氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝

隋瑩

(昊華工程有限公司，北京 100143)

氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝

A new technology for oil extraction from waste tire pyrolysis with gas heat carrier

隋瑩

(昊華工程有限公司，北京 100143)

熱解技術是一種新興的廢舊輪胎資源化處理技術，輪胎熱解的液體產品，包含烷烴、烯烴類的油品及苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環芳烴等，而氣體產物主要包括CH4、C2H4、H2、C2H6等可燃氣體。本文從理論上分析了廢舊輪胎熱解成燃料氣、各類液體產品、固體炭黑和殘留鋼絲所需能量，并提出了氣體熱載體法熱解廢舊輪胎的高效新工藝，該工藝采用內熱法加熱，熱效率高，完全可實現熱解系統能量的自給自足，并實現了廢舊輪胎全資源化利用。

熱解；廢舊輪胎；熱解氣；油品

廢舊輪胎被稱為“黑色污染”，隨著汽車工業的高速發展，廢舊輪胎帶來的環保壓力也越來越大。其回收和處理技術是一項世界性研究課題，同時也是環境保護的難題[1]。現在我國針對廢舊輪胎循環利用的途徑主要有舊輪胎翻新、原形改制、生產再生膠和淀粉、熱解和熱能利用。熱分解是一種將廢舊輪胎徹底地分解為各種資源進行再利用的方式，可以為社會提供高附加值的燃料油、可燃氣體、炭黑等，有著很好的前景，但熱分解在我國的比例很小，研究熱解處理廢舊輪胎的新工藝有著很大的意義，針對此，本文提出了氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝。

1 氣體熱載體提油工藝

氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝的裝置包括切塊機、熱解爐、旋風除焦冷卻器、分餾塔、熱風爐和金屬蜂巢換熱器（如圖1），熱解爐包括干燥段、熱解段和灰段。原料廢舊輪胎經過切塊機切塊后，進入熱解爐內，經過干燥段進行干燥后，在熱解段內，熱解氣將原料廢舊輪胎加熱，廢舊輪胎熱解產生油氣；然后，熱解出來的油氣經過管道進入旋風除焦冷卻器中，分離的油品進入分餾塔進行進一步處理，熱解爐內被熱解完全的輪胎形成炭黑和鋼絲，在自身重力作用下進入熱解爐下部的灰段，從底部排出；最后，分離出來的熱解氣一部分通入熱風爐燃燒，另一部分進入高效金屬蜂巢換熱器；經熱風爐燃燒的熱煙氣通入金屬蜂巢換熱器與熱解氣換熱，被加熱的熱解氣通入熱解爐作為熱載體熱解廢舊輪胎以此實現循環。

圖1 輪胎熱解提油新工藝示意圖

輪胎熱解提油新工藝主要進行兩個過程：輪胎熱解、熱解產物分離得到油和熱解氣。熱解工藝包括四個部分：熱解爐系統、油氣冷凝回收系統、氣體處理系統、供熱系統，如圖2所示。

圖2 廢舊輪胎提油工藝流程圖

（1）熱解爐系統：進行廢舊輪胎的熱解，熱解產物進入油氣冷凝回收系統，炭塊等排出爐外，炭塊經冷卻、破碎、篩分后可得到炭黑粉料和經過造粒處理的炭黑顆粒。

（2）油氣冷凝回收系統：對熱解產物進行冷卻，并將油產品和熱解氣進行分離。常見的冷凝回收方式有循環水冷卻（水洗）和循環油產品冷卻（油洗）。

（3）氣體處理系統：由于輪胎中含有氮、硫元素，其熱解氣中含有氮硫化合物，在熱解氣再利用前需要進行脫硫和脫氮處理。

（4）供熱系統：供熱系統主要是為輪胎熱解爐提供熱源。

輪胎進入熱解系統經過破碎和篩分進入熱解爐，在爐內經過預熱段（被預熱）、熱解段（熱解）及氣化段（氣化反應）后生成的炭黑排出爐外。熱解生成的油氣從熱解爐后進入油氣冷凝回收系統，首先經過初步水洗回收大部分重質油；再進一步回收輕油，得到的油產品送往后續處理；剩余熱解氣進入氣體處理系統進行脫硫、除氮工序。經過處理的熱解氣進入供熱系統，一部分作為熱風爐燃料加熱，另一部分作為循環熱載體，經過熱風爐加熱后送入熱解爐為輪胎熱解提供熱量。此外，熱解爐氣化段需要大量飽和濕空氣，需要通過冷凝回收系統對空氣進行加濕處理。

2 工藝參數

溫度是影響廢舊輪胎熱解產物及產量的主要因素，目標產物、反應器等條件不同，所需的熱解溫度不同[2]。一般隨著溫度的升高，廢舊輪胎熱解油相產物的產量有先增大后減小的變化規律，550 ℃時有最大值；半焦的產率隨著溫度的提高而下降，在450～550 ℃時下降較為明顯，之后變化不大；熱解溫度對產氣率、析出特性和產氣組份有著明顯的影響[3]。隨著熱解溫度升高氣體收率上升，產氣析出速度加快；由450 ℃時的約300 s減小到850 ℃時的不到75 s；累積產氣量也有明顯的上升[4]。綜合考慮本文取熱解油達到峰值時的溫度550 ℃為熱解溫度。

廢舊輪胎熱解可形成氣體、液體和固體產物，氣體產物主要包括CO2、CO、H2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8、C4H6等，液體產物為熱解油，主要成分為烷烴、烯烴、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環芳烴，將其作為燃料油使用具有粘度低、輕質餾分油含量高的優點[5～7]。

實驗條件的不同、輪胎樣品的差異及計算方法的誤差等都可能導致研究者得出的輪胎熱解氣的GCV（gross calorific value）不盡相同，有的差異很大。本文對550 ℃時的熱解氣熱值進行計算，氣體產量占輪胎質量百分比17.6%，僅計算熱解氣的主要成分H2、CH4、C2H4、C2H6，計算結果如表 1所示[8]。

表1 燃料氣成分計算

輪胎熱解油熱值高（＞40 MJ/kg），完全可以將其整體作為燃料燃燒。Roy[9]將真空熱解油與CIMAK-B10重柴油進行比較，指出熱解油可以作為常規液體燃料，也可與重柴油混合使用以提高其霧化效果。Cunliffe[10]、Rodriguez等[11]在對廢舊輪胎熱解油熱值進行分析后也都指出熱解油可作為燃料使用。同時，熱解油較低的灰分、黏度和殘炭值也是其作為爐用燃料油的有利因素[11]。所以將熱解油代替部分石油原油作為燃料燃燒，可以在一定程度上緩解石油資源的匱乏。對于熱解油輕（質）餾分，Benallal等[12]將其與石油石腦油進行比較。發現熱解油輕（質）餾分比例大于石油石腦油，但熱解油輕（質）餾分以烯烴和芳烴為主，而石油石腦油則以飽和烷烴為主。因此，熱解油輕（質）餾分可以充分利用其高石腦油比例以及高芳烴含量，提取化工原料[13]。

3 能量衡算

輪胎的整個熱解過程反應過程所需能量為[14]：

式中：

ΣoutniHi——輪胎熱解產物的輸出焓；

ΣinniHi——輪胎熱解的輸入焓。

計算輸出焓時，主要考慮膠質部分熱解生成燃料氣和燃料油的部分；計算輸入焓時，應包括橡膠熱解發生質變所需能量以及在升溫過程中炭黑和鋼絲吸收的能量。由于輪胎成分隨品牌和產地有所差異，綜合考慮理論計算和實驗，每公斤廢舊輪胎熱解所需能量約為1 953 kJ。

1 kg廢舊輪胎熱解理論可得15%～20%燃料氣，38%～42%油品、34%～36%炭黑和8%～10%鋼絲。按處理1 t廢舊輪胎計算，相當于可以得到5 946.4 MJ發熱量的燃料氣，16 000 MJ能量的油品、0.35 t炭黑和0.9 t的鋼絲。

由于每噸輪胎熱解所得熱解氣發熱量為5 496.4 MJ，若直接燃燒熱解氣熱解輪胎，考慮到熱量不可能完全利用，工業生產按照60%～65%，則熱解過程實際所需要的能量為3 005～3 255 MJ/t，而所得熱解氣的發熱量遠大于輪胎熱解所需要的能量，故本文提出了氣體熱載體熱解廢舊輪胎的提油新工藝，即氣體與輪胎直接加熱的方式加熱輪胎，輪胎受熱分解產生油氣，然后冷凝收集得到高質量原油及氣體瓦斯。

4 結論

（1）本文提出了一種氣體熱載體加熱的直接換熱的廢舊輪胎熱解提油新工藝。氣體與輪胎直接加熱的方式加熱輪胎，輪胎受熱分解產生熱解氣，然后冷凝收集得到高質量的油品及熱解氣，該工藝充分利用了熱解氣的潛熱，實現了能量的自給自足。

（2）將廢舊輪胎在550 ℃下進行熱解，工業生產按照熱利用率為60%～65%，廢舊輪胎熱實際所需要的能量約為3 005～3 255MJ/t，經熱解可得15%～20%燃料氣，38%～42%燃料油、34%～36%炭黑和8%～10%鋼絲。每噸輪胎熱解所得熱解氣熱值為5 496.4 MJ，遠大于輪胎熱解所需的能量，輪胎熱解過程所需能量完全可以自給自足，并能儲存余下熱解氣。

（3）輪胎熱解的液體產品，包含烷烴、烯烴類的油品及苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯及稠環芳烴等，將油品作為燃料油使用具有黏度低、輕質餾分油含量高的優點。廢舊輪胎熱解產生的氣體產物主要包括CH4、C2H4、H2、C2H6等可燃氣體，僅計算熱解氣主要成分熱值即達5 496.4 MJ/t。

（4）2010年我國廢舊輪胎達到2億多條，按照每年處理2億條，即514.3萬t廢舊輪胎，熱解產生的產物包括 1.38×1010～1.51×1010MJ能量的熱解氣及205.72萬t（熱值＞40 MJ/kg）的油品，實現了全資源化利用。

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(XS-05)

TQ330.43

：1009-797X(2015)04-0045-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.007

隋瑩（1980-），女，工程師，畢業于北京科技大學熱能與動力專業，主要從事輪胎工廠設計工作。

2014-08-04