Kỹ thuật & Công nghệ

Cải tiến trong công nghệ nhiệt phân lốp thải loại theo mẻ (phần I)

Một trong những mục tiêu là cung cấp cho các doanh nhân trong ngành này, những người khởi xướng dự án, các nhà đầu tư và công chúng, cái nhìn sâu sắc hơn về một nền kinh tế vòng tròn đang phát triển nhanh chóng. Đồng thời, loạt bài viết này cũng nên là một kích thích để thảo luận.

Trong bài viết hiện tại, chúng tôi giải quyết câu hỏi làm thế nào những lợi thế của một cổ điển Thiết kế quy trình lò phản ứng theo lô có thể được kết hợp với thiết kế của chế độ quy trình liên tục. Chúng tôi tham khảo các tài liệu khoa học phong phú và những phát hiện của các công ty thành công trong ngành.

Giới thiệu

Mỗi ​​năm có khoảng 3 tỷ lốp xe được sản xuất trên toàn thế giới . Những chiếc lốp này đã hết tuổi thọ sau một thời gian sử dụng tương đối ngắn, do đó tạo ra lượng lốp thải hàng năm nhiều hơn 20 triệu tấn. Sự phức tạp của thành phần vật liệu làm lốp xe (kim loại, vải dệt và cao su lưu hóa, v.v.) về cơ bản là một thách thức đối với ngành công nghiệp tái chế, trừ khi lốp xe được đốt cháy không bền vững trong lò công nghiệp với tiêu đề “phục hồi năng lượng”.

Về phương diện xử lý lốp xe phế thải bền vững, lành mạnh với môi trường, công nghệ chuyển hóa nhiệt ngày càng trở nên quan trọng trong những năm gần đây và một số công nghệ đã chứng minh được sự trưởng thành về kinh tế và kỹ thuật. .

Nhiệt phân là một con đường nhiệt hóa để xử lý cao su lưu hóa để thu hồi các sản phẩm có giá trị. Nó liên quan đến sự phân hủy cao su ở nhiệt độ cao (400 – 900 ° C) trong điều kiện không có khí oxi. Các sản phẩm chính của quá trình nhiệt phân là một phần rắn, thường là carbon đen thô (theo ASTM D 8178); một phần chất lỏng bao gồm dầu nhẹ, dầu nặng và hắc ín; và một phần khí. [Ramirez-Canon et. al., 2018]

Quá trình phân hủy nhiệt hóa (nhiệt phân) diễn ra trong lò phản ứng (vùng phản ứng). Một sự khác biệt được thực hiện giữa các chế độ xử lý và làm đầy hàng loạt và liên tục, do đó xác định đáng kể thiết kế của lò phản ứng.

Lò phản ứng hàng loạt: Đầu tiên trong số các lò phản ứng bằng hoặc lý tưởng để nhiệt phân lốp xe?

Đầu tiên, cần đề cập rằng không chỉ có một thiết kế lò phản ứng và / hoặc chế độ xử lý tốt nhất, mà có thể xem xét các lựa chọn khác nhau tùy thuộc vào hoàn cảnh. Tuy nhiên, có những khía cạnh có thể làm cho quá trình nhiệt phân kiểu lô trở thành một quá trình liên tục cơ bản, đặc biệt là đối với quá trình xử lý nhiệt hóa của lốp xe hết tuổi thọ (ELT).

Các quy trình kiểu lô thường được đặc trưng bởi một quy trình xếp hàng hoàn thành, tiếp theo là quy trình xử lý hoàn thành và quy trình dỡ hàng tiếp theo. Vẽ trình tự này trên một trục thời gian, tại các thời điểm khác nhau có các trạng thái khác nhau (vì nồng độ vật chất trong lò phản ứng thay đổi theo thời gian). Ngược lại với điều này, với các thiết kế quy trình liên tục, vật liệu và quá trình xử lý là “trong dòng chảy”.

Điều này (định nghĩa) cũng dẫn đến kết quả thường được trích dẫn “Nhược điểm” của quy trình kiểu hàng loạt: Ví dụ: thời gian ngừng hoạt động (để tải và dỡ hàng) và hiệu quả năng lượng kém do các pha làm nóng và làm nguội. Quá trình sau có thể mất nhiều giờ trong các ứng dụng công nghiệp.

Từ cái nhìn tổng thể về một quy trình công nghiệp hiện đại, tuy nhiên, những “nhược điểm” này có thể được khắc phục bằng cách kết nối (ít nhất) hai lò phản ứng kiểu mẻ song song, được làm đầy và xả luân phiên, đồng thời duy trì nhiệt độ phản ứng trong lò (không có giai đoạn làm mát và gia nhiệt). Tất nhiên, cũng có những thách thức liên quan đến việc xả rửa hệ thống bằng khí không oxy hóa trong hoặc sau quá trình nạp và dỡ hàng, nhưng chúng có thể được làm chủ bằng công nghệ phức tạp nhưng không phức tạp.

Hệ thống nhiệt phân theo mẻ thường được coi là “hệ thống từ Châu Á” rẻ nhất, có hại cho môi trường và sức khỏe, thường sử dụng không khí mở và nguồn gia nhiệt không được lọc. Dù sao, những thứ này bị cấm ở hầu hết các quốc gia trên thế giới và không phải là chủ đề thảo luận của chúng tôi.

Trên thực tế, đã có một số khái niệm nhiệt phân ELT được thương mại hóa thành công dựa trên các lò phản ứng kiểu lô, cho phép một quy trình tổng thể gần như liên tục thông qua sự phối hợp thông minh của các quy trình đã hoàn thành riêng lẻ. Do đó, những khái niệm này cũng có thể được gọi là bán liên tục (theo đó tiêu điểm tập trung nhiều hơn vào “liên tục” trong chế độ xem tổng thể).

Ví dụ và tham khảo: Một thiết kế hiện có và thành công về mặt thương mại bao gồm hai lò phản ứng kiểu mẻ, được nạp và xả luân phiên, tự động và luôn được giữ ở nhiệt độ quy trình. Máy khuấy trộn mạnh điện tích, do đó tăng cường tốc độ truyền nhiệt và giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ bên trong lò phản ứng. Những khía cạnh này dẫn đến tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm thời gian và ít căng thẳng hơn trên thành lò phản ứng cùng một lúc. Ngược lại, theo cách này, chỉ với hai lò phản ứng 20 để 22 chu kỳ đầy đủ có thể được hoàn thành trong 24 giờ. Với hơn 24 tấn mỗi ngày (10, 000 tấn lốp mỗi năm), hệ thống này dường như không thua kém gì một lò quay phức tạp hơn nhưng hoạt động liên tục hoặc hệ thống trục vít Auger.

Chỉ để đặt tên cho một khái niệm hàng loạt không được khuyến khích làm tài liệu tham khảo (công ty này gần đây đã nộp đơn phá sản ở Hoa Kỳ và ở Đức): Dự án này bao gồm 20 lò phản ứng mẻ (!), trong đó mỗi lò phản ứng đo được khoảng 5m chiều cao và có đường kính trong khoảng 2 m (tương ứng với thể tích khoảng 16 m3 cho mỗi lò phản ứng). Công suất hàng năm lẽ ra phải là 40, 000 hàng tấn lốp xe phế thải. Có nghĩa là công suất của mỗi lò phản ứng khổng lồ này sẽ chỉ từ 5 đến 6 tấn / ngày. Công suất thấp này là do nhu cầu nạp thủ công (!) Của giỏ nguyên liệu và thời gian làm nóng, phản ứng và làm mát cực kỳ dài (lên đến 14 tổng cộng là giờ). Chúng tôi sẽ không chú ý thêm đến khái niệm đắt tiền và thất bại này nếu nó không ném những tia sáng tiêu cực gián tiếp vào các khái niệm bán liên tục hiện đại và thành công do sự hiện diện trên báo chí hiện nay của nó.

Các quy trình dựa trên lô đã được sử dụng trong cả các nhà máy lọc dầu và công nghiệp hóa chất trong một thời gian dài. Và có những lý lẽ xác đáng để chú ý nhiều hơn đến những điều này trong quá trình xử lý nhiệt hóa của lốp xe hết tuổi thọ.

Khái niệm nhiệt phân lốp bán liên tục theo lô: kiểm soát quá trình tốt hơn

Rõ ràng là quá trình nhiệt phân rất nhạy cảm với thành phần nguyên liệu và các điều kiện áp dụng của nhiệt độ (T), tốc độ gia nhiệt (HR), tốc độ dòng chảy khối lượng (FR) hoặc tải, v.v. Sự suy giảm nhiệt hành vi, cũng như các thông số động học, thay đổi theo sự thay đổi của tài nguyên lốp thải tùy thuộc vào nhà sản xuất và thành phần hóa học độc quyền của họ. [QUEK et.al., 2012]

Lốp xe bao gồm khoảng 60% m / m vật liệu có thể phân hủy là cao su tổng hợp (CBR, SBR và BR), cao su tự nhiên (NR), chất bôi trơn, chất chống oxy hóa và chất hóa dẻo. Phần còn lại 40% m / m là các hợp chất không thể phân hủy dưới dạng Carbon Black (CB ), Oxit kẽm (ZnO), canxi cacbonat (CaCO3), silica (SiO2), thép và các chất phụ gia nhỏ khác, tất cả đều được thu hồi dưới dạng chất rắn.

Sự phân huỷ (nhiệt phân) diễn ra chủ yếu đối với các hợp chất cao su. Các quá trình này rất bị can thiệp và chồng chéo với nhau. Ngoài ra, quá trình nhiệt phân của tất cả các cao su trong lốp xe diễn ra song song cùng một lúc. [GONZALES et.al., 2001]

Sản phẩm tức thời của sự xuống cấp này là một loại khí mà phần lớn ngưng tụ thành dầu có đặc tính nhiên liệu rộng [WILLIAMS et.al., 2010] hoặc làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất.

Điều này cho thấy rõ tầm quan trọng của việc xác định chính xác định lượng cao su trong lốp xe. Tuy nhiên, vì thành phần hóa học chính xác của việc vận chuyển lốp thải không thể dễ dàng xác định trong thực tế, nên thời điểm phân hủy nhiệt hoàn thành phải được xác định càng chính xác càng tốt trong một quá trình nhiệt phân đang diễn ra.

Thời điểm này đạt được khi tất cả các thành phần dễ bay hơi đã được chiết xuất khỏi phần rắn. Đơn giản hóa: khi muội than thô ở trạng thái “khô”. Nếu không đúng như vậy thì quá trình nhiệt phân chưa hoàn thành và cần thêm thời gian phản ứng hoặc nhiệt độ cao hơn. [LOPEZ et. al., 2010]

Một cách tương đối đơn giản để xác định thời điểm chính xác là đo lưu lượng khí: nếu không còn khí thoát ra từ vật liệu, quá trình nhiệt phân có thể được coi là kết thúc. Tuy nhiên, thước đo đơn giản này không thể được áp dụng cho các mô hình lò phản ứng tích điện liên tục, vì có dòng vật chất không bị gián đoạn trong lò phản ứng và khí luôn được tạo ra (không có biên độ lớn) ở nhiệt độ phản ứng không đổi.

Mặt khác, trong trường hợp lò phản ứng tự động điền theo lô, chỉ số này có thể được sử dụng tương đối dễ dàng để xác định kết thúc của quá trình nhiệt phân, vì đây là một quá trình khép kín với Lượng nguyên liệu xác định (lô).

Tất nhiên, các thông số quá trình chính xác (ví dụ: thời gian lưu trú) cũng có thể được kiểm tra bằng cách phân tích carbon đen thô đối với các lò phản ứng được tích điện liên tục – nhưng chỉ định kỳ và sau đó.

Khía cạnh này cho thấy rằng các lò phản ứng bán liên tục dựa trên lô hiện đại có thể rất linh hoạt về độ chính xác kiểm soát quá trình được yêu cầu do sự không đồng nhất nhất định của thành phần vật liệu của lốp xe hết tuổi thọ. Ngoài ra, một thiết kế quy trình chính xác với một số lò phản ứng dẫn đến một chuỗi quy trình tổng thể bán liên tục, không thua kém gì một biến thể quy trình phức tạp hơn về mặt kỹ thuật (và kém linh hoạt hơn về chất lượng nguyên liệu) với các lò phản ứng tích điện liên tục.

Khái niệm nhiệt phân lốp bán liên tục theo lô: tuổi thọ dài hơn và an toàn hơn

Các lò phản ứng liên tục hoạt động như lò phản ứng Rotary và lò phản ứng Auger đã và đang bao phủ nhiều lĩnh vực công nghiệp ứng dụng trong nhiều thập kỷ. Chúng đã được thử và kiểm tra và là sản phẩm tiên tiến nhất. Điều này cũng áp dụng cho các khái niệm lò phản ứng dựa trên lô.

Tuy nhiên, có những khác biệt liên quan đến xây dựng ảnh hưởng đến tuổi thọ, chu kỳ bảo trì (và chi phí) và An toàn vận hành.

Nói một cách dễ hiểu, tất cả các thiết kế lò phản ứng thông thường (trừ khi chúng được đốt nóng bằng điện) đều bao gồm hai ống hình trụ. Quá trình nhiệt phân diễn ra trong lòng ống. Khí thải chảy trong không gian giữa ống trong và ống ngoài và đốt nóng vùng phản ứng trong ống trong đến nhiệt độ xử lý.

Vì hai ống này bất động trong Lò phản ứng Auger và Batch, có một nỗ lực làm kín tương đối thấp hơn (chống lại sự chảy ra của khí thải) so với thiết kế lò quay. Trong trường hợp thứ hai, ống bên trong, nặng vài tấn, quay, và do đó gây ra nỗ lực niêm phong cao hơn đáng kể và đầy thách thức giữa các bộ phận chuyển động và không chuyển động.

Quá trình nhiệt phân diễn ra trong môi trường không có oxy (nếu không sẽ là sự đốt cháy). Điều này có nghĩa là ống bên trong (lò phản ứng thực tế) phải được bịt kín một cách đáng tin cậy để chống lại sự xâm nhập của oxy từ bên ngoài. Để ngăn ôxy xâm nhập trong trường hợp niêm phong bị rò rỉ, bên trong lò phản ứng có thể được vận hành dưới áp suất dương. Điều này có nhược điểm là khí độc nhiệt phân thoát ra môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố. Ngoài ra, lò phản ứng cũng có thể được vận hành với áp suất âm nhẹ, điều này ngăn không cho các khí nhiệt phân thoát ra ngoài, nhưng sẽ khiến oxy trong khí quyển bị hút vào và dẫn đến một bầu không khí nổ trong lò phản ứng. Ở đây, những ưu điểm về cấu trúc của thiết kế lò phản ứng với càng ít bộ phận chuyển động càng tốt trở nên minh bạch, điều này nói lên rõ ràng có lợi cho Auger cố định hoặc một lò phản ứng mẻ (trong cả hai trường hợp, chỉ một trục quay phải được bịt kín: đối với vít hoặc một máy khuấy).

Do đó, có thể giả định rằng, từ quan điểm về khả năng làm kín dễ dàng hơn, hoạt động của một Auger hoặc một lò phản ứng mẻ có thể về nguyên tắc được vận hành an toàn hơn so với lò phản ứng quay.

Mặc dù hợp kim thép hiện đại có thể chịu được đùn Điều kiện eme, nhiệt độ dao động bất lợi trong trung hạn và làm vật liệu yếu đi. Vì các lò phản ứng được sạc liên tục (lò quay và máy khoan), ngoài việc bảo trì và / hoặc tắt khẩn cấp, luôn được giữ ở nhiệt độ quy trình, đây sẽ là một lợi thế về tuổi thọ sử dụng, vì không có (nhiều) hệ thống sưởi hàng ngày và giai đoạn làm mát.

Một hệ thống bán liên tục dựa trên lò phản ứng theo mẻ thành công về mặt thương mại đã chỉ ra rõ ràng rằng lò phản ứng theo mẻ cũng có thể được vận hành mà không cần những vật liệu này làm giảm sức căng -đôi khi vẫn tồn tại vĩnh viễn ở nhiệt độ quy trình.

Kết luận

Tóm lại, có thể nói rằng hệ thống nhiệt phân lốp bán liên tục theo lô sau đó có thể khai thác lợi thế của “cả hai thế giới” (và thậm chí hơn thế nữa), nếu

  1. tải và dỡ vật liệu được tự động hóa,
  2. điểm cuối hoàn thành sự phân hủy có thể được phát hiện vĩnh viễn bằng cách đo dòng khí nhiệt phân (và quá trình d cường độ có thể được điều chỉnh liên tục),
  3. các lò phản ứng hàng loạt không tiếp xúc với bất kỳ thời gian ngừng hoạt động nào và liên tục được giữ ở nhiệt độ phản ứng,
  4. và thời gian của các quá trình riêng lẻ có như vậy các khoảng thời gian ngắn mà chế độ xem tổng thể dẫn đến một dòng sản phẩm liên tục.

Weibold Consulting

Bài viết liên quan

Back to top button