常用来减少垃圾掩埋中废渣的体积，但焚烧炉被授 权是必不可少的，并且要满足与能量回收的焚烧炉同样的环境标准 1 6 3 1 无能量回收的焚烧： 能量回收和非能量回收的焚烧炉或装置的主要区别在于废弃物能通过热蒸 汽转换为电能的一种潜在能源。这两种类型的装置都能符合排放标准。 同样的关键因素是很重要的( 焚烧废物的性状、焚烧控制条件、废气的净化 和废渣的处置) “”。 1 6 ，3 。2 填埋： 填埋实际上仍然是绝大多数国家最普通的废物处置方法，巴塞尔会议已制订 出对有一种或更多毒性特征的废物确立特殊工程填埋的技术指导草案。这些指导 也考虑到现有的填埋地点，要求有严格的控制和经常的补救措旌。只有符合巴塞 尔会议指导要求的那些垃圾填埋才被使用。 已经注意到填埋的有机物被生物分解产生易燃的甲烷。用于普通塑料的聚合 物是惰性的，他们不能被微生物侵蚀。因为塑料不腐烂，在填埋中被看作是一种 稳定剂。 尽管塑料中的聚合物不被生物侵蚀，仍然注意到塑料中使用的添加剂被滤出 进入填埋场的水中。所以对废弃物在环境上合理有效回收和处置的技术指导是很 重要的，像地上焚烧的技术指导，尤其是工程填埋。 1 7 塑料垃圾现行处理技术 废旧塑料通常以填埋或焚烧的方式处理。焚烧会产生大量有毒气体造成二次 污染。填埋会占用较大空间；塑料自然降解需要百年以上；析出添加剂污染土壤 和地下水等。因此，废塑料处理技术的发展趋势是回收利用，但目前废塑料的回 收和再生利用率低。究其原因，有管理、政策、回收环节方面的问题，但更重要 的是回收利用技术还不够完善。由于技术真空，世界上还没有针对城市塑料垃圾 进行工业实践的成熟技术和项目。 先进的焚烧发电技术，通过焚烧塑料垃圾获得电能，但是其能源的耗费，由 于温度、压力、环保等的要求，远远超出塑料本身的能源价值。焚烧炉的出口烟 气温度必须达到1 0 0 0 度左右，同时确保在1 3 0 0 度以上的条件下物料保持2 秒以 上。流行的各类焚烧和涉及焚烧的裂解技术、汽化技术主流，都需要极高温度和 北京t 北大学t 荇顽f 学化论丈 压力“”。 全世界将近9 0 的城市塑料垃圾都被无可奈何的倾倒进填埋厂和焚烧( 发 电) 厂。投入到填埋和焚烧( 发电) 的能源代价，远大于人们所应得的能源回报。 因此，填埋和焚烧发电不能作为一种新兴的技术方向，只能是未来城市塑料垃圾 能源化处理技术的一种过渡。它们所进行的能源化努力虽然值得赞赏，但是其根 深蒂固的技术经济弊端和社会负面效果，已经使得各国政府对它们开始警惕，并 加以限制。 在国际上，除了焚烧和填埋，涉及城市塑料垃圾的处理技术五花八门，但基 本技术包含两方面内容：再生及改性利用技术、最终分解再利用技术。 1 7 1 废塑料的直接再生利用 废塑料的再生利用或者进一步改性后再利用是废塑料利用的最主要方法。各 个国家都把这种再利用方式作为再生资源的根本目标，因为这种利用再生废塑料 的投资和成本相对低一些。目前直接再生利用比改性利用普遍，但后者是发展方 向。 1 7 1 1 废塑料的直接再生利用 直接再生利用是指废旧塑料直接塑化、破碎后塑化、经过相应前处理破碎塑 化后，再进行成型加工制得再生塑料制品的方法。直接再生利用也包含加入适当 助剂组分( 如稳定剂、防老化剂、着色剂等) 进行配合，加入助剂只是起到改善 加工性能、外观或抗老化作用，并不能提高再生制品的基本力学性能。直接再生 利用的废旧塑料依据来源、清洁程度、混杂程度、使用目的的不同可以分为三类。 第一类是把单一品种的干净的废塑料直接循环回用或经过破碎后加以利用。例如 工厂产生的边角料等不合格品、商业部门回收的包装料和防震料，这类废旧塑料 不需要分拣、清沈鉴定，大都经破碎后掺入新料中使用；第二类是必需经过鉴定、 清洗干燥、破碎后造粒或直接塑化后成型。例如，废农膜、使用后的一次性塑料 制品家电配件和外壳、汽车配件等；第三类是经过特别的预处理后再利用，有的 可直接回用；有的经过粉碎、切碎、制毛、粘等提单加工为填充物、防震包装材 料，生产无纺布、隔音隔热板、加塑混凝土和土地改良剂等；还可以熔融切片造 粒，作为半制成品出售。 ( 1 ) 废聚乙烯( p e ) 利用 0 弟l 币绪论 废聚乙烯制品中农膜和家用塑料袋最典型，但其中的超薄膜回收有相当的 困难，直接再生利用工艺主要有： 开炼法塑化与模压成型 挤出法塑化与成型 吹塑中空成型 ( 2 ) 废聚丙烯( p p ) 的利用 利用废聚丙烯制作编织袋、打包带、捆扎绳、登记表盘、保险杠等是最常见 的利用方法。再生利用工艺有： p p 再生打包带 拉丝与纺绳 使用纯物理方法生产再生制品如农用地膜，包装薄膜和容器、编织袋、周转 箱等，它们的回收工艺与上述基本相同，大致的过程为：粉碎清洗一脱水烘干 造粒一各类制品，如：再生薄膜、再生电缆盘、污水管、货架等。聚丙烯回收料 的再生制品多为塑料打包带、捆扎绳等，由于再生塑料的老化，导致所有再生塑 料制品寿命短的特点，因此，很快又形成了塑料垃圾。 ( 3 ) 废聚苯乙烯( p s ) 再利用 废p s 泡沫塑料在1 4 0 。c 1 9 0 c 下烘烤，使其收缩脱泡，冷却后进行粉碎。 烘烤时会产生易燃气体需采取有效排气措施。将粉碎的p s 料通过挤出机挤出并 经过6 0 8 0 目滤网，熔融的p s 由模头挤出呈条状，冷却后切粒。 这种废塑料的回收，由于其物理特性。较其他废塑料的回收相对困难的多。 一方面它的体积大，密度小，同时在分选时，经常遇到塑料与其他物质分离的问 题，如纸、铝箔与塑料制成的包装物等；日本一家公司的回收方法为：泡末p s 的大块废弃物破碎一风选分离、除去杂质一清洗一干燥热风进一步干燥造粒。与上 述情况类似，在分选、尤其对其进行分离时，成本会大大提高1 。 ( 4 ) 废聚氯乙烯( p v c ) 再利用 制再生p v c 管材和制再生钙塑管材 制钙塑地板 用回收的p v c 鞋底制再生鞋底料 生活垃圾的废塑料中约有5 - 1 0 是废p v c 。p v c 垃圾分解出的氯化氢得不 北京t 业人学t 程硕l 学位论上 到处理构成了美国塑料城市塑料垃圾处理的巨大障碍。而p v c 包装材料回收的 分类则成为又一个瓶径。而对p v c 制成的农用地膜，我国回收的方式大致相对 简单一些；方法为：分选一破碎水洗一干燥造粒一再生制品。 ( 5 ) 其它废塑料再生利用 包括p e t 美工再造粒，尼龙再造粒等。 制粒再生塑料：常规的制粒再生塑料工艺过程是：收集一予分选分选破碎 分离杂质一湿研磨冲洗、脱水干燥熔融造粒注塑成型再生塑料制品。其中， 分选和分离是该工艺的重要工序。在分选中，一般采用以下几种方法；如：密度 法、浮选法、空气分选法、磁分选法、静电分选法、光学分选法、手工分选法、 低温分选法、旋液分选法等。有些塑料垃圾与其他物质粘合在一起，需要采用加 热法、湿浆法、电动分离法、化学分离法、打浆分离法、生物分离法等。 1 7 1 2 废塑料的改性利用 废塑料大量的再利用是采取复合改性利用，它能改善再生料的力学性能、满 足专用制品要求，包括采用活化的无机填料进行改性、用纤维进行的增强改性、 用弹性体进行的增韧改性、用不同树脂制备高分子的合金改性、改变塑料的高分 子链结构的化学改性等。几乎所有热塑性废塑料，甚至混有少量热固性废塑料都 可以再生回收，废塑料经过收集、分拣、清洗粉碎、干燥后热熔，用各种塑料成 型加工机，生产再生塑料板材、管材、棒材、片材、零部件、容器等。改性利用 是废旧塑料的发展方向“”。 1 7 2 废塑料的最终分解再利用 废塑料最终处理和利用是指废塑料基本上不再以塑料形式回用的最终处理 方式，废塑料不可能无限地回收循环利用下去，最终总要以不可用废物形式进入 环境中，或者改变其塑料的基本物理、化学性质而成为其它物质。典型的最终分 解处理再利用技术如下： 1 7 2 1 废塑料热分解油化技术等 热分解是把废塑料在无氧或低氧条件下高温加热使其分解，它可产生各种有 机气体，一般温度越高，气态的碳氢化合物比例越高。热分解温度取决于废塑料 的种类和组成以及回收的目的产品。温度超过6 0 0 的高温热分解主要产物是混 合燃料气，如h 2 、c i - h 、轻烃，温度在4 0 0 6 0 0 c 热分解主要产物为混合烃、 2 第1 币缔论 石脑油、重油、煤油混合燃料油等液态产物和蜡。聚烯烃等热塑性塑料热裂解主 要产物是燃料气和燃料油。废p s 塑料热解产生物主要是苯乙烯单体，而p v c 塑 料热分解产生h c l 酸性气体“”。 1 1 热裂解和催化裂解技术 由于裂解反应理论研究的不断深入，国内外对裂解技术的开发取得了许多进 展。裂解技术因最终产品的不同分为两种：一种是回收化工原料( 如乙烯、丙烯、 苯乙烯等) ，另一种是得到燃料( 汽油、柴油、焦油等) “。虽然都是将废旧塑 料转化为低分子物质，但工艺路线不同。制取化工原料是在反应塔中加热废塑料， 在沸腾床中达到分解温度( 6 0 0 9 0 0 c ) ，一般不产生二次污染，但技术要求高， 成本也较高。裂解油化技术则通常有热裂解和催化裂解两种。 日本富士循环公司的将废旧塑料转化为汽油、煤浊和柴油技术，采用z s m 一5 催化剂，通过两台反应器进行转化反应将塑料裂解为燃料。每千克塑料可生成 0 5 l 汽油、o 5 l 煤油和柴油。美国a m o c o 公司开发了一种新工艺，可将废旧 塑料在炼油厂中转变为基本化学品。经预处理的废旧塑料溶解于热的精炼油中， 在高温催化裂化催化剂作用下分解为轻产品。由p e 回收得l p g 、脂肪族燃料： 由p p 回收得脂肪族燃料，由p s 可得芳香族燃料。y o s h i ou e m i c h i 等人“”研制了 一种复合催化体系用于降解聚乙烯，催化剂为二氧化硅氧化铝和h z s m 一5 沸石。 实验表明，这种催化剂对选择性制取高质量汽油较有效，所得汽油产率为5 8 8 ， 辛烷值9 4 。 国内李梅等“”报道废旧塑料在反应温度3 5 0 4 2 0 ，反应时间2 4 s ，可得 到m o n 7 3 的汽油和s p 一1 0 的柴油，可连续化生产的工艺。李稳宏等。1 进行了废 塑料降解工艺过程催化剂的研究。以p e 、p s 及p p 为原料的催化裂化过程中， 理想的催化剂是一种分子筛型催化剂，表面具有酸性，操作温度为3 6 0 。c ，液体 收率9 0 以上，汽油辛烷值大于8 0 。刘公召。”研究开发了废塑料催化裂解一次 转化成汽油、柴油的中试装置，可日产汽油柴油2 t ，能够实现汽油、柴油分离和 排渣的连续化操作，裂解反应器具有传热效果好，生产能力大的特点。催化剂加 入量l 3 ，反应温度3 5 0 3 8 0 c ，汽油和柴油的总收率可达到7 0 ，由废聚 乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯制得的汽油辛烷值分别为7 2 、7 7 和8 6 。柴油的凝固点 为3 ，1 1 ，2 2 ，该工艺操作安全，无三废排放。 北京丁业人学丁程硕l 。学位论文 2 ) 超临界油化法 水的临界温度为3 7 4 3 ，临界压力为2 2 ，0 5 m p a 。临界水具有常态下有机溶 液的性能，能溶解有机物而不能溶解无机物，而且可与空气、氧气、氮气、二氧 化碳等气体完全互溶。日本专利有用超l 临界水对废旧塑料( p e 、p p 、p s 等) 进 行回收的报告，反应温度为4 0 0 6 0 0 c ，反应压力2 5 m p a ，反应时问在1 0 m i n 以下，可获得9 0 以上的油化收率。用超临界水进行废旧塑料降解的优点是很明 显的：水做介质成本低廉；可避免热解时发生炭化现象；反应在密闭系统中进行， 不会给环境带来新的污染；反应快速，生产效率高等。邱挺等1 总结了超临界技 术在废塑料回收利用中的进展。 3 1 气化技术 气化法的优点在于能将城市垃圾混合处理，无需分离塑料，但操作需要高于 热分解法的高温( 一般在9 0 0 c 左右) 。德国e s p a g 公司的s c h w a i z cp u m p c 炼油 厂每年可将1 7 0 0 t 废塑料加工成城市煤气 2 4 j 。r w e 公司计划每年将2 2 万吨褐煤、 1 0 万吨塑料垃圾和城镇石油加工厂产生的石油矿泥进行气化。德国h o c c h s t 公司 采用高温w i n k l c r 工艺将混合塑料气化，再转化成水煤气作为合成醇类的原料。 4 ) 氢化裂解技术 德国v e b a e o ! 公司组建了氢化裂解装置，使废塑料颗粒在1 5 3 0 m p a ，4 7 0 下氢解，生成种合成油，其中链烷烃6 0 0 、环烷烃3 0 、芳香烃为1 。这 种n t 方法的能量有效利用率为8 8 ，物质转化有效率为8 0 。”。 1 7 2 2 聚苯乙烯制涂料技术 发泡聚苯乙烯塑料的发泡剂与分散剂既没有促使树脂在分子结构上发生变 化，也没有使泡沫体在成分上增添什么影响树脂的新组分，有关红外光谱检测 p s 和p s f 一样，结构没有什么变化，这就为p s f 再资源化提供了理论和事实 上的依据目前有很多种最终利用技术，如生产快干漆、防水涂料、白乳胶、地板 胶、生物标本胶、指甲油涂饰剂等。 1 7 2 3 废塑料的水解回收聚合物技术 废塑料的化学分解法适用于较单一品种的无污染型废旧塑料，比较典型的是 水解法。水解法适用于含有水解基团的高聚物，这类高聚物多由缩聚反应而制得， 水解反应其实质是缩合反应。 1 4 弭l 辛 绪论 i 1 7 2 4 废塑料的焚烧处理回收热能 聚乙烯与聚苯乙烯的燃烧热高达4 6 0 0 0 k j k g ，超过燃料油的平均值4 4 0 0 0 k j k g ，聚氯乙烯的热值也高达1 8 8 0 0i d k g 。废弃塑料燃烧速度快，灰分低，国 外用之代替煤或油用于高炉喷吹或水泥回转窑。由于p v c 燃烧会产生氯化氢， 腐蚀锅炉和管道，并且废气中含有呋喃，二恶英等。美国开发了r d f 技术( 垃 圾固体燃料) ，将废弃塑料与废纸，木屑、果壳等混合，既稀释了含氯的组分， 而且便于储存运输。对于那些技术上不可能回收( 如各种复合材料或合金混炼制 品) 和难以再生的废塑料可采用焚烧处理，回收热能。优点是处理数量大，成本 低，效率高。弊端是产生有害气体，需要专门的焚烧炉，设备投资、损耗、维护、 运转费用较高。 1 8 目前塑料垃圾处理技术方法的缺陷 1 8 1 直接回收及再生利用 直接的再生利用和加工，以获得一般消费品产品为e t 的，虽然具有比较成熟 的工艺和项目，但是作为大量消耗城市塑料垃圾的出路则没有现实意义。这样的 直接消费产品具有如下限制性缺陷： 1 ) 产品质量无法和塑料制品相比美 2 ) 即使提高了质量，产品成本也无法允许市场竞争 3 ) 产品种类繁多，难以形成规模，从而造成小厂、小作坊行业 4 ) 二次污染问题繁多 5 ) 垃圾的产出率提高；并且没有根除垃圾的减量。 1 8 2 以获得单体化工原料为目的的再利用 企图以获得某一种单体化工原料而进行总体的城市塑料垃圾规模处理难以 实现，其原因： 1 ) 稳定的、大量的、单一资源难以获得( 除非有稳定的工业塑料垃圾来源； 分类检测手段虽然可以实现，但是投资巨大，单一品种的单体要求纯净度不具有 可行性 2 ) 即使获得该种资源，被筛选出来的其它塑料垃圾仍然没有出路，即使具 有工业意义，也不具备全面处理城市塑料垃圾的环保意义 北京t 业人学t 秤硕t 学位论史 3 ) 分类的、单一的城市塑料垃圾运输十分困难 4 ) 投资巨大，效益难以补偿 1 8 3 以获得燃料和燃油能源产品为目的 以获得燃料和燃油能源产品为目的，也仍然难以实现城市塑料垃圾总体规模 处理，原因可以归纳为： 1 ) 仍然没有摆脱特定城市塑料垃圾配比局限，因此仍然要把大量的城市塑 料垃圾投入填埋和焚烧( 最为典型的就是r d f 发电法) 2 ) 即使可能将相当的城市塑料垃圾投入到具有规模运行的技术上，如m a s s b u r n ( 全量焚烧) 发电，其热效率利用也乎其，能源回收的效率大打折扣 一 3 ) 环保问题并没有根除，不充分燃烧的生恶英时刻威胁着社会公众 4 ) 成品成本昂贵 5 1 将废料通过裂解制得燃料，是资源回收和避免二次污染的重要途径。德国、 美国、日本等都有大规模的工厂，我国在北京、西安、广州也建有小规模的废塑 料油化厂，但是目前尚存在许多待解决的问题。由于废塑料导热性差，塑料受热 产生高黏度融化物，不利于输送；废塑料中含有p v c 导致h c i 产生，腐蚀设备 的同时使催化剂活性降低；碳残渣粘附于反应器壁，不易清除，影响连续操作； 催化剂的使用寿命和活性较低，使生产成本高；生产中产生的油渣目前无较好的 处理办法等等删。 1 9 研究内容 本论文在系统了解并分析了塑料的特点及目前国内外对废塑料的回收利用 情况下，主要研究可以较大规模处理废塑料的技术手段。 本论文的研究内容和目标主要包括以下几个部分： l 在塑料中蕴含的能源利用价值研究 通过深入分析塑料的成份，以及城市垃圾中塑料所占的比重，研究塑料中的 能源价值，主要内容为： ( 1 ) 塑料垃圾的热值估算 ( 2 ) 塑料垃圾回收量折能源量计算 ( 3 ) 回收塑料制品能源价值的途径分析 6 第l 币绪论 2 废塑料与煤共焦化技术研究 ( 1 ) 技术理论及可行性分析 ( 2 ) 应用及展望 3 废塑料与煤共焦化基础实验研究 ( 1 ) 产物分布研究 ( 2 ) 焦炉中试实验研究 ( 3 ) 煤种的影响研究 4 废塑料与煤共焦化的工程设计 对废塑料与煤共焦化技术的应用进行工厂化设计，研究其工艺流程的配置、 工艺设备的选型，并为其配置公共与辅助生产设施，包括总图布置与运输、电力 与通信、给排水设施、采暖通风设施等，并对设计进行环境保护、劳动安全、消 防、节能评估，投资与财务评价。 研究提供一种能够规模化处理城市垃圾中的废塑料的可行的工业化手段。 北京 。业人学丁稃硕十学伊论文 第2 章塑料垃圾的能源价值及回收途径分析 2 1 塑料垃圾的热值 塑料产品是由石油生产而来，因此在其中蕴含着较高的热值，那么在城市垃 圾中的废塑料，其能源价值有多少，从以下数据可以得到一些答案。 根据美国环保总署公布资科显示，城市塑料垃圾，是各类城市固体垃圾中能 源价值最高的垃圾。 其能源价值的考虑从两方面表示：热值量及基本化学属性。 2 i 1 热值量 以下美国公布的比较资料说明塑料热值与其他垃圾的比较： 表2 - i 美国同体废物成分分析表 物科名称 ch0nc is永份 灰份 h h v f b t l l 1 6 ) 混合垃圾 2 75 3 7 2 0 60 4 50 5o 8 32 3 上2 3 4 4 8 3 0 瓦楞纸 3 6 7 960 83 5 4 10 1 l 0 1 2 0 2 3 2 0 2 2 66 3 2 2 报纸 3 6 6 24 6 63 1 7 60 1 l0 1 l0 1 92 51 5 56 2 3 3 杂忐 3 2 9 34 ，6 43 2 名5o j jo 1 3n 2j1 61 3 1 35 4 6 6 其他纸张 3 2 4 l4 ，5 i2 9 9 l0 3 l 0 6 l 0 1 9 2 3 9 0 65 4 8 l 塑料 5 6 4 37 7 98 0 5o 8 530 2 91 58 5 91 1 5 8 6 橡胶，皮革 4 3 0 9 6 3 7 1 1 5 7 1 3 4 4 9 71 1 71 02 2 4 9 3 4 3 3 木头 4 l - 25 ，0 33 4 5 5o 2 4o 0 90 0 71 62 ，8 26 9 3 3 纺织品 3 7 2 35 ，0 22 7 1 l3 1 l0 2 70 2 32 51 9 86 5 9 5 庭院杂物 2 3 2 92 9 31 7 ，5 40 8 9 0 1 3 0 1 5 4 5 1 00 74 0 0 5 厨余 1 7 9 32 ，5 51 2 8 51 1 30 3 80 0 6印5 13 2 6 5 表中h h v ( b t u 1 b ) 指高热值，b t