废旧轮胎裂解毕业设计

毕 业 设 计 学生姓名 赵三明 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 代 娟 评阅教师 孙 兰 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 design process scheme of waste tire pyrolysis Abstract 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 毕 业 设 计 第 I 页 共 页 目 录 1 绪论 1 1 1 背景与现状 1 1 1 1 废旧轮胎对环境的影响 1 1 1 2 废旧轮胎传统的处理方式 2 1 2 常压惰性气体热解技术 3 1 2 1 常压惰性气体热解技术法定义 3 1 2 2 常压惰性气体热解技术法原理 4 1 2 3 废旧轮胎裂解反应的影响因素 5 1 2 4 常压惰性气体热解技术法的特点 5 1 2 5 常压惰性气体热解技术的应用 6 1 3 废旧轮胎的分类和物理参数 6 1 3 1 轮胎的分类 6 1 3 2 轮胎规格 7 1 3 3 轮胎的速度等级 7 1 4 课题的提出和主要研究内容 8 1 4 1 课题的提出 8 1 4 2 主要研究内容 8 2 轮胎参数和裂解反应流程 9 2 1 工艺路线 9 2 2 裂解反应的流程 9 3 热解技术的主要设备设计 11 3 1 预热仓 11 3 2 裂解仓 13 3 2 1 裂解仓中的问题和之前的设备 13 3 2 2 国内外设备比较 13 3 2 3 立式裂解塔结构 14 3 3 蜂窝式加热炉 17 3 3 1 蜂窝式加热炉的容量 17 3 3 2 蜂窝式加热炉的加热原理 18 3 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 毕 业 设 计 第 1 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 2 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 3 页 共 22 页 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 Roy 21 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 毕 业 设 计 第 4 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 5 页 共 22 页 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 CH 4 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 毕 业 设 计 第 6 页 共 22 页 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 900 20 轮胎 16 层级 就不能和 900 20 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 毕 业 设 计 第 7 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 8 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 9 页 共 22 页 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 氮气 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 m代表参与本vm 预热仓 轮胎清洗 去杂 磁选干净轮胎 热交换 钢厂废气 N 2 烟 囱 排出 N2的 回 收 裂 解 仓 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 毕 业 设 计 第 10 页 共 22 页 次设计的废旧轮胎的质量 v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 毕 业 设 计 第 11 页 共 22 页 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 1cm 3 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 毕 业 设 计 第 12 页 共 22 页 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 vm 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 c m t 3500 100 240 J 8 4 107 J 毕 业 设 计 第 13 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 14 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 15 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 16 页 共 22 页 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 毕 业 设 计 第 17 页 共 22 页 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 c m t 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 毕 业 设 计 第 18 页 共 22 页 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 H 2 CH 4 等 其中可燃成 分 CO 含量约占 25 左右 H 2 CH 4 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 首先关闭热风管道开关 冷风管道 打开煤气管道 烟气 管道 通过煤气管道通入煤气 之后在燃烧器的点燃下 将煤气点燃 由于有源源不 断的煤气进入加热炉 所以点燃的煤气会由燃烧室经过拱顶进入蓄热室 之后的燃烧 废气会经过烟管道后排出蜂窝式加热炉 排出的废气经过除尘系统 净化系统和预热 回收系统后排入大气 回收的热气壳用于预热废旧轮胎 在经过一段时间的蓄热之后 关闭煤气管道 烟气管道的阀门 打开冷风管道和热风管道的阀门 在冷风管道口通 入冷的氮气 1 6 7 2 8 3 10 4 9 11 5 12 毕 业 设 计 第 19 页 共 22 页 图 3 7 蜂窝式加热炉 1 炉壳 2 燃烧室 3 热风管道 4 燃烧器 5 煤气管道 6 拱顶 7 蓄热室 8 大墙 9 炉箅子 10 支柱 11 冷风管道 12 烟管道 经过具有自蓄热作用的格子砖 温度逐渐提高 最后热风由蓄热室进入燃烧室 经过 热风管道排出一定温度的热风 热风再经过送风系统进入裂解炉或者预热炉 对废旧 轮胎进行加热裂解或者预热 在整个过程中 我们可以发现 热风的供应是间断的 所以在实际的生产中 我们需要有至少 2 座热风炉 以保证热风的连续供应 3 3 3 蜂窝式加热炉的大小设计 根据设计中所需要的各种数据 我们将热风炉的额定单次送风量定为热 50m3 在 整个的预热和裂解的过程中 所需要的总热量是 2 5 108J 根据格子砖的自蓄热能力 将热风炉设计为截面有效半径是 2 5m 为有效高度为 3 2m 在热风炉的有效空间外侧 是保温设备 毕 业 设 计 第 20 页 共 22 页 结 论 本论文的结论如下 1 根据 100kg 废旧轮胎的裂解 计算了预热值 进而设计了预热仓的尺寸和结构 预热仓的截面是 500mm 的正方形 其内部是中空的 总长度设计为 6000mm 2 为了在裂解中降低能耗的目的 选了立式裂解塔结构裂解仓 之所以选择立式 结构的裂解塔 一是因为这样的结构 可以使加热的氮气和气体产物分离 为下一步 两者的分离提供了便利 二是加热的高温氮气 经过一步微加热后可以进行循环使用 继续加热轮胎 节约了能源 3 根据 100kg 废旧轮胎的裂解热值 设计了蜂窝式加热炉的结构和尺寸 加热炉 的截面有效半径是 2 5m 有效高度为 3 2m 有效容积为 60m3 4 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 毕 业 设 计 第 21 页 共 22 页 致 谢 本论文是在代永娟老师的悉心指导下完成的 在此衷心地向老师致以深深的谢意 老师耐心的指导 认真严谨的科研态度 深厚的学术功底以及勤恳求实的工作作风给 我留下了深刻的印象 不仅使本人树立了远大的学习目标 掌握了基本的研究方法 还使本人明白了许多为人处事的道理 本次论文从选题到完成 每一步都是在导师的 悉心指导下完成的 倾注了老师大量的心血 这里 我还要再一次的对老师说一声谢 谢 每当遇到弄不清的问题时 老师都会认真的给予解释 老师在备课的同时 还要 在百忙之中抽出时间来给我详细的解答 感谢毕业设计阶段以及大学时期对我的学习 上生活上无微不至的关怀 最后 感谢大学四年的生活 大学生活使我背上智慧的背囊 使我懂得了为人处 世之道 为我的社会人生奠定了很好的基础 由于学术知识有限 所写论文难免有不足之处 恳请各位老师和学友给予批评和 指正 毕 业 设 计 第 22 页 共 22 页 参考文献 1 中国橡胶行业分析报告 中国行业分析报 2005 1 4 159 162 2 李绍华 2013 年中国汽车工业运行情况及 十二五 汽车产业发张目标 轮胎工业 2013 39 6 142 151 3 袁俊霞 我国废旧轮胎的再循环利用 环境保护科学 D 北京 北京理工大学 2013 4 任志伟 孔安 高全胜 我国废旧轮胎的回收利用现状及前景展望 中国资源 综合利用 2012 27 6 490 502 5 于清溪 世界废旧轮胎的回收与再利用 一 世界橡胶业 2010 37 2 199 202 6 于清溪 世家废旧轮胎的回收与再利用 二 世界橡胶业 2010 37 2 151 153 7 刘玉强 废旧轮胎的回收利用 轮胎工业 P CN 1470455A 2013 01 28 8 张隐西 范茹良 废旧轮胎的总和利用 中国资源综合利用 2000 6 347 353 9 袁俊霞 我国废旧轮胎的再循环利用 环境科学动态 2013 9 1 93 97 10 韩金永 阴广欣 刘建华等 废旧轮胎的回收利用 化工技术经济 2004 3 1 156 161 11 邓海燕 废旧轮胎的凡种综合利用途径 中国资源总和利用 2010 3 12 325 331 12 刘银秀 潘志彦 钱小飞 废弃轮胎的热解回收技术 现代化工 J 2011 1 增刊 688 690 13 魏清林 武玺 废旧轮胎的回收利用 山西建筑 2012 6 4 72 79 14 Amari T Themelis N J Wernick I K Resources Policy 2005 190 2 3 314 15 Roy C Chaala A Darmstadt H J Anal Appl Pyrolysis 2002 4 3 610 614 16 Darmstadt H Roy C Kaliaguine S et al Carbon J J Catal 1984 86 2 254 265 17 刘阳胜 白庆中 李迎霞 等 环境科学 2000 5 21 36 45 18 HelleurR PopovicN IkuraM etal J Anal Appl Pyrolysis J J Alloys 2001 190 182 190 19 Allen J L Gatz J L Eklund P C Carbon 1999 3 1 1385 1485 毕 业 设 计 第 23 页 共 22 页 20 金建新 化工设计通讯 2008 24 1 159 165 21 陈凤珍 钱家麟 橡胶工业 2009 2 1 63 75 22 D3ZDESMDsFrcJS4dTr FU6Wq5dxioxa umdiYJCFGa 百度百科