废轮胎热解回收中的废气综合利用

徐宗平，郭庆民

（青岛双星环保设备有限公司，山东青岛26640）

废轮胎热解回收中的废气综合利用

徐宗平，郭庆民

（青岛双星环保设备有限公司，山东青岛26640）

废轮胎热裂解以回收热解油和热解炭黑为主，热解油可作为燃料直接出售；热解炭黑经研磨、改性和造粒后可代替工业炭黑或与工业炭黑并用，可用作轮胎的生产原料；而热解后产生的不可降凝（废气）热解气富含H2，CO和碳氢化合物，是一种高热值的热源。因此，热解气是价值较高的副产品，经过不同途径充分利用，不仅可以彻底地消除废旧轮胎热解过程所产生的废气污染，其产物更可以弥补石化能源的石油液化气和天然气的不足，变废为宝。

废轮胎；热解气；高热值；循环利用

随着社会汽车保有量的快速增长，由此产生的废旧轮胎也在快速递增，全球每年产生废弃轮胎达到2 000万t以上。世界上废弃轮胎的积存量也已经达到了几十亿条，造成了巨大的黑色污染。如何把黑色垃圾变成黑色金矿，国内外废旧轮胎资源化循环利用技术已成为当今世界的重大课题。由于轮胎热裂解回收尚处初级阶段，目前热解回收企业在国内为数不多，因此产品市场前景较好，废轮胎热解回收全利用、零排放技术的实施，不仅促进了中国废旧轮胎减量化进程，而且起到了废旧资源综合利用示范作用。其社会意义更为突出。

废轮胎热裂解是指在无氧或缺氧的气氛下，利用高温使废轮胎中的有机物发生裂解，逸出挥发性产物并形成固体焦炭的一种不可逆的热化学反应[1]。在不完全热降解过程中可形成气体、液体和固体产物，采用该方法能将废轮胎完全裂解为热解油、热解炭黑和热解气体等有用产品（图1）。

作为废弃物的废旧轮胎，可通过热裂解综合利用技术，回收得到轮胎油、热解炭黑以及热解气。轮胎油通过精制可作为燃料油使用，也可直接用于燃烧；热解炭黑通过精制，已可以替代部分商用炭黑作为橡胶补强剂；热解气可用于热解物体本身，也可作为燃气用于炭黑湿法造粒干燥系统、燃气锅炉或蒸汽发电。废轮胎热解过程中的（废气）热解气综合利用，不仅可以彻底地消除废轮胎处理后所产生的污染，而且其分解产物可变废为宝，以弥补石化能源的不足。

图1 废旧轮胎热解产率描述

1 废轮胎热裂解工艺过程

热解为中低温常压或微负压热裂解（热解装置有连续式和间歇式两种），在生产过程中一般采用回转式窑炉，一是对主炉的转速进行调节，二是便于物料均匀受热。热解过程首先是增塑剂及其他有机助剂的分解，这个阶段一般150～200℃已有少量油气分解出来，但因为压力、浓度及成分原因，有时不易燃烧，可先用罗茨风机输入储气柜，当裂解温度高于250℃时，破碎的轮胎分解出液态油和气体，裂解气体经分汽包分离再经冷凝器冷凝后变为热解油，另有不可降凝的气体便为热解气。300℃时天然橡胶和合成橡胶开始裂解，废轮胎热解过程中，热解气随着温度的升高而增加，液体产物在450℃左右出现一个峰值。之后液体馏分逐步减少。为了保证固体炭黑质量，需继续升温，废轮胎热解温度一般在500℃左右裂解就基本完成。产生的热解气经油气冷凝回收系统，生成（粗轮胎油）热解油和（可燃气）热解气，热解油回收输入储油罐，热解气经水封由罗茨风机送入过渡罐，以备加热物料的窑炉或其他使用。外购天燃气、石油液化气或燃料油只在回转炉点火时使用。由于热解气具有比天然气更高的热值，一般直接作为加热物料本身使用，以便节约外购燃料，降低生产成本。废旧轮胎资源化综合利用项目工艺流程图见图2。

图2 废旧轮胎资源化综合项目工艺流程图

2 废轮胎热解产物分析

废轮胎热裂解气体冷凝后产生液态馏分为轮胎热解油。轮胎热解油主要为链烷烃、烯烃、芳香烃的混合物，因为产品主要成分是苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、二聚戊烯及三甲基萘和萘，大约43 MJ/kg的较高热值[2-4]，通过单个油滴的燃烧实验与柴油燃烧排放物比较，发现热解油具有与柴油类似的燃烧性质，可以将其整体作为燃料燃烧。将热解油与CIMAK.B10重柴油进行比较，轮胎热解油可以作为常规液体燃料，也可与重柴油混合使用以提高其雾化效果。热解油可替代部分石油原油作为燃料燃烧，经精后馏可得汽油、柴油和重油。可以在一定程度上缓解石油资源的匮乏。

废轮胎热裂解产生的粉状固体为热解炭黑。热解炭黑还原的产物就是轮胎热解后各部位炭黑的混合物[3]，正好满足轮胎加工时多种炭黑混合组成的特点。通过控制好热解终温和升温速率，再经过超细研磨、活化改性、造粒等工艺，就会得到高品质的热解炭黑，从而具有替代工业炭黑或与其共用的能力，用于轮胎制造的补强剂或填料。

热解气为废轮胎热解冷凝过程中形成的不可降凝废气，裂解气体冷凝后产生液态馏分为热解油，不凝气为热解气。热解气体富含H2，CO和碳氢化合物，其指标（气体成分、气体产率）主要受热解温度的影响，正常产率在8%左右，平均分子量在31%～32%。热解气作为废轮胎热解回收的副产品，有着较高的经济价值，是一种高热值的热源。热解气比天然气的热值要高出约50%。

天然气的主要成分是甲烷（CH4），其低位热值为35.88 MJ/Nm3。而热解气除了含有27.6%的甲烷（CH4），另含有乙烯（C2H4）低位热值为59.44 MJ/Nm3、乙烷（C2H6）低位热值为64.35 MJ/Nm3、丙烷（C3H8）低位热值为93.18MJ/Nm3，经测算热解气低位热值为50.55MJ/Nm3。热解气主要成分见表1所示。

表1 热解气中主要成分分析

3 窑炉式热裂解及热解气的循环利用

传统的窑炉式废橡胶热解工艺和装置是以燃煤加热为主，燃煤产生二氧化硫和粉尘造成环境污染，国家已严格控制使用燃煤加热，因此不适应废橡胶热解回收利用技术领域；现在热源一般为天然气、石油液化气或燃料油，主要在回转炉点火时使用，本工艺对烟气的处理采用强力雾化塔进行降温除尘净化处理，热烟气余热可连接余热锅炉充分利用，烟气净化后达到排放标准外排。

传统的燃煤废橡胶热解150℃以上会裂解出少量油气，经油气分离产生废气（不凝热解气）后，停止烧煤，再手动打开废气燃烧器继续加热物料，这样很难使热解炉内废橡胶按一定的升温速率达到热解终温要求。由于燃煤加热工艺操作繁琐不便，对升温很难控制；另外废气（不凝热解气）由于压力不稳造成燃烧器火力忽大忽小，不仅易产生异味，而且热解炉内升温速率很难控制，会影响热解炭黑结构和表面性能。热解过程中如不能按已定升温速率控制温度和热解终温，热解碳渣后处理就达不到工业炭黑产品使用要求，还会给环境造成二次污染，低品质的热解炭黑最终会影响废轮胎热解回收利用的经济性。新工艺废气（不凝气）循环利用生产已经采用节能环保式废气循环利用系统。热解气形成后用罗茨风机将其输入储气柜，气柜稳压后自动控制压力；此工艺和装置能使天然气、废气自动转换，并通过控制压力使废气符合燃烧器条件后，自动打开废气控制阀燃烧，天然气控制阀自动关闭，达到充分利用能源的目的，系统如图3所示。

图3 窑炉式废旧轮胎热解（废气）循化利用系统

4 微波式热裂解及热解气的延伸应用

节能环保式废气循环利用系统可以延伸应用于微波式热解工艺。微波热裂解利用微波作为热源，主要消耗电能。以微波为热源的废轮胎热解工艺，不凝气（废气）无法作用于废轮胎物料本身，但可延伸以下方面综合利用，见图4所示。

一是用在炭黑湿法造粒干燥工序。可以将热解气回收于储气柜，稳压后作为热风炉的热源，大约60%的热解气用于炭黑干燥。循环利用的热解气需满足热风炉的技术要求，供热量为377×104kJ/h，供热温度要求500℃（换热器输出口热空气），耗气量为118 Nm3/h（天燃气热值33 472 kJ/m3）；如果用热解气作为热源，耗气量则为79 Nm3/h（热解气热值50 208 kJ/m3）。热解气用量和热值不仅完全能够满足热风炉运行指标要求，剩余部分还可用作燃气蒸汽锅炉的热源。

二是可用于燃气（煤）蒸汽锅炉。以年处理2万t废旧轮胎的生产线进行计算分析，按热解气回收率为8%，热解气产生量160 Nm3/h计算，那么用在炭黑湿法造粒干燥热风炉耗气量为79 Nm3/h，剩余热能81 Nm3/h，完全可以供一台产蒸汽量1 t/h燃气锅炉使用。

图4 微波热解气应用工艺路线

三是用于蒸汽发电可供生产线使用，补充所需的电能。以年处理2万t废旧轮胎的生产进行计算分析，按热解气回收率为8%，热解气产生量160 Nm3/h，回收总热量8 000 MJ/h，根据燃气热能与电能换算，折合电能2 222 kW·h。按燃气发电机总效率35%计算，每小时发电量778 kW·h，年发电总量为560万kW·h。

如按每吨废轮胎热解发电量计算，气消耗量折合0.21 Nm3/kW·h，这样每吨废轮胎产生的热解气可发电量为280 kW·h/t，经济效益十分可观。

表2 燃气蒸汽锅炉计算主要技术指标

5 结语

近年来，从发达国家的情况来看，天然气已成为美国最重要的电力供应来源，2000—2012年美国天然气发电量增长了96%。2016年将是美国天然气发电量超过煤炭发电量的第一年。多年来，煤一直是美国发电的主要能量来源。2015年4月份的月度数据中[5]，天然气发电量第一次超过了煤炭发电量，2015年煤和天然气的发电份额几乎相同，根据EIA数据，煤和天然气各提供约三分之一的发电量。EIA说近期煤炭发电份额下降，天然气所占份额上升，主要是市场导向降低天然气价格，从而使天然气发电更经济更有吸引力。此外，日本70%的天然气用于发电，占其国内发电总量的28%；欧洲天然气发电比例也超过20%。作为热值比天然气高50%的废轮胎热解气，在用于蒸汽发电项目上也有着很好的前景。

[1]郭豪.废轮胎热解回收的产业现状与创新技术[J].再生资源与循环经济，2013(8)：20-21.

[2]王学锋.刘茜霞.废轮胎热解资源化研究新进展[J].化工进展，2001(10)：36-42.

[3]梁著文.烟气余热回收装置的利用[J].沿海企业与科技，2010，125(10)：111-113.

[4]黄科.废轮胎热解炭黑与工业炭黑的粒径及化学组成[J].合成橡胶工业，2005(6)：21-22.

[5]EIA.2016年美天然气发电量可能超过煤炭[EB/OL]，国际能源网.2016-03-18.

The multipurpose utilization of waste gas in waste tire pyrolysis recycling

XU Zongping,GUO Qingmin
（Qingdao Doublestar Environmental Protection Equipment Co.,Ltd.,Qingdao 266400,China）

Waste tire pyrolysis is given priority to with recycling pyrolysis oil and pyrolysis carbon black,and the pyrolysis oil can be directly sold as fuel.The pyrolysis carbon black can be used raw material for production of tires replace of industrial carbon black or with industrial carbon black after grinding,modification and granulation.And the noncondensable pyrolysis gases (waste gas)involving in rich H2,CO and hydrocarbons,it is a heat source with high calorific value.So the pyrolysis gas is a byproduct of higher value.If it can be used in different ways,not only waste gas pollution can be completely eliminated in waste tire pyrolysis process,but also can make up the inadequacy of liquefied petroleum gas and natural gas,trash to treasure.

pyrolysis gas;high calorific value;recycling

X783.3

A

1674-0912（2017）04-0034-04

2017－02－21）

徐宗平（1977-），男，山东青岛人，学士，中级工程师，总工，专业方向：机械设计。