T/CI 021-2021 连续回转式废轮胎裂解反应器设计准则

内容简介

本文件规定了以废弃轮胎为原料，采用热裂解方法以实现固体废弃物资源化回收利用的高效反应器设计规定的术语和定义、技术要求
本文件适用于破碎的废轮胎颗粒等固体废弃物高效裂解回转窑反应器的设计和优化改造
3.1废轮胎（wastetyre）失去了原有的使用价值，且不能翻修继续使用的轮胎。3.2废轮胎热裂解（pyrolysisofwastetyre）废轮胎在缺氧或惰性气体环境中通过加热进行裂解反应，生产废轮胎再生油、热裂解再生炭黑、热裂解回收钢丝、不凝可燃气的工艺过程。3.3热裂解再生炭黑（pyrolysisrecoveredcarbonblack）废轮胎热裂解产生的富含炭黑的固态产物。3.4连续回转式废轮胎裂解反应器设计准则（Designcriteriaforcontinuousrotarykilnwastetyrepyrolysisreactor）采用热裂解方法对废轮胎进行高效裂解的回转窑反应器设计和优化改造的统称。3.5有效长径比（effectiveaspectratio）回转窑裂解反应器的有效长度与有效直径的比值。4　技术要求反应器主体有效长径比的设计计算（一）废轮胎裂解程度分析废轮胎裂解转化率，是指废轮胎因受热发生分解反应的质量与物料未发生反应前质量的比值。由于是废轮胎发生分解反应引起的变化，所以裂解转化率主要与裂解反应密切相关的因素，如裂解温度和反应时间等有关。由于不同种类的废轮胎其橡胶组成配方存在一定的差异，需要选用最佳的裂解温度对废轮胎进行裂解。最佳裂解温度的选取可采用热重分析方法，对废轮胎原料的在不同温度和时间情况下的裂解转化率进行分析，以确定最佳的裂解温度和合适的裂解时间。废轮胎裂解程度，不同于单个微小颗粒的热重分析，废轮胎在反应器内的裂解过程所涉及的传热传质情况更复杂。对废轮胎在反应器内的裂解程度分析需要更宏观。通过大量的实验研究发现，以废轮胎裂解固体产物的品质对其裂解程度进行综合评价是一种行之有效的分析评价方法。所涉及固体产物的品质具体包括：固体产物的热重分析、炭黑性质分析、工业分析和微观结构分析。废轮胎裂解所得固体产物的热重分析，由于废轮胎充分裂解后将不再发生质量变化，因此，以废轮胎在不同裂解时间条件下所得固体产物的热重分析结果来判断废轮胎的裂解程度是可行的。具体有以下计算公式：（4-1）其中，m0为废轮胎裂解后固体产物的初始质量，单位g；m为固体产物热失重后剩余质量，单位g。废轮胎裂解所得固体产物的炭黑性质分析，主要包括吸碘值，DBP吸收值，氮吸附比表面积，甲苯析出物透光率，125°C加热减量和825°C灰分等裂解炭黑性质方面的测试。以上测试的项目均采用GB/T3780中规定的方法进行。废轮胎裂解所得固体产物的工业分析，主要包括水分，灰分，挥发分，固定碳等方面的测试。以上测试的项目均采用GB/T212-2008中规定的方法进行。废轮胎裂解所得固体产物的微观结构分析，主要采用断层扫描电镜分析方法对固体产物内部的微观形貌进行表征，以辅助分析废轮胎内部的裂解情况。（二）反应器主体有效长度的设计计算随着裂解时间的增加，废轮胎的裂解程度逐渐加深，通过实验研究发现废轮胎裂解程度与裂解时间满足如图1所示的关系：图1废轮胎裂解程度随裂解时间变化规律即废轮胎裂解程度与裂解时间基本满足以下公式：（4-2）式中φ为废轮胎裂解程度，单位%；t为废轮胎裂解时间，单位min。拟合的相关系数达到了0.996。根据回转窑裂解反应器的结构特殊性，废轮胎裂解不同时间所需要的反应器长度满足以下经验公式：（4-3）式中d为反应器内壁面上螺纹间距，单位m；ω为回转窑反应器转速，单位r/min；t为裂解反应所需时间，单位min。需要说明的是，原料的组成不同会影响裂解反应过程，这里提供的是一种研究废轮胎裂解程度与裂解时间关系的方法，涉及到具体原料时，应根据本设计准则的方法进行校正实验，根据实验结果和具体工程需要的结构参数，重新对反应器主体有效长度进行设计计算。（三）反应器主体有效直径的设计计算合适的填充度可以确保反应器产量，填充度过大，废轮胎需要更长的裂解时间，在有限的加热长度内容易裂解不充分；填充度过小，产量将急剧下降。为了提高产能，回转窑反应器的填充度一般控制在10~20%。回转窑反应器的单位表面积产量计算公式如下：（4-4）式中mF为回转窑反应器单位表面积产量，单位为kg/m2·h；G为回转窑反应器处理量，单位kg/h；D为回转窑反应器直径，单位为m；L为回转窑反应器长度，单位为m。回转窑反应器的单位容积产量计算公式如下：（4-5）式中：mV为回转窑反应器单位容积产量，单位为kg/m3·h。在填充度一定的情况下，根据产能需求，回转窑反应器的直径设计计算公式如下：（4-6）需要说明的是，反应器主体的有效直径主要影响反应器内径向温差和处理量，通常情况下，反应器直径小于1.2m时，反应器内径向温差一般不超过20℃，可以忽略直径变化对径向温度的影响。在填充度一定的情况下，可以根据反应器处理量和废轮胎物性参数计算出所需反应器直径。5　基本参数5.1裂解时间废轮胎在反应器内的停留时间由裂解程度决定，并与反应器的转速、结构及物料自然倾角等因素有关，按下列公式计算。反应器内无抄板物料停留时间t1按下式计算：（5-1）式中t1为物料停留时间，单位min；L为反应器长度，单位m；Di为反应器内径，单位m；θ为物料的自然倾角，单位°；n为反应器转速，单位r/min。反应器内有螺旋叶片物料停留时间t2按下式计算：（5-2）式中t3为废轮胎停留时间，单位min；η为废轮胎裂解程度，由式4-1计算；d为螺旋叶片间距，单位mm;L、n含义与式（5-1）相同。5.2填充系数在垂直轴向的反应器内截面上，废轮胎占有的面积与反应器内截面的比值为填充系数。一般填充系数取0.1~0.2，不超过0.25。如处理量已确定，也可以用式（5-4）计算填充系数，若计算所得的填充系数偏低或偏高，可适当调节反应器尺寸并重新计算。（5-3）式中f为填充系数；k1为结构影响系数，反应器内无抄板等内构件时，取k1=1.0；反应器内有抄板时，取k1=1.1~1.2。G为处理量，单位kg/h；ρ为废轮胎密度，单位kg/m3；L为反应器长度，单位m；Di为反应器内径，单位m；t1为物料停留时间，单位min。5.3转速反应器的转速范围一般为0.4~10r/min，常用转速为1~3r/min。设计转速时应根据废轮胎在反应器内的停留时间和反应器内构件形式进行综合考虑计算，如为内螺旋结构，则只考虑螺旋叶片间距即可。此外，还要控制反应器外径圆周线速度不超过1m/s；对少数工况要求特殊的情况，在对内构件、反应器的惯性振动作特殊考虑以后，反应器的转速范围可以适当的放宽。